后处理集成之路面临几道坎儿?
http://www.chinaimnet.com 2021-02-22 13:12:32 全国产经平台
  自国四排放标准实施以来,后处理系统已成为柴油车尾气污染控制的必备装置。尤其是在国六阶段,更为严苛的排放限值要求,给我国柴油车污染物排放控制带来巨大挑战。对于后处理系统的性能、耦合,以及后处理与整车的系统集成提出了更高要求。
 
  如今,重型车国六标准日益临近,后处理系统行业该如何做出应对?后处理系统的集成排布,是否符合行业的发展趋势?
 
  后处理系统集成一体化是发展趋势
 
  相较于国四、国五排放标准,国六阶段对PM、NOx、CO和HC排放提出了更为严苛的要求,这也导致仅配装SCR或POC系统的车辆无法达到国六排放标准。为此,很多供应商针对后处理系统进行了设计优化,并采用了全新结构。
 
  目前来看,国六后处理系统采用的主流技术路线是DOC+DPF+SCR+ASC,即先通过氧化催化器(DOC),降低尾气中的CO和HC,再利用颗粒捕捉器(DPF)降低尾气中的颗粒物,最后通过选择性催化还原器(SCR)降低尾气中的NOx,而氨逃逸催化器(ASC)一般安装在SCR后端,在载体内壁使用贵金属等催化剂涂层,用于还原废气中的氨。这一系列操作,可有效减少尾气中有害排放物的含量。
 
  “开发国六后处理系统时,供应商不仅要结合排放限值的要求,还要考虑如何对增加的配置进行合理布局。”天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室副主任姚春德指出,随着排放标准的不断升级,后处理系统集成一体化的趋势愈发明显。
 
  姚春德进一步介绍,后处理系统走向集成化的原因主要有以下三个方面:一是柴油车作为运输工具,留给后处理系统的装置空间有限。因此,为了节约空间,后处理系统的结构需要根据整车布置进行改进;二是在尾气进入后处理系统后,会进行一系列氧化催化还原反应,这个过程对温度的要求较高,需要部件之间保持紧凑距离。比如,SCR系统的催化还原,需要借助DPF过滤过程中的余热来提高排气温度,进而保障系统的正常工作;三是后处理系统的开发需要适应市场需求进行低成本设计,从一定程度上来讲,集成式后处理系统更省材料、更节约成本。
 
  对此,多位业内专家也持有相同观点。在山东省汽车行业协会副会长兼秘书长谭秀卿看来,集成式后处理系统不仅能够节约空间和成本,还有利于提高装置的安装效率,是行业当下以及未来的发展趋势。
 
  集成式后处理系统尚存技术难点
 
  无疑,从整车布置空间和低成本要求等层面考虑,集成式后处理系统更具优势。不过,有业内人士指出,想要实现国六后处理系统集成,需要从总成耐久性、保温性、总成背压、NVH性能、集成化布置、流速均匀性、尿素结晶等多维度综合考虑。尤其是当后处理系统内部集成更多装置时,会对产品自身的可靠性、安全性以及后续的维修保养提出更多挑战。
 
  “按照整车制造商的要求,我们会根据测算数据,对后处理系统进行整体结构设计。”在接受记者采访时,无锡威孚力达催化净化器有限责任公司市场营销部客户经理徐海兵告诉记者,一般企业开发后处理系统时,主要会聚焦产品能否满足排放标准,以及关注市场终端对于产品价格的接受程度,而对于产品安全性方面的考量确实有所欠缺。同时,相比分布式后处理系统,集成式产品的后续维修保养成本更高,一旦某个部件出现问题,很可能需要更换整个系统。
 
  “在后处理系统进行氧化还原的过程中,DPF是最容易出现问题的部件。”姚春德介绍说,在国六阶段,车辆对于燃油、润滑油的清洁度和含硫量要求非常高,如果用户使用不合规的油品,会导致DPF堵塞,进而影响整个后处理系统的氧化、还原效果。另外,由于在集成式后处理系统中,DPF和其他部件是串联关系,很容易造成“一堵全堵”的情况出现,所以需要更加精确地控制DPF的过滤量,对于其再生功能及时进行技术性干预。
 
