輕型柴油機國六后處理技術(shù)路線探討

李江兵 趙挺 樊華春

摘要：為滿足越來越嚴格的排放要求，尤其是隨著國六排放的實施，氮氧化物（以下簡稱為NOX）排放限值極低，其中輕型柴油機的挑戰(zhàn)巨大，以常見的柴油皮卡為例，NOX從280mg/km降低到了82mg/km（6a）、50mg/km（6b），發(fā)動機機內(nèi)排放已無法滿足該限值，故在機外增加了處理NOX的裝置，提升整車處理NOX的能力。2019年底至2020年初，陸續(xù)有多家整車廠推出滿足國6a或國6b w/o RDE的輕型柴油機產(chǎn)品，其后處理技術(shù)路線主要有兩條，以下對其進行探討。

關(guān)鍵詞：國六排放;輕型柴油機;NOX;后處理技術(shù)路線

中圖分類號：U464.172;X734.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0038-02

0? 引言

為了滿足日益嚴格的排放法規(guī)要求，對于柴油機，尤其是輕型柴油機，需對發(fā)動機機內(nèi)排放進行嚴格控制，以及機外后處理凈化技術(shù)做出革新，采用更加先進的技術(shù)，對排放污染物進行控制和處理。通過對國外輕型柴油機技術(shù)進行調(diào)研，發(fā)動機本體的機內(nèi)控制技術(shù)與國內(nèi)基本一致，例如：優(yōu)化燃燒室，減低摩擦;提高高壓共軌的噴射壓力;采用高效的增壓器[1];采用先進的EGR技術(shù)，甚至高壓EGR和低壓EGR配合使用等，后處理技術(shù)路線較多，有：NSC+SDPF+SCR、NSC+CDPF+SCR、DOC+SDPF+SCR、DOC+CDPF+SCR等，不同的技術(shù)路線，凈化原理有較大差異，對標定也有較大影響。在國內(nèi)，輕型柴油機產(chǎn)品的標定主要由無錫博世和上海德爾福主導(dǎo)，后處理技術(shù)路線相對統(tǒng)一，主要有：DOC+SDPF+SCR和NSC+CDPF+SCR，以下對這兩種技術(shù)路線作進一步說明和分析。

1? SDPF技術(shù)路線

SDPF技術(shù)路線，在DPF和SCR上涂覆分子篩涂層后對NOX進行處理轉(zhuǎn)化，標定相對簡單，不會出現(xiàn)硫中毒和超高溫的問題，沒有對發(fā)動機硬件的耐溫要求，但SDPF路線的載體容積相對較大，低溫區(qū)域處理NOX的能力相對LNT較弱，對低溫轉(zhuǎn)化率和布置空間有更高的要求。圖1所示是SDPF技術(shù)路線后處理簡圖，包含若干傳感器，合計7～9個，有些具體方案中會爭取把氧傳感器和T7溫度傳感器去除，但需要在標定策略上作補償，并驗證是否可行。

SDPF技術(shù)路線的關(guān)鍵要素之一是SDPF的載體選擇，一般選擇高孔隙率（簡稱HP）的AT或者SiC。CN6最大碳載量的選擇，更多考慮是催化器的溫度而不是考慮過濾器開裂，在熱性能上，由于更密的低導(dǎo)熱沸石涂層，CN6中AT HP與SiC HP相似;由于SDPF更密的圖層和更多的結(jié)構(gòu)部件，為了更好的過濾效率，即使對孔隙結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，CN6背壓仍會更高，由于結(jié)構(gòu)的不同，AT HP要優(yōu)于SiC HP，如圖2所示。通過臺架對比，AT HP再生升溫更快，如圖3所示，NEDC循環(huán)的入口溫度近似，但出口溫度，AT HP整體溫度高出不少，如圖4所示。

通過以上分析，SDPF技術(shù)路線后處理中，同樣的碳載量、同樣的入口溫度，AT HP再生效率更高。同等條件下，再生里程也是AT HP占優(yōu)，SDPF載體建議優(yōu)先考慮AT HP。

2? LNT技術(shù)路線

LNT（Lean NOX trap）技術(shù)路線，也稱CDPF路線或者NSC（NOX Storage Catalyst）路線，LNT對NOX有較強的吸附、轉(zhuǎn)化、儲存、釋放、再生的能力，因柴油里含有少量硫元素，LNT對硫較為敏感，在后噴油LNT再生時有硫元素吸附在LNT載體上，易發(fā)生硫中毒失效現(xiàn)象，故標定策略上需對LNT定期進行高溫脫硫的策略，高溫溫度可達800℃以上，所以采用LNT路線的發(fā)動機的排氣岐管和增壓器蝸殼等部件耐溫必須達到800℃以上，圖5所示是LNT技術(shù)路線簡圖。

LNT的工作原理：低溫下，NOX與載體內(nèi)的BaCO3涂層發(fā)生反應(yīng)，“儲存”在涂層內(nèi)，詳見圖6所示;同時需要定期再生處理“儲存”的硝酸及硫酸鹽，而硫酸鹽的存儲將影響NOX的吸附效率。隨使用時間延長，涂層深處的硫酸鹽越來越難以消除，即NOX的吸附效率越來越低。另外：再生處理硝酸鹽和硫酸鹽過程都需要較低的氧濃度和較多的CO，這種需求將導(dǎo)致發(fā)動機排溫較高。

LNT的再生原理：當NOX硝酸鹽存儲滿了或硫化物過多時，必須進行再生反應(yīng)。如下的反應(yīng)可以看出除NOX和除SOX都需要發(fā)動機工作在濃混合氣狀態(tài)下（加濃，較高的CO濃度），且除SOX的反應(yīng)還需要額外的溫度要求;需要EMS通過后噴、EGR閥、節(jié)流閥等空氣系統(tǒng)管理來實現(xiàn)這樣的要求。這些控制措施，將導(dǎo)致發(fā)動機在NSC再生過程中排溫較高。

通過LNT工作原理可以看出，LNT技術(shù)路線后處理的難點為：若油品中含硫量較高，脫硫不測底，將使LNT的NOx的吸附效率大大下降;若NOX傳感器探測精度不足，將導(dǎo)致脫硝不徹底;另外，LNT也對涂層老化性能提出了更高要求。

3? 結(jié)論

國六排放要求的兩種主要技術(shù)路線，LNT方案具備較好的NOX吸附能力和脫硝效率，尤其再低溫區(qū)域處理NOX效率很高，但是由于存在高溫脫硫的過程，因此標定較為復(fù)雜，并且對發(fā)動機排氣歧管和增壓器蝸殼等零部件的耐溫必須達到800℃以上，導(dǎo)致高溫老化性能面臨較大挑戰(zhàn)，當前主要由于相關(guān)的不足，導(dǎo)致LNT技術(shù)路線在國內(nèi)未成為主流。同時，由于SDPF的明顯優(yōu)勢，逐漸成為正式國6b后處理路線解決方案。

參考文獻：

[1]Schatz N，Wiebicke U，陳麗麗，等.效率最高的重型卡車發(fā)動機——MAN新一代15.2L柴油機[J].國外內(nèi)燃機，2016，48（5）：13-19.

[2]林九冬.高壓共軌噴射系統(tǒng)的參數(shù)確定及排放控制研究 ——以輕型車用柴油機為例[J].內(nèi)燃機與配件，2019（14）：2-3.

[3]黎思倩.有效解決小型輕型柴油機機油消耗高的一項技術(shù)[J].大科技，2019（39）：221.