满足未来超低排放要求的双喷射SDPF系统性能试验研究

《ACS Omega》：Experimental Study on the Performance of a Dual-Injection SDPF System Meeting Future Ultralow-Emission Requirements

　　

未来将实施严格的柴油机排放法规。为研究满足未来排放法规的柴油机后处理技术路线，设计了一套双喷射选择性催化还原涂覆柴油颗粒捕集器（SDPF）系统，其组成为柴油氧化催化剂（DOC）+电加热催化剂（EHC）+SDPF+选择性催化还原（SCR）+氨泄漏催化剂（ASC）。通过柴油机试验台架，测试了SDPF在新鲜态、积碳态和积灰态下其出口及排气管的排放性能。结果表明，不同状态下SDPF出口排放特性存在差异。在不同SDPF状态下，除积碳样品的PN₁₀（粒径大于等于10 nm的颗粒物数量）在WHSC循环下超标外，其余所有条件均能满足欧洲第七阶段重型车排放法规。SDPF的被动再生能力弱于催化型柴油颗粒捕集器（CDPF），但可在WHTC（城乡驾驶工况）的600 s时达到碳平衡状态。双喷射SDPF系统的NO_x和NH₃排放与双喷射SCR系统相似。N₂O排放略低，而PN₁₀排放较高，但与欧7排放法规相比仍有超过50%的余量。双喷射SDPF系统的排气背压高于双喷射SCR系统。总体而言，双喷射SDPF系统具有满足未来排放法规的潜力。

柴油机凭借高功率密度、高耐久性和全生命周期低碳排放等优势，广泛应用于交通、农林机械、工程机械和国防装备等领域。随着欧洲第七阶段重型车排放法规的发布以及中国第七阶段排放法规预研的启动，未来排放限值将进一步收紧，尤其加强了对温室气体N₂O的管控。为满足日益严格的法规要求，柴油机后处理系统必须升级。现有的双喷射SCR系统（EHC+ccSCR）通过在原有国六后处理系统基础上前置ccSCR并利用EHC加热，虽具有降低排放的潜力，但ccSCR位于系统前端，易受柴油机总碳氢化合物（THC）排放影响，特别是在主动再生期间高浓度THC可能导致SCR催化剂失活。SDPF将SCR催化剂涂覆于DPF壁流式载体上，兼具SCR与DPF功能，可同时去除NO_x和颗粒物，既能发挥双喷射SCR系统的优良处理效果，又能有效避免ccSCR的THC中毒问题，同时缩减后处理系统体积，有利于整车布置。因此，研究人员设计并研究了DOC+EHC+SDPF+SCR+ASC系统，为满足未来超低排放法规的柴油机后处理技术路线提供设计思路。该研究成果发表于《ACS Omega》。

研究人员基于一台7 L直列六缸涡轮增压柴油机试验台架，搭建双喷射SDPF后处理系统，系统组成为DOC+EHC+SDPF+SCR+ASC。研究涵盖了SDPF在新鲜态、积碳态（碳载量3.5 g/L）和积灰态（灰载量3.5 g/L）下的排放性能测试，通过WHTC和WHSC循环评估系统排放水平；对比了SDPF与CDPF在相同碳载量下的被动再生性能；并在同一柴油机上对比了双喷射SDPF系统与双喷射SCR系统的NO_x转化效率、循环排放和排气背压。主要结论表明，双喷射SDPF系统除部分积碳样品的PN₁₀在WHSC下超标外，其余均能满足欧7法规；尽管其被动再生能力弱于CDPF，但仍可在特定工况达到碳平衡；与双喷射SCR系统相比，NO_x和NH₃排放相当，N₂O排放略优，PN₁₀较高但仍有较大余量，排气背压较高。总体而言，该系统具有满足未来排放法规的潜力。

关键技术方法方面，研究人员在柴油机台架上利用AVL AMA i60采集NO_x，AVL FTIR i60采集NH₃、N₂O和NO₂，HORIBA MEXA-2000SPCS采集PN₁₀。通过WHTC（冷态WHTC-C和热态WHTC-H）和WHSC循环测试排放性能；通过对比SDPF和CDPF在相同前端DOC、相同碳载量下的压力降变化，评估被动再生性能；通过设置相同空速和NH₃/NO_x比例，比较SDPF与ccSCR的单点NO_x转化效率；通过外特性试验测试比较两套系统的排气背压、功率和经济性。SDPF催化涂覆量为100 g/L，SCR为180 g/L，两套系统其余催化单元相同。

