重型柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

萬(wàn)川 鄒筆鋒 吳星 孟強(qiáng)

摘要：國(guó)六法規(guī)對(duì)重型柴油機(jī)PM和NOX排放提出了嚴(yán)苛要求，尾氣后處理技術(shù)已成為重型柴油機(jī)滿足最新法排放法規(guī)的必然途徑。本文在分析重型柴油機(jī)法規(guī)進(jìn)程的基礎(chǔ)上，總結(jié)了國(guó)六背景下重型柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)路線，并分別從重型柴油機(jī)PM和NOX控制技術(shù)角度闡述了柴油機(jī)氧化催化器DOC、顆粒捕集器DPF以及選擇性催化還原技術(shù)SCR研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合國(guó)六需求提出了重型柴油機(jī)PM和NOX協(xié)同控制技術(shù)的相關(guān)見解和思考。

Abstract： The China VI emission regulation put forwards stringent requirements for PM and NOX emissions from heavy-duty diesel engines. The exhaust after-treatment technologies have become an inevitable way for heavy-duty diesel engines to meet the latest emission regulations. Based on the analysis of the emission regulations process for heavy-duty diesel engines， this paper summarizes the technical route of heavy-duty diesel engine exhaust after-treatment system under the background of the China VI emission regulation， in addition， this paper elaborates research status of the exhaust emission after-treatment technologies including diesel oxidation converter （DOC）， diesel particulate filter （DPF） and selective catalytic reduction （SCR） as well as the development trend. Finally， combining with the demand of China VI emission regulation， this paper put forward some opinions and thoughts on the collaborative control technology for PM and NOX of heavy-duty diesel engines.

關(guān)鍵詞：重型柴油機(jī);尾氣后處理技術(shù);研究現(xiàn)狀;趨勢(shì)

Key words： heavy-duty diesel engine;exhaust after-treatment technologies;research status;development trend

中圖分類號(hào)：TK421.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0067-06

0? 引言

重型柴油機(jī)具有熱效率高、扭矩大、可靠性高、燃油經(jīng)濟(jì)性好等明顯優(yōu)勢(shì)，在商用汽車、船舶、國(guó)防裝備、非道路機(jī)械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。根據(jù)最新的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，我國(guó)公路客運(yùn)運(yùn)輸占客運(yùn)總量的79%，公路貨物運(yùn)輸占貨運(yùn)總量的77%[2]，而公路運(yùn)輸絕大部分是柴油車，可見，柴油車尤其是重型柴油車仍是交通運(yùn)輸體系中的絕對(duì)主力，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，仍將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重要作用。另一方面，柴油車尾氣污染嚴(yán)重，《中國(guó)機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)（2018）》中指出，機(jī)動(dòng)車污染是我國(guó)空氣污染的重要來(lái)源，是形成細(xì)顆粒物、光化學(xué)煙霧污染的重要原因[3]，而柴油車排放的NOX接近汽車排放總量的70%，PM超過(guò)90%，是機(jī)動(dòng)車污染的主要貢獻(xiàn)者，其中，絕大部分來(lái)自于重型柴油車。PM和NOX作為柴油車兩大主要排放物，是造成大氣霧霾污染的核心污染物[4]，而且嚴(yán)重危害人體健康，早在2013年，柴油車尾氣就被世界衛(wèi)生組織宣布為一級(jí)致癌物[5]。柴油車尾氣治理已成為亟待解決的社會(huì)問(wèn)題。近來(lái)年，國(guó)家相繼出臺(tái)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》、《京津冀及周邊地區(qū)2017年大氣污染防治工作方案》、《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》等一系列關(guān)于大氣污染專項(xiàng)治理的相關(guān)計(jì)劃，重型柴油車PM和NOX排放治理已成為一系列治理行動(dòng)的重中之重。

現(xiàn)階段重型柴油車的排放治理主要從燃油改善技術(shù)、機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)以及尾氣后處理技術(shù)三個(gè)方面開展[6]。隨著油品的不斷升級(jí)，通過(guò)燃油改善帶來(lái)降低柴油機(jī)排放已十分有限;而包括均質(zhì)壓燃先進(jìn)燃燒技術(shù)、增壓技術(shù)、共軌技術(shù)等一系列在內(nèi)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)雖已取得較大突破，但無(wú)法滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，必須同時(shí)采用柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)，尾氣后處理技術(shù)是解決柴油機(jī)PM和NOX排放的最有效控制手段[7-8]，目前已成為柴油機(jī)研究的前沿與熱點(diǎn)問(wèn)題。本文首先對(duì)重型柴油機(jī)法規(guī)進(jìn)程進(jìn)行解讀，在此背景下總結(jié)了重型柴油機(jī)后處理技術(shù)路線，針對(duì)重型柴油機(jī)PM和NOX排放的典型后處理技術(shù)，如氧化催化器（DOC）、顆粒捕集器（DPF）、NOX選擇性催化還原（SCR）等基本原理、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了綜述，并從PM和NOX協(xié)同控制角度指出重型柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展方向。

