满足国Ⅴ排放法规的柴油机后处理技术

张亮

(江西五十铃发动机有限公司，江西南昌 330200)

满足国Ⅴ排放法规的柴油机后处理技术

张亮

(江西五十铃发动机有限公司，江西南昌 330200)

介绍氧化催化转化器(DOC)、柴油颗粒过滤器(DPF)和选择性催化还原装置(SCR)的工作原理，并介绍柴油机的两种排放控制技术和路线：DOC+ DPF，DOC+ SCR。对后处理技术的各种改进作了介绍，如在柴油机氧化催化转换器中应用贵金属涂层。并给出国Ⅴ柴油发动机开发过程中这两种后处理路线的试验结果。

柴油机；排放法规；后处理；柴油颗粒过滤器；选择性催化还原

0　引言

近年来，大气污染及雾霾现象日趋严重，引起了各级政府高度关注，汽车行业在能源消耗和内燃机排放方面负有较大责任，在现阶段需致力于提高内燃机的热效率，同时降低车辆的排放。在过去的十多年，研究人员必须为满足排放法规的要求而研发各种减排技术。针对汽油机和柴油机，国家制定了关于氮氧化物(NOx)、碳烟(PM)、碳氢化合物(HC)等的排放浓度限值，特别是降低柴油机的PM排放值对改善大气雾霾具有积极的现实意义。自2015年1月开始，国家开始正式实施国Ⅳ阶段排放限值，并计划在2018年1月开始在全国范围内实施国Ⅴ阶段排放限值。为此，柴油车已开始正式采用氧化催化转化器(DOC)、柴油颗粒过滤器(DPF)以及尿素选择性催化还原装置(SCR)等后处理系统。

1　政策法规

GB17691-2005法规要求(ESC和ETC工况)见表1。

表1　ESC和ETC工况国Ⅳ与国Ⅴ排放限值比较　g·kW-1·h-1

HJ689-2014法规要求(WHTC工况)见表2。

表2　WHTC工况国Ⅳ与国Ⅴ排放限值比较　g·kW-1·h-1

根据国家排放法规要求，在柴油机ESC和ETC及WHTC循环工况下，由表1和表2可知：国Ⅴ排放限值与国Ⅳ排放限值比较，氮氧化物要求降低43%，PM值保持不变。为达到国Ⅴ排放限值目标，需对发动机本体进行优化，如新燃烧室设计、降低压缩比、增大EGR冷却效率、对进排气道进行优化，特别是针对后处理系统需合理选型。

2　后处理原理(DOC+DPF路线)

2.1柴油颗粒过滤器(Diesel Particulate Filter,DPF)

柴油发动机的污染主要有微粒排放物质(PM)、碳氢化合物(HCx)、氮氧化物(NOx)和硫。其中微粒排放物质(PM)大部分是由碳或碳化物的微小颗粒(尺寸小于4～20 μm)所组成的。

颗粒过滤器能够减少柴油发动机所产生的烟灰达90%以上。捕捉到的微粒排放物质随后在车辆运转过程中燃烧殆尽。其工作基本原理是： 如柴油微粒过滤器喷涂上金属铂、铑、钯，柴油发动机排出的含有炭粒的黑烟，通过专门的管道进入发动机尾气微粒捕集器，经过其内部密集设置的袋式过滤器，将炭烟微粒吸附在金属纤维毡制成的过滤器上； 当微粒的吸附量达到一定程度后，尾端的燃烧器自动点火燃烧，将吸附在上面的炭烟微粒烧掉，变成对人体无害的CO2排出。柴油颗粒过滤器可以有效地减少微粒物的排放,它先捕集废气中的微粒物,然后再对捕集的微粒进行氧化,使颗粒捕捉器再生。所谓过滤器的再生是指在DPF长期工作中,DPF里面的颗粒物逐渐增加会引起发动机背压升高,导致发动机性能下降,所以要定期除去沉积的颗粒物,恢复DPF的过滤性能。

2.2氧化催化转换器(Dioxide Oxygen Converter，DOC)

DOC是一种重要的催化转换器，几乎在所有的催化转化系统中都会用到，其基本工作原理是：利用DOC氧化尾气中的NO，并生成NO2，氧化燃油并使其放热清除堆积在DPF中的PM，以实现DPF的再生。在国Ⅳ及之前的燃油中硫含量较高的情况下，由于氧化作用会生成硫酸化合物，DOC涂层组分中含有抗硫性能的酸性氧化物中，且贵金属铂(Pt)的氧化能力也会一定程度弱化以减少硫酸盐的生成。但国Ⅴ油品硫含量由国Ⅳ的50×10-6下降到10×10-6，市售燃油品质提升且含硫量大幅降低，可大幅增加DOC涂层的比表面积和贵金属的分散度等，使得DOC进入了大规模实用化阶段，并开发了DOC+DPF后处理系统。

