高压共轨技术结合HC-SCR控制柴油机NOx排放的研究

杨亚飞，于春令，魏 聪，赵金祥

宁波大学海运学院，浙江 宁波 315211

宁波大学SRIP科研项目，宁波市服务型教育重点建设专业（航运与港口物流）资助

1 背景介绍

柴油发动机具有高效率、大功率、适应性好、功率范围大等优点，因此在生产和生活中的应用非常广泛。随着社会的发展，私家车变得日益普及，柴油机凭借其一系列优势，作为汽车发动机的应用也越来越多。然而，柴油机尾气却一直是制约其发展的瓶颈，尤其是尾气中的NOx，不仅是大气污染的主要气体之一，对人体的危害也很大。

由于柴油机尾气的危害，世界各国都针对柴油机尾气排放制定了相应的标准，目前，美国、日本和欧洲均已形成了严格的汽车排放标准体系，我国也制定了相应的汽车尾气排放标准（见表1）。

越来越严格的排放标准将对柴油机尾气处理技术提出更高的要求，柴油机尾气处理技术的发展将直接制约国产柴油机的发展。欧美已有较为成熟的汽车尾气处理技术，但在国内的应用受到诸多限制，因此，研究符合国V标准要求的NOx处理技术具有现实意义。

2 国外相关技术分析

欧美国家对汽车排放控制起步早，相关技术较国内成熟。已形成以欧洲为代表的欧洲技术和以美国为代表的美国技术。

2.1 欧洲技术

欧洲技术是采用高压共轨技术结合选择性催化还原技术（SCR）的处理系统。高压共轨技术是指在由高压油泵、压力传感器和 ECU 组成的闭环系统中，将柴油喷射压力的产生和柴油喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。高压共轨技术能够实现对喷油量和喷油正时的精准控制，从而优化燃烧，减少NOx的生成。同时在汽车上安装尾气处理装置，利用SCR技术对汽车尾气进行后处理，以减少排放到空气中的NOx的量[2]。

2.2 美国技术

美国技术是采用废弃再循环技术（EGR）+微粒捕捉技术（DPF）。废气再循环就是将柴油机排出的一部分废气再吸入柴油机的气缸参与燃烧的过程。通过稀释效应、热效应，降低NOx的浓度，但占较小的比重。并且，EGR减少了直接排入大气的废气量，因此，即使排气中的NOx的浓度相同，由于排气总量的减少，也使得排入大气的NOx的质量成比例的减少。而微粒捕捉技术主要是减少尾气中的微粒排放[2]。

2.3 两种技术的国内适用性分析

表1 我国对汽车尾气中NOx含量的规定[1]

欧洲技术因为需要定期对柴油机尾气处理装置添加还原剂尿素。因此，需要建设很多添加尿素的基站(俗称“添蓝”基站)，这将耗费巨大的社会资源；同时，由于使用腐蚀性很强的NH3或氨水，对仪器设备的要求高，造价昂贵。因此，在国内的应用受到成本的制约。

美国路线中由于废气再循环技术对车用柴油的含S量要求比较高，而国内车用柴油标准一直滞后于汽车尾气排放标准[3]，因此，在国内的应用不易实现。

2.4 国III标准国内尾气处理技术介绍

国内车用柴油机针对国III排放标准所采取的技术方案主要有4种：电控泵喷嘴技术（EUI）、高压共轨技术、电控单体泵技术（EUP）和电控直列泵+电控冷EGR技术[2]。研究表明，我国现阶段对以上车用柴油机的排放控制技术都有所应用，其中市场表现最好的技术为电控直列泵+EGR技术，但这些技术对于国IV以及要求更高的国V标准来讲，潜力有限[2]。而高压共轨技术结合以HC作为还原剂的SCR技术被认为是在国内最有应用前景的处理方案。

2014-2016年，门诊中成药销售金额分别为348.04、305.17和288.23万元，分别占门诊药品销售总金额的42.28%、36.22%和36.98%。中成药均为口服或外用品种，口服中成药的金额占比最高，未使用中药注射剂。2014-2016年不同给药途径中成药销售金额见表1。

