柴油車后處理國VI 技術(shù)簡析

佛山市順德區(qū)勒流職業(yè)技術(shù)學(xué)校 周泓杰，陸鎮(zhèn)桓

面對日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，現(xiàn)代汽車對排放的要求越來越高，為打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，控制汽車排放問題，相關(guān)部門對柴油車的排放限值實施中國第六階段的標(biāo)準(zhǔn)（國VI），提出了更為苛刻的廢氣排放和節(jié)能要求。為滿足國VI標(biāo)準(zhǔn)要求，企業(yè)對柴油車的后處理技術(shù)不斷進(jìn)行革新。下面淺談國VI柴油車后處理的相關(guān)技術(shù)。

1 國VI柴油車排放要求

我國生態(tài)環(huán)境部于2018年6月發(fā)布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：自2019年7月1日起實施《重型柴油車污染排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 17691—2018）。國VI標(biāo)準(zhǔn)與國V標(biāo)準(zhǔn)相比，在氮氧化物（NOx）和顆粒（PM）排放上提出了更高的要求，國V的NOx排放值到國VI的NOx排放值，要求降低80%，國V的PM排放值到國VI的PM排放值，要求降低50%，見表1所列。

柴油車的排放污染物主要包含PM、NOx、一氧化碳（CO）和碳?xì)浠铮℉C）4種。通常CO和HC排放控制較為容易，但PM與NOx排放較難控制，而且PM排放與NOx排放、NOx排放與燃油經(jīng)濟(jì)性之間又相互矛盾，因此，降低NOx與PM的排放、降低燃油消耗是柴油車的技術(shù)難點。

目前柴油車排放控制主要有3種技術(shù)方案：機(jī)前處理、機(jī)內(nèi)凈化及后處理。后處理是指利用各種過濾凈化裝置或催化轉(zhuǎn)化器對排氣進(jìn)行處理。排放后處理技術(shù)方案根據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求不同，主要分為以下3種處理技術(shù)：SCR（選擇催化還原器），EGR（廢氣再循環(huán)）+DPF（微粒捕捉器），DOC（氧化催化器）+DPF+SCR，SCR技術(shù)包含ASC（氨逃逸催化器）處理。

表1 國VI排放標(biāo)準(zhǔn)等級對比

2 國VI柴油車后處理系統(tǒng)的組成

以國V I康明斯F系列發(fā)動機(jī)為例，其后處理DOC+DPF+SCR的基本組成為催化器系統(tǒng)、尿素供應(yīng)系統(tǒng)、尿素噴射系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 康明斯F系列后處理系統(tǒng)

圖2 含有壓縮空氣供給系統(tǒng)的后處理系統(tǒng)

催化器系統(tǒng)中包含了DOC、DPF、SCR及相關(guān)傳感器，尾氣從發(fā)動機(jī)排出，在氧化還原過程中依次經(jīng)過DOC、DPF及SCR，最后再排放到空氣中；尿素供應(yīng)系統(tǒng)為尿素噴射系統(tǒng)提供一定壓力的尿素；尿素噴射系統(tǒng)中，尿素噴射嘴安裝在SCR內(nèi)部，達(dá)到一定的條件時，噴射尿素參與還原過程；后處理各系統(tǒng)間通過控制系統(tǒng)的控制，達(dá)到較好的化學(xué)反應(yīng)效果，同時檢測尾氣中相關(guān)氣體的含量，修正相關(guān)控制數(shù)據(jù)，從而達(dá)到較好的凈化目的。

也有部分系列發(fā)動機(jī)含有壓縮空氣供給系統(tǒng)，如圖2所示。圖中DEF為柴油車尾氣處理液（汽車尿素），壓縮空氣供給單元與尿素供給單元共同配合，為系統(tǒng)提供一定壓力的尿素液。

3 國VI柴油車后處理技術(shù)特點

3.1 DOC系統(tǒng)（氧化催化器）

當(dāng)尾氣流過氧化催化器DOC時，在200 ℃～600 ℃溫度下，CO與HC幾乎全部被氧化成CO2與H2O，同時NO被轉(zhuǎn)化為NO2。DOC內(nèi)部呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表面含鉑、鈀等金屬，具有強(qiáng)氧化性，如圖3所示。HC轉(zhuǎn)化率達(dá)90%以上，CO的轉(zhuǎn)化率80%以上，NO轉(zhuǎn)化為NO2，但是對NOx整體沒有明顯的轉(zhuǎn)化功能。

3.2 DPF系統(tǒng)（微粒捕捉器）

DPF在尾氣流經(jīng)的過程中，捕集炭微粒，如圖4所示。當(dāng)炭微粒越來越多時，就會導(dǎo)致排氣背壓高從而影響發(fā)動機(jī)動力，此時就需要通過燃燒的方式處理炭微粒，這樣的過程稱為再生。再生分為被動再生、主動再生及靜止再生，當(dāng)無法再生時就必須進(jìn)行DPF的清除或更換。

圖3 DOC內(nèi)部

圖4 DPF內(nèi)部

被動再生是利用催化劑來降低炭微粒的著火溫度，使炭微粒能在正常的柴油機(jī)排氣溫度下著火燃燒。被動再生一直在進(jìn)行，根據(jù)排氣溫度的不同，速度亦有所不同，車輛正常行駛時自動進(jìn)行被動再生。

主動再生是發(fā)動機(jī)運行到中等以上負(fù)荷時車輛自動執(zhí)行的。

靜止再生是需要駕駛?cè)送＼嚭蟀磩釉偕粹o執(zhí)行，僅在車輛靜止?fàn)顟B(tài)下執(zhí)行。亦可通過維修人員操作，不是自動進(jìn)行，需要人工操作。

駕駛?cè)碎L期沒有進(jìn)行靜止再生操作或系統(tǒng)故障無法滿足DPF系統(tǒng)工作時，需要進(jìn)行DPF的清除或更換。

DPF的載荷、行駛里程及再生策略的關(guān)系如圖5所示。根據(jù)DPF的載荷情況、行駛里程及汽車工況，執(zhí)行不同策略的再生。

3.3 SCR系統(tǒng)（選擇催化還原器）

SCR控制系統(tǒng)精確地噴射尿素到催化器前段的排氣系統(tǒng)中，把發(fā)動機(jī)排氣產(chǎn)生的NOx轉(zhuǎn)化成N2和H2O。SCR主要由殼體、襯墊、載體和催化劑涂層組成，如圖6所示。

尿素溶液噴射在SCR系統(tǒng)前段，（NH2）2CO和H2O受熱反應(yīng)成NH3和CO2，氨NH3與NO、NO2及NOx反應(yīng)生成N2和H2O。SCR系統(tǒng)后段含有還原氨的催化器ASC，以防止氨泄漏。整個SCR工作流程為：噴射尿素；尿素和水分解為氨；氮氧化合物與氨反應(yīng)生產(chǎn)氮氣和水；未被反應(yīng)的氨分解為氮氣。SCR后處理過程如圖7所示。

尾氣從發(fā)動機(jī)排出后，按順序先后通過DOC、DPF、SCR及ASC，再排到空氣中。目前DOC+DPF+SCR技術(shù)為國VI柴油車的主流技術(shù)。

圖5 DPF再生關(guān)系

圖6 SCR內(nèi)部

圖7 SCR后處理過程