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      1. 柴油發(fā)動(dòng)機供應商結合技術(shù)應對歐盟Stage V挑戰

        2021-05-13 19:03:39 hjd 70

        歐盟的第五階段正在鼓勵制造商重新評估現有技術(shù),并開(kāi)發(fā)更緊湊的集成設計。


        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技術(shù)來(lái)縮小其V型發(fā)動(dòng)機的后處理系統的尺寸。

        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技術(shù)來(lái)縮小其V型發(fā)動(dòng)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(dòng)機械(NRMM)發(fā)動(dòng)機生效。下一步-這將是世界上最嚴格的-除了以前要求的發(fā)動(dòng)機排放顆粒質(zhì)量(PM)限制外,還將對顆粒數(PN)進(jìn)行限制。

        盡管目前在美國尚無(wú)采用PN限制的計劃,但滿(mǎn)足Stage V所需的設計變更已經(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)機上取消柴油顆粒過(guò)濾器(DPF),從而節省了擁擠的發(fā)動(dòng)機艙內的空間。隨著(zhù)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(fā)動(dòng)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(jìn)技術(shù)–清潔空氣執行董事Frank Terres說(shuō),有必要在25.5 hp以上的發(fā)動(dòng)機上配備DPF,因為從輕型汽車(chē)市場(chǎng)來(lái)看,只能達到要求的PN限制使用壁流式過(guò)濾器,該過(guò)濾器被認為具有最高的過(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(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)機要求的商業(yè)可用技術(shù)?!?/span>

        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(fā)動(dòng)機艙內的空間已經(jīng)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(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(shuō)。

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

        根據SCRF的制造商Johnson Matthey的說(shuō)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(huì )影響包裝,但通常不會(huì )影響柴油機排氣液(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技術(shù)來(lái)縮小其V型發(fā)動(dòng)機的后處理系統的尺寸。這些解決方案的使用將使發(fā)動(dòng)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(kāi)發(fā)經(jīng)理Korneel De Rudder表示,在包裝方面,完全重新設計機器以實(shí)現最佳的Stage V后處理布局是很有意義的。他說(shuō):“然而,預算減少的現實(shí)迫使許多OEM廠(chǎng)商更新現有機器?!?這通常會(huì )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(shù)組合到一個(gè)單元中。這種系統在公路卡車(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,該系統在單個(gè)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(hù)提供緊湊,完全集成的系統。減小其混合技術(shù)的尺寸使其能夠將所有后處理組件包裝在一個(gè)仍可用于車(chē)輛安裝的單一單元中。另外,對獨立混頻器和與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(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?!?/span>

        OEM可以完全重新設計機器平臺以滿(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(méi)有完全重新設計),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)現靈活的模塊化集成。

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

        定制到市場(chǎng)

        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(chǎng)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(lèi)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(shuō)。

        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(gè)市場(chǎng)的客戶(hù)使用相似的設計。西蒙斯說(shuō),對于那些使用唐納森系統的系統,如果該系統經(jīng)過(guò)優(yōu)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(wú)需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

        對于75.1馬力及以上的發(fā)動(dòng)機,FPT 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系統中,使其能夠同時(shí)滿(mǎn)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(mǎn)足客戶(hù)不同的包裝需求。FPT表示,其系統也比市場(chǎng)上的其他系統小10%,這進(jìn)一步有助于安裝。

        此外,FPT營(yíng)銷(xiāo)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(chē)輛重新設計。他補充說(shuō),繼續提供無(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)將以較低的調節水平提供給發(fā)動(dòng)機。排氣再循環(huán)(EGR)的缺乏意味著(zhù)沒(méi)有維護或主動(dòng)再生的停機時(shí)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(lái)防止主動(dòng)再生的峰值溫度。

        SCR進(jìn)展

        德·魯德(De 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)現很高的NOx轉化率。他說(shuō):“對于發(fā)動(dòng)機OEM而言,這意味著(zhù)減少了SCR催化劑的體積?!?/span>

        Simons說(shuō),唐納森對Stage V解決方案的開(kāi)發(fā)已經(jīng)進(jìn)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(wú)沉積操作。

        通過(guò)最大程度地增加自由噴射路徑的長(cháng)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(chǎn)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(dòng)的系統,以增強排氣中的微觀(guān)和宏觀(guān)混合。他說(shuō):“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?!?/span>

        大多數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(zhù)發(fā)動(dòng)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(wú)操作沉積的情況下。

        “決定混合技術(shù)的兩個(gè)最關(guān)鍵的規格是[DEF]的加料速度和背壓,”他繼續說(shuō)道。“通常,需要的混合越高,為了以最佳性能(水平)運行且無(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,并使背壓保持盡可能低的水平?!?/span>

        在校準DEF定量給料算法時(shí),減少或去除EGR可能會(huì )帶來(lái)挑戰。“無(wú)或低EGR發(fā)動(dòng)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(shuō)。“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?!?/span>

        NOx傳感器讀取的絕對值范圍為百萬(wàn)分之10(ppm),De Rudder說(shuō),如果讀數偏離1或2 ppm,則可能會(huì )導致DEF定量算法出現重大問(wèn)題。因此,SCR催化器下游的混合器在系統設計中變得越來(lái)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(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。De Rudder說(shuō):“有朝著(zhù)更加緊湊的后處理系統發(fā)展的趨勢,并且分配給混合的體積越來(lái)越少?!?“這些系統經(jīng)常使用渦流來(lái)增強混合?!?/span>

        西蒙斯指出:“渦流混合和下一代沖擊設計都已被提出?!?“時(shí)間會(huì )證明他們是否成功?!?/span>

        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的效率。他補充說(shuō):“我們還開(kāi)發(fā)了高效的緊湊型混合機,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?!?/span>



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