浅谈柴油机国IV后处理系统

◆文/广西 金军平

浅谈柴油机国IV后处理系统

◆文/广西 金军平

自2015年1月1日国家强制柴油车实施国IV排放标准以来，柴油机国IV排放技术受到人们的广泛关注。本文在探讨国IV柴油机使用后处理系统必要性的基础上，对SCR后处理系统及EGR+DPF系统的原理进行了分析，并讨论这两种柴油机国IV技术路线的区别。

随着国家经济及汽车工业的飞速发展，我国的汽车数量急剧增加。据最新调查显示：截至2014年末，除三轮汽车和低速货车之外，国民用汽车保有量达到14 475万辆，千人保有量首次超过百辆，达到105.83辆/千人。汽车数量的不断增加势必导致能源消耗的不断增大，同时也带来了严重的环境污染问题。汽车废气排放物主要成份为：一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)、碳氢化合物(HC)以及由碳烟、氧化硫及附着的HC等组成的微粒(PM)。如果这些汽车废气被大量排入空气中，人类的健康将受到极大的危害。例如：废气中CO能危害人的中枢神经系统。根据人体吸入CO浓度与时间的不同，轻者出现头晕、恶心及头痛等症状，严重者出现心血管工作困难，甚至死亡。从环境容量来看，我国每年的氮氧化合物(NOx)排放上限为1 880万吨左右。按照目前的发展趋势，到2020年，NOx将达到3 500万吨。这些氮氧化合物中的NO2是一种具有强烈刺激性的棕红色有毒气体，能降低血液的输氧能力，对人体的心脏、肝及肾产生严重危害。因此，对机动车辆的废气排放进行严格限制是很有必要的。

一、国IV柴油机使用后处理系统的必要性

国家排放法规参照欧洲的排放标准主要对HC、CO、NOx和PM做了相关的规定，其中降低NOx和PM的排放是每个发动机厂家都重点关注的目标。燃烧系统是排放能否达标的关键，也是排放控制首要关注的对象。传统的排放控制理论主要是通过如下方法来达到排放标准：(1)通过降低初始燃烧温度来减少NOx；(2)通过提高燃烧速度来降低微粒物排放；(3)通过缩短扩散燃烧周期来降低微粒物排放和改善燃油经济性。在燃烧室高温及氧气充足的情况下，PM排放量大大减少，燃油经济性得到了改善，但NOx却被大量地产生出来。通过优化进气涡流及燃烧室、提高喷油器喷射压力及采用小孔径多孔喷射的方法缩短喷雾液相长度等一系列的燃烧优化手段，并在PM排放量及NOx排放量之间寻求一个最佳匹配，柴油机能够满足国III及国III以下排放法规的要求。但事实证明，仅通过机内燃烧优化的手段，而不考虑机前优化以及机外废气净化的后处理系统，柴油机的废气排放已经无法满足严格的国IV排放法规的要求。尽管后处理系统增加了汽车的制造成本，但汽车废气排放要想满足国IV排放要求，必须将PM和NOx进行解耦。也就是说，在保证燃油品质的前提下，通过增加后处理系统并按一定的先后顺序对PM及NOx进行分别处理，使汽车废气排放最终能满足国IV排放要求。

二、柴油机国IV技术路线

柴油机国IV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，在柴油机上广泛应用的国IV技术路线主要有两种，即SCR技术路线和EGR+DPF技术路线。SCR技术路线先通过机内燃烧优化降低PM排放量，提高燃油经济性，然后再通过SCR后处理系统来处理柴油机废气中的NOx，从而满足国IV排放标准。EGR+DPF技术路线对PM与NOx的处理过程与SCR技术路线恰好相反，即先通过废气再循环降低NOx的排放量，然后再用DPF处理废气中的PM。两种技术路线达到国IV排放标准的路径如图1所示。

三、SCR后处理系统

SCR后处理系统为选择性催化还原系统，英文全称为：se1ected cata1ystic reduction，主要用于择性催化还原NOx。它的主要原理是将添蓝溶液(adb1ue，质量浓度为32.5%的尿素水溶液)喷人排气管内，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：

