汽油发动机台架的尾气排放处理方案TWC、DPF、DOC、SCR

汽油发动机台架的尾气排放处理方案TWC\DPF\DOC\SCR

一、汽油发动机的尾气处理系统

一般地，汽油发动机的尾气处理系统由三元催化来完成。三元催化是一种氧化催化剂，在富氧燃烧的条件下（λ在1.0附近），如图1 所示，可以将尾气中的一氧化碳（CO），碳氢（HC），和氮氧化合物（NOx）同时除去。

图1. 一个典型三元催化剂中转换效率与空燃比的关系

二、汽油发动机台架的尾气处理系统

2.1 尾气处理方式

如果发动机在台架内正常运转，λ值控制在窗口范围内，三元催化就能完成尾气处理的功能。但是台架中的发动机由于处于测试状态，很可能不能对λ值进行有效控制，或者催化剂本身工作不正常。在这种情况下，就要对发动机尾气进行特殊处理。发动机工作不正常表现在或者过于富燃（λ>1.03），或者过于稀燃（λ<0.97）。

在发动机过于富燃时，如图1所示，NOx的转换效率会很高，但HC与CO的转换效率下降。这时，三元催化本身不能完成对HC和CO的转换，需要对尾气掺氧，然后使用氧化催化剂将其去除。当发动机过于稀燃时，HC和CO的转换效率会很高，但是NOx 的转换效率会降低很多。在这种情况下，需要使用选择性催化还原（SCR）装置将其去除。

氧化催化剂的工作温度与三元催化剂基本相同，但是在使用SCR装置时，需要将尾气温度降低到300度到400度的工作区间（汽油机尾气温度在400度到900度），同时将空燃比λ值升高到1.5以上，以优化SCR的转换效率。

2.2 系统构成

图2. 汽油发动机台架的尾气处理系统

2.2.1 三元催化（TWC）

正常工作条件下，汽油发动机排出的尾气空燃比λ控制在0.97到1.03的区间内，这时，三元催化工作，将发动机排出的NOx，CO，以及HC等成分去除。

2.2.2 氧化催化剂DOC

当发动机过度富燃时，氮氧传感器NOx1检测到λ值小于0.97（氮氧传感器的前级是个λ传感器）。这时，尾气中会存在大量未燃的HC和CO. 启动风扇，并打开阀门V1控制新鲜空气的流量，使得λ值超过1.5以上，从而启动DOC，将HC和CO等成分氧化掉。

2.2.3选择性催化还原（SCR）

当发动机过度稀燃时，氮氧传感器NOx1检测到氮氧排放超标（同时λ值大于

1.03）。这时，风扇启动，并打开阀门V2控制新鲜空气的流量，使得T2读值小于400度并且大于300度，同时根据尾气流量和NOx1读值喷射尿素，通过SCR去除尾气中的NOx.

SCR催化剂包括了SCR和AMOX两部分。SCR的工作原理：尿素水解为氨气（尿素喷射系统）

（NH2）2CO+H2O→2NH3+CO2

SCR后处理反应：（SCR催化转化器）

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

4NO+O2+4NH3→4N2+6H2O

2NO2+O2+4NH3→3N2+6H2O

2.2.4 系统功能的检测

在台架尾气处理系统中，需要实时地对尾气处理系统的功能和效能进行检测，当检测到异常时需要报警，然后对异常进行处理。尾气处理系统的功能检测包括三部分：

1.传感器和执行器自身功能检测

在尾气处理系统中，当传感器（温度传感器，流量传感器，和NOx传感器等）和执行器（风机控制器，阀组控制，和尿素/还原剂计量喷射装置等）本身发生故障时，需要将故障在控制柜显示屏上显示出来，并产生警报信号。当故障排除后，要能够自动将故障信号清除。

