車用柴油機歐Ⅴ、歐Ⅵ排放控制技術路線研究

鄧家奇，周家旺，高聰聰

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

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車用柴油機歐Ⅴ、歐Ⅵ排放控制技術路線研究

鄧家奇，周家旺，高聰聰

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

摘 要：歐Ⅴ歐Ⅵ規定的PM和NOx的排放限值較歐Ⅳ更低，為了滿足歐Ⅴ歐Ⅵ的要求，本文介紹了3條主流技術路線，并對這3條技術路線進行了對比分析。

關鍵詞：柴油機；排放；歐Ⅴ；歐Ⅵ

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.005

CLC NO.: U463.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-14-03

引言

表1 柴油機排放控制常用的技術措施

歐Ⅵ排放標準已經生效，在歐Ⅳ歐Ⅴ的基礎上對NOx和PM排放限值提出了更加苛刻的要求，這對柴油機開發及排氣后處理技術來說無疑是一個重大的挑戰，也迫使各汽車制造廠商采用更加先進的技術來控制污染物的生成和排放，目前常用的技術措施如表1所示。

由于NOx與PM排放間存在著trade-off關系，除非采用新的燃燒方式，傳統燃燒方式無法使NOx和PM排放同時降低。唯一可行的方法就是盡可能在發動機內減少一種物質生成，另一種物質則通過后處理來完成。

1、排放法規概述

現行的排放法規體系主要有美國，歐盟，日本3種體系，不同體系的限值要求和測試方法也不盡相同，上述的三種排放法規體系以歐盟的排放法規最具通用性，世界上很多國家都是以該法規為主，結合自己國家的國情加以引用和實施，但在實施時間上不同于歐盟[2]。

1.1 歐盟排放標準和限值

表2為歐洲重型車用柴油機的排放限值，從世界范圍內排放法規的演變歷程來看，每一次排放標準的升級都伴隨著排放限值的進一步減小，最新的排放限值都已經非常低，幾乎達到零排放。

表2 歐洲重型車用柴油機的排放限值（歐洲穩態及瞬態測試循環）

1.2 歐Ⅴ、歐Ⅵ排放標準的一些新變化

從歐IV到歐V法規，NOx的排放限值從3.50g/( kW?h)下降到2.00g/(kW?h)，降幅約為43%，而從歐V到歐VI法規，不僅NOx的排放限值下降了80%，PM的排放限值也下降了50%，已經逐步接近零排放。

從歐Ⅴ和歐Ⅵ法規開始，柴油車微粒排放還增加了對微粒數量（PN）的檢測，法規規定的微粒排放數量限值是5×1011g/km，而通常沒有加裝過濾器的柴油機微粒排放數量在1×1013g/km，即要達到排放標準在數量上應該有95%的微粒要被過濾。因此，要達到新的微粒排放標準，微粒捕集器已經成為必不可少的后處理裝置。歐VI法規，還增加了對NH3的限制。在柴油機ESC(歐洲穩態測試循環)和ETC（歐洲瞬態循環測試）試驗循環中，NH3的濃度峰值不得超過10×10-6。此外，歐VI還要求建立非使用狀態下的排放限值及引入全球統一車載診斷裝置，即發動機排放超過限值就報警。

歐Ⅵ排放法規除排放限值降低外，還在原有ESC、ETC 和ELR試驗循環的基礎上建立了WHDC和ETC測試結果之間的關系，把WHSC和WHTC引入到歐Ⅵ重型柴油機排放測試循環中。針對不同車種或不同控制階段，應用不同試驗方法。WHSC和WHTC組合就是全球統一測試循環(WHDC)，該循環綜合多個國家和地區典型的道路條件。

2、滿足歐Ⅴ，歐Ⅵ排放的技術路線

與不同階段排放法規相適應的技術如表3所示，一般滿足更高一級排放法規的柴油機都是在前一級的基礎上加以改進升級。為了滿足歐Ⅴ排放標準，歐美中重型商用車及柴油機企業主要采用兩條排放控制技術路線：一、“優化燃燒+SCR”技術路線，簡稱SCR路線，這條路線在歐洲占主流，也稱為“歐洲路線”，二、“EGR+DOC/DPF/POC”路線，其中以EGR+DPF應用最為廣泛，簡稱EGR+路線[3]，這條路線在北美市場應用較多，也稱為“北美路線”。