1.尿素分解

(NH2)2CO + H2O -＞ 2NH3+ CO2

2.催化器内的还原反应

2NH3+ NO+ NO2-＞ 2N2+ 3H2O

4NH3+ 4NO+O2-＞ 4N2+ 6H2O

4NH3+ 2NO2+ O2-＞ 3N2+ 6H2O

根据数据统计：在达到国IV排放的重卡车型中，BOSCH的SCR喷射系统独占鳌头，其次是浙江银轮、苏州派格力、无锡凯龙和TENNECO厂家的SCR喷射系统；在工程机械车领域，配套的SCR后处理系统几乎全部都被格兰富占领；而客车及运输车领域几乎全部是BOSCH的SCR喷射系统的身影。但是不管SCR后处理系统配套的是BOSCH喷射系统还是格兰富尿素泵，它们都是以催化还原NOx，降低汽车废气中的NOx排放为目的而形成的一整套控制系统。SCR后处理系统由尿素泵、添蓝罐、DCU、温度传感器、NOx传感器、喷嘴、催化消声器以及一些线束和管路等组成。SCR后处理系统原理图如图2。

图2 SCR后处理系统原理图

添蓝罐内部通常都集成了温度传感器、液位传感器以及用于引入柴油机热水对添蓝进行加热以防止结冰的水管。当液位传感器检测到添蓝罐内的添蓝低于某个等级(如20%)时，后处理系统会激活故障灯来提醒驾驶员注意。如果添蓝罐内添蓝的液位太低(如低于10%)，DCU此时会激活排放故障灯，并通过CAN总线告知ECU激活减扭矩功能，对柴油机进行减扭矩处理。NOx传感器安装在催化消声器的下游，主要用于测量汽车废气中的NOx含量，并通过CAN总线将检测到的信息传递给控制器。当NOx传感器检测到汽车废气中的NOx排放高(如超过7g/(kW·h))时，NOx传感器通过CAN总线发布信息，DCU立即激活排放故障灯，同时ECU对柴油机进行减扭矩处理。由于尿素的熔点在132.7℃，需要加热至160℃才分解并产生出NH3，因此为防止过多未及时分解的尿素在排气管内结晶，SCR后处理系统只有在催化器前温度传感器检测到(或DCU根据MAP估算到)催化消声器上游的排气温度大于200℃时才允许添蓝喷射到排气管内。一般情况下，添蓝的消耗量是柴油消耗量的3%～7%。

BOSCH尿素泵的作用是：将添蓝罐里面的添蓝汲取上来，并根据DCU指令建立合适的压力，以保证添蓝喷射量的准确性以及喷射时获得良好的雾化效果。格兰富尿素泵的作用是：精确计算添蓝的喷射量，并通过压缩空气将添蓝输送给喷嘴。也就是说,BOSCH尿素泵主要用于控制添蓝的喷射压力，而格兰富尿素泵主要用于控制尿素的喷射量。BOSCH尿素泵与格兰富尿素泵之间的功能差异使得与它们相互匹配的尿素喷嘴也存在差异。BOSCH的SCR喷射系统采用的是电控添蓝喷嘴，DCU通过控制喷嘴上面的电磁阀的开启和关闭，来实现对添蓝喷射定时及喷射量的精确控制。由于有压缩空气辅助喷射，对于配套格兰富尿素泵的SCR后处理系统而言，机械喷嘴已经足够满足其喷射要求，并能形成良好的雾化效果。BOSCH的DNOX2.0尿素泵和DNOX2.0电控喷嘴以及格兰富尿素泵和机械喷嘴如图3所示。

图3 BOSCH的DNOX2.0尿素泵和DNOX2.0电控喷嘴以及格兰富尿素泵和机械喷嘴

四、EGR+DPF系统

EGR+DPF系统是一种柴油机国IV技术路线的典型代表，它通过牺牲柴油机一定的燃油经济性来达到国IV排放标准。与之相类似的系统还有EGR+DOC、EGR+POC、EGR+DOC+POC以及EGR+DOC+DPF。DOC是柴油氧化催化器，主要用于处理柴油机废气排放中的HC和CO。POC是微粒氧化催化器，主要用于处理柴油机废气排放中的PM 。

