商用车柴油机国四之排放

聂元花

摘 要：2013年大气污染严重，执行国四排放标准势在必行，本文介绍国四排放要求、国内商用车后处理系统排放的化学反应机理和工作原理、OBD诊断条件等。

关键词：国四排放；后处理系统；OBD诊断条件

前言

2013年，民众听到最多的字眼之一就是“雾霾”，尤其是长三角、珠三角和京津冀鲁地区城市，空气受到重污染，一时间呼吸疾病率飙升，呼吸成为大家难言的痛。2013年 9月国务院印发实施的《大气污染防治行动计划》提出，减少多污染物排放、调整优化产业结构等十条措施，力促空气质量改善。面对雾霾已成为生活中一个常态化“顽疾”的现实，我们开始反思改善自己的衣食住行，其与物流密不可分，商用车是物流形式之一。全面实行商用车第四阶段排放标准，将成为治理雾霾这个顽疾的一部分。

据了解，目前北京、上海、广州、成都等一线城市已经提前实施"国Ⅳ"标准。国Ⅳ车的主要特点是进一步降低商用车的CO、碳氢化合物、氮氧化物以及可吸入颗粒物等污染物排放总量。在一些国家和地区，中重型车用柴油机的排放在发动机对环境排放贡献度中要达到70%左右，因此中重型车用柴油机的排放一直是内燃机排放控制领域的重点。2005年欧洲车用发动机已开始实施欧4排放法规，其对柴油机提出了更为严格的要求。

1.国四标准要求

国四排放标准是国家第四阶段机动车污染物排放标准，汽车排放污染物主要有HC（碳氢化合物）、NOx（氮氧合物）、CO（一氧化碳）、PM（微粒）等，压燃式柴油机排放HC、CO相对汽油机少，但排放NOx和PM的量较大，因此柴油机排放控制的重点是降低NOx和

PM的排放量。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技术的应用，控制和减少汽车排放污染物到规定数值以下的标准。

2007年国家环境保护总局和国家质量监督检验疫总局发布的标准GB17691，可查得到关于国四排放ECT试验限值，见表1 ，ESC和ELR的试验限值，见表2。从上面两张表格可以看到，无论是稳态、负荷和瞬态对氮氧化物和颗粒物的要求都是相同的，即NQx为3.5g/（kW·h），颗粒物PM0.03 g/（kW·h）。

要实现国Ⅳ对NQx和PM排放的要求，目前有两条技术路线：其一是先通过喷射系统优化和喷射定时提前以降低颗粒物PM，再使用SCR来降低因燃烧优化而产生的NQx排放；其二是EGR+DPF路线，即先通过废气再循环降低排放中NOx的成份，再用颗粒捕集器捕集因使用EGR而略有增加的颗粒物PM，从而达到同时降低NOx和PM的效果，如图1所示。

图1 柴油机实现欧四排放技术路线图

2.后处理系统排放的反应机理及工作原理

目前，对于轻型卡车后处理系统排放主要采用技术路线二，国内商用车主机场后处理系统排放采技术路线一。文主要讨论商用车后处理系统，下面将介绍技术路线一的化学反应机理及工作原理。

2.1.技术路线一的反应机理

制造商一般采用在发动机机内减少PM排放、在废气中处理NOx的措施。目前采用的一种解决方案是：利用商业用的可兰素（固体尿素和水溶液，浓度为32.5%±0.5%），在排气中喷入尿素、氨水等还原性物质，将NQx（主要是NO）还原为N2和H20。如市面上销售的AdBlue，无毒、洁净、无气味、不易着火、无爆炸危险，但有轻微的腐蚀性，必须在特殊储存容器内反应。

反应通常在SCR催化器中进行，SCR催化器是指安装在柴油汽车排气系统中，将柴油机排放中的NOx催化还原成N2和O2的催化还原装置。在SCR催化器内发生的化学反应如下：

