柴油发动机供应商结合技术应对欧盟Stage V挑战

2021-05-13 19:03:39 hjd 2

欧盟的第五阶段正在鼓励制造商重新评估现有技术,并开发更紧凑的集成设计。


JDPS将利用新型先进的过滤器滤材和高性能催化剂以及排放控制校准技术来缩小其V型发动机的后处理系统的尺寸。

JDPS将利用新型先进的过滤器滤材和高性能催化剂以及排放控制校准技术来缩小其V型发动机的后处理系统的尺寸。


2019年,V级排放法规将在欧洲针对功率范围在25.5至751 hp的非道路移动机械(NRMM)发动机生效。下一步-这将是世界上最严格的-除了以前要求的发动机排放颗粒质量(PM)限制外,还将对颗粒数(PN)进行限制。

尽管目前在美国尚无采用PN限制的计划,但满足Stage V所需的设计变更已经影响到一些Tier 4 Final模型,并且将来可能会产生进一步的影响。

返回DPF

许多制造商能够在Stage IV / Tier 4 Final的小型发动机上取消柴油颗粒过滤器(DPF),从而节省了拥挤的发动机舱内的空间。随着PN限值的加入,预计DPF将再次成为达到V级要求的必要条件。

发动机制造商为下一阶段的柴油机排放法规做好准备

天纳克公司先进技术–清洁空气执行董事Frank Terres说,有必要在25.5 hp以上的发动机上配备DPF,因为从轻型汽车市场来看,只能达到要求的PN限制使用壁流式过滤器,该过滤器被认为具有最高的过滤效率(超过85%)。

“不使用DPF技术的发动机的微粒水平是V级规定所允许的两倍,” John Deere Power Systems(JDPS)的工程经理Guixin Qun博士说“目前,DPF是唯一允许生产商满足Stage V发动机要求的商业可用技术。”

集成包装解决方案

将DPF重新引入现有的后处理系统中,包装限制将是最大的挑战之一。发动机舱内的空间已经受到限制,尤其是在较小的设备中,很难容纳更多的组件。

制造商希望克服的一种方法是使用为轻型车辆引入的SDPF技术,其中选择性催化还原(SCR)催化剂直接涂覆在DPF基材上。“与仅采用Stage SCR的系统相比,这种[柴油氧化催化剂] DOC + SDPF系统仅需要少量的额外空间,” Terres解释说

SDPF(也称为SCRF)系统比位于下游的SCR更靠近车辆发动机,因此能够更快地预热。这使得能够更早地进行NOx转化。

根据SCRF的制造商Johnson Matthey的说法,这些系统改善了催化剂的热管理。它们也是苛刻的系统,因此可能需要额外的SCR /氨气滑脱催化剂才能最大化氮氧化物(NOx)的转化率。唐纳森公司废气/排放工程主管加里·西蒙斯(Gary Simons)表示,这些系统会影响包装,但通常不会影响柴油机排气液(DEF)的混合性能。

Gui说,JDPS将利用一种新型的先进过滤器滤材和高性能催化剂以及排放控制校准技术来缩小其V型发动机的后处理系统的尺寸。这些解决方案的使用将使发动机包装尺寸减少39%,重量减少57%。此外,紧凑型搅拌器设计将有助于提供更大的包装灵活性和更容易的安装。

唐纳森公司废气/排放物开发经理Korneel De Rudder表示,在包装方面,完全重新设计机器以实现最佳的Stage V后处理布局是很有意义的。他说:“然而,预算减少的现实迫使许多OEM厂商更新现有机器。” 这通常会导致添加额外的组件,例如DPF。

为了适应这些重新设计的限制,一些制造商正在寻求将所有必要的后处理技术组合到一个单元中。这种系统在公路卡车市场中很常见。沃尔沃卡车及其姊妹公司Mack Trucks均于2016年推出了此类系统,该系统在单个系统中包含DPF,SCR和DEF喷油器,以减少安装空间和重量。

唐纳森将在可能的情况下为客户提供紧凑,完全集成的系统。减小其混合技术的尺寸使其能够将所有后处理组件包装在一个仍可用于车辆安装的单一单元中。另外,对独立混频器和与DOC / DPF集成的混频器的改进使将组件封装在相对紧凑的模块化系统中成为可能。

西蒙斯指出,在某些情况下(例如,对于已经使用DPF和SCR满足第四阶段要求的制造商),客户的第五阶段解决方案可能比第四阶段使用的解决方案小。他说:“对于阶段V,这些客户有可能将重点放在优化催化剂尺寸上,并利用改进的混合来减小整体包装尺寸。”

OEM可以完全重新设计机器平台以满足Stage V的要求,也可以从集成的单个单元选件中受益,因为体积水平将更好地证明工具成本的合理性。“但是,如果OEM将机器平台升级到新的排放法规(没有完全重新设计),则需要非常有创造力,以找到必要的空间来集成所有后处理组件,” De Rudder说。在那些情况下,使用多个更小尺寸的后处理组件会更有利,这些组件可实现灵活的模块化集成。

