重型车柴油机国六排放后处理技术分析

(广州市交通高级技工学校，广东 广州 510540)

1 国六排放法规概述

1.1 背景介绍

为防治机动车辆污染物排放对环境的污染，改善空气质量，至2001年7月1日，国一标准在全国范围内全面实施，到2018年6月28日公布的国六标准，我国的排放标准经历了6个阶段(如图1中国排放法规进度表所示)，随着每次排放标准的升级，对我国汽车制造技术提出更高要求，也使我们的产品品质不断提升。

图1 中国排放法规进度表

1.2 国六法规和国五法规的区别

与《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车污染物排放限值及测量方法(中国III、IV、V阶段)》相比，本标准(如表1所示)的主要变化：NOx限值加严77%，PM限值加严67%，新增颗粒物数量(PN)限值要求。

表1 国六发动机标准循环排放限值要求

增加了非标准循环排放测试要求和限值(WNTE)和整车实际道路排放测试要求和限值(PEMS)；统一采用稳态循环(WHSC)和统一瞬态循环(WHTC)污染物排放测试；对气态污染物、颗粒物和烟度排放满足标准限值要求的耐久性和排放控制装置的耐久性做出要求，其中轻型/5年或20万km；中型/6年或30万km；重型/7年或70万km。将远程OBD监控应用到国家标准；OBD阈值检测增加到5个。

2 国六技术路线及原理介绍

2.1 发动机排放污染物

发动机排放污染物分为气态和固态，气态主要是：包括一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx，以等价二氧化氮(NO2)表达)、碳氢化合物(HC，例如：总碳氢(THC)、非甲烷碳氢(NMHC)、甲烷(CH4))等气体排放物；固态污染物即PM(颗粒物质量)和PN(粒子数量)主要是碳、冷凝的碳氢化合物、硫酸盐水合物。

其中NOx是在高温富氧条件下产生的，PM是在高温缺氧条件下产生的。从二者生成条件可以看出二者生成的机理恰恰相反，即在降低NOx时必然造成PM排放的升高，反之亦然。国六发动机后处理装置的设计和功能，主要就是为了处理这两大类污染物。

2.2 国六技术路线

目前送检的重型柴油车辆后处理装置主要技术路线为EGR+DOC+DPF+SCR+ASC(如图2所示)。

图2 后处理技术路线

2.2.1 EGR：废气再循环(Exhaust Gas Recirculation)

作用是将少部分发动机燃烧后产生的废气和新鲜空气混合后进入燃烧室，进行再次燃烧的技术，EGR有效抑制缸内温度，从而达到降低NOx的排放。

2.2.2 DOC：氧化型催化器(Diesel Oxidation Catalyst)

作用是净化尾气中的CO和HC。DOC整个后处理过程的第一步，DOC一般以金属或陶瓷作为催化剂的载体，涂层中主要活性成分是铂、钯等贵金属与稀土金属，将NO氧化为NO2，提高POC/DPF的入口温度，NO2用来氧化氧化碳颗粒，效率可达40%～50%。在国六系统中，DOC至关重要，主要作用有：①降低HC排放—将尾气中未燃烧HC、润滑油HC氧化为H2O和CO2。②将NO氧化为NO2，NO2将DPF里面的碳颗粒氧化为气态的CO2。③氧化喷入排气管的燃油:氧化柴油放热使DPF温度升高，DPF内碳与氧气反应为CO2。

2.2.3 DPF颗粒捕捉器

DPF全称颗粒捕捉器(Diesel Particle Filter)，通常配合EGR废气再循环装置，安装在柴油机的排气管上游，对排气中的大微粒(5μm)通过碰撞、拦截的方式进行捕集，对小于100 nm的小微粒通过扩散方式进行捕集，这使得DPF的颗粒捕集效率高达95%以上。

DPF采用壁流式过滤通道，内部由很多细小的孔道组成，相邻孔道一端出口封闭，一端入口封闭。孔道壁面有微孔，可使气流通过，所谓壁流式就是指排气出口封闭，排气只能强制从每个通道的壁面小孔互相“渗透”，同时捕集经过的微粒，这样相对于POC的直通式的捕集器须都会更高。但随着运行时间的增加，大量的颗粒堆积并堵塞DPF，造成排气背压增加，导致发动机动力性能和经济性能恶化。因此，DPF必须及时清除附着的颗粒，即DPF的再生。DPF再生过程分为主动和被动2种形式：

