从排放法规浅谈柴油机排放控制技术

武汉城市职业学院汽车技术与服务学院 胡晶晶

柴油机主要的排放污染物有NOx（氮氧化合物）、颗粒物、CO（一氧化碳）、HC（碳氢化合物）及硫化物。鉴于柴油机直喷、压燃、富氧燃烧的特点，对于柴油机来说，CO、HC产生量并不是太多，而硫化物的产生量则主要取决于柴油中的含硫量，也就是油品的好坏，因此，柴油机中的排放控制技术主要是针对NOx和颗粒物所采用的，下面笔者将重点介绍控制这2种排放污染物的技术措施。

1 排放法规发展及排放限值

1.1 排放法规发展情况

目前，世界上实行的排放法规主要有美国、欧洲和日本3大体系，其中美国和欧洲的排放标准体系被各国广泛引用。汽车排放控制最早起源于美国的加州地区，1960年，美国加利福尼亚州颁布了世界上第一部汽车排放法规。1963年美国政府制定了《大气清洁法》，其后进行了多次修订和补充，逐步严格化，但在1968年以前美国一直采用加州汽车排放标准。从1968年起美国才有了联邦汽车排放标准，之后几乎是逐年严格化。但是直到现在加州汽车排放标准仍然是世界上最严格的汽车排放标准。继美国之后，日本和欧洲经济委员会分别于1966年和1970年相继制定了机动车排放法规和标准。

我国机动车污染控制工作开始于1979年颁布的《中华人民共和国环境保护法》，从1981年开始制定标准，于1983年首次发布了国家汽车排放标准GB 3842～3847—83，并于1984年4月1日起执行。在世界3大排放标准体系中，欧洲法规在标准的严格程度、道路交通情况等方面相对较适用于我国的实际情况，我国在充分吸收欧美的经验后，在欧洲法规的基础上形成了中国排放法规体系。1999年国家颁布了等效采用欧洲排放法规的《压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气可见污染物限值及测试方法》（GB 3847—1999）、《汽车排放污染物限值及测试方法》（GB 14761—1999）、《压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气污染物限值及测试方法》（GB 17691—1999）等4项标准。后来实施的《车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法》（GB 17691—2001）对GB 17691—1999进行了修改。

2005年4月27日，我国发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》（GB 18352.3—2005）、《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》（GB 17691—2005）；2008年4月2日发布了《重型车用汽油发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》（GB 14762—2008），标准规定了各类汽车国Ⅲ、国Ⅳ排放标准的试验项目、型式核准时间、实施时间。北京市已于2008年率先实施等效于欧Ⅲ排放标准的我国第Ⅲ阶段排放标准。环保部为保证车辆在实际道路运行过程中也能满足要求并保持一致性，在此后的2年内先后发布了《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断（OBD）系统技术要求》（HJ 437—2008）、《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排放控制系统耐久性技术要求》（HJ 438—2008）等排放法规。

2016年，为贯彻《中华人民共和国大气污染防治法》，严格控制机动车污染，全面实施《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅴ阶段）》（GB 18352.5—2013）和《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》（GB 17691—2005）中第Ⅴ阶段排放标准（简称国Ⅴ标准）要求，全国自2017年7月1日起，所有制造、进口、销售和注册登记的重型柴油车，须符合国Ⅴ标准要求。全国自2018年1月1日起，所有制造、进口、销售和注册登记的轻型柴油车，须符合国Ⅴ标准要求。

