柴油發動機供應商結合技術應對歐盟Stage V挑戰

2021-05-13 19:03:39 hjd 5

歐盟的第五階段正在鼓勵制造商重新評估現有技術,并開發更緊湊的集成設計。


JDPS將利用新型先進的過濾器濾材和高性能催化劑以及排放控制校準技術來縮小其V型發動機的后處理系統的尺寸。

JDPS將利用新型先進的過濾器濾材和高性能催化劑以及排放控制校準技術來縮小其V型發動機的后處理系統的尺寸。


2019年,V級排放法規將在歐洲針對功率范圍在25.5至751 hp的非道路移動機械(NRMM)發動機生效。下一步-這將是世界上最嚴格的-除了以前要求的發動機排放顆粒質量(PM)限制外,還將對顆粒數(PN)進行限制。

盡管目前在美國尚無采用PN限制的計劃,但滿足Stage V所需的設計變更已經影響到一些Tier 4 Final模型,并且將來可能會產生進一步的影響。

返回DPF

許多制造商能夠在Stage IV / Tier 4 Final的小型發動機上取消柴油顆粒過濾器(DPF),從而節省了擁擠的發動機艙內的空間。隨著PN限值的加入,預計DPF將再次成為達到V級要求的必要條件。

發動機制造商為下一階段的柴油機排放法規做好準備

天納克公司先進技術–清潔空氣執行董事Frank Terres說,有必要在25.5 hp以上的發動機上配備DPF,因為從輕型汽車市場來看,只能達到要求的PN限制使用壁流式過濾器,該過濾器被認為具有最高的過濾效率(超過85%)。

“不使用DPF技術的發動機的微粒水平是V級規定所允許的兩倍,” John Deere Power Systems(JDPS)的工程經理Guixin Qun博士說“目前,DPF是唯一允許生產商滿足Stage V發動機要求的商業可用技術。”

集成包裝解決方案

將DPF重新引入現有的后處理系統中,包裝限制將是最大的挑戰之一。發動機艙內的空間已經受到限制,尤其是在較小的設備中,很難容納更多的組件。

制造商希望克服的一種方法是使用為輕型車輛引入的SDPF技術,其中選擇性催化還原(SCR)催化劑直接涂覆在DPF基材上。“與僅采用Stage SCR的系統相比,這種[柴油氧化催化劑] DOC + SDPF系統僅需要少量的額外空間,” Terres解釋說

SDPF(也稱為SCRF)系統比位于下游的SCR更靠近車輛發動機,因此能夠更快地預熱。這使得能夠更早地進行NOx轉化。

根據SCRF的制造商Johnson Matthey的說法,這些系統改善了催化劑的熱管理。它們也是苛刻的系統,因此可能需要額外的SCR /氨氣滑脫催化劑才能最大化氮氧化物(NOx)的轉化率。唐納森公司廢氣/排放工程主管加里·西蒙斯(Gary Simons)表示,這些系統會影響包裝,但通常不會影響柴油機排氣液(DEF)的混合性能。

Gui說,JDPS將利用一種新型的先進過濾器濾材和高性能催化劑以及排放控制校準技術來縮小其V型發動機的后處理系統的尺寸。這些解決方案的使用將使發動機包裝尺寸減少39%,重量減少57%。此外,緊湊型攪拌器設計將有助于提供更大的包裝靈活性和更容易的安裝。

唐納森公司廢氣/排放物開發經理Korneel De Rudder表示,在包裝方面,完全重新設計機器以實現最佳的Stage V后處理布局是很有意義的。他說:“然而,預算減少的現實迫使許多OEM廠商更新現有機器。” 這通常會導致添加額外的組件,例如DPF。

為了適應這些重新設計的限制,一些制造商正在尋求將所有必要的后處理技術組合到一個單元中。這種系統在公路卡車市場中很常見。沃爾沃卡車及其姊妹公司Mack Trucks均于2016年推出了此類系統,該系統在單個系統中包含DPF,SCR和DEF噴油器,以減少安裝空間和重量。

唐納森將在可能的情況下為客戶提供緊湊,完全集成的系統。減小其混合技術的尺寸使其能夠將所有后處理組件包裝在一個仍可用于車輛安裝的單一單元中。另外,對獨立混頻器和與DOC / DPF集成的混頻器的改進使將組件封裝在相對緊湊的模塊化系統中成為可能。

西蒙斯指出,在某些情況下(例如,對于已經使用DPF和SCR滿足第四階段要求的制造商),客戶的第五階段解決方案可能比第四階段使用的解決方案小。他說:“對于階段V,這些客戶有可能將重點放在優化催化劑尺寸上,并利用改進的混合來減小整體包裝尺寸。”

OEM可以完全重新設計機器平臺以滿足Stage V的要求,也可以從集成的單個單元選件中受益,因為體積水平將更好地證明工具成本的合理性。“但是,如果OEM將機器平臺升級到新的排放法規(沒有完全重新設計),則需要非常有創造力,以找到必要的空間來集成所有后處理組件,” De Rudder說。在那些情況下,使用多個更小尺寸的后處理組件會更有利,這些組件可實現靈活的模塊化集成。