### 3.1 不同运行状态下SDPF出口排放性能

通过WHTC-C、WHTC-H和WHSC循环测试，研究人员发现，在WHTC-C条件下，从新鲜态到积碳态、积灰态，SDPF出口NO_x排放逐渐降低，NH₃排放逐渐升高，积灰态尤为明显。原因在于碳烟和灰分覆盖SCR催化剂活性位，影响NH₃吸附，导致NO_x传感器交叉敏感，将泄漏NH₃误判为NO_x，从而增加尿素喷射，使NO_x降低但NH₃升高。N₂O排放呈现类似趋势。在WHTC-H和WHSC条件下，各状态差异不显著。

### 3.2 不同SDPF状态下柴油机排气排放性能

采用DOC+EHC+SDPF+SCR+ASC系统后，各SDPF状态下的NO_x排放均较低且差异不大，满足欧7限值（200 mg/kWh）并有较大余量。NH₃排放整体较低，积碳态稍高，但WHSC下仍比60 mg/kWh的限值有约65%的余量。N₂O排放除WHSC下积灰态略高外，其余差异不大，这与积灰态较高的NO₂/NO_x比例及高温NH₃氧化有关。PN₁₀排放方面，WHSC下积碳态超标（限值6×10¹¹ #/kWh），其余情况均有约50%余量。积碳态超标是因为高温下被动再生将大颗粒碳烟破碎为细颗粒，导致PN₁₀升高。

### 3.3 SDPF被动再生性能验证

通过对比相同碳载量（3.5 g/L）的SDPF和CDPF在WHTC中间600 s（城乡工况）和后600 s（高速工况）运行后的压力降变化，研究人员发现，在城乡工况下两者均能达到碳平衡，压力降基本不变；在高速工况下，CDPF约120 min达到碳平衡，而SDPF约350 min才达到。这表明SDPF的被动再生能力弱于CDPF，原因是SDPF内SCR反应消耗NO₂，影响了碳烟被动再生反应（C+2NO₂→CO₂+2NO）。但SDPF仍能实现碳平衡，具有实际应用潜力。

### 3.4 双喷射SDPF系统与双喷射SCR系统性能对比

#### 3.4.1 SDPF与ccSCR的NO_x转化效率对比

在空速10000 m³/(m³·h)、NH₃/NO_x=1.2的单点测试中，250 °C以下SDPF的NO_x转化效率显著低于ccSCR，因为SDPF涂覆量较低；250 °C以上两者逐渐接近，进入高效窗口后低涂覆量的负面影响减弱。

#### 3.4.2 循环排放对比

在ECU控制策略一致的前提下，双喷射SDPF系统与双喷射SCR系统的NO_x和NH₃排放相似；SDPF系统的N₂O排放略低，PN₁₀排放较高，但整体仍比欧7限值有超过50%的余量。这得益于EHC使后处理温度快速升高，弥补了SDPF低温转化效率较低的不足。

#### 3.4.3 排气背压对比

外特性试验表明，双喷射SDPF系统的排气背压随转速升高逐渐超过双喷射SCR系统，在额定功率点差值最大。背压升高导致柴油机高速工况下功率略有下降，油耗变化是进气量减少所致。若需维持相同功率，需增加喷油量。

讨论部分指出，SDPF的碳烟沉积和灰分积累会覆盖催化剂活性位，影响NH₃吸附和NO_x转化，实际应用中可在SDPF后增加ASC单元来缓解NO_x传感器交叉敏感问题。针对PN₁₀超标风险，可通过引入金属氧化物降低被动再生温度或优化DOC提高NO₂含量，并研究碳烟在载体多孔介质内的沉积规律以提升过滤效率。

研究结论如下：第一，从新鲜态到积碳态和积灰态，SDPF出口NO_x排放逐渐下降，NH₃排放持续增加，积灰态尤其显著；仅WHTC-C下老化SDPF的N₂O排放高于新鲜态，WHTC-H和WHSC下各状态无明显差异。第二，采用DOC+EHC+SDPF+SCR+ASC系统后，除WHSC下积碳样品PN₁₀超标外，其余测试均满足欧洲第七阶段重型车排放法规限值。第三，尽管SDPF的被动再生能力劣于CDPF，但能在WHTC中间600 s（城乡驾驶工况）达到碳平衡状态。第四，双喷射SDPF系统的NO_x和NH₃排放与双喷射SCR系统相当，N₂O性能略好，PN₁₀较高但仍保持超过50%的安全余量；虽然排气背压较高，但综合考虑排放结果，双喷射SDPF系统仍具有满足未来排放法规的潜力。