3 高压共轨技术结合HC-SCR技术的原理介绍

3.1 高压共轨技术介绍

高压共轨技术由于实现了喷油压力和柴油机转速的相对独立，使高压油管内压力大小与柴油机的转速无关,可以大幅度降低柴油机转速变化对柴油机供油压力的影响。因此，通过对公共供油管内油压的精确控制，高压共轨喷射系统克服了传统柴油机由于压力变化而产生的二次喷油现象，降低了不稳定喷射，喷油不均，间歇性不喷射等现象的发生机率，达到优化燃烧的目的，由此减少了因不完全燃烧产生的尾气中碳氢化合物等有害物质的排放量以及燃油的消耗量，减少尾气中NOx的生成，同时还能节省燃油，增加经济性[4]。

3.2 HC-SCR技术介绍

HC-SCR技术是指以HC为还原剂的选择性催化还原技术，即HC在催化剂的作用下将NOx还原成N2。HC-SCR技术的HC的来源有两个：一是柴油机尾气中未燃烧完全的HC，另一个是燃料柴油，可通过向排气管中直接喷射柴油实现[5]。通过向尾气中喷射燃油可使NOx的最大转化效率增加到30%左右[5]。H. Klein等对主动稀NOx系统进行了深入研究,对装有不同催化剂的HCSCR系统在不同温度范围内的性能进行了优化，最后得到影响稀NOx系统性能的关键因素是反应温度和尾气在催化器中的流动速度及HC的种类，技术的进一步的研究集中在增加催化剂的运行温度范围及转化效率上[6]。

3.3 高压共轨技术结合HC-SCR技术方案设计

3.3.1 原理分析

高压共轨技术能够对喷油量和喷油正时进行精准控制，能够优化燃烧，减少NOx的生成量，同时高压共轨系统还可以获取燃烧室生成的NOx的量和残余的HC的量，作为HC-SCR的基础数据。

HC-SCR技术需要两个主要数据：一是尾气中NOx的含量，作为计算需要添加HC量的依据，即喷射燃油量。二是喷油正时，要在适当的时间将燃油喷射到尾气处理装置中。

对于需要喷射的HC，可以由高压共轨系统对柴油机尾气处理装置进行二次喷油，这可以通过由共轨管引出一个独立的喷油管实现。而二次喷油正时的控制，实际上是在尾气冷却到合适温度的时间控制，可以通过在尾气处理装置中设置温度传感器来实现。

3.3.2 系统可行性分析

国IV标准实施后，单纯的使用机内处理技术和后处理技术都不能满足严格的排放标准的要求，欧美技术在国内的应用有诸多限制，高压共轨技术结合HC-SCR技术在国内的应用将有以下优势：

1）高压共轨技术相对成熟，国内大多柴油机厂商均有使用，有很强的技术储备，应用难度较小；

2）HC-SCR系统对S不敏感，对于国内车用柴油标准滞后的状况，具有很大优势；

3）该方案不用建设“添蓝”基站，不用定期添加尿素，因此省去建设基站的成本外，还降低了后期的维护成本。

同时，该技术的实施应用需综合考虑以下几点：

1）由于需要添加尾气处理装置，需对汽车排气系统进行改进，会增加成本；

2）HC-SCR技术不够成熟，合适的催化剂仍旧是研究的难点；

3）向排气装置中喷射燃油会降低柴油车的经济性能。

4 结论

国IV及更为严格的标准的逐步实施将使柴油机的发展面临困境，柴油机尾气处理仍将是全世界的一项重大研究课题。我国在柴油机尾气处理方面起步较晚，技术相对落后，相关政策不配套，导致国内柴油机尾气处理面临和国外不同的难题。高压共轨技术结合HC-SCR技术针对国内的具体情况具有很强的优势，虽然HC-SCR技术还不够成熟，但是可以预见，随着研究的深入，相关技术难题会逐步解决。因此，我们有理由相信，高压共轨技术结合HC-SCR技术在国内有着广阔的发展空间。

[1]GB 17691-2005 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）.

[2]胡昊.我国车用柴油机适应性排放标准升级的对策研究[D].长安大学硕士学位论文，2009，5：62-65.

[3]王璞.国III标准又要“迟到”了[J].中国汽车报，2012，8（3155）.

[4]刘旭刚，张国彬，等.柴油发动机高压共轨技术的产生与发展[J].汽车运用，2007(11).

[5]苏庆运，朱国朝，刘卫国，等.柴油机排气后处理技术的进展及发展趋势[J].汽车工程，2001.

[6]杨华，王学中，周泽兴.HC-SCR技术应用于稀薄燃烧条件下NOx净化研究进展[J].化学研究与应用，2004，6.