重型車柴油機(jī)國(guó)六排放后處理技術(shù)分析

(廣州市交通高級(jí)技工學(xué)校，廣東 廣州 510540)

1 國(guó)六排放法規(guī)概述

1.1 背景介紹

為防治機(jī)動(dòng)車輛污染物排放對(duì)環(huán)境的污染，改善空氣質(zhì)量，至2001年7月1日，國(guó)一標(biāo)準(zhǔn)在全國(guó)范圍內(nèi)全面實(shí)施，到2018年6月28日公布的國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)的排放標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了6個(gè)階段(如圖1中國(guó)排放法規(guī)進(jìn)度表所示)，隨著每次排放標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)，對(duì)我國(guó)汽車制造技術(shù)提出更高要求，也使我們的產(chǎn)品品質(zhì)不斷提升。

圖1 中國(guó)排放法規(guī)進(jìn)度表

1.2 國(guó)六法規(guī)和國(guó)五法規(guī)的區(qū)別

與《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)III、IV、V階段)》相比，本標(biāo)準(zhǔn)(如表1所示)的主要變化：NOx限值加嚴(yán)77%，PM限值加嚴(yán)67%，新增顆粒物數(shù)量(PN)限值要求。

表1 國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)排放限值要求

增加了非標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)排放測(cè)試要求和限值(WNTE)和整車實(shí)際道路排放測(cè)試要求和限值(PEMS)；統(tǒng)一采用穩(wěn)態(tài)循環(huán)(WHSC)和統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)(WHTC)污染物排放測(cè)試；對(duì)氣態(tài)污染物、顆粒物和煙度排放滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求的耐久性和排放控制裝置的耐久性做出要求，其中輕型/5年或20萬(wàn)km；中型/6年或30萬(wàn)km；重型/7年或70萬(wàn)km。將遠(yuǎn)程O(píng)BD監(jiān)控應(yīng)用到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；OBD閾值檢測(cè)增加到5個(gè)。

2 國(guó)六技術(shù)路線及原理介紹

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物

發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物分為氣態(tài)和固態(tài)，氣態(tài)主要是：包括一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx，以等價(jià)二氧化氮(NO2)表達(dá))、碳?xì)浠衔?HC，例如：總碳?xì)?THC)、非甲烷碳?xì)?NMHC)、甲烷(CH4))等氣體排放物；固態(tài)污染物即PM(顆粒物質(zhì)量)和PN(粒子數(shù)量)主要是碳、冷凝的碳?xì)浠衔?、硫酸鹽水合物。

其中NOx是在高溫富氧條件下產(chǎn)生的，PM是在高溫缺氧條件下產(chǎn)生的。從二者生成條件可以看出二者生成的機(jī)理恰恰相反，即在降低NOx時(shí)必然造成PM排放的升高，反之亦然。國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)后處理裝置的設(shè)計(jì)和功能，主要就是為了處理這兩大類污染物。

2.2 國(guó)六技術(shù)路線

目前送檢的重型柴油車輛后處理裝置主要技術(shù)路線為EGR+DOC+DPF+SCR+ASC(如圖2所示)。

圖2 后處理技術(shù)路線

2.2.1 EGR：廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation)

作用是將少部分發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后產(chǎn)生的廢氣和新鮮空氣混合后進(jìn)入燃燒室，進(jìn)行再次燃燒的技術(shù)，EGR有效抑制缸內(nèi)溫度，從而達(dá)到降低NOx的排放。

2.2.2 DOC：氧化型催化器(Diesel Oxidation Catalyst)

作用是凈化尾氣中的CO和HC。DOC整個(gè)后處理過(guò)程的第一步，DOC一般以金屬或陶瓷作為催化劑的載體，涂層中主要活性成分是鉑、鈀等貴金屬與稀土金屬，將NO氧化為NO2，提高POC/DPF的入口溫度，NO2用來(lái)氧化氧化碳顆粒，效率可達(dá)40%～50%。在國(guó)六系統(tǒng)中，DOC至關(guān)重要，主要作用有：①降低HC排放—將尾氣中未燃燒HC、潤(rùn)滑油HC氧化為H2O和CO2。②將NO氧化為NO2，NO2將DPF里面的碳顆粒氧化為氣態(tài)的CO2。③氧化噴入排氣管的燃油:氧化柴油放熱使DPF溫度升高，DPF內(nèi)碳與氧氣反應(yīng)為CO2。