通過進一步的技術提升，這兩條技術路線都可以滿足歐Ⅴ的排放要求。但由于歐Ⅵ規定的排放限值相對歐Ⅳ、歐Ⅴ有大幅降低，需要對現有的這兩條路線進行改進才有望滿足歐Ⅵ的標準，技術路線主要有3條：SCR路線，“EGR+”路線和EGR+SCR路線。

表3 與不同階段排放法規匹配的技術措施

2.1 SCR路線

SCR技術路線的一個完整廢氣后處理系統主要由DOC，DPF，SCR等組成。它是通過優化噴油和缸內燃燒過程，盡量在機內控制PM的產生，而在機外后處理過程中通過SCR系統對NOx進行選擇性催化還原，并通過DOC和DPF進一步降低CO，HC和PM的排放[4]。

SCR技術的技術連續性較好，不僅可以達到歐Ⅳ限值,而且只要增加還原劑的劑量, 還可解決歐Ⅴ的限值問題。但是在歐Ⅵ階段由于NOx和PM排放限值都大幅降低，單獨采用SCR系統達到歐Ⅵ的排放限值就必須把SCR系統的NOx轉化率提高到90%以上，目前提高SCR催化轉化率有兩種方法：一、繼續對原有的系統進行進一步優化設計如采用固體氨鹽取代傳統的尿素水溶液[5]，在SCR前加裝預氧化裝置提高尾氣中的NO2含量[6]，采用帶有NOx傳感器的閉環控制系統等都能提高NOx的轉化率[7]。二、提高NOx轉化率的方法是采用催化劑復合裝置如：LNT+DPF+SCR，DOC+SCRF+SCR等。

2.1.1 LNT+DPF+SCR

LNT在正常情況下工作效率高達90% 以上，不需額外的還原劑及其儲存裝置，單獨采用LNT也能滿足歐Ⅳ歐Ⅴ的標準限值，但其低溫活性差，對硫（S）極其敏感，消耗貴金屬，增加油耗，控制十分復雜。SCR的優勢是省油耗，不消耗貴金屬，對S不敏感；但缺點也很明顯，比如需要額外的尿素儲存裝置，噴氨控制十分復雜，存在氨泄露等。因此，在尾氣后處理技術中出現了一種新型的催化劑復合裝置LNT – SCR，能較好地綜合兩者的優缺點。由于SCR有較好的低溫還原能力，因此低溫時單獨工作，而高溫時SCR 和LNT同時工作[8]，兩者的配合在大多數工況都能達到很高的NOx轉化率。

2.1.2 DOC+SCRF+SCR

SCRF是一種新型后處理裝置，其工作原理是將新型SCR催化劑如銅沸石（Cu/ZSM-5）涂覆到具有高孔隙率的壁流式DPF基底表面。因此，在過濾體的壁面既能將沉積的碳煙催化氧化，同時在還原劑NH3作用下還能高效率催化還原NOx。相對于傳統的組合式后處理系統而言，該新型后處理器在實現高效率降低柴油機NOx和PM排放的基礎上，同時實現了后處理裝置的小型化、輕量化、低成本化[9]。研究發現采用這種DOC+SCRF+SCR的裝置較傳統的DOC+SCR方式可以實現更高的NOx 轉化率和很高的PM凈化率，是滿足歐Ⅵ排放的途徑之一[10]。

2.2 “EGR+”路線

該路線通過廢氣再循環在機內抑制NOx的生成，在機外后處理系統中通過DOC，DPF等來對微粒進行凈化。目前車上使用的EGR多采用的是帶有冷卻器的冷EGR系統，冷EGR系統能進一步降低缸內燃燒溫度，有利于降低NOx的生成。

