满足国Ⅴ排放的柴油机后处理技术综述

2016-07-25王佳炜

环球市场 2016年22期

关键词：后处理限值柴油机

王佳炜

江苏大学汽车与交通工程学院

满足国Ⅴ排放的柴油机后处理技术综述

王佳炜

江苏大学汽车与交通工程学院

0 引言

近年来，柴油机在汽车中的使用日益广泛，轿车柴油机化也将是未来汽车行业的发展趋势。与汽油机相比，柴油机具有良好的经济性、动力性和可靠性，以及较高的热效率和较低的CO、HC 排放，但较高的NOx和颗粒物(PM) 排放成为限制柴油机发展的主要障碍[1]。为满足对车用柴油机不断提高的排放要求，柴油机排气后处理问题成为了人们研究的焦点。

本文首先对国内排放法规进行了阐述，进而提出了针对轻型和重型柴油车的排放控制技术路线[2]。在此基础上，重点对NOx选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)和柴油机微粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)涉及到的关键技术进行了综述，并对柴油机后处理技术的未来发展进行了展望。

1 排放法规

目前世界上已形成以美国、欧洲、日本为代表的三大排放法规体系，其他各国基本上是采纳其中一种。

表1 ESC和ETC工况国Ⅳ与国Ⅴ排放限值比较g ·kW-1·h-1

表2 WHTC工况国Ⅳ与国Ⅴ排放限值比较g ·kW-1·h-1

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排放限值相比，氮氧化物要求降低43%，PM值保持不变[3]。为达到国Ⅴ排放限值目标，需对发动机进行优化，如优化燃烧室、调整压缩比、优化EGR率等，特别是对后处理系统需选择合适的技术路线。

2 柴油机后处理技术路线

实现柴油机国Ⅴ技术路线实际上是基于PM和NOx解耦思路上的技术路线。目前，在柴油机上应用广泛的技术路线主要有SCR技术路线、EGR+DPF技术路线和SCR+DPF技术路线。

2.1 SCR系统

SCR后处理系统为选择性催化还原系统，英文全称为Selective Catalytic Reduction，主要用于选择性催化还原NOx。它的主要原理是将尿素水溶液喷入排气管内，尿素受热后分解成NH3和CO2，然后NH3将NOx催化还原成N2和H2O。SCR后处理系统中的主要化学反应方程式如下：

我国燃油品质较差，含硫量偏高，而SCR本身对硫不敏感，因此SCR适合在我国使用。但是SCR技术通常需要前置DOC调节NO2比例，或者后置DOC来处理泄漏的NH3，而DOC一般都对硫较敏感，因此影响了SCR的应用。只有通过提高燃油品质，降低燃油中的硫含量来解决问题[4]。

2.2 EGR+DPF系统

EGR+DPF系统是一种柴油机后处理路线的典型代表，它通过牺牲一定的燃油经济性来满足排放标准。EGR即废气再循环，主要用于降低NOx排放。EGR的原理是通过将冷却后的废气引入进气管，降低缸内的氧浓度和燃烧温度，抑制NOx的生成，从而降低NOx排放。DPF是柴油微粒捕捉器的英文缩写，英文全称为Diesel Particle Filter。它的工作原理是当柴油机废气通过DPF时，微粒经过扩散、截流、惯性碰撞及重力沉降等被滤体捕捉。DPF的捕捉效率主要受到微粒粒径、排气流速及气流温度等温度影响[5]。

通过EGR与DPF的合理集成，可有效去除排气中的NOx和PM，但随着排放标准越来越严格，EGR也显现出其局限性：EGR率随NOx排放限制降低而增高，燃油消耗率不断增加；随着负荷的增加，EGR对发动机扭矩性能也产生影响[6]。

2.3 SCR+DPF系统

在柴油机的后处理装置中，同时安装DPF和SCR两套后处理系统，如图1所示，对PM和NOx的排放进行综合控制，可以更加有效的减少PM和NOx排放[7]。