2.2.3 DPF顆粒捕捉器

DPF全稱顆粒捕捉器(Diesel Particle Filter)，通常配合EGR廢氣再循環(huán)裝置，安裝在柴油機(jī)的排氣管上游，對(duì)排氣中的大微粒(5μm)通過(guò)碰撞、攔截的方式進(jìn)行捕集，對(duì)小于100 nm的小微粒通過(guò)擴(kuò)散方式進(jìn)行捕集，這使得DPF的顆粒捕集效率高達(dá)95%以上。

DPF采用壁流式過(guò)濾通道，內(nèi)部由很多細(xì)小的孔道組成，相鄰孔道一端出口封閉，一端入口封閉?？椎辣诿嬗形⒖祝墒箽饬魍ㄟ^(guò)，所謂壁流式就是指排氣出口封閉，排氣只能強(qiáng)制從每個(gè)通道的壁面小孔互相“滲透”，同時(shí)捕集經(jīng)過(guò)的微粒，這樣相對(duì)于POC的直通式的捕集器須都會(huì)更高。但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，大量的顆粒堆積并堵塞DPF，造成排氣背壓增加，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能惡化。因此，DPF必須及時(shí)清除附著的顆粒，即DPF的再生。DPF再生過(guò)程分為主動(dòng)和被動(dòng)2種形式：

1)被動(dòng)再生。在300 ℃左右NO2和C顆粒轉(zhuǎn)化為CO2和NO，被動(dòng)再生一般是指在過(guò)濾體表面涂覆催化劑或在燃油中添加催化劑以降低顆粒的氧化反應(yīng)溫度。

NO2氧化顆粒-條件(220 ℃～400 ℃)2NO+O2→2NO2C+2NO2→CO2+2NO

2)主動(dòng)再生。在600 ℃左右將捕捉到的顆粒物燃燒成CO2排出去，柴油機(jī)在主動(dòng)再生則是指通過(guò)外在提供能量增加排氣或過(guò)濾體的溫度，將顆粒燃燒掉。由于主動(dòng)再生很多實(shí)際工況中處于低負(fù)荷狀態(tài)，排氣溫度很低，被動(dòng)再生受到一定的限制。因此，成為國(guó)六階段必備的后處理技術(shù)，在國(guó)六的實(shí)際使用上是被動(dòng)再生和主動(dòng)再生同時(shí)使用。

CO2氧化顆粒-條件(>500 ℃)4HC+5O2→2H2O+4CO2C+O2→CO2

主動(dòng)再生主要分為DPM路線和噴油器燃油后噴路線，噴池器燃油后噴技術(shù)路線是噴油器在做功沖程中后期(活塞原理上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí))將燃油噴入燃燒室內(nèi)，然后隨著廢氣排放到D0C中燃燒，提高排氣溫度，燃燒顆粒物。

當(dāng)收集的P顆粒物過(guò)多時(shí)，僅僅通過(guò)再生的方式已經(jīng)不能完全清理干凈，這時(shí)候就可能會(huì)用到市面上的一些清理DPF的設(shè)備，基本原理就是使用氣泵來(lái)反吹DPF，將PM顆粒物給吹掃干凈，可以達(dá)到與再生同樣的目的。注意氣壓不應(yīng)過(guò)高，否則易導(dǎo)致過(guò)濾層損壞。

清灰效采的好壞也可以通過(guò)測(cè)量排氣背壓、重量測(cè)試等方法來(lái)檢驗(yàn)，清灰設(shè)備一般同時(shí)具備有加熱功能，共同用于后處理DPF再生清理。

