商用車柴油機國四之排放

聶元花

摘 要：2013年大氣污染嚴重，執(zhí)行國四排放標準勢在必行，本文介紹國四排放要求、國內(nèi)商用車后處理系統(tǒng)排放的化學反應機理和工作原理、OBD診斷條件等。

關(guān)鍵詞：國四排放；后處理系統(tǒng)；OBD診斷條件

前言

2013年，民眾聽到最多的字眼之一就是“霧霾”，尤其是長三角、珠三角和京津冀魯?shù)貐^(qū)城市，空氣受到重污染，一時間呼吸疾病率飆升，呼吸成為大家難言的痛。2013年 9月國務(wù)院印發(fā)實施的《大氣污染防治行動計劃》提出，減少多污染物排放、調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等十條措施，力促空氣質(zhì)量改善。面對霧霾已成為生活中一個常態(tài)化“頑疾”的現(xiàn)實，我們開始反思改善自己的衣食住行，其與物流密不可分，商用車是物流形式之一。全面實行商用車第四階段排放標準，將成為治理霧霾這個頑疾的一部分。

據(jù)了解，目前北京、上海、廣州、成都等一線城市已經(jīng)提前實施"國Ⅳ"標準。國Ⅳ車的主要特點是進一步降低商用車的CO、碳氫化合物、氮氧化物以及可吸入顆粒物等污染物排放總量。在一些國家和地區(qū)，中重型車用柴油機的排放在發(fā)動機對環(huán)境排放貢獻度中要達到70%左右，因此中重型車用柴油機的排放一直是內(nèi)燃機排放控制領(lǐng)域的重點。2005年歐洲車用發(fā)動機已開始實施歐4排放法規(guī)，其對柴油機提出了更為嚴格的要求。

1.國四標準要求

國四排放標準是國家第四階段機動車污染物排放標準，汽車排放污染物主要有HC（碳氫化合物）、NOx（氮氧合物）、CO（一氧化碳）、PM（微粒）等，壓燃式柴油機排放HC、CO相對汽油機少，但排放NOx和PM的量較大，因此柴油機排放控制的重點是降低NOx和

PM的排放量。通過更好的催化轉(zhuǎn)化器的活性層、二次空氣噴射以及帶有冷卻裝置的排氣再循環(huán)系統(tǒng)等技術(shù)的應用，控制和減少汽車排放污染物到規(guī)定數(shù)值以下的標準。

2007年國家環(huán)境保護總局和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗疫總局發(fā)布的標準GB17691，可查得到關(guān)于國四排放ECT試驗限值，見表1 ，ESC和ELR的試驗限值，見表2。從上面兩張表格可以看到，無論是穩(wěn)態(tài)、負荷和瞬態(tài)對氮氧化物和顆粒物的要求都是相同的，即NQx為3.5g/（kW·h），顆粒物PM0.03 g/（kW·h）。

要實現(xiàn)國Ⅳ對NQx和PM排放的要求，目前有兩條技術(shù)路線：其一是先通過噴射系統(tǒng)優(yōu)化和噴射定時提前以降低顆粒物PM，再使用SCR來降低因燃燒優(yōu)化而產(chǎn)生的NQx排放；其二是EGR+DPF路線，即先通過廢氣再循環(huán)降低排放中NOx的成份，再用顆粒捕集器捕集因使用EGR而略有增加的顆粒物PM，從而達到同時降低NOx和PM的效果，如圖1所示。

圖1 柴油機實現(xiàn)歐四排放技術(shù)路線圖

2.后處理系統(tǒng)排放的反應機理及工作原理

目前，對于輕型卡車后處理系統(tǒng)排放主要采用技術(shù)路線二，國內(nèi)商用車主機場后處理系統(tǒng)排放采技術(shù)路線一。文主要討論商用車后處理系統(tǒng)，下面將介紹技術(shù)路線一的化學反應機理及工作原理。

2.1.技術(shù)路線一的反應機理

制造商一般采用在發(fā)動機機內(nèi)減少PM排放、在廢氣中處理NOx的措施。目前采用的一種解決方案是：利用商業(yè)用的可蘭素（固體尿素和水溶液，濃度為32.5%±0.5%），在排氣中噴入尿素、氨水等還原性物質(zhì)，將NQx（主要是NO）還原為N2和H20。如市面上銷售的AdBlue，無毒、潔凈、無氣味、不易著火、無爆炸危險，但有輕微的腐蝕性，必須在特殊儲存容器內(nèi)反應。

反應通常在SCR催化器中進行，SCR催化器是指安裝在柴油汽車排氣系統(tǒng)中，將柴油機排放中的NOx催化還原成N2和O2的催化還原裝置。在SCR催化器內(nèi)發(fā)生的化學反應如下：

