滿足國Ⅴ排放的柴油機后處理技術綜述

王佳煒

江蘇大學汽車與交通工程學院

滿足國Ⅴ排放的柴油機后處理技術綜述

王佳煒

江蘇大學汽車與交通工程學院

0 引言

近年來，柴油機在汽車中的使用日益廣泛，轎車柴油機化也將是未來汽車行業的發展趨勢。與汽油機相比，柴油機具有良好的經濟性、動力性和可靠性，以及較高的熱效率和較低的CO、HC 排放，但較高的NOx和顆粒物(PM) 排放成為限制柴油機發展的主要障礙[1]。為滿足對車用柴油機不斷提高的排放要求，柴油機排氣后處理問題成為了人們研究的焦點。

本文首先對國內排放法規進行了闡述，進而提出了針對輕型和重型柴油車的排放控制技術路線[2]。在此基礎上，重點對NOx選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)和柴油機微粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)涉及到的關鍵技術進行了綜述，并對柴油機后處理技術的未來發展進行了展望。

1 排放法規

目前世界上已形成以美國、歐洲、日本為代表的三大排放法規體系，其他各國基本上是采納其中一種。

表1 ESC和ETC工況國Ⅳ與國Ⅴ排放限值比較g ·kW-1·h-1

表2 WHTC工況國Ⅳ與國Ⅴ排放限值比較g ·kW-1·h-1

在柴油機ESC和ETC及WHTC循環工況下，由表1和表2可知：國Ⅴ排放限值與國Ⅳ排放限值相比，氮氧化物要求降低43%，PM值保持不變[3]。為達到國Ⅴ排放限值目標，需對發動機進行優化，如優化燃燒室、調整壓縮比、優化EGR率等，特別是對后處理系統需選擇合適的技術路線。

2 柴油機后處理技術路線

實現柴油機國Ⅴ技術路線實際上是基于PM和NOx解耦思路上的技術路線。目前，在柴油機上應用廣泛的技術路線主要有SCR技術路線、EGR+DPF技術路線和SCR+DPF技術路線。

2.1 SCR系統

SCR后處理系統為選擇性催化還原系統，英文全稱為Selective Catalytic Reduction，主要用于選擇性催化還原NOx。它的主要原理是將尿素水溶液噴入排氣管內，尿素受熱后分解成NH3和CO2，然后NH3將NOx催化還原成N2和H2O。SCR后處理系統中的主要化學反應方程式如下：

我國燃油品質較差，含硫量偏高，而SCR本身對硫不敏感，因此SCR適合在我國使用。但是SCR技術通常需要前置DOC調節NO2比例，或者后置DOC來處理泄漏的NH3，而DOC一般都對硫較敏感，因此影響了SCR的應用。只有通過提高燃油品質，降低燃油中的硫含量來解決問題[4]。

2.2 EGR+DPF系統

EGR+DPF系統是一種柴油機后處理路線的典型代表，它通過犧牲一定的燃油經濟性來滿足排放標準。EGR即廢氣再循環，主要用于降低NOx排放。EGR的原理是通過將冷卻后的廢氣引入進氣管，降低缸內的氧濃度和燃燒溫度，抑制NOx的生成，從而降低NOx排放。DPF是柴油微粒捕捉器的英文縮寫，英文全稱為Diesel Particle Filter。它的工作原理是當柴油機廢氣通過DPF時，微粒經過擴散、截流、慣性碰撞及重力沉降等被濾體捕捉。DPF的捕捉效率主要受到微粒粒徑、排氣流速及氣流溫度等溫度影響[5]。

通過EGR與DPF的合理集成，可有效去除排氣中的NOx和PM，但隨著排放標準越來越嚴格，EGR也顯現出其局限性：EGR率隨NOx排放限制降低而增高，燃油消耗率不斷增加；隨著負荷的增加，EGR對發動機扭矩性能也產生影響[6]。

2.3 SCR+DPF系統

在柴油機的后處理裝置中，同時安裝DPF和SCR兩套后處理系統，如圖1所示，對PM和NOx的排放進行綜合控制，可以更加有效的減少PM和NOx排放[7]。

圖1 SCR-DPF系統結構示意圖

方案一的優點是有利于DPF再生，可以有效利用NO2被動再生作用，減少有源再生的次數，提高整機的經濟性；缺點是DPF有源再生時的高溫與熱應力將影響SCR性能。因此，SCR的催化劑不僅應該在低溫時有較高的NOx轉化效率，而且應具有較好的高溫穩定性。

方案二的優點是可以減少SCR的加熱時間，進而減少冷起動和低負荷下的NOx排放。此外，由于DPF后置，DPF主動再生時，降低了燃料燃燒峰值熱應力對SCR的影響；其缺點是排氣到達DPF時溫度低，不利于DPF的被動再生，增加了有源再生的次數，使燃油消耗率增加[8]。

3 結論

綜合以上分析，對于我國未來柴油機的后處理技術路線，建議如下：

1) SCR技術是滿足日益嚴格的排放法規的重要技術路線，采用SCR技術的柴油機燃油經濟性好，且對發動機的改動也較小，在技術升級連續性上具有優勢；

2) EGR+DPF技術需要與進氣系統、高壓噴射和燃燒技術結合，具有滿足更高排放法規的潛力，在柴油機上有很大的應用前景；

3) SCR+DPF技術對PM和NOx排放進行綜合控制，對降低柴油機顆粒物及氮氧化物的排放和改善大氣治理具有深遠意義。

[1]李進，褚超美，顏庭源.一種新型DPF-SCR柴油機后處理技術[J].上海汽車，2011，11：30-34.

[2]帥石金，唐韜，趙彥光，華倫.柴油車排放法規及后處理技術的現狀與展望[J].汽車安全與節能學報，2012，03：200-217.

[3]張亮.滿足國Ⅴ排放法規的柴油機后處理技術[J].汽車零部件，2015，10：17-23.

[4]李鵬，譚丕強，樓狄明，胡志遠.滿足國Ⅴ排放的重型柴油機排氣后處理技術[J].車用發動機，2010，04：1-5+22.

[5]金軍平.柴油機國Ⅳ后處理系統綜述[J].工程機械與維修，2015，09：61-62+64.

[6]楊超，李錦，張華，周榮.重型車車載診斷系統中的DPF和SCR系統的監控[J].內燃機，2007，01：44-46.

[7]余樂，聶彥鑫.柴油機顆粒物排放后處理技術[J].汽車工程師，2009(10).

[8]董紅義，帥石金，李儒龍，王建昕.柴油機排氣后處理技術最新進展與發展趨勢[J].小型內燃機與摩托車，2007，03：87-92.