对于大多数OEM客户而言,阶段V将意味着将额外的后处理组件添加到他们的机器中。

定制到市场

除了包装方面的挑战外,包括额外的零件可能还要求全球制造商针对不同的市场提供不同的设计。“在某些情况下,希望为III,IV和V阶段的应用使用类似的后处理系统,它们之间唯一的变化就是催化剂含量(降级),” Simons说。

由于当前的Stage IV和US Tier 4 Final法规相对统一,这使得制造商更容易为两个市场的客户使用相似的设计。西蒙斯说,对于那些使用唐纳森系统的系统,如果该系统经过优化可以在阶段V所需的更高剂量率下运行,那么它也可以在阶段III和IV下工作,而无需进一步开发。

对于75.1马力及以上的发动机,FPT Industrial打算通过其下一代仅SCR技术HI-eSCR2 (www.oemoffhighway.com/20841622)满足Stage V的要求该系统采用SCR过滤器(SCRoF)技术,该技术由具有交替闭合通道和SCR涂层的陶瓷基板组成。PM过滤已集成到SCR系统中,使其能够同时满足NOx和PM要求。

HI-eSCR2灵活设计用于辅助安装。多达20种不同的布局解决方案可以满足客户不同的包装需求。FPT表示,其系统也比市场上的其他系统小10%,这进一步有助于安装。

此外,FPT营销主管Federico Gaiazzi表示,从Stage IV HI-eSCR系统升级到新的HI-eSCR2不需要冷却系统更新或车辆重新设计。他补充说,继续提供无EGR技术将保持其燃油效率,性能,可靠性和耐用性,其先前的后处理技术将以较低的调节水平提供给发动机。排气再循环(EGR)的缺乏意味着没有维护或主动再生的停机时间。这也消除了对热保护装置的需要,否则将需要该热保护装置来防止主动再生的峰值温度。

SCR进展

德·鲁德(De Rudder)表示,多年来,SCR催化器技术已经得到了很大的改进,使用最先进的SCR基质可以通过小体积的催化剂可靠地实现很高的NOx转化率。他说:“对于发动机OEM而言,这意味着减少了SCR催化剂的体积。”

Simons说,唐纳森对Stage V解决方案的开发已经进行了数年,主要侧重于DEF混合性能和在较小的整体包装尺寸下的无沉积操作。

通过最大程度地增加自由喷射路径的长度,并减少或避免任何液滴撞击到排气系统的内壁上,可以避免不必要的DEF分解副产物(沉积物或晶体)的积聚。对于混合,De Rudder指出,该公司一直在提供使用整体涡旋运动的系统,以增强排气中的微观和宏观混合。他说:“现在,我们可以将SCR混合气集成到SCR入口中,并且所需的空间仍比Stage IV SCR系统所需的空间小。”

大多数Stage V解决方案代表了混合技术的新高度。西蒙斯解释说:“通常,从阶段IV到阶段V的过渡伴随着发动机排出NOx的增加,这是由于EGR的减少/去除所致。” “这迫使混合性能提高,特别是在无操作沉积的情况下。

“决定混合技术的两个最关键的规格是[DEF]的加料速度和背压,”他继续说道。“通常,需要的混合越高,为了以最佳性能(水平)运行且无沉积物,背压就越高。使用较低的加料速度,可以简化混合系统,并使背压保持尽可能低的水平。”

在校准DEF定量给料算法时,减少或去除EGR可能会带来挑战。“无或低EGR发动机的原始NOx排放量很高,因此需要高效的SCR系统。通常,转换率需要在96%到99%之间。” De Rudder说。“但是,在这些效率水平下,SCR催化剂上NOx转化率的任何细微局部偏差都可能导致下游NOx传感器读数出现重大差异。”

NOx传感器读取的绝对值范围为百万分之10(ppm),De Rudder说,如果读数偏离1或2 ppm,则可能会导致DEF定量算法出现重大问题。因此,SCR催化器下游的混合器在系统设计中变得越来越普遍,以确保获得良好的NOx传感器读数。

Donaldson提供了对DEF结晶敏感的非碰撞涡流混合系统(避免堵塞排气口),并提供了很高的混合性能。尽管大多数行业都使用了基于冲击的混合器,但如今唐纳森(Donaldson)看到了许多采用涡流的混合系统。De Rudder说:“有朝着更加紧凑的后处理系统发展的趋势,并且分配给混合的体积越来越少。” “这些系统经常使用涡流来增强混合。”

西蒙斯指出:“涡流混合和下一代冲击设计都已被提出。” “时间会证明他们是否成功。”

Terres指出,主动或被动热管理解决方案在克服与减少或消除EGR相关的挑战方面也将是有益的。Tenneco的此类解决方案包括低热惯性和气隙绝热歧管,高效绝热技术和微型热单元,它们中的每一个都提供活性热量以支持提高后处理系统的效率。他补充说:“我们还开发了高效的紧凑型混合机,可在低温下进行尿素处理,而不会形成不希望的尿素沉积物。”