河南省在用超标车排放系统改造升级计划初探

刘 焕

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

河南省在用超标车排放系统改造升级计划初探

刘 焕

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

柴油车是城市大气中氮氧化物、颗粒物排放的主要来源。文章针对性地介绍了在用车加装SCR系统和EGR+DPF系统的改造技术方案，并从改造技术的可行性、改造费用、后期使用的经济性、使用的有效性等方面进行对比，结果表明，EGR+DPF系统的改造技术方案有效可行。

排放法规；废气再循环；柴油颗粒过滤器；后处理技术

KCLC NO.:U461.8Document Code:AArticle ID:1671-7988(2017)03-80-03

1、在用车改造背景

1.1 我国机动车污染物排放问题

2016年6月2日环境保护部大气环境管理司向媒体通报，环境保护部日前发布《2016年中国机动车环境管理年报》（以下简称“年报”），公布了2015年全国机动车环境管理情况。年报显示，我国已连续七年成为世界机动车产销第一大国，机动车污染已成为我国空气污染的重要来源，是造成灰霾、光化学烟雾污染的重要原因，机动车污染防治的紧迫性日益凸显。

统计显示，2015年全国机动车排放污染物初步核算为4532.2万吨，比2014年削减0.3%，其中氮氧化物（NOX） 584.9万吨，碳氢化合物（HC）430.2万吨，一氧化碳（CO）3461.1万吨，颗粒物（PM）56.0万吨。汽车是机动车污染物排放总量的主要贡献者，其排放的NOX和PM超过90%，HC和CO超过80%。

1.2 《大气法》相关规定

2015年8月29日，第十二届全国人民代表大会常务委员会第十六次会议通过了新修订《中华人民共和国大气污染防治法》（自2016年1月1日起施行，简称“大气法”），对机动车环境管理工作提出了更高要求。

大气法中第五十九条规定在用重型柴油车、非道路移动机械未安装污染控制装置或者污染控制装置不符合要求，不能达标排放的，应当加装或者更换符合要求的污染控制装置。

违反本法规定，在禁止使用高排放非道路移动机械的区域使用高排放非道路移动机械的，由城市人民政府环境保护等主管部门依法予以处罚。

1.3 各阶段排放限值

柴油机法规限定排放物各阶段的限值如表1 所示。

表1 各阶段污染物限值

一般来说，在缸内直喷柴油机中，高温高压下由于缺氧会形成碳烟（Soot）粒子，且在降温过程中吸附各种凝聚相物质[2]，形成柴油机重要的污染物微粒（PM）；在高温高压下由于氧气富足，缸内的氮气被氧化生成NO和NO2，从而形成了柴油机排放中的另一重要污染物——氮氧化物（NOX），控制柴油机有害排放物的重点在于控制PM和NOX。

2、常用后处理技术

2.1 EGR技术

废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）是指在保证发动机动力性不降低的前提下，将发动机排出的一部分废气送回排气管，并与新鲜空气或新鲜混合气混合之后，再次进入气缸参与燃烧[4]。运用EGR技术可减少本应进入气缸的空气量，使空燃比减小[6]。在汽油机高负荷时进入气缸的EGR使燃气的热容量增加，相应的平均燃气温度降低；而在柴油机高负荷时，EGR引起的热容量变化较小且空燃比减小使氧浓度降低，这是柴油机抑制 NOX生成的主要原因之一。

2.2 DPF技术

柴油机颗粒过滤器（DPF）一般由过滤装置、再生装置、控制装置三部分组成，其关键技术之一是过滤体再生。柴油机颗粒捕集器的作用是将柴油机的尾气引入专门的后处理装置，将排气中的颗粒捕捉、集中，不使其排出机外，并利用催化剂、燃烧器等进行分解、燃烧，清除其中的大部分微粒，从而减少颗粒排放，达到净化尾气的目的[10]。但由于日积月累，颗粒沉积在过滤体的微孔内，会使排气阻力增加，导致发动机的性能恶化。为了颗粒捕集器不被堵死，正常工作，颗粒捕集器必须要定期清除颗粒，这就是再生。在再生过程中，颗粒捕集器收集的颗粒会被燃烧掉，故其技术的关键在于过滤材料的选取和再生技术。

被动再生是在排放颗粒在催化剂和发动机行驶本身产生高温的情况下，自行转换为NO2和CO2，这种过程发生得很慢；主动再生是通过发动机控制器，在拉升的排气温度条件下，让颗粒进行燃烧。

2.3 SCR技术

SCR（Selective Catalytic Reduction）选择性催化还原技术，其基本工作原理是将精确计量后的稀释尿素喷入到燃烧废气中去，通过水解反应催化剂将尿素中的氨提炼出来[3]。SCR过程是利用氨作为还原剂注入到NOX的排气系统中，NOX在以贵金属、碱金属氧化物或沸石等催化剂的作用下被还原为N2和H2O，反应适宜的温度为285—400℃[5]。