2.3柴油颗粒过滤器(DPF)的再生

DPF的再生有主动再生和被动再生两种方法，主动再生指的是利用发动机自身排温来提高自身再生温度,使微粒燃烧。当DPF内的温度达到550 ℃以上时,沉积的颗粒物就会氧化燃烧；如果温度达不到550 ℃,过多的沉积物就会堵塞DPF。被动再生指的是利用缸内后喷或尾管喷射的方式来提高尾气排温，提高起燃温度,使微粒能在正常的柴油机排气温度下着火燃烧。绝大多数的DPF再生都是被动再生，有缸内后喷和尾管喷射两种方式，也称机内净化和机外净化，见图1和图2。

2.4DOC+DPF后处理系统反应原理

DOC上：HC(燃油)+O2=CO2+H2O-热量

DPF上：C+O2+热量=CO2

总式：HC+C+O2=CO2+H2O

条件：DOC进口温度不大于300 ℃， DOC出口温度不小于550 ℃；DPF内部起燃后的温度不能超过涂层催化剂最大耐受温度或载体耐受温度。PM再生起燃速度越快，温度越高，再生时间则越短。

3　后处理开发技术(DOC+DPF路线)

3.1催化氧化转换器(DOC)开发要求

国Ⅳ及以前的燃油由于含硫量高，贵金属涂层中含有抗硫性能的酸性氧化物质，且贵金属铂(Pt)的氧化能力也要一定程度弱化以减少硫酸盐的生成，贵金属涂层一般只含铂。当实行国Ⅴ排放后，油品升级，硫含量大幅降低，涂层由传统的A1基过渡，涂层贵金属的比表面积和分散度可大幅增加，相同质量的贵金属涂覆面积更大，催化效果更佳，贵金属铂(Pt)的使用将不再受油品限制，可大范围推广使用。

DOC需要对NO具有一定的氧化能力，生成的NO2对后级DPF捕集的PM颗粒具有氧化能力；如果采用喷油被动再生，DOC需要对喷射燃油具有快速起燃能力，且相同喷油量升温越高速度越快则更好(见图3)，且DOC要具有更佳的热稳定性。

3.2柴油颗粒过滤器(DPF)开发要求

相对比国Ⅳ的POC颗粒捕集器，国Ⅴ阶段使用的DPF颗粒过滤器具有更高的PM捕集效率，一般大于90%，且能实现颗粒数控制，并能结合主被动再生控制，见图4。根据使用经验，DPF载体体积应该为发动机排量的1.5～2倍为宜。

目前的DPF材料主要是采用堇青石或碳化硅材料的整体式陶瓷载体，如在DPF上涂覆催化剂，在前级DOC配合下，可降低DPF起燃温度，大幅改善PM燃烧特性，可快速清除PM颗粒累积。对原排PM控制能力可达90%以上。

DPF具有较高的颗粒过滤效率，并配合前级DOC使用，可频繁再生，但PM燃烧之后亦会产生灰分，灰分是不可燃烧的，当灰分积累到一定程度后，DPF将堵塞烧损，失去再生功能，见图5。因此定期清理DPF，对延长其使用寿命是非常有必要的。

4　后处理原理(DOC+SCR路线)

4.1选择性催化还原装置(SCR)

车用发动机的还原剂一般是尿素溶液，在高于120 ℃的温度条件下，热分解成尿素[CO(NH2)2]，生成氨气(NH3)和氰尿酸(HNCO)，HNCO在高于160 ℃的温度条件下又分解为NH3和CO2，NH3再与尾气中的NO、NO2及O2反应生成N2和H2O。由此可见，采用尿素溶液的SCR系统至少需要160 ℃以上的排气温度。图6为SCR后处理系统原理图。

4.2选择性催化还原装置转化原理

CO(NH2)2=HNCO+NH3

(1)

HNCO+H2O=CO2+NH3

(2)

4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O

(3)

4NH3+2NO+2NO2=4N2+6H2O

(4)

8NH3+6NO2=7N2+12H2O

(5)

5　后处理开发技术(DOC+SCR路线)

5.1氧化催化转换器(DOC)开发要求

在SCR后处理技术路线中，DOC主要是将发动机排气中的NO一部分氧化成NO2，使排气流经SCR催化剂时与NH3进行快速反应，间接提高SCR催化剂的转化效率。根据使用经验，一般依据发动机排量确定DOC所用载体体积，一般为发动机排量的1.5倍为宜。由于发动机排气NOx中90%为NO，为使NOx组分达到较为理想的wNO∶wNO2=1∶1 ，DOC在一定温度范围内对NO的氧化效率在40%～60%之间为宜。见图7。

5.2选择性催化还原装置(SCR)开发要求

SCR装置主要作用是催化发动机排气中的NOx，通过与还原剂NH3发生还原反应生成N2和H2O，是整个后处理系统的核心。根据使用经验，也是依据发动机排量确定SCR所用载体体积，因为国Ⅴ发动机要求催化剂更高的效率，通常SCR装置体积为发动机排量的2～3倍为宜。由于国Ⅴ法规要求NOx值低于2.0 g/(kW·h)，根据发动机原排，要求SCR具有接近80%的转化效率。为达到此目标，SCR催化剂将采用高比表面、高催化活性位利用率、高热稳定性涂层，见图8。

