歐盟的第五階段正在鼓勵(lì)制造商重新評(píng)估現(xiàn)有技術(shù)，并開(kāi)發(fā)更緊湊的集成設(shè)計(jì)。

JDPS將利用新型先進(jìn)的過(guò)濾器濾材和高性能催化劑以及排放控制校準(zhǔn)技術(shù)來(lái)縮小其V型發(fā)動(dòng)機(jī)的后處理系統(tǒng)的尺寸。

2019年，V級(jí)排放法規(guī)將在歐洲針對(duì)功率范圍在25.5至751 hp的非道路移動(dòng)機(jī)械（NRMM）發(fā)動(dòng)機(jī)生效。下一步-這將是世界上最嚴(yán)格的-除了以前要求的發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒質(zhì)量（PM）限制外，還將對(duì)顆粒數(shù)（PN）進(jìn)行限制。

盡管目前在美國(guó)尚無(wú)采用PN限制的計(jì)劃，但滿(mǎn)足Stage V所需的設(shè)計(jì)變更已經(jīng)影響到一些Tier 4 Final模型，并且將來(lái)可能會(huì)產(chǎn)生進(jìn)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(fā)動(dòng)機(jī)上取消柴油顆粒過(guò)濾器（DPF），從而節(jié)省了擁擠的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空間。隨著PN限值的加入，預(yù)計(jì)DPF將再次成為達(dá)到V級(jí)要求的必要條件。

發(fā)動(dòng)機(jī)制造商為下一階段的柴油機(jī)排放法規(guī)做好準(zhǔn)備

天納克公司先進(jìn)技術(shù)–清潔空氣執(zhí)行董事Frank Terres說(shuō)，有必要在25.5 hp以上的發(fā)動(dòng)機(jī)上配備DPF，因?yàn)閺妮p型汽車(chē)市場(chǎng)來(lái)看，只能達(dá)到要求的PN限制使用壁流式過(guò)濾器，該過(guò)濾器被認(rèn)為具有最高的過(guò)濾效率（超過(guò)85％）。

“不使用DPF技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)的微粒水平是V級(jí)規(guī)定所允許的兩倍，” John Deere Power Systems（JDPS）的工程經(jīng)理Guixin Qun博士說(shuō)。“目前，DPF是唯一允許生產(chǎn)商滿(mǎn)足Stage V發(fā)動(dòng)機(jī)要求的商業(yè)可用技術(shù)。”

集成包裝解決方案

將DPF重新引入現(xiàn)有的后處理系統(tǒng)中，包裝限制將是最大的挑戰(zhàn)之一。發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空間已經(jīng)受到限制，尤其是在較小的設(shè)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(chē)輛引入的SDPF技術(shù)，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(tǒng)相比，這種[柴油氧化催化劑] DOC + SDPF系統(tǒng)僅需要少量的額外空間，” Terres解釋說(shuō)。

SDPF（也稱(chēng)為SCRF）系統(tǒng)比位于下游的SCR更靠近車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)，因此能夠更快地預(yù)熱。這使得能夠更早地進(jìn)行NOx轉(zhuǎn)化。

根據(jù)SCRF的制造商Johnson Matthey的說(shuō)法，這些系統(tǒng)改善了催化劑的熱管理。它們也是苛刻的系統(tǒng)，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(zhuǎn)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(tǒng)會(huì)影響包裝，但通常不會(huì)影響柴油機(jī)排氣液（DEF）的混合性能。

Gui說(shuō)，JDPS將利用一種新型的先進(jìn)過(guò)濾器濾材和高性能催化劑以及排放控制校準(zhǔn)技術(shù)來(lái)縮小其V型發(fā)動(dòng)機(jī)的后處理系統(tǒng)的尺寸。這些解決方案的使用將使發(fā)動(dòng)機(jī)包裝尺寸減少39％，重量減少57％。此外，緊湊型攪拌器設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)經(jīng)理Korneel De Rudder表示，在包裝方面，完全重新設(shè)計(jì)機(jī)器以實(shí)現(xiàn)最佳的Stage V后處理布局是很有意義的。他說(shuō)：“然而，預(yù)算減少的現(xiàn)實(shí)迫使許多OEM廠(chǎng)商更新現(xiàn)有機(jī)器。” 這通常會(huì)導(dǎo)致添加額外的組件，例如DPF。

