王佳煒

江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院

滿足國Ⅴ排放的柴油機(jī)后處理技術(shù)綜述

王佳煒

江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院

0 引言

近年來，柴油機(jī)在汽車中的使用日益廣泛，轎車柴油機(jī)化也將是未來汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)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(jī)發(fā)展的主要障礙[1]。為滿足對車用柴油機(jī)不斷提高的排放要求，柴油機(jī)排氣后處理問題成為了人們研究的焦點(diǎn)。

本文首先對國內(nèi)排放法規(guī)進(jìn)行了闡述，進(jìn)而提出了針對輕型和重型柴油車的排放控制技術(shù)路線[2]。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對NOx選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)和柴油機(jī)微粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述，并對柴油機(jī)后處理技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 排放法規(guī)

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(guī)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(jī)ESC和ETC及WHTC循環(huán)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(dá)到國Ⅴ排放限值目標(biāo)，需對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，如優(yōu)化燃燒室、調(diào)整壓縮比、優(yōu)化EGR率等，特別是對后處理系統(tǒng)需選擇合適的技術(shù)路線。

2 柴油機(jī)后處理技術(shù)路線

實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)國Ⅴ技術(shù)路線實(shí)際上是基于PM和NOx解耦思路上的技術(shù)路線。目前，在柴油機(jī)上應(yīng)用廣泛的技術(shù)路線主要有SCR技術(shù)路線、EGR+DPF技術(shù)路線和SCR+DPF技術(shù)路線。

2.1 SCR系統(tǒng)

SCR后處理系統(tǒng)為選擇性催化還原系統(tǒng)，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(nèi)，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(tǒng)中的主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

我國燃油品質(zhì)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(shù)通常需要前置DOC調(diào)節(jié)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(yīng)用。只有通過提高燃油品質(zhì)，降低燃油中的硫含量來解決問題[4]。

2.2 EGR+DPF系統(tǒng)

EGR+DPF系統(tǒng)是一種柴油機(jī)后處理路線的典型代表，它通過犧牲一定的燃油經(jīng)濟(jì)性來滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。EGR即廢氣再循環(huán)，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(jìn)氣管，降低缸內(nèi)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(dāng)柴油機(jī)廢氣通過DPF時(shí)，微粒經(jīng)過擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，EGR也顯現(xiàn)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(fù)荷的增加，EGR對發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩性能也產(chǎn)生影響[6]。

2.3 SCR+DPF系統(tǒng)

在柴油機(jī)的后處理裝置中，同時(shí)安裝DPF和SCR兩套后處理系統(tǒng)，如圖1所示，對PM和NOx的排放進(jìn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

方案一的優(yōu)點(diǎn)是有利于DPF再生，可以有效利用NO2被動(dòng)再生作用，減少有源再生的次數(shù)，提高整機(jī)的經(jīng)濟(jì)性；缺點(diǎn)是DPF有源再生時(shí)的高溫與熱應(yīng)力將影響SCR性能。因此，SCR的催化劑不僅應(yīng)該在低溫時(shí)有較高的NOx轉(zhuǎn)化效率，而且應(yīng)具有較好的高溫穩(wěn)定性。

方案二的優(yōu)點(diǎn)是可以減少SCR的加熱時(shí)間，進(jìn)而減少冷起動(dòng)和低負(fù)荷下的NOx排放。此外，由于DPF后置，DPF主動(dòng)再生時(shí)，降低了燃料燃燒峰值熱應(yīng)力對SCR的影響；其缺點(diǎn)是排氣到達(dá)DPF時(shí)溫度低，不利于DPF的被動(dòng)再生，增加了有源再生的次數(shù)，使燃油消耗率增加[8]。

3 結(jié)論

綜合以上分析，對于我國未來柴油機(jī)的后處理技術(shù)路線，建議如下：

1) SCR技術(shù)是滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的重要技術(shù)路線，采用SCR技術(shù)的柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性好，且對發(fā)動(dòng)機(jī)的改動(dòng)也較小，在技術(shù)升級連續(xù)性上具有優(yōu)勢；

2) EGR+DPF技術(shù)需要與進(jìn)氣系統(tǒng)、高壓噴射和燃燒技術(shù)結(jié)合，具有滿足更高排放法規(guī)的潛力，在柴油機(jī)上有很大的應(yīng)用前景；

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

[1]李進(jìn)，褚超美，顏庭源.一種新型DPF-SCR柴油機(jī)后處理技術(shù)[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(guī)及后處理技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2012，03：200-217.

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

[4]李鵬，譚丕強(qiáng)，樓狄明，胡志遠(yuǎn).滿足國Ⅴ排放的重型柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2010，04：1-5+22.

[5]金軍平.柴油機(jī)國Ⅳ后處理系統(tǒng)綜述[J].工程機(jī)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(tǒng)中的DPF和SCR系統(tǒng)的監(jiān)控[J].內(nèi)燃機(jī)，2007，01：44-46.

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

[8]董紅義，帥石金，李儒龍，王建昕.柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)最新進(jìn)展與發(fā)展趨勢[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2007，03：87-92.