1? 重型柴油機(jī)法規(guī)進(jìn)程

重型柴油機(jī)的污染問(wèn)題不斷引起世界各國(guó)政府的重視，紛紛制定相應(yīng)的排放法規(guī)，以限制重型柴油機(jī)的尾氣排放。其中，美國(guó)、歐洲和日本排放法規(guī)是目前全球最具代表性的三大排放法規(guī)體系[9-10]。圖1所示為世界三大法規(guī)體系關(guān)于重型柴油機(jī)排放的法規(guī)進(jìn)程，可以看出，對(duì)重型柴油機(jī)的PM和NOX排放限值不斷加嚴(yán)。近年來(lái)，隨著我國(guó)政府對(duì)環(huán)保問(wèn)題的高度重視，重型柴油機(jī)排放法規(guī)不斷升級(jí)，限值愈加嚴(yán)格（見圖2）。即將全面實(shí)施的《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》（以下簡(jiǎn)稱“重型國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)”）在歐洲標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上融合了美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，對(duì)NOX和PM的限值較國(guó)五階段削減60%以上，并增加了對(duì)顆粒數(shù)量PN的限制[11]。該標(biāo)準(zhǔn)中采用全球統(tǒng)一重型發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量循環(huán)，循環(huán)工況與車輛實(shí)際運(yùn)行更為接近，增加了低速低負(fù)荷工況占比，工況整體排溫低，加嚴(yán)了對(duì)催化器低溫性能的考核，并對(duì)柴油車?yán)鋯?dòng)排放提出了新的要求。同時(shí)引入了整車道路車載法試驗(yàn)測(cè)試方法，被認(rèn)為是目前世界上最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)之一。只有借助尾氣后處理技術(shù)才有可能使重型柴油機(jī)滿足如此嚴(yán)苛的排放法規(guī)要求[12]。

2? 重型柴油機(jī)后處理技術(shù)路線

重型柴油機(jī)后處理技術(shù)主要著眼于降低PM和NOX排放。目前針對(duì)柴油機(jī)PM排放最為有效的控制技術(shù)為柴油機(jī)顆粒捕集器DPF[13]，針對(duì)NOX排放最為有效的控制技術(shù)為選擇性催化還原SCR[14]。重型國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)提出了嚴(yán)苛的PM和NOX限值，這就要求DPF和SCR耦合使用以協(xié)同控制PM和NOX排放。表1給出了國(guó)內(nèi)部分知名品牌重型柴油機(jī)的產(chǎn)品所用的技術(shù)路線[15]，可以看出氧化催化器（DOC）+顆粒捕集器（DPF）+選擇性催化還原（SCR）是國(guó)六階段降低重型柴油機(jī)PM和NOX排放的主流技術(shù)路線，圖3給出了該技術(shù)路線的示意圖。

3? 重型柴油機(jī)PM控制技術(shù)

3.1 氧化催化器DOC

DOC是柴油車目前使用較廣的后處理裝置。DOC可以降低HC和CO排放，提高排氣溫度促進(jìn)DPF再生;還可以將柴油機(jī)尾氣中的NO氧化成NO2，促進(jìn)DPF被動(dòng)再生和SCR快速反應(yīng)[16]。如圖4所示，DOC主要由殼體、減震層、載體及催化劑涂層構(gòu)成，其中催化劑是核心部分，常用的催化劑活性組分包括鉑（Pt）、鈀（Pd）等貴金屬，助催化劑為稀土元素以及過(guò)渡金屬元素[17]。

Pt對(duì)CO和HC具有較好的催化氧化作用，同時(shí)對(duì)NO也可起到一定的氧化作用;Pd的催化活性略遜于Pt，但在高溫下有著較好的催化活性;此外，在催化劑中加入Pd，可以和Pt起到協(xié)同作用，提高催化劑的抗老化燒結(jié)能力，降低硫酸鹽的生成[18]。DOC還可以通過(guò)對(duì)可溶有機(jī)物（soluble organic fraction，SOF）進(jìn)行氧化，從而間接減少顆粒物的排放，根據(jù)貴金屬含量不同其顆粒物排放量可降低3～25%[19]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于DOC的工作原理及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究，未來(lái)DOC的研究的方向聚焦于貴金屬減量化技術(shù)、低溫起燃催化劑技術(shù)、抗高溫長(zhǎng)壽命催化劑技術(shù)等。