1.2 国Ⅳ、国Ⅴ排放限值

从表1和表2可以看出，随着法规国Ⅳ向国Ⅴ的升级，车用压燃式、气体燃料点燃式发动机等汽车污染物排放限值的变化主要来自于NOx，通过对比《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》（GB 18352.3—2005）和《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅴ阶段）》（GB 18352.5—2013）这2个法规中的排放限值（即表3和表4），可以发现，对于轻型汽车而言，国Ⅴ排放标准相比国Ⅳ排放标准，NOx排放降低了28%，HC+NOx总和指标降低了23%，而对于柴油车的颗粒物（PM）浓度降低了82%，新增颗粒物粒子数量（PN）检测。从表5可以看出，对于OBD的限值而言，国Ⅳ向国Ⅴ的升级，要求从OBD1+NOx控制升级为OBD2+NOx控制，同时不再使用严重性功能故障替代ESC排放确认，而是需要通过ETC排放来确认NOx转化效率的降低；除此以外，还增加了电控单元之间的通信诊断；超标报警或限扭的阀值分别从5 g/kWh和7 g/kWh变化为3.5 g/kWh和7 g/kWh。

表1 稳态循环和负荷烟度试验限值（摘自GB 17691—2005）

表2 瞬态循环试验限值（摘自GB 17691—2005）

表3 I型试验排放限值（摘自GB 18352.3—2005）

2 国Ⅳ阶段技术路线

随着时间的不断推移，排放法规也在不断收严，新的排放控制技术也在不断升级。相比较国Ⅲ时期的电控高压喷射系统，目前国内实现国Ⅳ的主要技术路线有3个：一个是高压共轨+EGR+DOC+POC，采用控制燃烧温度等手段在机内减少NOx生成，利用POC对生成的微粒进行后处理；第二个是高压共轨+EGR+DOC+DPF，采用控制燃烧温度等手段在机内减少NOx生成，利用DPF对生成的微粒进行后处理；第三个是高压共轨+SCR，SCR技术是通过强化发动机机内燃烧来降低微粒的生成，然后利用尿素溶液对NOx进行机外催化氧化。

2.1 高压共轨+EGR+DOC+POC

高压共轨系统是指在由高压油泵、燃油计量单元或压力控制阀、轨压传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，由高压油泵把高压燃油输送到油轨，通过对燃油计量单元或压力控制阀对油轨内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于油轨压力和电磁阀开启时间的长短。截止到目前，博世公司已经推出了三代高压共轨系统，第一代共轨高压泵采用压力控制阀控制油轨压力，总是保持在最高压力，导致能量的浪费和很高的燃油温度。第二代可根据发动机需求而改变燃油计量单元的开度，从而改变油轨压力，并具有预喷射和后喷射功能。预喷是在主喷射之前1 μs内少量的燃油被喷进了气缸压燃，预加热燃烧室。预热后的气缸使主喷射后的压燃更加容易，缸内的压力和温度不再是突然地增加，有利于降低燃烧噪音。在膨胀过程中进行后喷射，产生二次燃烧，将缸内温度增加200 ℃～250 ℃，降低了排气中的HC。而第三代共轨系统，轨压由压力控制阀和燃油计量单元共同控制，响应更迅速更准确，压力从200 bar～2 000 bar（1 bar=100 kPa）弹性调节；压电式喷油器代替了电磁阀式喷油器，喷油量更精准，针阀开启更快，最多可实现一个行程内5次喷射，工作更柔顺；没有了回油管，在结构上更简单；最小喷射量可控制在0.5 mm3，减小了烟度和NOx的排放。

表4 I型试验排放限值（摘自GB 18352.5—2013）

表5 OBD限值（摘自HJ 437—2008）

EGR是指ECU根据发动机的转速、负荷、温度、进气流量、排气温度等控制EGR电磁阀适时地打开，使排气中部分废气经EGR阀进入进气系统，与新鲜空气混合进入气缸参与燃烧。进入气缸参与燃烧的部分废气，降低了混合气中氧的浓度，从而可以降低燃烧速度和燃烧最高温度，抑制燃烧过程中NOx的形成，从而降低NOx排放量。EGR可有效地降低NOx排放，随着EGR率的增加，NOx排放量大幅度下降。同时随着EGR率的增加，缸内较低的氧气浓度将会增加颗粒物的排放量，并使发动机的排气烟度增加，在中、小负荷时烟度值比较小，而大负荷时会使柴油机的排气烟度值增大，这就给全面、有效地控制NOx和PM排放带来了困难。所以为达到欧Ⅳ排放限值，EGR率一般控制在15%以内。除此之外还要配合使用DOC+POC或DOC+DPF。