  对此,某品牌后处理系统研发技术人员表示,尽管后处理系统的集成技术相对成熟,但在特殊工况或无法加注符合标准油品的情况下,后处理系统仍有可能出现“一堵全堵”的问题。事实上,在国四、国五阶段,类似的故障也比比皆是,这表明在排放标准不断升级的背景下,后处理厂商需要加强研发创新和技术储备,并且做好成本控制以及产品的充分验证。
 
  除了技术难点亟待突破,集成式后处理系统易安装、易拆卸的特性,也给运输从业者增添了很多烦恼。记者了解到,由于国六后处理系统单价高,其中一些部件以贵金属作为催化剂涂层,且提炼难度不大,很容易进行后续加工,这给了不法分子可乘之机。自国六排放标准实施以来,偷窃后处理系统的案件频发,严重损害了卡车司机的利益。
 
  对此,徐海兵表示:“从研发角度来看,厂商可以在设计产品时,提供多种防丢失措施。除了可以通过加固硬件防范,还可以在后处理系统上安装触摸式传感器。一旦有异常触碰,传感器便可及时将信息传送到系统平台,触发被动报警。这样一来,后处理系统丢失率将会大大降低。”
 
  在姚春德看来,想要从根本上防范后处理系统被盗,相关企业需要不断提升技术水平、突破技术瓶颈,进一步减少催化剂中的贵金属含量,或者使用钙钛矿等价值不高的替代资源。另外,从节能减排的角度来看,柴油+甲醇的技术路线可能更符合中国国情,也可以直接避免因为需要安装后处理系统而带来的问题。
 
  未来市场增量可观技术、成本是核心竞争力
 
  随着国六排放标准的逐步实施,后处理市场将迎来新的发展机遇。不过,机遇往往伴随着挑战,这块“大蛋糕”已经成为零部件企业的必争之地。
 
  据了解,康明斯、银轮股份、威孚高科、贵研铂业、艾可蓝等国内外企业均已积极布局,完成了相关的技术储备,以抢占国六后处理市场份额;自主零部件企业正向市场领军企业发起冲击。不过,与外资企业相比,自主企业在后处理产能、技术研发等方面仍有差距。
 
  “由于技术领先和品牌影响力大,跨国零部件公司在国内柴油车后处理领域占有较大的份额。而在燃气车领域,国内后处理厂商与跨国公司的市场份额比例各半。”徐海兵告诉记者,现在博世、康明斯等跨国公司创新性地推出了U型后处理系统。相比而言,U型后处理系统更具技术先进性,不仅能够有效应对排放升级,还具有出入口布置灵活、安装方式多样化,且更容易快速与整车集成等优势。
 
  “基于U型后处理系统的优势,不少整车企业已开始要求国内后处理厂商跟进开发。”徐海兵表示,在激烈的市场竞争中,国内自主企业需要静下心来攻坚克难,做好产品的自主研发以及成本控制,进一步解决后处理系统集成过程中存在的问题,只有不断地自我完善,才能形成核心竞争力。
 
  详解后处理技术升级之路
 
  随着排放标准的快速升级,后处理技术路线也在不断变革完善。那么,经过多年发展,柴油车后处理系统到底有了哪些变化?本文将对此进行详细梳理。
 
  国三国四阶段:EGR、SCR初露头角
 
  从排放升级的进程来看,国一到国三阶段,降低尾气排放污染物的关键在于优化燃油喷射系统;而国三到国四阶段,EGR、SCR系统开始出现在大众视野,并逐渐成为排放升级的必备配置。
 
  相较于国三排放标准,国四阶段对于各项指标的限制要求均大幅加严。由于单纯通过优化喷射、改进燃烧技术等手段,已经很难满足排放标准的要求,因此在国四阶段,除发动机本体进行改造升级外,后处理系统也开始普遍应用于柴油车上。
 