尿素分子熱解，與排氣混合；

（NH2）2CO→NH3+HNCO

HNCO進一步水解，與排氣混合

HNCO+H2O→NH3+CO2

催化器內(nèi)主要發(fā)生的反應

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O 為標準SCR反應

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

上述兩個反應寫成一個反應方程式：

4NH3+4Nox+（3-2X）O24N2+6H2O

當催化器溫度低于200℃時，發(fā)生低溫邊界反應：

2NH3+2NO2→NH4NO3+N2+H2O

反應生成物被催化劑吸附在活性中心后將滯留在活性中心，引起催化劑活性的降低，當催化器溫度高于400℃，會有如下反應：

4NH3+3O2→2N2+6H2O

以上的化學方程式可以簡單的理解為一個還原化反應，即將NQx還原為N2和水。

為防止過量的氨氣泄漏，通常在SCR催化器之后加裝NH3氧化器。利用NH3會在催化劑的作用下被排氣中的氧氣氧化這一特性，氧化SCR剩余的NH3。在SCR催化器內(nèi)發(fā)生催化還原反應時，選擇尿素水溶液作為還原劑。尿素水溶液噴射到催化劑逆流方向的排氣管中，在廢氣溫度和氣流的作用下氣化分解為CO2和氨水，氨水作為還原劑將NOx還原成無污染的氮氣和水尿素溶液必須根據(jù)發(fā)動機工況狀況定量噴射，所以定量噴射單元的邏輯控制電路是與發(fā)動機控制單元相連接的。SCR 的工作效率取決于氣體溫度，如果在200℃到500℃的溫度工作，其效率是85%，實際車輛的操作條件都可以達到這個要求。歐Ⅳ標準要求轉(zhuǎn)化率50%，歐Ⅴ標準要求轉(zhuǎn)化率70%，所以SCR系統(tǒng)完全滿足要求。即SCR技術(shù)路線是我國重型柴油機達到第Ⅳ階段排放標準的最佳選擇。

2.2.工作原理

當SCR系統(tǒng)工作時，電控單元采集柴油機的轉(zhuǎn)速和扭矩信號、排氣管中的排氣溫度信號、催化器溫度信號后電控單元根據(jù)輸入?yún)?shù)，查找存儲的尿素噴射脈譜圖，計算出此時所需的尿素量。經(jīng)過驅(qū)動電路，轉(zhuǎn)化為噴射脈沖信號，控制尿素泵動作。尿素泵將一定量的尿素從尿素罐中抽出，加壓過濾后送到計量控制單元，形成具有一定壓力的尿素待用。同時壓縮空氣接通，當發(fā)動機的排氣溫度達到要求時，計量控制單元將一定量的尿素噴出并與壓縮空氣混合噴入SCR 催化器入口前端。在排氣管的混合區(qū)，尿素遇高溫分解成NH3和H2O，與排氣充分混合后進入SCR 反映裝置。在催化反應區(qū)，NH3和NOx反應生成N2和H2O，排到大氣中。催化消聲器是一個集催化器和消聲器于一體的催化消聲裝置（如需尾氣加熱功能還可集成尾氣加熱器）。催化消聲器內(nèi)部有三個串聯(lián)并相互獨立的單元組成，包括氨擴散器、催化器和消聲器。擴散器負責將帶有氨的排氣均勻的分布在催化器的表面，催化器負責加速NOX的還原，消聲器消除發(fā)動機排氣系統(tǒng)的噪音。為了防止氨氣腐蝕，催化消聲器整體采用不銹鋼材料制造，其內(nèi)部催化器工作過程中需要表面最低溫度達到200℃，因此布置時應盡量靠近發(fā)動機，催化器入口必須位于距增壓器出口1～4m 的地方。催化器前后設(shè)有兩個溫度傳感器，用于檢測催化器前后溫度，以此來判斷催化器表面溫度，確定AdBlue的噴射量。為了防止催化消聲器內(nèi)部陶瓷載體免受劇烈震動，安裝系統(tǒng)需要采取減震設(shè)計，催化消聲器支架與車輛大梁之間需要使用彈性減震裝置。渦輪增壓器出口和催化消聲器之間使用金屬軟管鏈接，可使催化消聲器內(nèi)的催化器免受震動。

3.車載診斷系統(tǒng)

國四對發(fā)動機的排放要求，若是實際運行過程中超出了要求，車用壓燃燒工發(fā)機將有什么影響。每個后處理系統(tǒng)中都有一個斷診斷儀，當排放超標時，下表是國家環(huán)境保護部發(fā)出的標準HJ437-2008，可查閱表三，以下內(nèi)容對適用于NOx控制限值，ETC試驗排放超過3.5 g/

小結(jié)

SCR作為新的后處理技術(shù)，由于系統(tǒng)成本高、初期投資高、操作和保養(yǎng)費用高、需要加一套較復雜的調(diào)節(jié)還原劑噴射量的控制系統(tǒng)等原因，在車用柴油機上還沒有得到推廣。其還要求行駛區(qū)域內(nèi)對尿素的供應，并需要車載診斷（OBD），同時需要車輛使用者有較高的環(huán)保意識，自覺及時地添加尿素也是目前實施這一路線的現(xiàn)實困難。此外，在溫度較低（-11℃）的情況下，尿素-水溶液會結(jié)冰，也使其在寒冷地區(qū)的推廣使用受到限制，但現(xiàn)已可以通過尿素計量系統(tǒng)的適當加熱措施來解決。在SCR技術(shù)的應用方面，目前已經(jīng)基本解決尿素的儲存、注入和噴射策略等技術(shù)問題，其使用耐久性好，已有幾年在柴油機上應用的經(jīng)驗，但還需進一步解決降低SCR裝置成本以及尿素加注站的布局等問題。隨著對SCR技術(shù)的開發(fā)研究和排放法規(guī)的日趨嚴格，SCR技術(shù)在歐5機上很快也會得到推廣。

總之，國四實行是勢在必行的，SCR成各主機場的首選。

參考文獻

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