為了適應(yīng)這些重新設(shè)計(jì)的限制，一些制造商正在尋求將所有必要的后處理技術(shù)組合到一個(gè)單元中。這種系統(tǒng)在公路卡車(chē)市場(chǎng)中很常見(jiàn)。沃爾沃卡車(chē)及其姊妹公司Mack Trucks均于2016年推出了此類(lèi)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在單個(gè)系統(tǒng)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(hù)提供緊湊，完全集成的系統(tǒng)。減小其混合技術(shù)的尺寸使其能夠?qū)⑺泻筇幚斫M件包裝在一個(gè)仍可用于車(chē)輛安裝的單一單元中。另外，對(duì)獨(dú)立混頻器和與DOC / DPF集成的混頻器的改進(jìn)使將組件封裝在相對(duì)緊湊的模塊化系統(tǒng)中成為可能。

西蒙斯指出，在某些情況下（例如，對(duì)于已經(jīng)使用DPF和SCR滿(mǎn)足第四階段要求的制造商），客戶(hù)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(shuō)：“對(duì)于階段V，這些客戶(hù)有可能將重點(diǎn)放在優(yōu)化催化劑尺寸上，并利用改進(jìn)的混合來(lái)減小整體包裝尺寸。”

OEM可以完全重新設(shè)計(jì)機(jī)器平臺(tái)以滿(mǎn)足Stage V的要求，也可以從集成的單個(gè)單元選件中受益，因?yàn)轶w積水平將更好地證明工具成本的合理性。“但是，如果OEM將機(jī)器平臺(tái)升級(jí)到新的排放法規(guī)（沒(méi)有完全重新設(shè)計(jì)），則需要非常有創(chuàng)造力，以找到必要的空間來(lái)集成所有后處理組件，” De Rudder說(shuō)。在那些情況下，使用多個(gè)更小尺寸的后處理組件會(huì)更有利，這些組件可實(shí)現(xiàn)靈活的模塊化集成。

對(duì)于大多數(shù)OEM客戶(hù)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(jī)器中。

定制到市場(chǎng)

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

由于當(dāng)前的Stage IV和US Tier 4 Final法規(guī)相對(duì)統(tǒng)一，這使得制造商更容易為兩個(gè)市場(chǎng)的客戶(hù)使用相似的設(shè)計(jì)。西蒙斯說(shuō)，對(duì)于那些使用唐納森系統(tǒng)的系統(tǒng)，如果該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)優(yōu)化可以在階段V所需的更高劑量率下運(yùn)行，那么它也可以在階段III和IV下工作，而無(wú)需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

對(duì)于75.1馬力及以上的發(fā)動(dòng)機(jī)，F(xiàn)PT Industrial打算通過(guò)其下一代僅SCR技術(shù)HI-eSCR2 （www.oemoffhighway.com/20841622）滿(mǎn)足Stage V的要求。該系統(tǒng)采用SCR過(guò)濾器（SCRoF）技術(shù)，該技術(shù)由具有交替閉合通道和SCR涂層的陶瓷基板組成。PM過(guò)濾已集成到SCR系統(tǒng)中，使其能夠同時(shí)滿(mǎn)足NOx和PM要求。

HI-eSCR2靈活設(shè)計(jì)用于輔助安裝。多達(dá)20種不同的布局解決方案可以滿(mǎn)足客戶(hù)不同的包裝需求。FPT表示，其系統(tǒng)也比市場(chǎng)上的其他系統(tǒng)小10％，這進(jìn)一步有助于安裝。

此外，F(xiàn)PT營(yíng)銷(xiāo)主管Federico Gaiazzi表示，從Stage IV HI-eSCR系統(tǒng)升級(jí)到新的HI-eSCR2不需要冷卻系統(tǒng)更新或車(chē)輛重新設(shè)計(jì)。他補(bǔ)充說(shuō)，繼續(xù)提供無(wú)EGR技術(shù)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(shù)將以較低的調(diào)節(jié)水平提供給發(fā)動(dòng)機(jī)。排氣再循環(huán)（EGR）的缺乏意味著沒(méi)有維護(hù)或主動(dòng)再生的停機(jī)時(shí)間。這也消除了對(duì)熱保護(hù)裝置的需要，否則將需要該熱保護(hù)裝置來(lái)防止主動(dòng)再生的峰值溫度。