高催化活性位利用率可提高NOx转化效率，有利于ESC和ETC测试达标；高比表面可提高涂层对反应物(NH3和NOx)的吸附率，有利于低温测试NOx排放降低；高热稳定性涂层可降低耐久过程比表面损失，减少活性劣化率。

5.3氨捕集催化剂(AOC)开发要求

AOC也叫AMOX，也就是通常说的氨捕集催化剂，由于国Ⅴ标准要求SCR装置有更高的转化效率，同时也就需要更高的尿素喷射量，从而造成多余的NH3逸出，所以需要在SCR后端加装AOC装置。根据实际使用经验，AOC催化剂与SCR催化剂共载体分段涂覆，一般涂覆于载体后端，直径与SCR催化剂一致，长度以2.54 cm(1英寸)或3.81 cm(1.5英寸)为宜。AOC装置具有较高的选择性和氧化性，可将NH3氧化成N2和H2O,见图9。

6　台架试验结果(DOC+DPF路线)

6.1某型3.0 L国Ⅴ发动机台架试验(DOC+DPF路线)

某型3.0 L国五发动机主要参数规格见表3。通过控制DPF入口温度阶段性上升，并实时监测DPF前后压差，当压差不再随时间变化，表明该温度下再生速率与积碳速率相等，即达到温度平衡点。在试验过程中发现，带有贵金属催化剂涂层的DOC+DPF起燃平衡点温度为425 ℃，见图10。由此可见，DOC配合DPF使用可有效降低DPF起燃温度，且DPF再生效果非常好，见图11、图12。

表3　某型3.0 L国Ⅴ发动机主要参数规格

通过DOC+DPF的后处理方式，在425 ℃平衡点温度下， DPF的再生效果非常好。

6.2某型3.0 L国Ⅴ发动机台架试验排放实测数据(DOC+DPF路线)

对某型3.0 L国Ⅴ发动机进行台架试验，试验结果如图13—16所示。

6.3某型3.0 L国Ⅴ发动机台架试验排放与国Ⅴ法规限值对比

某型3.0 L国Ⅴ发动机台架实测数值与国Ⅴ法规数值对比见表4。

表4　某型3.0 L国Ⅴ发动机台架实测数值与国Ⅴ法规数值对比　g·kW-1·h-1

通过台架对ESC及ETC工况实测，带贵金属涂层的DOC+DPF后处理可实现90%以上的PM过滤效率，且能保证NOx值与PM值满足国Ⅴ排放法规。

7　台架试验结果(DOC+SCR路线)

7.1某型2.8 L国Ⅴ发动机台架试验(DOC+SCR路线)

某型2.8 L国Ⅴ发动机主要参数规格见表5。

表5　某型2.8 L国Ⅴ发动机主要参数规格

7.2某型2.8 L国Ⅴ发动机台架试验排放实测数据(DOC+SCR路线)

对某型2.8 L国Ⅴ发动机进行台架试验，试验结果如图17—20所示。

7.3某型2.8 L国Ⅴ发动机台架试验排放与国Ⅴ法规限值对比

某型2.8 L国Ⅴ发动机台架实测数值与国Ⅴ法规数值对比见表6。

表6　　　　某型2.8 L国Ⅴ发动机台架实测数值

通过台架试验实测ESC及ETC工况，选择性催化还原后处理技术对NOx转化有效可靠、效率高，且能确保各排放指标满足国Ⅴ排放法规。

8　结论

氧化催化转化器(DOC)+柴油颗粒过滤器(DPF)和氧化催化转化器(DOC)+选择性催化还原装置(SCR)是两种能够达到国Ⅴ排放法规的柴油机后处理技术，且具有达到国Ⅶ排放法规的潜力，并能满足量产需求，对降低柴油机颗粒物及氮氧化物的排放和改善大气治理具有深远意义。

【1】柴田正仁,山田岳.发动机排气后处理技术[J].国外内燃机,2013,45(3):51-56.

Postprocessing Technology of Diesel Engine for Meeting CN5 Emission Regulation

ZHANG Liang

(Jiangxi Isuzu Engine Co.,Ltd., Nanchang Jiangxi 330200,China)

The principles of dioxide oxygen converter(DOC),diesel sect1iculate filter(DPF),selective catalytic reduction(SCR) equipment were introduced. Two types of emission control technology and methods were recommend,namely DOC+DPF，DOC+SCR. Various improvements to postprocessing technology were introduced,including precious metal coating was applied on oxidation catalytic converter.The experimental results of the two types of emission control technology in CN5 diesel engine development process were given.

Diesel engine; Emission regulation; Postprocessing; Diesel sect1iculate filter (DPF); Selective catalytic reduction (SCR)

2015-09-10

张亮，男，本科，从事柴油发动机产品开发及规划管理工作。E-mail：ZHL821022@126.com。