项目编号：? 1721 ???

?国际先进的SDPF涂覆技术研究

International advanced SDPF coating technology research

 

项目研制单位：上海工程技术大学?? 上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心

主要研制人员：门勇?? 孙乙力? ?陶相田?? 安炜?? 王金果?? 王远强? ?刘宁宁? ?孙裴?? 纪飞??? 翟广军

柴姗姗?? 李申晓? ?何荣? ?赵彪

 

主题词：柴油机排放 尾气净化系统? 氮氧化物? 后处理? SDPF

1、研究内容介绍

1.1本项目研究的意义以及要解决的关键技术：

柴油机的碳氢化合物和一氧化碳排放量较少且容易控制，污染物以氮氧化物和颗粒物为主，在欧六/国六标准阶段,我国未来的排放法规对轻/重型柴油车的颗粒数及NOx排放有更为严格的要求,这使得颗粒氧化催化器（Particle Oxidation Catalyst, POC）技术路线难以满足未来法规要求，而壁流式颗粒捕集器（DPF, diesel particle filter）将在未来的后处理装置中必不可少。

当前，柴油机尾气净化系统中往往利用DOC，DPF，SCR（Selective catalytic reduction）多个后处理装置的组合布局，需要较大的布置空间，同时也会增大发动机背压而影响燃油经济性和动力性。涂覆SCR催化剂的柴油机颗粒捕集器技术 （SDPF, DPF with SCR coating）可以有效地减少后处理系统体积和质量，使净化系统后处理装置的布置更加灵活,且涂覆SCR催化剂达到排放标准的前提下能快速起燃。同时，采用SDPF技术系统能节省40%-55%的安装空间。因此，在柴油机尾气后处理技术的发展过程中,研究人员已逐渐探索将PM和NOx降低排放，SDPF技术作为国际先进的柴油机应对欧六/国六的后处理非常有效的策略之一。

目前，国际上只有少数几家主机厂和高能级的供应商能够开发和生产，主要为比利时优美科、德国巴斯夫、英国庄信万丰这三家跨国公司，国内汽车生产商尚以产品引进应用为主的净化功能集成到一个装置上。因此，对于开展SDPF选型策略研究，建立其性能评估和合理使用的试验和评价标准有着重要的意义。

1.2采用的技术路线和方法

SDPF系统的性能主要取决于DPF载体过滤材料、SCR催化剂配方及其特性，研究人员对SDPF技术的研究集中在优化DPF结构、提升性能等方面。采用的技术方案：1）SDPF催化剂载体结构分析；2）SDPF催化剂涂覆工艺与策略分析；3）SDPF催化剂活性组份分析；4）SDPF系统试验；5）SDPF选型策略研究，共5部分完成工作，如图1。

图1. SDPF技术研究方案

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1.3本项目取得主要成果

1）完成了某先进国外企业SDPF涂覆的主要原材料性能解析；

本项目主要针对过滤器载体如材料、体积、长度、孔隙率、壁厚、孔径尺寸、孔的形状及其分布对称性（入口/出口通道边长）等开展研究，图2为SDPF实物图，确定供应商的 SDPF关键结构参数，详细信息如表1。

图2. SDPF实物图

表1 实测SDPF催化剂载体结构参数

项目	参数
DPF过滤材料	SiC 方形孔
重量/g	2130
直径/mm	143.57
孔密度/ cpsi	270（根据实测数值计算，供应商提供值为200）
孔隙率/%	69.0
过滤孔壁厚/mm	0.31
长度/mm	204.59
入口/出口通道边长比例	1.35
催化剂涂层厚度/μm	65.97（理论计算值）
催化剂涂覆量/g/L	90（供应商提供值）

鉴于SDPF进出口的特殊性，结合低分辨率的扫描电镜图片，我们得到了较为精确的孔径与壁厚的数值，具体数据如表2所示。

表2 实测SDPF催化剂载体进出口参数

2）定义了SDPF小样的评测方法

定义SDPF小样性能评估方法分两部分：第一部分，活性测试条件：NH₃= 500 ppm（体积浓度），NO = 500 ppm，O₂ = 10 %，H₂O = 5 %，N₂作为平衡气，空速为10000 ~ 100000 h^-1，在一定温度区间内进行反应测试。第二部分，老化后小样性能对比评估。测试条件： SDPF以10 °C/min速率，升温到850 °C，通入200~300ml空气，H₂O = 10% 预处理10小时，然后在NH₃= 500 ppm（体积浓度），NO = 500 ppm，O₂ = 10%，H₂O = 5%，N₂作为平衡气，空速为10000 ~ 100000 h^-1条件下，在一定温度区间内进行反应测试。