尿素分子热解，与排气混合；

（NH2）2CO→NH3+HNCO

HNCO进一步水解，与排气混合

HNCO+H2O→NH3+CO2

催化器内主要发生的反应

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O 为标准SCR反应

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

上述两个反应写成一个反应方程式：

4NH3+4Nox+（3-2X）O24N2+6H2O

当催化器温度低于200℃时，发生低温边界反应：

2NH3+2NO2→NH4NO3+N2+H2O

反应生成物被催化剂吸附在活性中心后将滞留在活性中心，引起催化剂活性的降低，当催化器温度高于400℃，会有如下反应：

4NH3+3O2→2N2+6H2O

以上的化学方程式可以简单的理解为一个还原化反应，即将NQx还原为N2和水。

为防止过量的氨气泄漏，通常在SCR催化器之后加装NH3氧化器。利用NH3会在催化剂的作用下被排气中的氧气氧化这一特性，氧化SCR剩余的NH3。在SCR催化器内发生催化还原反应时，选择尿素水溶液作为还原剂。尿素水溶液喷射到催化剂逆流方向的排气管中，在废气温度和气流的作用下气化分解为CO2和氨水，氨水作为还原剂将NOx还原成无污染的氮气和水尿素溶液必须根据发动机工况状况定量喷射，所以定量喷射单元的逻辑控制电路是与发动机控制单元相连接的。SCR 的工作效率取决于气体温度，如果在200℃到500℃的温度工作，其效率是85%，实际车辆的操作条件都可以达到这个要求。欧Ⅳ标准要求转化率50%，欧Ⅴ标准要求转化率70%，所以SCR系统完全满足要求。即SCR技术路线是我国重型柴油机达到第Ⅳ阶段排放标准的最佳选择。

2.2.工作原理

当SCR系统工作时，电控单元采集柴油机的转速和扭矩信号、排气管中的排气温度信号、催化器温度信号后电控单元根据输入参数，查找存储的尿素喷射脉谱图，计算出此时所需的尿素量。经过驱动电路，转化为喷射脉冲信号，控制尿素泵动作。尿素泵将一定量的尿素从尿素罐中抽出，加压过滤后送到计量控制单元，形成具有一定压力的尿素待用。同时压缩空气接通，当发动机的排气温度达到要求时，计量控制单元将一定量的尿素喷出并与压缩空气混合喷入SCR 催化器入口前端。在排气管的混合区，尿素遇高温分解成NH3和H2O，与排气充分混合后进入SCR 反映装置。在催化反应区，NH3和NOx反应生成N2和H2O，排到大气中。催化消声器是一个集催化器和消声器于一体的催化消声装置（如需尾气加热功能还可集成尾气加热器）。催化消声器内部有三个串联并相互独立的单元组成，包括氨扩散器、催化器和消声器。扩散器负责将带有氨的排气均匀的分布在催化器的表面，催化器负责加速NOX的还原，消声器消除发动机排气系统的噪音。为了防止氨气腐蚀，催化消声器整体采用不锈钢材料制造，其内部催化器工作过程中需要表面最低温度达到200℃，因此布置时应尽量靠近发动机，催化器入口必须位于距增压器出口1～4m 的地方。催化器前后设有两个温度传感器，用于检测催化器前后温度，以此来判断催化器表面温度，确定AdBlue的喷射量。为了防止催化消声器内部陶瓷载体免受剧烈震动，安装系统需要采取减震设计，催化消声器支架与车辆大梁之间需要使用弹性减震装置。涡轮增压器出口和催化消声器之间使用金属软管链接，可使催化消声器内的催化器免受震动。

3.车载诊断系统

国四对发动机的排放要求，若是实际运行过程中超出了要求，车用压燃烧工发机将有什么影响。每个后处理系统中都有一个断诊断仪，当排放超标时，下表是国家环境保护部发出的标准HJ437-2008，可查阅表三，以下内容对适用于NOx控制限值，ETC试验排放超过3.5 g/

小结

SCR作为新的后处理技术，由于系统成本高、初期投资高、操作和保养费用高、需要加一套较复杂的调节还原剂喷射量的控制系统等原因，在车用柴油机上还没有得到推广。其还要求行驶区域内对尿素的供应，并需要车载诊断（OBD），同时需要车辆使用者有较高的环保意识，自觉及时地添加尿素也是目前实施这一路线的现实困难。此外，在温度较低（-11℃）的情况下，尿素-水溶液会结冰，也使其在寒冷地区的推广使用受到限制，但现已可以通过尿素计量系统的适当加热措施来解决。在SCR技术的应用方面，目前已经基本解决尿素的储存、注入和喷射策略等技术问题，其使用耐久性好，已有几年在柴油机上应用的经验，但还需进一步解决降低SCR装置成本以及尿素加注站的布局等问题。随着对SCR技术的开发研究和排放法规的日趋严格，SCR技术在欧5机上很快也会得到推广。

总之，国四实行是势在必行的，SCR成各主机场的首选。

参考文献

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

[2] HJ437-2008 发动机与汽车车载诊断（OBD）系统技术要求

[3] IVECO 18-3305 排气消声器

[4] GB 14762-2002 车用点燃式发动机及装用点燃式发动机汽车排气污染排放限值及测量方法

[5] GB 18377-2001汽油车用催化转化器的技术要求和试验方法

[6] HJ 451-2008环境保护产品技术要求 柴油车排气后处理装置