3.2 顆粒捕集器DPF

3.2.1 DPF捕集原理

柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）是目前最有效的控制柴油機(jī)PM排放的后處理技術(shù)，對(duì)包括超細(xì)顆粒在內(nèi)的各粒徑顆粒均具有極高的捕集效率。其中，壁流式DPF應(yīng)用最為廣泛，其凈化機(jī)理如圖5所示。載體的內(nèi)部有許多平行的通道，每相鄰的兩個(gè)孔道中一個(gè)排氣上游端被堵住，另一個(gè)排氣下游端被堵住，當(dāng)排氣進(jìn)入上游端開口的孔道后，通過(guò)陶瓷的多孔薄壁從相鄰孔道流出[20]。在此過(guò)程中，通過(guò)布朗擴(kuò)散、阻截作用、慣性碰撞、重力沉降和靜電吸引等機(jī)制捕集到排氣中的PM[21]。

隨著PM在DPF內(nèi)部的逐步沉積，載體壓降和排氣阻力逐漸增大，柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性隨之降低，因此需要對(duì)DPF進(jìn)行再生，再生可分為主動(dòng)再生與被動(dòng)再生[23]。主動(dòng)再生是通過(guò)噴油助燃或電、微波和紅外加熱等方式升高排氣溫度，燃燒掉沉積顆粒。被動(dòng)再生則是利用柴油機(jī)排氣自身的能量使沉積顆粒燃燒，主要通過(guò)涂覆貴金屬催化劑降低顆粒氧化反應(yīng)的反應(yīng)活化能，使得顆粒在正常的排氣溫度下即可被氧化。涂覆在DPF上的催化劑需要具有較好的抗硫及耐高溫?zé)Y(jié)等特性[24]。

3.2.2 DPF研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)DPF的研究主要集中于對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)和壓降特性、微粒捕集與碳煙分布、再生性能等方面[25-27]。為了保證較好的減排性能和使用壽命，DPF載體所用的材料需要具有高捕集效率、低排氣阻力、高機(jī)械強(qiáng)度和抗振動(dòng)性能、良好的耐熱沖擊性和耐腐蝕性、較小的熱膨脹系數(shù)。堇青石最先應(yīng)用到DPF上，是目前綜合性能較好的濾芯，過(guò)濾效率可達(dá)90%以上，耐高溫，機(jī)械強(qiáng)度高，缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)小，再生過(guò)程中容易導(dǎo)致過(guò)濾器燒熔或燒裂[28]。與堇青石相比，SiC材質(zhì)具有優(yōu)異的耐熱、耐腐蝕和導(dǎo)熱性能，機(jī)械強(qiáng)度也大幅度提高，可以承受更加惡劣的再生環(huán)境。但SiC熱膨脹系數(shù)較大，高溫?zé)釠_擊下容易開裂，大體很難做到大尺寸應(yīng)用。隨著性能更加優(yōu)異的氮化硅、鈦酸鋁等材料研發(fā)逐漸成熟，在DPF中的應(yīng)用也將愈加廣泛[29]。另一方面，結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)DPF的捕集性能和背壓性能的影響十分顯著，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)DPF的捕集效率隨孔密度及孔隙率的增大而升高，同時(shí)較高的孔密度和較薄的壁厚有利于降低DPF的壓力損失[30-33]。盡管通過(guò)提高孔密度和降低壁厚等可以提升DPF的性能，但同時(shí)也會(huì)增大制造難度和生產(chǎn)成本。近年來(lái)一種新型的非對(duì)稱孔道DPF已研發(fā)成功，該產(chǎn)品可顯著提高DPF的碳載量，相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下產(chǎn)生的排氣背壓更低[34]，如圖6所示。另外，催化劑分區(qū)涂覆等新技術(shù)也使得DPF性能得到顯著提升[35]。

3.2.3 DPF發(fā)展趨勢(shì)

為滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，DPF重點(diǎn)發(fā)展方向?yàn)楸”?、高氣孔率、?yōu)化細(xì)孔分布、高強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)。氣孔率從現(xiàn)有的50%左右向60%左右發(fā)展;DPF材料平均孔徑向8-10μm發(fā)展，同時(shí)控制20μm以上的微孔比例不超過(guò)10%;DPF壁厚從目前的0.3mm向0.25mm左右發(fā)展。在如何突破系統(tǒng)低流阻與高捕集效率的平衡限值、如何提供更高性能的載體材料和催化劑，以及更合理高效的載體結(jié)構(gòu)和催化劑涂覆技術(shù)的開發(fā)等方面均有待進(jìn)一步研究。

4? 重型柴油機(jī)NOX控制技術(shù)