SCR技术主要发生下列化学反应：

但是，当温度过低（200℃以下）或温度过高（450℃以上）时，SCR反应中还会伴随一些副反应，造成NOX转化率下降。

3、第三阶段在用柴油车排放升级改造技术路线

3.1 EGR+DPF和DPF+SCR技术路线对比分析

DPF+SCR技术路线改造成本大，尿素罐加装难度大，装置本身不仅要增加约150～300kg的质量，另外还要增加1个AdBlue溶液箱。按100L尿素溶液运行7000km计算，一辆汽车损失的有效载荷在400kg左右。使用过程中需要定期添加尿素水溶液，而国内加注尿素液相关配套设施尚不完善。加装DPF+SCR系统的机动车若不添加尿素液，并不会影响发动机正常运行，没有相应的监控设备监控加装DPF+SCR后的机动车排放是否达标。在运行过程中，若温度较低，将导致尿素-水溶液会发生结晶，一旦发生结晶就需要将DPF+SCR系统整体更换。后期维护成本太大。

EGR+DPF技术路线改造成本低，一次性改造完成不增加后期的使用费用。在使用过程中，机械可靠性好，能适应发动机的各种运行工况。EGR+DPF系统带有氮氧传感器，能够实时监控发动机的排放问题。

3.2 推荐使用技术路线

废气再循环技术（EGR）是现今降低柴油机NOX排放的有效方法之一，应用颗粒捕集器（DPF）可以有效的降低尾气中颗粒的排放。

图1 柴油机EGR和DPF系统结构简图

柴油机EGR和DPF系统结构简图如图1所示，EGR的废气从涡轮增压器前取气，经EGR冷却器和EGR阀后，与增压后的空气在文丘里管中混合，进入发动机燃烧室内燃烧。采用EGR冷却，一方面保证氧传感器的工作可靠性，另一方面降低由于进气引起的温度升高。在 EGR 率的控制方面，电控单元根据转速、油门位置来判断发动机工况，输出控制信号，由步进电机来控制EGR阀的位置。此时氧传感器将检测到的空燃比反馈给控制单元，控制单元根据目标空燃比与实际空燃比进行校正，获得 EGR阀位置的精确闭环控制。对于DPF，过滤时，三通阀处于中间位置，废气同时从两个DPF中流过。若背压达到预先确定的值时，则开始再生。一个再生时，另一个处于过滤状态。再生过程分成两个阶段：加热阶段和燃烧阶段。两个阶段加热器始终处于加热状态。在加热阶段，三通阀关闭流经再生陶瓷的气流，便于快速升温。当再生陶瓷的前端温度达到微粒的起燃温度600℃时，三通阀开始动作使一定量的废气流经再生陶瓷，前端迅速燃烧，燃烧火焰向后传播，很快将捕集在过滤器上的微粒全部烧掉，实现过滤器的再生。再生后三通阀又回到中间位置，整个再生过程中三通阀是由步进电机精确控制。

4、总结

环境保护部大气颗粒物源解析结果显示，机动车排放已成为我国城市空气污染的主要来源，其中，河南省柴油车保有量22.8万辆，如何控制柴油车排放，改善柴油车排放系统成为治理河南省大气污染的首要问题，在用车改造工作势在必行。

[1] 吉木色,郭秀锐,郎建垒.大城市机动车污染物排放与控制的情景预测［J］.环境科学研究,2013,26( 9) ∶ 919-928.

[2] 姚志良,张明辉,王新彤.中国典型城市机动车排放演变趋势［J］.中国环境科学,2012,32( 9) ∶1565-1573.

[3] 佟德辉.降低车用柴油机NOX排放的SCR技术控制策略研究[D].济南.山东大学,2009.

[4] 陈贵升,马帅营,毛斌,王鑫,郑尊清,尧命发,林铁坚.基于EGR 技术的低排放重型柴油机燃烧系统开发[J].内燃机学报,2013,Vol.31. No.4∶31-49.

[5] 张纪元.重型柴油机SCR系统应用技术研究[D].济南.山东大学,2013.

[6] 吴学松,詹樟松,尚宇,刘斌,胡铁刚,裴毅强.外部EGR技术在高压缩比米勒循环发动机上的试验研究[J].内燃机工程,2015,Vol.36. No.4∶29-34.

Henan province with ChaoBiaoChe emissions system upgrade project

Liu Huan
( North China university of water conservancy and hydropower, Henan Zhengzhou 450045 )

Vehicle emissions have become the main source of urban air pollution in China, especially diesel vehicles are the main source of nitrogen oxides and particulate emissions in urban atmosphere. The paper introduces the technical scheme of the retrofit of SCR system and EGR+DPF system in the car, and from the transformation of technical feasibility, renovation costs, the late use of the economy, the effective use of aspects were compared, the results show that the EGR+DPF system modification technology scheme is effective and feasible.

emission regulation; exhaust gas recirculation; Diesel Particulate Filter; after treatment

U461.8

A

1671-7988(2017)03-80-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.03.030

刘焕（1991—），男，硕士研究生，华北水利水电大学研究生。