對于大多數OEM客戶而言,階段V將意味著將額外的后處理組件添加到他們的機器中。

定制到市場

除了包裝方面的挑戰外,包括額外的零件可能還要求全球制造商針對不同的市場提供不同的設計。“在某些情況下,希望為III,IV和V階段的應用使用類似的后處理系統,它們之間唯一的變化就是催化劑含量(降級),” Simons說。

由于當前的Stage IV和US Tier 4 Final法規相對統一,這使得制造商更容易為兩個市場的客戶使用相似的設計。西蒙斯說,對于那些使用唐納森系統的系統,如果該系統經過優化可以在階段V所需的更高劑量率下運行,那么它也可以在階段III和IV下工作,而無需進一步開發。

對于75.1馬力及以上的發動機,FPT Industrial打算通過其下一代僅SCR技術HI-eSCR2 (www.oemoffhighway.com/20841622)滿足Stage V的要求該系統采用SCR過濾器(SCRoF)技術,該技術由具有交替閉合通道和SCR涂層的陶瓷基板組成。PM過濾已集成到SCR系統中,使其能夠同時滿足NOx和PM要求。

HI-eSCR2靈活設計用于輔助安裝。多達20種不同的布局解決方案可以滿足客戶不同的包裝需求。FPT表示,其系統也比市場上的其他系統小10%,這進一步有助于安裝。

此外,FPT營銷主管Federico Gaiazzi表示,從Stage IV HI-eSCR系統升級到新的HI-eSCR2不需要冷卻系統更新或車輛重新設計。他補充說,繼續提供無EGR技術將保持其燃油效率,性能,可靠性和耐用性,其先前的后處理技術將以較低的調節水平提供給發動機。排氣再循環(EGR)的缺乏意味著沒有維護或主動再生的停機時間。這也消除了對熱保護裝置的需要,否則將需要該熱保護裝置來防止主動再生的峰值溫度。

SCR進展

德·魯德(De Rudder)表示,多年來,SCR催化器技術已經得到了很大的改進,使用最先進的SCR基質可以通過小體積的催化劑可靠地實現很高的NOx轉化率。他說:“對于發動機OEM而言,這意味著減少了SCR催化劑的體積。”

Simons說,唐納森對Stage V解決方案的開發已經進行了數年,主要側重于DEF混合性能和在較小的整體包裝尺寸下的無沉積操作。

通過最大程度地增加自由噴射路徑的長度,并減少或避免任何液滴撞擊到排氣系統的內壁上,可以避免不必要的DEF分解副產物(沉積物或晶體)的積聚。對于混合,De Rudder指出,該公司一直在提供使用整體渦旋運動的系統,以增強排氣中的微觀和宏觀混合。他說:“現在,我們可以將SCR混合氣集成到SCR入口中,并且所需的空間仍比Stage IV SCR系統所需的空間小。”

大多數Stage V解決方案代表了混合技術的新高度。西蒙斯解釋說:“通常,從階段IV到階段V的過渡伴隨著發動機排出NOx的增加,這是由于EGR的減少/去除所致。” “這迫使混合性能提高,特別是在無操作沉積的情況下。

“決定混合技術的兩個最關鍵的規格是[DEF]的加料速度和背壓,”他繼續說道。“通常,需要的混合越高,為了以最佳性能(水平)運行且無沉積物,背壓就越高。使用較低的加料速度,可以簡化混合系統,并使背壓保持盡可能低的水平。”

在校準DEF定量給料算法時,減少或去除EGR可能會帶來挑戰。“無或低EGR發動機的原始NOx排放量很高,因此需要高效的SCR系統。通常,轉換率需要在96%到99%之間。” De Rudder說。“但是,在這些效率水平下,SCR催化劑上NOx轉化率的任何細微局部偏差都可能導致下游NOx傳感器讀數出現重大差異。”

NOx傳感器讀取的絕對值范圍為百萬分之10(ppm),De Rudder說,如果讀數偏離1或2 ppm,則可能會導致DEF定量算法出現重大問題。因此,SCR催化器下游的混合器在系統設計中變得越來越普遍,以確保獲得良好的NOx傳感器讀數。

Donaldson提供了對DEF結晶敏感的非碰撞渦流混合系統(避免堵塞排氣口),并提供了很高的混合性能。盡管大多數行業都使用了基于沖擊的混合器,但如今唐納森(Donaldson)看到了許多采用渦流的混合系統。De Rudder說:“有朝著更加緊湊的后處理系統發展的趨勢,并且分配給混合的體積越來越少。” “這些系統經常使用渦流來增強混合。”

西蒙斯指出:“渦流混合和下一代沖擊設計都已被提出。” “時間會證明他們是否成功。”

Terres指出,主動或被動熱管理解決方案在克服與減少或消除EGR相關的挑戰方面也將是有益的。Tenneco的此類解決方案包括低熱慣性和氣隙絕熱歧管,高效絕熱技術和微型熱單元,它們中的每一個都提供活性熱量以支持提高后處理系統的效率。他補充說:“我們還開發了高效的緊湊型混合機,可在低溫下進行尿素處理,而不會形成不希望的尿素沉積物。”



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