3） 逆向解析关键催化剂材料的主要活性成分，并找到了国内同等材料的评估分析已经完成筛选出国内新型SCR催化剂。

一个商业化和三个国产SCR催化剂：Cu-SSZ-13、Cu-ZSM-5、CuO/CeO₂、Cu/SAPO-34，据前期确定的小样测试评价条件，对四个SCR催化剂进行活性评价和筛选。筛选出SCR催化剂Cu/SAPO-34比较好。已完成商业化SDPF（Cu-SSZ-13/SiC）与国产SDPF（Cu/SAPO-34/SiC）老化前后小样性能对比评估，进一步考虑企业提供的SDPF催化剂在净化汽车尾气中的高效应用，结合我们的测试结果，筛选出国内SDPF（Cu/SAPO-34/SiC）催化剂比较好，就实际应用而言，该测试结果能够为国产SDPF在柴油车尾气后处理系统的优化设计提供一定的参考价值。

2、技术创新点

目前去除 NOx 的主要机外手段是选择性催化还原(SCR)技术，该技术通常在低温才有良好的 NOx 转化率，而在柴油机冷起动阶段，SCR 入口的排气温度无法达到低温，NOx 排放控制困难。尽管冷起动时间较短，但该阶段的 NOx 排放量占比很高。在严格的排放法规要求下，冷起动阶段的 NOx 排放控制日益受到关注。选择性催化还原捕集技术(SDPF）将 SCR 催化剂涂覆在壁流式颗粒捕集器（DPF）载体上，能够同时去除 NOx 和 PM。与传统的 SCR 技术相比，SDPF 更加靠近柴油机排气门，NOx 催化还原反应的温度得到有效提高。因此，SDPF 成为了提高低温 NOx 转化率的关键技术。

3、专利/论文/获奖情况

在本项目支持下开发出柴油车尾气后处理净化技术，申请中国发明专利1项，专利申请号：202110074661.9。

本项目资助在柴油车尾气后处理系统研究领域公开发表SCI论文2篇：

1）在环境催化领域国际顶级期刊Applied Catalysis B：Environmental（影响因子19.503）上公开发表高水平SCI论文1篇，发表题目为“Promoting Diesel Soot Combustion Efficiency by Tailoring the Shapes and Crystal Facets of Nanoscale Mn₃O₄”；

2）在环境科学领域国际顶级期刊Journal of Hazardous Materials （影响因子IF=10.588）上公开发表高水平SCI论文1篇，发表题目为“Highly enhanced soot oxidation activity over 3DOM Co₃O₄-CeO₂ catalysts by synergistic promoting effect”。

上述研究成果均获得了国际和国内同行极大关注和广泛引用，以上两篇论文均入选ESI前1%高被引论文，大大提升了上汽集团商用车技术中心的国际学术影响力。

4、成果应用及经济效益预测

SDPF项目研发建立 SDPF性能评估和合理使用的试验和评价标准及有效选型策略，有助于企业消化、吸收并高效利用国际先进的SDPF涂覆技术，提高企业在满足未来国六排放标准的柴油车尾气后处理技术领域的核心竞争力。

通过对国际主流SDPF催化剂供应商SDPF进行全面的分析测试,明确能够指标化的影响SDPF性能的关键技术参数，建立SDPF技术水平评价标准及SDPF子系统检测试验标准规范，研究成果；一方面，本项目研究成果可直接应用于上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心SDPF选型和技术水平评价，解决了传统的常规台架和整车测试方法进行设备选型与性能测试耗时耗力、试车运行检测成本高等问题，节约了时间成本以及检测成本，每一个催化剂筛选成本预计减少15万元左右，进而可快速优选出较佳供应商及产品；另一方面，项目研究成果也可为上汽集团其它柴油车型尾气后处理技术的开发提供有益借鉴，对国内外重要SDPF涂覆催化剂进行快速筛选评价，结果表明国产SDPF可获得媲美进口SDPF的优异性能，该成果可为上汽集团柴油车后处理系统设计和选型提供Plan B备选方案。