4.1 SCR技術(shù)原理

選擇性催化還原技術(shù)（Selective Catalytic Reduction，SCR），是指在催化劑的作用下，利用還原劑有選擇性地與柴油機(jī)氣態(tài)排放物中的NOX反應(yīng)生成N2和H2O。一般采用濃度為32.5%的尿素水溶液（Adblue）作為SCR技術(shù)的還原劑載體。當(dāng)排氣進(jìn)入排氣管后，尿素水溶液以噴霧的形式噴出，在排氣管高溫的條件下發(fā)生熱解和水解，生成NH3和CO2，NH3吸附在催化劑上在其作用下將NOX還原為氮?dú)?，主要的化學(xué)反應(yīng)如下[36]：

反應(yīng)（1）稱為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)。因柴油機(jī)排氣中NO通常占NOX排放的90%以上，若不采用DOC等催化器對(duì)柴油機(jī)尾氣中NO、NO2比率進(jìn)行調(diào)節(jié)，SCR中主要發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)。反應(yīng)（2）稱為快速SCR反應(yīng)，研究表明，此反應(yīng)可以在較低溫度下進(jìn)行，并且在較低溫度下反應(yīng)速率是標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)的17倍[37]。提高NOX中NO2的比例可以使SCR在較低溫度下發(fā)生快速SCR反應(yīng)，有利于提高NOX轉(zhuǎn)化率。反應(yīng)（3）中NH3只與NO2發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)速率比反應(yīng)（1）、反應(yīng)（2）更慢，因此尾氣中NO2的比例也不宜過(guò)高。排氣溫度超過(guò)500℃時(shí)，反應(yīng)（4）將發(fā)生從而抑制NOX的轉(zhuǎn)化率。

4.2 SCR催化劑技術(shù)現(xiàn)狀

目前，應(yīng)用最為廣泛的商業(yè)催化劑主要包括釩基催化劑和分子篩催化劑。雖然釩基催化劑活性高、選擇性好、抗硫性能強(qiáng)，但是由于活性溫度窗口窄，活性組分具有生物毒性，在柴油車凈化領(lǐng)域已被美國(guó)和日本禁用[38]。具有較寬的活性溫度窗口、高N2選擇性、良好的水熱穩(wěn)定性的金屬改性分子篩催化劑成為國(guó)六階段SCR催化劑技術(shù)的主流技術(shù)路線。而Cu基分子篩和Fe基分子篩催化劑因其優(yōu)越的性能備受關(guān)注[39]。Cu基分子篩催化劑較Fe基分子篩催化劑有較好的低溫催化性能。Fe基分子篩催化劑在高溫下對(duì)NOX的轉(zhuǎn)化率更高，但對(duì)HC更敏感，抗HC中毒能力不如Cu基分子篩催化劑[40]。

4.3 SCR控制策略現(xiàn)狀

SCR控制策略是SCR系統(tǒng)的重要組成部分，精確的控制策略才能同時(shí)保證低氨泄漏和高NOX轉(zhuǎn)化率。SCR控制策略主要分為開環(huán)控制策略和閉環(huán)控制策略兩大類[41]。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的SCR控制策略仍為開環(huán)控制策略，依賴大量試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定，系統(tǒng)自動(dòng)修正能力較差，無(wú)法滿足更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)[42]。SCR閉環(huán)控制策略是在催化器下游安裝NOX傳感器或NH3傳感器，根據(jù)傳感器的反饋信號(hào)對(duì)尿素噴射量進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。與開環(huán)控制相比，閉環(huán)控制能夠提高SCR系統(tǒng)控制的精度和響應(yīng)時(shí)間，達(dá)到更好的控制效果。由于NOX傳感器存在對(duì)NH3的交叉敏感性，美國(guó)德爾福公司對(duì)基于NH3傳感器的SCR閉環(huán)控制策略方面做了很多研究，得到了更高的NOX轉(zhuǎn)化率，更低的NH3泄露率以及良好的抗干擾性[43]。但由于成本問(wèn)題，NH3傳感器未能得到推廣，目前基于NOX傳感器的SCR閉環(huán)控制策略仍是主流。