EGR即废气再循环，主要用于降低汽车废气中的NOx排放。EGR的原理是将冷却后的柴油机废气引入进气管内，通过降低汽缸内氧气浓度及燃烧温度，来达到破坏NOx的生成环境，减缓燃烧速度，降低NOx排放的目的。根据控制方式的不同，EGR阀分为真空动作EGR阀、排气背压EGR阀及电控EGR阀。EGR系统设计的关键是使足够的废气回流到进气管中，并根据柴油机不同的工况找到与之相匹配的最佳EGR率。实验证明，随着EGR率的增加，不仅NOx排放量明显降低，空燃比、涡前压力及中冷后压力也逐渐降低。当EGR率过高时，HC、CO及PM排放量增加，燃油经济性恶化，DPF对废气的处理负担增大。如果EGR率过小，NOx排放达不到国IV排放法规的要求，柴油机也容易产生爆震现象。因此，EGR率必须根据柴油机工况要求进行控制。与此同时，能感知单位时间内空气进气总量的空气流量计也被广泛用于加强ECU对EGR率的控制。为达到国IV排放标准，柴油机一般采用15%以内的EGR率与DPF组合。EGR+DPF系统原理图如图4所示。

图4 EGR+DPF系统原理图

DPF是柴油微粒捕捉器的英文缩写，英文全称为：Diese1 Partic1e Fi1ter。它的过滤技术机理主要为：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原理被滤体捕捉。PDF的捕捉效率主要受到微粒粒径、过滤体微孔孔径、排气流速及气流温度等因素影响。再生技术是DPF能否在后处理系统上正常工作的关键。一种好的再生系统应具有成本低廉、对柴油机性能影响小以及不对环境产生二次污染等特点。根据DPF的再生原理的不同，DPF的再生可分为被动再生和主动再生。被动再生要求DPF在设计上应满足微粒的总燃烧速度必须要大于微粒的总积累速度，它是利用燃油添加剂或催化剂等降低微粒的着火温度，使微粒在柴油机正常的排气温度下燃烧，从而实现再生。被动再生方式目前主要有催化涂层再生和燃油添加剂再生等。主动再生是利用外加能源，使DPF内的排气温度达到微粒的着火温度(500℃～600℃)，然后通过燃烧微粒来实现再生。主动再生方式主要有电加热再生、微波加热再生、红外加热再生及喷油或燃气助燃再生等。为判断DPF是否存在失效现象，通常在PDF上安装用于检测其两端压力差的压差传感器。DPF失效主要存在堵塞和烧漏(或烧结)两种情况，前者会因排气阻力大而影响柴油机的动力性，后者会因无法正常捕捉微粒而导致排放超标。当压差传感器检测到DPF两端的压差值超出正常范围时，控制器会立即激活故障灯。

五、两种柴油机国IV技术路线的差异

由于柴油机废气中的PM与NOx的生成条件存在互逆性，因此在满足国IV排放的技术上出现了两种路线。从国外情况看，欧洲主要选择SCR技术路线，而美国主要选择EGR+DPF技术路线。目前，国内两种技术路线都有运用，中重型车辆主要采用SCR技术路线，轻型车辆主要采用EGR+DPF技术路线。出于成本考虑，部分中型车也采用了EGR+DPF技术路线。在柴油机燃油喷射系统方面，高压共轨系统与单体泵系统在两种技术路线上都有运用，其中高压共轨系统将可能成为国IV柴油机配套的主流系统，单体泵系统借助其对油品清洁度的不敏感性被配套于一些使用环境比较恶劣的国VI排放车辆(比如自卸车)上。两种柴油机国IV技术路线的区别如表1所示。

表1 两种柴油机国IV技术路线的区别

六、结束语

SCR后处理系统和DPF都是废气处理装置，它们与柴油机在降低PM与NOx排放上存在不同的分工。使用哪种机外废气净化处理装置不仅取决于市场需求及中国的国情，还受到发动机本体结构及配套成本的影响。柴油品质及添蓝溶液的供给是实施柴油机国IV排放升级的基础。如果油品含硫量过高，后处理系统中的催化剂很容易中毒，废气净化效果将大打折扣，甚至导致排放不达标。此外，低廉的排放违法成本以及地方保护主义也将会使行业秩序遭到破坏。因此，要想使国IV排放标准广泛推广，国家需要做好相关配套工作，并严格执法。