2.催化剂效率检测

尾气处理系统还要对催化剂的效率进行检测。当发现效率异常时，要在控制柜显示屏上显示出来，并产生报警信号。当故障排除后，要能够通过控制柜的操作将故障信号清除。

3.还原剂品质检测

在SCR系统中，还原剂品质对于SCR系统的可靠性和转换效率有很重要的影响。尾气处理系统需要对还原剂的品质进行监测，发现品质问题后，要在控制柜显示屏上显示出来，并立即停止在SCR系统中喷射。当故障排除后，要能够自动将故障信号清除。

除了功能检测以外，尾气处理系统还需要进行效能检测。效能检测主要通过NOx2（见图2）传感器来进行，利用NOx2传感器的Lambda和氮氧值以及尾气流量值计算出尾气的排放量，并在控制柜中显示屏上显示出来。当效能出现问题时，要能够发送出提示报警信号。

2.4.1 、采用DPF技术去除碳烟

在本方案柴油机系统中，我们选择颗粒捕捉器（DPF）作为脱碳烟装置。DPF采用壁流式结构，可以广谱地去除碳烟颗粒。

本系统中，可选装增温系统（燃烧器），对DPF的再生处理，可根据DPF背压提示进行拆卸，手动清理，或通过离线的燃烧器进行维修再生。如果选装在线式增温系统，在DPF背压过高时，可对尾气加温通过燃烧器来自动实现运行再生的，则整个系统运行中不需要更换部件。

根据目前现场的条件，可以设置移动式增温（燃烧器）系统，配置移动式消防措施，保证消防安全的同时，又可以在不需要拆卸后处理单元情况下实现DPF再生。

2.4.2 DPF系统的再生控制

DPF系统的再生控制分为两个部分，一是碳烟的估测和再生触发，二是再生的温度控制。在我们的系统中，碳烟的估测是通过测量DPF两端的相对压力来实现的。当碳烟积累量升高的时候，DPF两端的相对压力也会随之升高。当这个相对压力超过一定值的时候，就会需要再生过程。

2.5尿素结晶问题

SCR系统中存在尿素的结晶问题，尤其是在尾气温度较低并且控制系统特性不佳的情况下。对于这个问题，在本系统中，我们采用了ADAMS高雾化（SMD 56微米）喷射系统（Bosch DeNOx 2.2的SMD是75微米）和特殊实际的多功能分解管。同时，我们还对结晶进行检测，在出现结晶的时候，系统提醒启动尾气加温功能或离线处理，对尿素结晶进行高温清除。

2.5 .1SCR前后需要有防爆泄爆及报警装置

2.5.2 燃油泄露的报警

燃料泄露的报警由NOx传感器中的氧气浓度检测和DOC两端的温度差共同来检测。氧气浓度检测

NOx传感器中的氧气浓度检测可以测出尾气中的氧含量。当有天然气泄漏的时候，即使天然气没有燃烧，由于传感器的特殊结构，也会检测到氧气浓度的降低。当检测到的氧气浓度低到一定值的时候，会触发一个报警。

2.5.3增温单元在以下几种情况下会启动：

情况1：DPF脱碳再生。一个分支的DPF控制器检测到该分支碳沉积量过高时，会触发一个DPF再生过程。在此过程中，增温单元的作用是产生高温燃气将DPF中的空气温度控制在525-575゜C，以去除DPF中的碳烟。DPF再生可以在发动机运转的时候进行（运行再生），也可以停机后运行（服务再生）。两种再生方式都是自动完成的，中间不需要人工介入。

情况2：DOC/DPF的脱硫再生。当DOC效率显著降低时，会触发一个脱硫再生。在这个再生过程中，增温单元的作用是产生高温燃气将DPF中的空气温度控制在600 - 650゜C，以去除系统中的硫化物。脱硫再生也是一个自动过程，可以在发动机运转的时候进行，也可以停机后运行。

三、汽油和汽柴油混用系统的设计：

根据交流，目前#3号试验室会存在汽、柴油试验混用的需求；如前所述，#3试验室柴油机尾气会切换入#4试验室的柴油尾气后处理，而汽油机尾气后处理，则采用三元催化器进行处理：