  升级国四排放标准主要有两条技术路径,一种是EGR路线(EGR+DOC/POC),原理是通过控制发动机内部燃烧时的温度,从而抑制NOx的生成,然后在尾气后处理过程中吸收PM。另一种是SCR路线,它通过使柴油机完成最大限度的燃烧而减少PM的生成,再将尾气还原成无污染气体,这种路线需要添加催化剂,就是业内所熟知的车用尿素。
 
  在轻卡市场中,考虑到成本和装置空间等因素,应用EGR路线的车型占大多数。而在中重型柴油车领域,SCR则是主要技术路线,且被认为是未来国内柴油机排放升级的技术方向。
 
  在国四阶段,相比并行的EGR路线,SCR技术在燃油消耗、减排稳定性、未来技术提升空间等方面均有一定优势。不过,由于SCR技术在国内市场初露头角,该系统转化效率只能达到70%~80%,而且由传感器故障和尿素结晶导致的系统堵塞问题,也曾一度让用户和厂家吃了不少苦。
 
  国五阶段:SCR批量应用
 
  国五时代到来后,SCR技术依然是主流路线。由于该技术在国四阶段已趋于成熟,升级国五排放标准只需调整技术参数,对发动机改动不大,相对开发成本较低,市场认可度进一步提升。
 
  与此同时,部分厂家也开始探索EGR技术路线(EGR+DOC+DPF)。据了解,NOx在高温富氧情况下容易生成,EGR技术就是将排出的部分废气冷却后,重新引入进气系统参与燃烧,来降低峰值燃烧温度,以此来抑制燃烧时NOx的生成。
 
  EGR+DOC+DPF的技术路线既可以满足国五阶段对于氮氧化物的限值要求,也可避免SCR系统尿素结晶带来的苦恼,同时能节省添加车用尿素的成本。不过,EGR技术路线需要改变发动机结构,而且DPF单次购买价格高,在长时间使用之后还会产生堵塞现象,需要主动再生定期清洗,所以国五阶段并没有大规模推广。
 
  国六阶段:有无EGR的技术之争
 
  进入国六阶段,由于氮氧化物和颗粒物排放限值分别加严了77%和67%,同时新增颗粒数量(PN)限值,还规定CO、HC、NH3等排放限值,因此DPF和DOC成为了必备装置,发动机和尾气后处理系统面临更高的技术升级挑战。
 
  目前,主流国六技术路线为:冷却EGR+DOC+DPF+SCR+(ASC),也有部分采用无EGR国六技术路线(DOC+DPF+SCR+ASC),即不使用外部冷却EGR,仅采用后处理系统中的高效SCR来使NOx排放达标。
 
  以EGR+DOC+DPF+SCR为代表的是最为普遍的技术路线,其中又分为高、中、低EGR三种模式。
 
  在动力性方面,低EGR对动力影响不大,但高EGR却对动力性有较大影响。由于缸内废气增多,形成的可燃混合气体就会减少,混合气体燃烧速度降低,燃烧反应速度减弱,同时缸内压力降低,最终会影响发动机的爆发力。
 
  不过,EGR路线也有它的优势,与高效SCR技术路线相比,EGR+DOC+DPF+SCR路线对SCR转化率要求不高(90%~92%),尿素消耗也相对较低,同时EGR还能降低缸内燃烧温度,使其不具备产生氮氧化物的条件,从而降低排放。
 
  无EGR路线技术难度相对更大,对标定精度和后处理要求更高,需要和高效集成式(如Hi—eSCR系统、DOC和DPF一体封装技术)后处理系统配合。另外,无EGR技术路线由于减少EGR相关组件,整体可靠性更高。同时,无EGR技术路线在动力性和经济性上也更有优势。
 