SCR進(jìn)展

德·魯?shù)拢―e Rudder）表示，多年來(lái)，SCR催化器技術(shù)已經(jīng)得到了很大的改進(jìn)，使用最先進(jìn)的SCR基質(zhì)可以通過(guò)小體積的催化劑可靠地實(shí)現(xiàn)很高的NOx轉(zhuǎn)化率。他說(shuō)：“對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)OEM而言，這意味著減少了SCR催化劑的體積。”

Simons說(shuō)，唐納森對(duì)Stage V解決方案的開(kāi)發(fā)已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)年，主要側(cè)重于DEF混合性能和在較小的整體包裝尺寸下的無(wú)沉積操作。

通過(guò)最大程度地增加自由噴射路徑的長(zhǎng)度，并減少或避免任何液滴撞擊到排氣系統(tǒng)的內(nèi)壁上，可以避免不必要的DEF分解副產(chǎn)物（沉積物或晶體）的積聚。對(duì)于混合，De Rudder指出，該公司一直在提供使用整體渦旋運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，以增強(qiáng)排氣中的微觀(guān)和宏觀(guān)混合。他說(shuō)：“現(xiàn)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(tǒng)所需的空間小。”

大多數(shù)Stage V解決方案代表了混合技術(shù)的新高度。西蒙斯解釋說(shuō)：“通常，從階段IV到階段V的過(guò)渡伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)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(wú)操作沉積的情況下。

“決定混合技術(shù)的兩個(gè)最關(guān)鍵的規(guī)格是[DEF]的加料速度和背壓，”他繼續(xù)說(shuō)道。“通常，需要的混合越高，為了以最佳性能（水平）運(yùn)行且無(wú)沉積物，背壓就越高。使用較低的加料速度，可以簡(jiǎn)化混合系統(tǒng)，并使背壓保持盡可能低的水平。”

在校準(zhǔn)DEF定量給料算法時(shí)，減少或去除EGR可能會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。“無(wú)或低EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的原始NOx排放量很高，因此需要高效的SCR系統(tǒng)。通常，轉(zhuǎn)換率需要在96％到99％之間。” De Rudder說(shuō)。“但是，在這些效率水平下，SCR催化劑上NOx轉(zhuǎn)化率的任何細(xì)微局部偏差都可能導(dǎo)致下游NOx傳感器讀數(shù)出現(xiàn)重大差異。”

NOx傳感器讀取的絕對(duì)值范圍為百萬(wàn)分之10（ppm），De Rudder說(shuō)，如果讀數(shù)偏離1或2 ppm，則可能會(huì)導(dǎo)致DEF定量算法出現(xiàn)重大問(wèn)題。因此，SCR催化器下游的混合器在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中變得越來(lái)越普遍，以確保獲得良好的NOx傳感器讀數(shù)。

Donaldson提供了對(duì)DEF結(jié)晶敏感的非碰撞渦流混合系統(tǒng)（避免堵塞排氣口），并提供了很高的混合性能。盡管大多數(shù)行業(yè)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(tǒng)。De Rudder說(shuō)：“有朝著更加緊湊的后處理系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，并且分配給混合的體積越來(lái)越少。” “這些系統(tǒng)經(jīng)常使用渦流來(lái)增強(qiáng)混合。”

西蒙斯指出：“渦流混合和下一代沖擊設(shè)計(jì)都已被提出。” “時(shí)間會(huì)證明他們是否成功。”

Terres指出，主動(dòng)或被動(dòng)熱管理解決方案在克服與減少或消除EGR相關(guān)的挑戰(zhàn)方面也將是有益的。Tenneco的此類(lèi)解決方案包括低熱慣性和氣隙絕熱歧管，高效絕熱技術(shù)和微型熱單元，它們中的每一個(gè)都提供活性熱量以支持提高后處理系統(tǒng)的效率。他補(bǔ)充說(shuō)：“我們還開(kāi)發(fā)了高效的緊湊型混合機(jī)，可在低溫下進(jìn)行尿素處理，而不會(huì)形成不希望的尿素沉積物。”