淺談柴油機國IV后處理系統(tǒng)

◆文/廣西 金軍平

淺談柴油機國IV后處理系統(tǒng)

◆文/廣西 金軍平

自2015年1月1日國家強制柴油車實施國IV排放標準以來，柴油機國IV排放技術受到人們的廣泛關注。本文在探討國IV柴油機使用后處理系統(tǒng)必要性的基礎上，對SCR后處理系統(tǒng)及EGR+DPF系統(tǒng)的原理進行了分析，并討論這兩種柴油機國IV技術路線的區(qū)別。

隨著國家經濟及汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，我國的汽車數量急劇增加。據最新調查顯示：截至2014年末，除三輪汽車和低速貨車之外，國民用汽車保有量達到14 475萬輛，千人保有量首次超過百輛，達到105.83輛/千人。汽車數量的不斷增加勢必導致能源消耗的不斷增大，同時也帶來了嚴重的環(huán)境污染問題。汽車廢氣排放物主要成份為：一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)、碳氫化合物(HC)以及由碳煙、氧化硫及附著的HC等組成的微粒(PM)。如果這些汽車廢氣被大量排入空氣中，人類的健康將受到極大的危害。例如：廢氣中CO能危害人的中樞神經系統(tǒng)。根據人體吸入CO濃度與時間的不同，輕者出現(xiàn)頭暈、惡心及頭痛等癥狀，嚴重者出現(xiàn)心血管工作困難，甚至死亡。從環(huán)境容量來看，我國每年的氮氧化合物(NOx)排放上限為1 880萬噸左右。按照目前的發(fā)展趨勢，到2020年，NOx將達到3 500萬噸。這些氮氧化合物中的NO2是一種具有強烈刺激性的棕紅色有毒氣體，能降低血液的輸氧能力，對人體的心臟、肝及腎產生嚴重危害。因此，對機動車輛的廢氣排放進行嚴格限制是很有必要的。

一、國IV柴油機使用后處理系統(tǒng)的必要性

國家排放法規(guī)參照歐洲的排放標準主要對HC、CO、NOx和PM做了相關的規(guī)定，其中降低NOx和PM的排放是每個發(fā)動機廠家都重點關注的目標。燃燒系統(tǒng)是排放能否達標的關鍵，也是排放控制首要關注的對象。傳統(tǒng)的排放控制理論主要是通過如下方法來達到排放標準：(1)通過降低初始燃燒溫度來減少NOx；(2)通過提高燃燒速度來降低微粒物排放；(3)通過縮短擴散燃燒周期來降低微粒物排放和改善燃油經濟性。在燃燒室高溫及氧氣充足的情況下，PM排放量大大減少，燃油經濟性得到了改善，但NOx卻被大量地產生出來。通過優(yōu)化進氣渦流及燃燒室、提高噴油器噴射壓力及采用小孔徑多孔噴射的方法縮短噴霧液相長度等一系列的燃燒優(yōu)化手段，并在PM排放量及NOx排放量之間尋求一個最佳匹配，柴油機能夠滿足國III及國III以下排放法規(guī)的要求。但事實證明，僅通過機內燃燒優(yōu)化的手段，而不考慮機前優(yōu)化以及機外廢氣凈化的后處理系統(tǒng)，柴油機的廢氣排放已經無法滿足嚴格的國IV排放法規(guī)的要求。盡管后處理系統(tǒng)增加了汽車的制造成本，但汽車廢氣排放要想滿足國IV排放要求，必須將PM和NOx進行解耦。也就是說，在保證燃油品質的前提下，通過增加后處理系統(tǒng)并按一定的先后順序對PM及NOx進行分別處理，使汽車廢氣排放最終能滿足國IV排放要求。

二、柴油機國IV技術路線

柴油機國IV技術路線實際上是基于PM和NOx解耦思路上的技術路線。目前，在柴油機上廣泛應用的國IV技術路線主要有兩種，即SCR技術路線和EGR+DPF技術路線。SCR技術路線先通過機內燃燒優(yōu)化降低PM排放量，提高燃油經濟性，然后再通過SCR后處理系統(tǒng)來處理柴油機廢氣中的NOx，從而滿足國IV排放標準。EGR+DPF技術路線對PM與NOx的處理過程與SCR技術路線恰好相反，即先通過廢氣再循環(huán)降低NOx的排放量，然后再用DPF處理廢氣中的PM。兩種技術路線達到國IV排放標準的路徑如圖1所示。

三、SCR后處理系統(tǒng)

SCR后處理系統(tǒng)為選擇性催化還原系統(tǒng)，英文全稱為：se1ected cata1ystic reduction，主要用于擇性催化還原NOx。它的主要原理是將添藍溶液(adb1ue，質量濃度為32.5%的尿素水溶液)噴人排氣管內，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)中的主要化學反應方程式如下：

