满足国Ⅴ排放的柴油机后处理技术综述

王佳炜

江苏大学汽车与交通工程学院

满足国Ⅴ排放的柴油机后处理技术综述

王佳炜

江苏大学汽车与交通工程学院

0 引言

近年来，柴油机在汽车中的使用日益广泛，轿车柴油机化也将是未来汽车行业的发展趋势。与汽油机相比，柴油机具有良好的经济性、动力性和可靠性，以及较高的热效率和较低的CO、HC 排放，但较高的NOx和颗粒物(PM) 排放成为限制柴油机发展的主要障碍[1]。为满足对车用柴油机不断提高的排放要求，柴油机排气后处理问题成为了人们研究的焦点。

本文首先对国内排放法规进行了阐述，进而提出了针对轻型和重型柴油车的排放控制技术路线[2]。在此基础上，重点对NOx选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)和柴油机微粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)涉及到的关键技术进行了综述，并对柴油机后处理技术的未来发展进行了展望。

1 排放法规

目前世界上已形成以美国、欧洲、日本为代表的三大排放法规体系，其他各国基本上是采纳其中一种。

表1 ESC和ETC工况国Ⅳ与国Ⅴ排放限值比较g ·kW-1·h-1

表2 WHTC工况国Ⅳ与国Ⅴ排放限值比较g ·kW-1·h-1

在柴油机ESC和ETC及WHTC循环工况下，由表1和表2可知：国Ⅴ排放限值与国Ⅳ排放限值相比，氮氧化物要求降低43%，PM值保持不变[3]。为达到国Ⅴ排放限值目标，需对发动机进行优化，如优化燃烧室、调整压缩比、优化EGR率等，特别是对后处理系统需选择合适的技术路线。

2 柴油机后处理技术路线

实现柴油机国Ⅴ技术路线实际上是基于PM和NOx解耦思路上的技术路线。目前，在柴油机上应用广泛的技术路线主要有SCR技术路线、EGR+DPF技术路线和SCR+DPF技术路线。

2.1 SCR系统

SCR后处理系统为选择性催化还原系统，英文全称为Selective Catalytic Reduction，主要用于选择性催化还原NOx。它的主要原理是将尿素水溶液喷入排气管内，尿素受热后分解成NH3和CO2，然后NH3将NOx催化还原成N2和H2O。SCR后处理系统中的主要化学反应方程式如下：

我国燃油品质较差，含硫量偏高，而SCR本身对硫不敏感，因此SCR适合在我国使用。但是SCR技术通常需要前置DOC调节NO2比例，或者后置DOC来处理泄漏的NH3，而DOC一般都对硫较敏感，因此影响了SCR的应用。只有通过提高燃油品质，降低燃油中的硫含量来解决问题[4]。

2.2 EGR+DPF系统

EGR+DPF系统是一种柴油机后处理路线的典型代表，它通过牺牲一定的燃油经济性来满足排放标准。EGR即废气再循环，主要用于降低NOx排放。EGR的原理是通过将冷却后的废气引入进气管，降低缸内的氧浓度和燃烧温度，抑制NOx的生成，从而降低NOx排放。DPF是柴油微粒捕捉器的英文缩写，英文全称为Diesel Particle Filter。它的工作原理是当柴油机废气通过DPF时，微粒经过扩散、截流、惯性碰撞及重力沉降等被滤体捕捉。DPF的捕捉效率主要受到微粒粒径、排气流速及气流温度等温度影响[5]。

通过EGR与DPF的合理集成，可有效去除排气中的NOx和PM，但随着排放标准越来越严格，EGR也显现出其局限性：EGR率随NOx排放限制降低而增高，燃油消耗率不断增加；随着负荷的增加，EGR对发动机扭矩性能也产生影响[6]。

2.3 SCR+DPF系统

在柴油机的后处理装置中，同时安装DPF和SCR两套后处理系统，如图1所示，对PM和NOx的排放进行综合控制，可以更加有效的减少PM和NOx排放[7]。

图1 SCR-DPF系统结构示意图

方案一的优点是有利于DPF再生，可以有效利用NO2被动再生作用，减少有源再生的次数，提高整机的经济性；缺点是DPF有源再生时的高温与热应力将影响SCR性能。因此，SCR的催化剂不仅应该在低温时有较高的NOx转化效率，而且应具有较好的高温稳定性。

方案二的优点是可以减少SCR的加热时间，进而减少冷起动和低负荷下的NOx排放。此外，由于DPF后置，DPF主动再生时，降低了燃料燃烧峰值热应力对SCR的影响；其缺点是排气到达DPF时温度低，不利于DPF的被动再生，增加了有源再生的次数，使燃油消耗率增加[8]。

3 结论

综合以上分析，对于我国未来柴油机的后处理技术路线，建议如下：

1) SCR技术是满足日益严格的排放法规的重要技术路线，采用SCR技术的柴油机燃油经济性好，且对发动机的改动也较小，在技术升级连续性上具有优势；

2) EGR+DPF技术需要与进气系统、高压喷射和燃烧技术结合，具有满足更高排放法规的潜力，在柴油机上有很大的应用前景；

3) SCR+DPF技术对PM和NOx排放进行综合控制，对降低柴油机颗粒物及氮氧化物的排放和改善大气治理具有深远意义。

[1]李进，褚超美，颜庭源.一种新型DPF-SCR柴油机后处理技术[J].上海汽车，2011，11：30-34.

[2]帅石金，唐韬，赵彦光，华伦.柴油车排放法规及后处理技术的现状与展望[J].汽车安全与节能学报，2012，03：200-217.

[3]张亮.满足国Ⅴ排放法规的柴油机后处理技术[J].汽车零部件，2015，10：17-23.

[4]李鹏，谭丕强，楼狄明，胡志远.满足国Ⅴ排放的重型柴油机排气后处理技术[J].车用发动机，2010，04：1-5+22.

[5]金军平.柴油机国Ⅳ后处理系统综述[J].工程机械与维修，2015，09：61-62+64.

[6]杨超，李锦，张华，周荣.重型车车载诊断系统中的DPF和SCR系统的监控[J].内燃机，2007，01：44-46.

[7]余乐，聂彦鑫.柴油机颗粒物排放后处理技术[J].汽车工程师，2009(10).

[8]董红义，帅石金，李儒龙，王建昕.柴油机排气后处理技术最新进展与发展趋势[J].小型内燃机与摩托车，2007，03：87-92.