国IV发动机技术研究及其在客车上的应用

2013-08-22王锋

客车技术与研究 2013年5期

王锋

（郑州宇通客车股份有限公司，郑州 450016）

为了满足不断提升的汽车尾气排放标准，EGR（Exhaust Gas Recycle，废气再循环）、SCR（Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原）、DPF（Diesel Particle Filter，柴油颗粒过滤器）、DOC（Diesel Oxidation Catalyst，柴油氧化催化剂）、POC（Particulate Oxidation Catalysts，颗粒氧化催化剂）等先进技术越来越多地应用到现在的汽车及发动机当中。通过更好的催化转化器的活性层、二次空气喷射以及带有冷却装置的排气再循环系统等的应用，控制和减少汽车排放污染物到规定数值以下的标准。国IV标准比国Ⅲ标准主要对NOx（氮氧合物）和PM（微粒）要求更为严格。

1 国IV发动机技术路线介绍

目前，从国Ⅲ排放升级到国IV排放，主要有四种技术路线：EGR+DOC、EGR+DOC+DPF、EGR+DOC+POC、SCR[1-2]。

1.1 EGR+DOC系统

EGR是将排气中的少部分废气经EGR阀进入进气系统，与混合气混合后进入气缸参与燃烧，降低了燃烧时气缸中的温度。因NOx是在高温富氧的条件下生成的，故抑制了NOx的生成，从而降低了废气中的NOX的含量。同时大幅提高喷油压力并增加DOC，可以降低TPM排放。

通过EGR+DOC系统可以减少HC、CO和25%的PM的排放，并可以将NO转化成NO2。但仅采用EGR+DOC系统实现国IV排放，需要很高的喷射压力（220 MPa以上）。

1.2 EGR+DOC+DPF系统

EGR+DOC+DPF系统是在EGR+DOC系统的基础上增加DPF系统来实现的。具体原理见图1。

根据过滤器再生方式不同，又分为主动再生型和被动再生型。

1）主动再生型。通过发动机缸内后喷燃油或者在排气管中喷入燃油，燃油在DOC内燃烧提供DPF再生所需要的高温，从而达到减少DPF内颗粒物的目的。

2）被动再生型。废气中的NO在DOC内反应生成NO2，NO2与碳粒反应达到被动再生的目的。

通过EGR+DOC+DPF系统可以减少HC、CO和90%的PM的排放，但由于再生技术不成熟，在客车领域应用不广泛。

1.3 EGR+DOC+POC系统

有制造商使用EGR+DOC+POC系统作为一种过渡技术达到欧Ⅳ排放。该系统需要与被动再生DPF相同的工作条件。它通过NO2再生，属于完全被动系统，不主动再生，不需要ECU控制。

通过EGR+DOC+POC系统，PM的转换率约为50%，它对灰分不敏感，燃烧剩余灰烬可以通过POC排出，不产生排气阻塞，在美国商用车领域应用广泛。

1.4 SCR系统

SCR系统包括尿素水溶液储罐、输送装置、计量装置、喷射装置、催化器以及温度和排气传感器等。图2为SCR后处理系统示意图。其基本工作原理：尾气从涡轮出来后进入排气混合管，在混合管上安装有尿素计量喷射装置，喷入尿素水溶液，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成NH3，在SCR系统催化剂表面利用NH3还原NOX，排出N2，多余的NH3也被还原为N2，防止泄漏。一般情况下，消耗100 L燃油的同时会消耗5 L液体尿素水溶液。

在SCR系统中发生的复杂的物理和化学反应包括尿素水溶液的喷射、雾化、蒸发、尿素的水解和热解气相化学反应以及NOX在催化剂表面与NH3发生的催化表面化学反应。利用数值模拟研究这些过程，可以优化混合管路的设计和尿素喷射装置的布置，从而优化SCR系统的布置，预测催化效率，减少试验成本。

2 四种技术路线优缺点分析

2.1 技术优劣势

表1对可实现国Ⅳ/国Ⅴ排放性能的四大主流技术，从技术优势、劣势及成熟度三个方面进行了比较。

表1 四种技术路线优劣势及成熟度对比

2.2 研发成本

发动机本身采用SCR技术路线的发动机，相对于原发动机，发动机结构不需要进行任何改变就能达标。

而EGR+路线的发动机结构需要进行重新设计，主要是因为EGR发动机需要较高的喷油压力，所以需要升级燃油喷射系统，同时EGR发动机需要更高的散热要求，需要增大散热器。从这一角度来看，EGR+的成本高于SCR。

2.3 使用成本

采用SCR的发动机需定期添加尿素，尿素的价格决定了SCR技术额外的使用成本。SCR系统对燃油油品和机油品质要求较低，对机油含碳要求低，对燃料内含硫不敏感，使用的燃油、机油可以与国Ⅲ一样。SCR系统发动机耐久性好，燃油经济性好，对发动机的使用和维修保养费用较低。

而使用EGR+系统，在使用过程中免维护，但是必须使用超低硫含量的燃油以及高品质润滑油，且机油更换周期短。对于EGR+系统而言，油耗偏高，对发动机本身及后处理的维护保养要求较高，否则会影响发动机寿命并可能造成催化器堵塞风险。

2.4 布置空间

采用SCR系统需要单独布置尿素喷射系统空间；而使用EGR+系统，无需增加发动机外的布置空间。但SCR发动机相较EGR+发动机体积小。从这两点看，两者布置空间相差不大。

2.5 技术连续升级性

SCR系统发动机没有催化器堵塞的风险，燃油喷射压力要求相对较低，技术升级连续性较好。现在采用了此技术，在很长时间内都可以满足排放法规定的要求，一直到欧Ⅵ标准的引进。

对于EGR+系统而言，需要增加EGR及其冷却系统，技术连续升级性差。

综上可知，短期内，无论从研发成本、燃油经济性、技术成熟度，还是技术连续升级性考虑，SCR系统是主流技术路线。

3 客车国IV发动机的布置方案

目前，匹配SCR系统的国IV发动机是客车达到国IV的主流方向。客车国IV发动机SCR系统针对不同的客车用途一般有多种布置方案。较典型的布置方案有以下两种。

3.1 发动机前置客车

由于发动机在客车前悬部分，布置空间限制，冷却系统布置在发动机前面，所以尿素喷射系统布置在发动机附近，SCR消声器布置在车架中段（门对面侧），如图3所示。

该布置方案的特点：冷却系统、尿素喷射系统均布置在发动机附近，且SCR消声器与尿素喷射系统同侧，能有效地保证SCR系统冷却管路、尿素喷射管路及系统配线尽量设计成最短，保证了触媒反应的温度。SCR消声器布置在门的对面，使发动机尾气排放方向与乘客上下车方向不在同一侧，保证了乘客的乘坐舒适性。

3.2 发动机后置客车

由于发动机布置在后悬部分，所以冷却系统和SCR消声器分别布置在发动机的左右两侧，冷却系统纵向布置；因不同发动机内部冷却与进排气结构的不同，同一车型，不同的发动机，冷却系统和SCR消声器布置在发动机的左侧，还是右侧受限于发动机内部冷却与进排气结构。为了保证尿素喷射系统位置的统一性，尿素喷射系统可布置在冷却系统前方，也可布置于SCR消声器的前方。如图 4（a）和（b）所示。

图4布置方案的特点：冷却系统、尿素喷射系统、SCR消声器三者均布置在发动机附近，能有效地保证SCR系统冷却管路、尿素喷射管路及系统配线设计成最短，保证了触媒反应的温度。冷却系统、尿素喷射系统均单独开舱门，维修更加方便。