1.尿素分解

(NH2)2CO + H2O -＞ 2NH3+ CO2

2.催化器內的還原反應

2NH3+ NO+ NO2-＞ 2N2+ 3H2O

4NH3+ 4NO+O2-＞ 4N2+ 6H2O

4NH3+ 2NO2+ O2-＞ 3N2+ 6H2O

根據數據統(tǒng)計：在達到國IV排放的重卡車型中，BOSCH的SCR噴射系統(tǒng)獨占鰲頭，其次是浙江銀輪、蘇州派格力、無錫凱龍和TENNECO廠家的SCR噴射系統(tǒng)；在工程機械車領域，配套的SCR后處理系統(tǒng)幾乎全部都被格蘭富占領；而客車及運輸車領域幾乎全部是BOSCH的SCR噴射系統(tǒng)的身影。但是不管SCR后處理系統(tǒng)配套的是BOSCH噴射系統(tǒng)還是格蘭富尿素泵，它們都是以催化還原NOx，降低汽車廢氣中的NOx排放為目的而形成的一整套控制系統(tǒng)。SCR后處理系統(tǒng)由尿素泵、添藍罐、DCU、溫度傳感器、NOx傳感器、噴嘴、催化消聲器以及一些線束和管路等組成。SCR后處理系統(tǒng)原理圖如圖2。

圖2 SCR后處理系統(tǒng)原理圖

添藍罐內部通常都集成了溫度傳感器、液位傳感器以及用于引入柴油機熱水對添藍進行加熱以防止結冰的水管。當液位傳感器檢測到添藍罐內的添藍低于某個等級(如20%)時，后處理系統(tǒng)會激活故障燈來提醒駕駛員注意。如果添藍罐內添藍的液位太低(如低于10%)，DCU此時會激活排放故障燈，并通過CAN總線告知ECU激活減扭矩功能，對柴油機進行減扭矩處理。NOx傳感器安裝在催化消聲器的下游，主要用于測量汽車廢氣中的NOx含量，并通過CAN總線將檢測到的信息傳遞給控制器。當NOx傳感器檢測到汽車廢氣中的NOx排放高(如超過7g/(kW·h))時，NOx傳感器通過CAN總線發(fā)布信息，DCU立即激活排放故障燈，同時ECU對柴油機進行減扭矩處理。由于尿素的熔點在132.7℃，需要加熱至160℃才分解并產生出NH3，因此為防止過多未及時分解的尿素在排氣管內結晶，SCR后處理系統(tǒng)只有在催化器前溫度傳感器檢測到(或DCU根據MAP估算到)催化消聲器上游的排氣溫度大于200℃時才允許添藍噴射到排氣管內。一般情況下，添藍的消耗量是柴油消耗量的3%～7%。

BOSCH尿素泵的作用是：將添藍罐里面的添藍汲取上來，并根據DCU指令建立合適的壓力，以保證添藍噴射量的準確性以及噴射時獲得良好的霧化效果。格蘭富尿素泵的作用是：精確計算添藍的噴射量，并通過壓縮空氣將添藍輸送給噴嘴。也就是說,BOSCH尿素泵主要用于控制添藍的噴射壓力，而格蘭富尿素泵主要用于控制尿素的噴射量。BOSCH尿素泵與格蘭富尿素泵之間的功能差異使得與它們相互匹配的尿素噴嘴也存在差異。BOSCH的SCR噴射系統(tǒng)采用的是電控添藍噴嘴，DCU通過控制噴嘴上面的電磁閥的開啟和關閉，來實現(xiàn)對添藍噴射定時及噴射量的精確控制。由于有壓縮空氣輔助噴射，對于配套格蘭富尿素泵的SCR后處理系統(tǒng)而言，機械噴嘴已經足夠滿足其噴射要求，并能形成良好的霧化效果。BOSCH的DNOX2.0尿素泵和DNOX2.0電控噴嘴以及格蘭富尿素泵和機械噴嘴如圖3所示。

圖3 BOSCH的DNOX2.0尿素泵和DNOX2.0電控噴嘴以及格蘭富尿素泵和機械噴嘴

四、EGR+DPF系統(tǒng)

EGR+DPF系統(tǒng)是一種柴油機國IV技術路線的典型代表，它通過犧牲柴油機一定的燃油經濟性來達到國IV排放標準。與之相類似的系統(tǒng)還有EGR+DOC、EGR+POC、EGR+DOC+POC以及EGR+DOC+DPF。DOC是柴油氧化催化器，主要用于處理柴油機廢氣排放中的HC和CO。POC是微粒氧化催化器，主要用于處理柴油機廢氣排放中的PM 。