4.4 SCR發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)六排放法規(guī)不僅對(duì)NOX排放提出了更高的要求，更增加了氨泄漏和N2O排放的限值，給SCR帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。固態(tài)氨技術(shù)能有效控制低排氣溫度下的NOX排放，是SCR未來(lái)發(fā)展的重要方向。固態(tài)氨技術(shù)使用固態(tài)銨鹽、金屬氨合物等固態(tài)還原劑載體，凈化NOX的原理與采用尿素水溶液的SCR系統(tǒng)相同，但在NH3的供給上具有很大優(yōu)勢(shì)。固態(tài)氨在50～60℃就可以直接生成NH3，而尿素水溶液在150℃以上經(jīng)過(guò)一系列熱解、水解才能生成NH3，與排氣的液氣兩相混合也較困難，因此固態(tài)氨技術(shù)具有更好的凈化效果[44]。并且固態(tài)氨的儲(chǔ)氨密度也較尿素水溶液更高，且不存在尿素結(jié)晶和低溫凍結(jié)現(xiàn)象，環(huán)境適應(yīng)性也更好。氨泄漏方面，采用氨逃逸催化器ASC（Ammonia Slip Catalyst）將過(guò)量的NH3氧化為N2的方案已經(jīng)廣泛應(yīng)用于歐洲、美國(guó)等地，是滿足國(guó)六排放法規(guī)的SCR系統(tǒng)的重要組成部分。但ASC不僅能將NH3氧化為N2，還會(huì)將NH3轉(zhuǎn)化為NOX和N2O。N2O是一種重要的溫室氣體，其全球變暖潛力值約為CO2的310倍[45]，是國(guó)六排放法規(guī)的限值指標(biāo)之一。因此ASC未來(lái)開發(fā)的重難點(diǎn)之一在于保持高N2選擇性。ASC不是N2O的唯一來(lái)源，較低或過(guò)高的溫度同樣會(huì)導(dǎo)致SCR內(nèi)反應(yīng)生成N2O。N2O非常穩(wěn)定，催化N2O分解的溫度需要超過(guò)450℃[46]。調(diào)整催化劑材料、配方，優(yōu)化控制策略，聯(lián)合DOC協(xié)同減排都是減少N2O排放的重要手段。

SCR近來(lái)的發(fā)展重點(diǎn)是改善低溫下的減排性能，分子篩催化劑、固態(tài)氨技術(shù)都是重要的發(fā)展方向。而越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī)，也對(duì)催化劑老化特性、OBD集成應(yīng)用、更精確的預(yù)測(cè)模型及控制策略提出了更高的要求。

5? PM與NOX協(xié)同控制技術(shù)

5.1 PM與NOX協(xié)同控制技術(shù)的必要性

重型柴油車國(guó)六排放法規(guī)相比國(guó)五主要有以下特點(diǎn)：①排放限值超低;②耐久性更為嚴(yán)格;③實(shí)施WHSC和WHTC測(cè)試工況;④采用PEMS等測(cè)試方法。原國(guó)四/國(guó)五階段EGR+DOC+DPF和純SCR后處理技術(shù)路線已不能滿足國(guó)六階段高效、低溫、高耐久和全工況覆蓋的要求，必須采用PM和NOX協(xié)同控制技術(shù)。高效DOC+DPF+SCR技術(shù)將成為未來(lái)尾氣后處理技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是重型柴油車滿足國(guó)六階段排放標(biāo)準(zhǔn)主流技術(shù)路線。

5.2 PM與NOX協(xié)同控制模型

智能化閉環(huán)控制模型是重型柴油車PM和NOX協(xié)同控制的重點(diǎn)發(fā)展方向，包括DPF的再生控制以及SCR噴射控制。DPF中PM再生的關(guān)鍵技術(shù)在于碳載量的估算，目前為止，對(duì)實(shí)際行駛柴油車DPF的碳載量估算還沒(méi)有很有效的判斷方法，基本通過(guò)排氣背壓、運(yùn)行時(shí)間、里程、油耗等信息間接計(jì)算，響應(yīng)慢、精度低[47]。開發(fā)精確的DPF碳載量預(yù)估模型是實(shí)現(xiàn)DPF高效再生的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)重型柴油車PM和NOX協(xié)同控制的必要前提[48]。

國(guó)四法規(guī)以來(lái)，對(duì)柴油機(jī)NOX排放限制的同時(shí)對(duì)氨泄漏也進(jìn)行了嚴(yán)格控制。而引起氨泄漏的主要因素為尿素蒸發(fā)熱解過(guò)程復(fù)雜、SCR催化劑低溫活性差以及SCR催化劑氨存儲(chǔ)能力弱等[49]。建立精準(zhǔn)的SCR催化劑氨存儲(chǔ)模型是提高SCR催化劑的氨存儲(chǔ)特性和尿素噴射控制精度的保證，是SCR控制模型發(fā)展的重點(diǎn)方向[50]。此外，對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程實(shí)時(shí)跟蹤，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自適應(yīng)精確控制也是SCR控制模型的未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)。