DOC又称氧化催化转化器，它是一个圆筒形的陶瓷载体，中间有许多细长的通道，可以大大增加陶瓷载体内部的表面积。它主要用来氧化尾气中的HC、CO及部分微粒，除此之外，它还能将尾气中的NO氧化成NO2，为颗粒捕集器的反应提供反应剂，并在氧化中提升排气温度， 为后面的颗粒氧化反应做准备。

POC又称颗粒催化转化器，它是针对柴油机排放污染物中颗粒成分设计的后处理装置，属于氧化催化转化器的范围。柴油机排放颗粒物主要由干炭烟、灰尘、硫化物和可溶有机组分组成。POC主要处理颗粒物中的干炭烟，一般能处理40%～60%。

2.2 高压共轨+EGR+DOC+DPF

DPF又称微粒捕集器，它也是一种减少PM排放的有效手段，该技术的应用方法是先用DPF捕集废气中的PM，然后通过其他手段对收集的PM进行氧化来使DPF再生。它可以从柴油机排气中去除炭烟颗粒，效率超过90%，然而PM过滤并不是DPF的核心问题，其核心问题是过滤器的再生，确保在柴油机的任何工况下都能将聚集起来的炭烟氧化掉。在柴油机正常工作的转速和负荷下，排气温度一般在250 ℃～500 ℃，而PM的燃点一般为550 ℃～600 ℃，依靠柴油机的排气很难使捕集器再生。要使DPF再生必须降低PM的燃点或提高排气温度。因此，DPF再生的方法有2种:一种是通过在燃油中加入添加剂或在过滤材料表面涂催化层来降低PM的燃点，使PM能在较低的温度下燃烧掉，称为被动再生，另一种是指利用外界能量来提高DPF内的温度，使PM着火燃烧，称为主动再生，例如在DPF前面加装DOC以提高排气温度，或者采用电加热或进行燃油多次喷射（后喷）等。相对于POC的被动再生，DPF多采用主动再生和被动再生相结合，提高颗粒捕捉效率。微粒捕集器在正常使用时，排气阻力会因微粒在过滤器中的沉积而增加，为保证发动机的性能损失不致过大，必须定期清除微粒，限制其最高阻力，微粒的清除即为捕集器的再生，再生是颗粒捕集器实用化的关键技术。

DPF对燃油中的含硫量非常敏感，要求含硫量≤50×10-6，早在国Ⅳ时期，国内很多地方的燃油标准达不到此要求，加之该系统价格昂贵，容易堵塞，维修养护成本高，因此DPF技术在我国的国Ⅳ阶段基本没有应用。

POC和DPF的比较见表6所列。

表6 POC和DPF比较

2.3 高压共轨+ SCR

SCR又称选择催化还原系统，它的主要作用是将排气中的NOx在贵金属、碱金属氧化物或沸石等催化剂的作用下还原为N2分子和水，反应适宜的温度为285 ℃～400 ℃。催化剂的组成和活性对SCR方法的处理效率影响很大。SCR系统的基本工作过程是排气从增压器涡轮流出后进入排气管中，同时由安装在排气管上的尿素喷射装置将定量的尿素水溶液以雾状形态喷入排气管中，尿素液滴在高温废气作用下发生水解和热解反应，生成所需要的还原剂氨气（NH3），NH3在催化剂的作用下将NOx有选择性地还原为N2和水，有时为了防止多余的NH3逃逸造成二次污染，还需要在SCR催化剂后方设置促使NH3氧化成氮气的催化剂。