EGR即廢氣再循環(huán)，主要用于降低汽車廢氣中的NOx排放。EGR的原理是將冷卻后的柴油機廢氣引入進氣管內，通過降低汽缸內氧氣濃度及燃燒溫度，來達到破壞NOx的生成環(huán)境，減緩燃燒速度，降低NOx排放的目的。根據控制方式的不同，EGR閥分為真空動作EGR閥、排氣背壓EGR閥及電控EGR閥。EGR系統(tǒng)設計的關鍵是使足夠的廢氣回流到進氣管中，并根據柴油機不同的工況找到與之相匹配的最佳EGR率。實驗證明，隨著EGR率的增加，不僅NOx排放量明顯降低，空燃比、渦前壓力及中冷后壓力也逐漸降低。當EGR率過高時，HC、CO及PM排放量增加，燃油經濟性惡化，DPF對廢氣的處理負擔增大。如果EGR率過小，NOx排放達不到國IV排放法規(guī)的要求，柴油機也容易產生爆震現(xiàn)象。因此，EGR率必須根據柴油機工況要求進行控制。與此同時，能感知單位時間內空氣進氣總量的空氣流量計也被廣泛用于加強ECU對EGR率的控制。為達到國IV排放標準，柴油機一般采用15%以內的EGR率與DPF組合。EGR+DPF系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 EGR+DPF系統(tǒng)原理圖

DPF是柴油微粒捕捉器的英文縮寫，英文全稱為：Diese1 Partic1e Fi1ter。它的過濾技術機理主要為：當柴油機廢氣通過DPF時，微粒經過擴散、截流、慣性碰撞及重力沉降等原理被濾體捕捉。PDF的捕捉效率主要受到微粒粒徑、過濾體微孔孔徑、排氣流速及氣流溫度等因素影響。再生技術是DPF能否在后處理系統(tǒng)上正常工作的關鍵。一種好的再生系統(tǒng)應具有成本低廉、對柴油機性能影響小以及不對環(huán)境產生二次污染等特點。根據DPF的再生原理的不同，DPF的再生可分為被動再生和主動再生。被動再生要求DPF在設計上應滿足微粒的總燃燒速度必須要大于微粒的總積累速度，它是利用燃油添加劑或催化劑等降低微粒的著火溫度，使微粒在柴油機正常的排氣溫度下燃燒，從而實現(xiàn)再生。被動再生方式目前主要有催化涂層再生和燃油添加劑再生等。主動再生是利用外加能源，使DPF內的排氣溫度達到微粒的著火溫度(500℃～600℃)，然后通過燃燒微粒來實現(xiàn)再生。主動再生方式主要有電加熱再生、微波加熱再生、紅外加熱再生及噴油或燃氣助燃再生等。為判斷DPF是否存在失效現(xiàn)象，通常在PDF上安裝用于檢測其兩端壓力差的壓差傳感器。DPF失效主要存在堵塞和燒漏(或燒結)兩種情況，前者會因排氣阻力大而影響柴油機的動力性，后者會因無法正常捕捉微粒而導致排放超標。當壓差傳感器檢測到DPF兩端的壓差值超出正常范圍時，控制器會立即激活故障燈。

五、兩種柴油機國IV技術路線的差異

由于柴油機廢氣中的PM與NOx的生成條件存在互逆性，因此在滿足國IV排放的技術上出現(xiàn)了兩種路線。從國外情況看，歐洲主要選擇SCR技術路線，而美國主要選擇EGR+DPF技術路線。目前，國內兩種技術路線都有運用，中重型車輛主要采用SCR技術路線，輕型車輛主要采用EGR+DPF技術路線。出于成本考慮，部分中型車也采用了EGR+DPF技術路線。在柴油機燃油噴射系統(tǒng)方面，高壓共軌系統(tǒng)與單體泵系統(tǒng)在兩種技術路線上都有運用，其中高壓共軌系統(tǒng)將可能成為國IV柴油機配套的主流系統(tǒng)，單體泵系統(tǒng)借助其對油品清潔度的不敏感性被配套于一些使用環(huán)境比較惡劣的國VI排放車輛(比如自卸車)上。兩種柴油機國IV技術路線的區(qū)別如表1所示。

表1 兩種柴油機國IV技術路線的區(qū)別

六、結束語

SCR后處理系統(tǒng)和DPF都是廢氣處理裝置，它們與柴油機在降低PM與NOx排放上存在不同的分工。使用哪種機外廢氣凈化處理裝置不僅取決于市場需求及中國的國情，還受到發(fā)動機本體結構及配套成本的影響。柴油品質及添藍溶液的供給是實施柴油機國IV排放升級的基礎。如果油品含硫量過高，后處理系統(tǒng)中的催化劑很容易中毒，廢氣凈化效果將大打折扣，甚至導致排放不達標。此外，低廉的排放違法成本以及地方保護主義也將會使行業(yè)秩序遭到破壞。因此，要想使國IV排放標準廣泛推廣，國家需要做好相關配套工作，并嚴格執(zhí)法。