5.3 OBD在PM與NOX協(xié)同凈化中的應(yīng)用

國(guó)六階段機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)配合單一的SCR或者DPF技術(shù)均不能滿足排放限值要求，必須使用DPF耦合SCR的尾氣后處理系統(tǒng)。這就意味著國(guó)六階段重型柴油機(jī)必須采用多重后處理技術(shù)集成，日益集成與復(fù)雜化的后處理系統(tǒng)對(duì)OBD技術(shù)提出了更高的要求。就OBD技術(shù)而言，歐美發(fā)展較早，現(xiàn)已比較成熟，我國(guó)OBD技術(shù)還處于起步階段，與歐美存在較大差距[51]。需要在重型柴油機(jī)排放后處理系統(tǒng)（包括SCR/DPF/DOC）傳感器、控制器、執(zhí)行器和催化器及系統(tǒng)電路的故障實(shí)時(shí)診斷特征參數(shù)、故障類型識(shí)別方法，以及實(shí)時(shí)診斷信號(hào)處理技術(shù)和故障診斷算法方面進(jìn)行開發(fā)研究，此外，國(guó)六重型柴油機(jī)OBD技術(shù)開發(fā)還應(yīng)聚焦于建立模塊化硬件體系[52]，使硬件平臺(tái)能夠滿足多系統(tǒng)擴(kuò)展和多方協(xié)同開發(fā)要求;在控制器通用硬件平臺(tái)上開發(fā)通用OBD軟件框架，研制出通用的OBD軟件模塊和排放后處理系統(tǒng)通用故障模擬器;以及研究國(guó)六柴油機(jī)后處理OBD系統(tǒng)的匹配標(biāo)定流程及方法，完成柴油機(jī)OBD關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)定及應(yīng)用等[53]。

6? 總結(jié)

①重型國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)在歐洲標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上融合了美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，加嚴(yán)了對(duì)PM和NOX的控制，對(duì)重型柴油車排放提出了更高要求;

②為應(yīng)對(duì)愈加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，包括柴油機(jī)氧化催化器DOC、顆粒捕集器DPF和選擇性催化還原SCR在內(nèi)的后處理技術(shù)必須集成使用，DOC+DPF+SCR是重型柴油機(jī)應(yīng)對(duì)國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的后處理主流技術(shù)路線;

③重型柴油機(jī)DOC未來(lái)的發(fā)展方向?yàn)橘F金屬減量化技術(shù)、低溫起燃技術(shù)以及抗高溫長(zhǎng)壽命催化劑技術(shù)等;DPF可通過(guò)新材料開發(fā)、超薄壁、非對(duì)稱孔道、低熱膨脹系數(shù)、分區(qū)涂覆等途徑突破系統(tǒng)低流阻與高捕集效率的平衡限值;

④釩基催化劑在國(guó)六階段很難滿足SCR應(yīng)用需求，分子篩催化劑是發(fā)展重點(diǎn)。閉環(huán)控制策略可以顯著提高SCR系統(tǒng)控制精度和縮短響應(yīng)時(shí)間，尤其是基于NH3傳感器的SCR閉環(huán)控制策略是SCR的發(fā)展方向。NH3泄漏及N2O排放也是國(guó)六階段SCR必須解決的問(wèn)題，可通過(guò)采用氨逃逸催化器ASC，以及調(diào)整SCR催化劑材料、配方，優(yōu)化控制策略，聯(lián)合DOC協(xié)同減排等方式進(jìn)行解決;

⑤國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)要求重型柴油機(jī)PM和NOX必須協(xié)同控制，開發(fā)精準(zhǔn)的DPF碳載量預(yù)估模型以及SCR催化劑氨存儲(chǔ)模型和閉環(huán)自適應(yīng)控制模型是實(shí)現(xiàn)重型柴油機(jī)尾氣后處理PM和NOX協(xié)同控制的關(guān)鍵，日益集成與復(fù)雜化的后處理系統(tǒng)對(duì)OBD技術(shù)提出了更高的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]Xuan T， Cao J， He Z， et al. A study of soot quantification in diesel flame with hydrogenated catalytic biodiesel in a constant volume combustion chamber [J]. Energy， 2018， 145： 691-699.

[2]中華人民共和國(guó)2017年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[R].2017.

[3]中國(guó)機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)[R].2018.

[4]Senthilkumar G， Sajin J B， Yuvarajan D， et al. Evaluation of emission， performance and combustion characteristics of dual fuelled research diesel engine [J]. Environmental technology， 2018： 1-8.

[5]Hao X， Zhang X， Cao X， et al. Characterization and carcinogenic risk assessment of polycyclic aromatic and nitro-polycyclic aromatic hydrocarbons in exhaust emission from gasoline passenger cars using on-road measurements in Beijing， China[J]. Science of the Total Environment， 2018， 645： 347-355.

[6]Chatterjee S， Naseri M， Li J. Heavy Duty Diesel Engine Emission Control to Meet BS VI Regulations [R]. SAE Technical Paper， 2017.

[7]Caliskan H， Mori K. Environmental， enviroeconomic and enhanced thermodynamic analyses of a diesel engine with diesel oxidation catalyst （DOC） and diesel particulate filter （DPF） after treatment systems [J]. Energy， 2017， 128： 128-144.

[8]Zhang Y， Lou D， Tan P， et al. Experimental study on the particulate matter and nitrogenous compounds from diesel engine retrofitted with DOC+ CDPF+ SCR [J]. Atmospheric Environment， 2018， 177： 45-53.