2.4 3种技术路线的对比

从表7可以看出，采用高压共轨+EGR+DOC+POC方案的成本最低，且结构简单，使用方便，不需要添加车用尿素溶液就可正常使用，但采用的EGR会导致发动机的动力性和经济性略为下降，因此在国内这种方案大多用在轻型柴油机上，例如云内的YN27CRD、YN33CRD、YN38CRD系列，玉柴的YC4FA-40、YC4S-48，全柴的4B1-82C40、4A1-62C43、4B2-95C4，锡柴的CA4DW83-65E4、CA4DW93-84E4及五十铃的JE493ZLQ4等国Ⅳ发动机均采用这种方案。但鉴于POC的转化效率不高，因此无法满足国Ⅴ法规的需求。而高压共轨+ SCR这套方案虽然成本高，但不需要牺牲发动机的动力性，而且对原机的改动较小，能够满足国Ⅴ排放法规，因此在重型柴油机及国Ⅴ阶段具有相当大的市场，是目前市面上的主流技术路线，例如玉柴的YC6J-46、YC6A-40（四气门），杭发的MC07、D10，西安康明斯ISM、潍柴WP10和WP12等机型均采用这种方案。而高压共轨+EGR+DOC+DPF由于有着较高的成本，虽然转化效率高，能够满足国Ⅴ的法规需求，但对硫特别敏感，容易硫中毒，因此在国Ⅳ阶段国内基本没有应用。

3 国Ⅴ阶段技术路线

目前我国国Ⅴ技术路线大致有2种，即冷态EGR+DOC+DPF与优化燃烧+DOC +SCR。

3.1 冷态EGR+DOC +DPF

这种技术路线是通过冷态EGR，使缸内燃烧变差，降低NOx的排放，再通过DOC和DPF对排气中颗粒物进行净化。除了发动机要改变结构添加EGR阀外，最为关键的技术是DPF系统。DPF由PM采集装置、燃油喷射装置和控制系统组成。当DPF内的颗粒吸附量达到一定限值时，ECU就会开启燃油喷射系统向DPF喷射燃油，使DPF捕捉到的颗粒充分燃烧完成再生，这能够有效净化排气中70%～90%的颗粒，是净化柴油机颗粒物最有效、最直接的方法之一。但也存在3大难点：一是DPF技术依赖国外进口，目前我国的DPF生产都是和外企合作的，成本高。DPF标定技术主要掌握在国外公司手里。标定周期长、费用高、国内车型种类多等，对于国内企业来说都是压力。二是DPF标定复杂。DPF技术路线标定工作非常复杂，需要整机台架标定与整车标定技术的集成与融合，柴油机本身燃烧、再生策略、排气温度热管理、机油稀释风险、碳载荷与系统背压关系标定、OBD标定等都是要突破的技术难点。这些技术在行业内都已经得到应用，但由于标定复杂，研发成本很高。三是由于DPF在使用过程中的颗粒物逐渐增加会引起的发动机排气背压升高，导致发动机性能下降的情况，所以要定期除去DPF内沉积的颗粒物，恢复它的过滤性能，质量不高的需要定期更换，这就要产生额外的费用，而且DPF目前单次购买价格高，使用成本又将提高。

表7 3种国Ⅳ技术路线优缺点比较

3.2 优化燃烧+DOC+SCR

这种路线是通过优化喷油和燃烧过程及性能优化标定匹配，尽量在机内控制颗粒物（PM）的产生，实现柴油机比较理想的裸机PM排放，在机外后处理过程，采用DOC将NO氧化成NO2，因为排气管中尿素溶液水解的NH3与NO的反应更快，同时在氧化的过程中能够提高排气温度，加快尿素溶液对NOx的催化还原反应。

SCR系统在国Ⅳ阶段已经趋近于成熟，升级国Ⅴ排放标准只需调整一下参数，对发动机的改变不大，相对开发成本较低，市场认可度较高，使用SCR目前仍然是满足国Ⅴ排放标准的主流技术。

3.3 2种国Ⅴ技术路线的对比

通过对比可以发现优化燃烧+DOC+SCR系统的燃油经济性好，发动机改动小，低热量对冷却系统无要求，而且SCR对燃油品质不那么敏感，可以回避国内燃油含硫量高的问题。但是，SCR系统箱体处理尺寸和重量大，监控系统复杂，时间长了会产生结晶，整体成本较高；而冷态EGR+DOC+DPF具有颗粒转换效率高，质量轻，体积小的优点，但对油品要求高，燃油经济性比SCR系统低，高发热对冷却系统有要求。