采用該路線需要對發動機進行強化，提高噴射壓力和增壓中冷能力。帶冷卻器的冷卻EGR和帶中冷器的廢氣渦輪增壓系統結合起來就可以達到歐Ⅳ標準，為達到更嚴格的歐Ⅴ，歐Ⅵ標準要求，可增大廢氣再循環率，或者降低廢氣及充入氣缸空氣的溫度，單級廢氣再循環加二級渦輪增壓中冷器和二級冷卻廢氣再循環加上單級渦輪增壓都可達到此目的。

2.3 EGR+SCR路線

單獨采用SCR或EGR路線滿足歐Ⅵ標準，都面臨著技術升級難度大，可靠性不高等問題，因此目前絕大多數發動機制造企業開發的歐Ⅵ發動機都采用的是將SCR與EGR相結合的技術路線。歐洲的斯坦尼亞，奔馳，國內的濰柴，玉柴等柴油機生產和研發企業新推出的歐Ⅵ發動機都采用的是這條路線，這條路線綜合了以上兩條路線的優點，能大幅降低NOx的排放，再結合DOC，DPF能滿足歐Ⅵ排放要求，但采用這種系統不僅重量大，安裝空間大，結構復雜，而且成本較高。

3、技術路線對比

SCR路線和EGR路線在發動機噴射壓力要求、增壓系統、發動機強度，冷卻系統及配套措施方面都有較大的區別，具體對比見表4，SCR+EGR路線則兼具兩者的優缺點。

在使用工況方面，由于SCR技術僅在一定的工作溫度范圍內才有效果，所以更適合長時間大負荷工作的重型柴油機，而在城市工況下的轎車柴油機，長期工作在低負荷區域，尾氣溫度不能達到要求，所以只適合使用EGR技術。

從技術連續性上來看，SCR路線技術連續性好，在燃油噴射系統、發動機本體和標定措施上從歐Ⅲ到歐Ⅴ都是連續的，僅在尾氣后處理系統上從歐Ⅲ到歐Ⅳ是不連續的；而EGR路線在燃油噴射系統、發動機本體、尾氣后處理系統和標定措施上都存在技術的不連續，這將增加企業改進技術的投入，這將對EGR路線的推廣產生一定的負面效應。

表4 SCR路線與EGR路線的對比

4、結語

為了應對更加嚴格的歐排放標準，可以采用3條技術路線，這3條路線都能將NOx和PM排放降低到標準規定的限值內，但依然有很多技術難題有待解決，比如如何在盡量寬的溫度范圍內保持高的NOx還原率，如何簡化這些技術的控制系統和策略等，這些都有待今后在這些方面做深入的研究才能解決。

參考文獻

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[3] 任洪娟,馬其華 柴油機歐Ⅳ、Ⅴ排放控制技術路線研究[C]. Conference on Environmental Pollution and Public Health(2012).

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[7] Zakwan Skaf Timur Aliyev Leo et al. The State of the Art in Selective Catalytic Reduction Control[C]. SAE Paper ,2014-01-1533.

[8] 樓狄明,馬濱等.后處理技術降低柴油機NOx排放的研究進展[J].小型內燃機與摩托車， 2010(4):3-39.

[9] 陳朝輝，張韋 新型后處理器SCRF催化去除柴油機PM和NOx的模擬計算與分析

[10] Mojghan Naseri, Raymond Conway, et al. Development of Emission Control Systems to Enable High NOx Conversion on Heavy Duty Diesel Engines SAE Paper 2014-01-1525.

Research on the Technical Route of EuroⅤ、Ⅵ Emission Control of Vehicle Diesel Engine

Deng Jiaqi, Zhou Jiawang, Gao Congcong
（Chang’an University, School of Automobile, Shaanxi Xi’an 710064）

Abstract：Euro V, VI provisions of PM and NOx emission limit values lower than the Euro IV. In order to meet the requirements of Euro V, VI, this paper introduces the three mainstream technology route, and carries on the contrast analysis to the three technical route.

Keywords:Diesel Engine; Emission; EuroⅤ; Euro Ⅵ

作者簡介：鄧家奇，就讀于長安大學汽車學院。

中圖分類號：U463.9

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)02-14-03