[9]Xu G， Jia M， Li Y， et al. Potential of reactivity controlled compression ignition （RCCI） combustion coupled with variable valve timing （VVT） strategy for meeting Euro 6 emission regulations and high fuel efficiency in a heavy-duty diesel engine [J]. Energy Conversion and Management， 2018， 171： 683-698.

[10]Jiang Y， Yang J， Cocker D， et al. Characterizing emission rates of regulated pollutants from model year 2012+ heavy-duty diesel vehicles equipped with DPF and SCR systems [J]. Science of the Total Environment， 2018， 619： 765-771.

[11]黃志強(qiáng)，錢人杰，劉依敏.重型柴油機(jī)國(guó)Ⅵ與國(guó)Ⅴ法規(guī)比對(duì)研究[J].汽車與配件，2018（26）：71-73.

[12]鄭山亭.最嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)勢(shì)來(lái)襲，汽車企業(yè)面臨生存考驗(yàn)——國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)分項(xiàng)解讀[A].西南汽車信息（2018年11期 總第392期）[C].：重慶汽車工程學(xué)會(huì)，2018：5.

[13]Guan B， Zhan R， Lin H， et al. Review of the state-of-the-art of exhaust particulate filter technology in internal combustion engines [J]. Journal of environmental management， 2015， 154： 225-258.

[14]Chen C， Cao Y， Liu S， et al. Review on the latest developments in modified vanadium-titanium-based SCR catalysts [J]. Chinese Journal of Catalysis， 2018， 39（8）： 1347-1365.

[15]賈傳德.國(guó)六重型柴油機(jī)后處理技術(shù)路線分析[J].科技視界，2018（16）：147-148.

[16]Zhang Z H， Cheung C S， Chan T L， et al. Emission reduction from diesel engine using fumigation methanol and diesel oxidation catalyst [J]. Science of the total environment， 2009， 407（15）： 4497-4505.

[17]Johnson T V. Review of diesel emissions and control [J]. International Journal of Engine Research， 2009， 10（5）： 275-285.

[18]Johns T R， Goeke R S， Ashbacher V， et al. Relating adatom emission to improved durability of Pt–Pd diesel oxidation catalysts [J]. Journal of Catalysis， 2015， 328： 151-164.

[19]Matsumoto T. Advanced emission control for pm reduction in heavy-duty diesel applications [J]. SAE， 2003： 2003-01-1862.

[20]Kurien C， Srivastava A K， Naudin J. Modelling of regeneration and filtration mechanism in diesel particulate filter for development of composite regeneration emission control system [J]. Archive of Mechanical Engineering， 2018， 65（2）.

[21]張俊，帥石金，肖建華.灰分對(duì)柴油機(jī)顆粒捕集器性能影響研究綜述 [J].內(nèi)燃機(jī)工程，2018，39（06）：11-23.

[22]Mohankumar S， Senthilkumar P. Particulate matter formation and its control methodologies for diesel engine： A comprehensive review [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2017， 80：1227-1238.

[23]孫春華，寧智，白振霄，等.柴油機(jī)DPF湍流通道內(nèi)微粒形態(tài)對(duì)微粒輸運(yùn)特性的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2017，35（03）：259-266.

[24]班智博，張揚(yáng)，黃豪中，等.大型柴油機(jī)DPF被動(dòng)再生特性的試驗(yàn)研究[J].國(guó)外內(nèi)燃機(jī)，2017，49（01）：53-57.

[25]Thiruvengadam A， Besch M C， Carder D K， et al. Influence of real-world engine load conditions on nanoparticle emissions from a DPF and SCR equipped heavy-duty diesel engine [J]. Environmental science & technology， 2012， 46（3）： 1907-1913.

[26]Sappok A， Wong V. Ash effects on diesel particulate filter pressure drop sensitivity to soot and implications for regeneration frequency and DPF control [J]. SAE International Journal of Fuels and Lubricants， 2010， 3（1）： 380-396.

[27]? ?A， ?K， Keskin A. The pollutant emissions from diesel-engine vehicles and exhaust aftertreatment systems [J]. Clean Technologies and Environmental Policy， 2015， 17（1）： 15-27.

[28]郭秀榮，王雅慧.常用DPF過(guò)濾體材料發(fā)展現(xiàn)狀及特性研究[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2012（06）：74-79.

[29]劉東旭，翁端.柴油車尾氣顆粒物凈化用SiC過(guò)濾材料的研究與應(yīng)用[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2007（05）：134-138.

[30]XiuRong Guo， Danfeng Du， Fenghu Wang， et al. Study on test instrument and filtration theory of the carbonized micron wood fiber DPF[J]. Microporous and Mesoporous Materials， 2011， 142： 655-660.