注意：DPF不建議采用水洗的清理方式，部分廠家也有使用CDPF或者SDPF，如果用水洗可能會(huì)破壞內(nèi)壁催化劑涂層，使其失效。拉爵: DPF不建議采用水洗的滿理方式。

DPF通常就是常說(shuō)的顆粒捕捉器，CDPF在此基礎(chǔ)上采用了內(nèi)壁涂覆催化劑涂層，促使部分的CO、HC氧化還原；而SDPFP即所謂的SCR-DPF，相同的也是在DPF內(nèi)側(cè)涂覆催化制涂層，但不同的是SDPF是用于還原尾氣的部分NOx。

2.2.4 SCR選擇性催化還原器

SCR (selective catalytic reduction) 選擇性催化還原器，通過(guò)尿素噴射系統(tǒng)將尿素噴射到排氣管中，在催化劑的作用下，使氮氧化物與尿素發(fā)生還原反應(yīng)，從而達(dá)到去除氮氧化物的目的。

SCR技術(shù)通過(guò)優(yōu)化燃油噴射系統(tǒng)(單體泵-高壓共軌)和噴油提前正時(shí)，使燃油在高溫高氧的條件下充分燃燒，以降低顆粒物(在機(jī)內(nèi)減少顆粒物優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)功率)，再使用SCR技術(shù)降低因燃燒優(yōu)化而產(chǎn)生的NOX排放。

(NH2)2CO(尿素)+H2O→CO2+2HN3(二次污染)(水解反應(yīng))

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O(催化還原反應(yīng)，排溫>200 ℃)

2NO2+2NO+4NH3→4N2+6H2O(催化還原反應(yīng)，排溫>200 ℃)

2.2.5 ASC氨逃逸催化器

由于車輛可能存在尿素泄露、反應(yīng)效率低等情況，尿素分解產(chǎn)生的氨氣可能會(huì)未參與反應(yīng)而直接排出大氣。因此安裝ASC裝置已防止氨逃逸。氨逃逸催化器( ASC) 在載體內(nèi)壁使用貴金屬等催化劑涂層，用于催化氧化廢氣，一般裝在SCR后端。

2.2.5.1 ASC的主要作用

1)將過(guò)常的NH3氧化為N2、N2O、NOx。

NH3+O2→N2、N2O、 NOx

2)同時(shí)再催化NOx、NH3反應(yīng)為氮?dú)釴2。

NH3+NOx→N2

2.2.5.2 ASC的性能指標(biāo)

進(jìn)行NH3轉(zhuǎn)化效率試驗(yàn)，275 ℃時(shí)NH3的轉(zhuǎn)化效率不得低于70%，其余各溫度點(diǎn)NH3的轉(zhuǎn)化效率均不得低于80%；關(guān)于耐久性，長(zhǎng)期使用的ASC發(fā)生老化現(xiàn)象，在ASC的快速老化試驗(yàn)時(shí)，老化后的NH3轉(zhuǎn)化效率的下降量不得高于15%，NOx選擇性轉(zhuǎn)化效率的上升量不得高于15%。

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)被稱為史上最嚴(yán)法規(guī)，對(duì)上游車企、發(fā)動(dòng)機(jī)廠等企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和售后維修服務(wù)帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。隨著國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，意味著發(fā)動(dòng)機(jī)控制邏輯和整個(gè)后處理系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行一次升級(jí)。本文對(duì)國(guó)六排放后處理技術(shù)路線的基本工作原理、技術(shù)特點(diǎn)以及應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單論述和分析，以供柴油機(jī)后處理器各制造商和廣大一線維修人員參考和使用。目前我國(guó)的柴油機(jī)技術(shù)還是比較落后，希望后繼研究者更多地關(guān)注和研究相關(guān)技術(shù)，為我國(guó)的節(jié)能減排事業(yè)做出貢獻(xiàn)。