  延伸阅读——柴油机后处理系统基础知识
 
  目前,柴油车后处理系统的主要部件有:用于控制CO和HC排放的柴油机氧化催化剂(DOC)、用于控制PM排放的柴油颗粒捕集器(DPF)以及用于控制NOx排放的选择性催化还原技术(SCR)。
 
  一、DOC
 
  DOC通常以陶瓷蜂窝为基础负载催化剂,为通流式催化转化器。催化剂的活性组分一般采用贵金属铂(Pt)或钯(Pb)。DOC通常安装在柴油车后处理系统的最前端,利用贵金属组分的催化氧化作用,有效去除尾气中的CO、HC等还原性气态污染物,以及PM中的可溶性有机物(SOF);同时,DOC还可以将尾气中的NO部分氧化为NO2,为后续的DPF再生和SCR反应提供促进作用。
 
  目前关于DOC的相关研究,除了关注对CO、HC、SOF的低温起燃能力和对NO的氧化能力等催化剂活性外,催化剂的热稳定性和抗硫中毒能力也非常重要。贵金属组分在高温条件下容易发生烧结,造成活性位点损失、性能降低,其失活过程是不可逆的,燃油中含硫量过高,会导致DOC发生硫中毒,并且由于DOC的催化氧化作用,造成尾气中硫酸盐成分增加,导致PM排放升高。
 
  二、DPF
 
  DPF是当前降低柴油车PM排放最为有效的技术,能够实现90%以上的颗粒物捕集。目前,最常用的是壁流式陶瓷蜂窝捕集器,利用相邻捕集器孔道前后交替封堵,使尾气从壁面穿过,从而实现PM的截留捕集。DPF的相关研究主要集中在过滤材料和过滤体再生两项关键技术上。
 
  目前,市场上常用的DPF主要以堇青石、碳化硅和钛酸铝为过滤体材料,根据各种材料的特性而应用于不同环境。为了达到背压与捕集效率的平衡,DPF载体的设计开发非常重要,非对称结构和高孔隙率是重要研究内容。
 
  DPF的再生方式主要包括主动再生和被动再生。其中,主动再生采用喷油助燃等方式提供能量,使DPF内部温度达到PM氧化燃烧所需的温度而实现再生;被动再生利用在过滤体表面涂覆催化剂来降低PM燃烧温度,并借助DOC将NO氧化为NO2,通过NO2氧化所捕集的PM提高燃烧效率。利用催化剂涂层来实现被动再生的DPF也被称为CDPF,其催化剂的开发是重要研究热点,为了使柴油车在所有工况下都可实现DPF的可靠再生,通常需要将主动再生和被动再生结合使用。
 
  三、SCR
 
  SCR是在催化剂的作用下利用还原剂选择性地将NOx还原为N2,从而有效去除NOx。SCR技术根据还原剂的不同,又可分为氨选择性催化还原NOx(NH3-SCR)和碳氢化合物选择性催化还原NOx(HC-SCR)。
 
  SCR系统由尿素供给单元(SM)、尿素喷射单元(DM)、尿素液位温度质量传感器、尿素箱、后处理控制单元(ECU)及相应管路和线束构成。尿素NH2CONH2与H2O在高温下分解成NH3和CO2,其工作原理是将还原剂喷入排气管,排气中的氮氧化合物与NH3反应被还原成氮气和水。
 
  四、ASC
 
  ASC的作用主要是消除过量或逃逸的NH3,将NH3氧化为N2、N2O、NOx;同时,再催化NOx、NH3反应为N2。
更多行业动态
文章关键字:
版权与免责声明
秉承互联网开放、包容的精神,锁具网欢迎各方(自)媒体、机构转载、引用我们的原创内容,但请严格注明"来源:锁具网";同时,我们倡导尊重与保护知识产权,如发现本站文章存在版权问题,烦请将版权疑问、授权证明、版权证明、联系方式等,发邮件至db123@netsun.com,我们将第一时间核实、处理。

在线
客服

在线客服服务时间:8:00-17:00

客服
热线

024-83959308
网站服务热线

生意
名片

微营销
拥有自己的手机名片