[31]Zhang Gui-ju， E Jia-qiang， ZUO Qing-song， et al. Numerical simulation on trapping efficiency of steady filtration process in diesel particulate filter and its experimental verification [J]. J. Cent. South Univ. 2015（22）： 4456-4466.

[32]Jianwen Li， Rahul Mital. Effect of DPF Design Parameters on Fuel Economy and Thermal Durability [C]. SAE， 2012： 2012-01-0847.

[33]Hidemasa Iwata， Athanasios Konstandopoulos， Kazuki Nakamura. Further Experimental Study of Asymmetric Plugging Layout on DPFs： Effect of Wall Thickness on Pressure Drop and Soot Oxidation [C]. SAE， 2015： 2015-01-1016.

[34]Wang Y， Pan Y， Su C， et al. Performance of Asymmetric Particulate Filter with Soot and Ash Deposits： Analytical Solution and Its Application [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2018， 57（46）： 15846-15856.

[35]Su C， DeHart T， Anderson M， et al. Structured glass catalytic coating on wire mesh for particulate matter （PM） removal by modified sol-gel processing [J]. Materials Letters， 2019， 234： 168-171.

[36]Cho C P， Pyo Y D， Jang J Y， et al. NOX reduction and N2O emissions in a diesel engine exhaust using Fe-zeolite and vanadium based SCR catalysts [J]. Applied Thermal Engineering， 2017， 110： 18-24.

[37]管斌，周校平，林赫，等.NH3-SCR法降低柴油機(jī)NOX排放的研究進(jìn)展[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2007（5）：1-8.

[38]劉福東，單文坡，石曉燕，等.用于NH3選擇性催化還原NO的非釩基催化劑研究進(jìn)展[J].催化學(xué)報(bào)，2011，32（7）：1113-1128.

[39]邱松林，滕勤，馬標(biāo).柴油機(jī)選擇催化還原過(guò)濾器技術(shù)研究進(jìn)展[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2016，45（06）：84-91.

[40]趙海光，韓永強(qiáng)，田徑，等.采用分子篩SCR催化器降低柴油機(jī)NOX排放的試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2012（3）：56-59，64.

[41]Yuan X， Liu H， Gao Y. Diesel engine SCR control： current development and future challenges [J]. Emission Control Science and Technology， 2015， 1（2）： 121-133.

[42]王國(guó)仰，張俊，祁金柱，等.重型柴油車尿素SCR系統(tǒng)及其控制策略研究進(jìn)展[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2018，39（06）：1-10.

[43]Wang D Y， Yao S， Shost M， et al. Ammonia sensor for closed-loop SCR control [J]. SAE International Journal of Passenger Cars - Electronic and Electrical Systems， 2008， 1（1）：323-333.

[44]Guan B， Zhan， Lin H， et al. Review of state of the art technologies of selective catalytic reduction of NOX from diesel engine exhaust [J]. Applied Thermal Engineering， 2014， 66（1-2）：395-414.

[45]Hu Z ， Lee J W ， Chandran K ， et al. Nitrous oxide （N2O） emission from aquaculture： a review [J]. Environmental Science & Technology， 2012， 46（12）： 6470.

[46]Kamasamudram K， Henry C， Currier N， et al. N2O formation and mitigation in diesel aftertreatment systems [J]. Transplantation Proceedings， 2012， 5（2）： 688-698.

[47]劉洪岐，高瑩，姜鴻澎，等.柴油機(jī)微粒捕集器碳載量估計(jì)與分布特性研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48（06）：349-355.

[48]Bai S， Tang J， Wang G， et al. Soot loading estimation model and passive regeneration characteristics of DPF system for heavy-duty engine [J]. Applied Thermal Engineering， 2016， 100： 1292-1298.

[49]馬明，彭升平，馬永兵，等.基于氨存儲(chǔ)特性修正的Urea-SCR噴射控制策略研究[J].汽車技術(shù)，2016（09）：53-56.

[50]岳廣照，劉興華，孫柏剛，等.柴油機(jī)SCR尿素噴射方式研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，38（02）：143-149.

[51]張偉，徐正飛，鄧成林，等.柴油機(jī)SCR系統(tǒng)OBD功能的診斷策略研究[J].汽車工程，2011，33（01）：23-25.

[52]Mora J， Willems F， Seykens X， et al. An OBD strategy to estimate SCR ageing and detect urea injection faults [J]. IFAC-PapersOnLine， 2018， 51（31）： 369-376.

[53]Zhou H， Zhao H， Feng Q， et al. Effects of Environmental Parameters on Real-World NOX Emissions and Fuel Consumption for Heavy-Duty Diesel Trucks Using an OBD Approach [R]. SAE Technical Paper， 2018.