针对国Ⅴ发动机，各厂家的路线相对比较一致，3.5 t以上的中重型车基本还是延续国Ⅳ阶段的技术路线，只是在原SCR的基础上加装了DOC，修改了标定数据，对发动机本体改变不大（京Ⅴ发动机需在国Ⅴ发动机的基础上加装DPF）；而3.5 t以下的轻型车则是采用冷态EGR+DOC+DPF与优化燃烧+DOC+SCR两种路线并行，这2项国Ⅴ技术路线在目前看来，SCR路线成为主流。

4 国Ⅵ技术路线展望

随着国Ⅴ在全国范围内的全面实施，法规预测，预计到2020年国Ⅵ排放法规将在全国范围内实行，据《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅵ阶段）》（GB 18352.6—2016）显示，轻卡的国Ⅵa将于2020年7月开始实施，轻卡的国Ⅵb将于2023年7月开始实施，从表8和表9可以看出，轻卡的国Ⅵ限值更多的是针对降低NOx，而在重卡方面，可以从欧洲的排放限值窥探一二，NOx的排放要求从欧Ⅴ的2 g/kWh下降到欧Ⅵ的0.46 g/kWh，同比下降了77%，而PM的排放要求从欧Ⅴ的0.03 g/kWh下降到欧Ⅵ的0.01 g/kWh，同比下降了67%，同时还增加的PN限值，要求车辆必须加装DPF。

表8 I型试验排放限值（6a）（摘自GB 18352.6—2016）

表9 I型试验排放限值（6b）（摘自GB 18352.6—2016）

当前，国内主流的国Ⅵ技术路线有以下3种:一种是EGR+DOC+DPF+SCR，这种技术路线开发难度适中，经济性较好，目前是国外的主流方案，这种方法在国内也得到了广泛的应用，例如玉柴的YC6L330-60欧Ⅵ发动机，云内的CM6D28欧Ⅵ系列柴油机，潍柴的WP2.3N、WP3N、WP4.1 N、WP4.6N、WP6.7、WP7、WP9等系列欧Ⅵ发动机均是采用这种方案；第二种是DOC+DPF+SCR+ASR，这种方案取消了EGR，通过优化燃烧将颗粒物大量降低，再以DPF对剩余颗粒物进行转化，使颗粒物的排放达标，但优化燃烧导致的NOx的排放增加则需要SCR系统进行转化，并且为了防止没有反应的NH3泄漏到大气中，采用了ASR系统对多余的NH3进行了处理，这种方案在玉柴的K11系列，五十铃的JE493、JE4D28、4JJ1等系列发动机上有应用；第三种方案是DOC+DPF+HiSCR，这种方案的开发难度最低，经济性好，但对后处理的要求较高，它通过采用更高效的SCR系统（即HiSCR），辅助DPF+DOC实现欧Ⅵ标准。所谓高效SCR，就是通过处理器控制单元更加合理地控制SCR催化剂的喷射量，使之更高效地转化尾气中的NOx，这种方法在潍柴的WP10、WP12、WP13系列欧Ⅵ发动机上均有应用。

随着我国排放法规的不断收严，柴油机上的排放控制技术也在不断升级，从最初的采用电喷、电控高压共轨、电控单体泵、增压中冷、四气门技术、燃烧室优化、EGR等机内净化技术，到后处理方面的的DOC、POC、DPF、SCR等机外净化技术，整个排放控制技术越来越复杂，在柴油机的发展中，如何开发出更优质的燃料，更优化的燃烧，更少的排放甚至是混合动力柴油机将是未来发展的重点，而对于研究这些技术优化方案、拓展新能源领域也是满足未来排放法规升级实现国家绿水青山的的必经之路。