1)被动再生。在300 ℃左右NO2和C颗粒转化为CO2和NO，被动再生一般是指在过滤体表面涂覆催化剂或在燃油中添加催化剂以降低颗粒的氧化反应温度。

NO2氧化颗粒-条件(220 ℃～400 ℃)2NO+O2→2NO2C+2NO2→CO2+2NO

2)主动再生。在600 ℃左右将捕捉到的颗粒物燃烧成CO2排出去，柴油机在主动再生则是指通过外在提供能量增加排气或过滤体的温度，将颗粒燃烧掉。由于主动再生很多实际工况中处于低负荷状态，排气温度很低，被动再生受到一定的限制。因此，成为国六阶段必备的后处理技术，在国六的实际使用上是被动再生和主动再生同时使用。

CO2氧化颗粒-条件(>500 ℃)4HC+5O2→2H2O+4CO2C+O2→CO2

主动再生主要分为DPM路线和喷油器燃油后喷路线，喷池器燃油后喷技术路线是喷油器在做功冲程中后期(活塞原理上止点向下止点运动时)将燃油喷入燃烧室内，然后随着废气排放到D0C中燃烧，提高排气温度，燃烧颗粒物。

当收集的P颗粒物过多时，仅仅通过再生的方式已经不能完全清理干净，这时候就可能会用到市面上的一些清理DPF的设备，基本原理就是使用气泵来反吹DPF，将PM颗粒物给吹扫干净，可以达到与再生同样的目的。注意气压不应过高，否则易导致过滤层损坏。

清灰效采的好坏也可以通过测量排气背压、重量测试等方法来检验，清灰设备一般同时具备有加热功能，共同用于后处理DPF再生清理。

注意：DPF不建议采用水洗的清理方式，部分厂家也有使用CDPF或者SDPF，如果用水洗可能会破坏内壁催化剂涂层，使其失效。拉爵: DPF不建议采用水洗的满理方式。

DPF通常就是常说的颗粒捕捉器，CDPF在此基础上采用了内壁涂覆催化剂涂层，促使部分的CO、HC氧化还原；而SDPFP即所谓的SCR-DPF，相同的也是在DPF内侧涂覆催化制涂层，但不同的是SDPF是用于还原尾气的部分NOx。

2.2.4 SCR选择性催化还原器

SCR (selective catalytic reduction) 选择性催化还原器，通过尿素喷射系统将尿素喷射到排气管中，在催化剂的作用下，使氮氧化物与尿素发生还原反应，从而达到去除氮氧化物的目的。

SCR技术通过优化燃油喷射系统(单体泵-高压共轨)和喷油提前正时，使燃油在高温高氧的条件下充分燃烧，以降低颗粒物(在机内减少颗粒物优化发动机功率)，再使用SCR技术降低因燃烧优化而产生的NOX排放。

(NH2)2CO(尿素)+H2O→CO2+2HN3(二次污染)(水解反应)

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O(催化还原反应，排温>200 ℃)

2NO2+2NO+4NH3→4N2+6H2O(催化还原反应，排温>200 ℃)

2.2.5 ASC氨逃逸催化器

由于车辆可能存在尿素泄露、反应效率低等情况，尿素分解产生的氨气可能会未参与反应而直接排出大气。因此安装ASC装置已防止氨逃逸。氨逃逸催化器( ASC) 在载体内壁使用贵金属等催化剂涂层，用于催化氧化废气，一般装在SCR后端。

2.2.5.1 ASC的主要作用

1)将过常的NH3氧化为N2、N2O、NOx。

NH3+O2→N2、N2O、 NOx

2)同时再催化NOx、NH3反应为氮气N2。

NH3+NOx→N2

2.2.5.2 ASC的性能指标

进行NH3转化效率试验，275 ℃时NH3的转化效率不得低于70%，其余各温度点NH3的转化效率均不得低于80%；关于耐久性，长期使用的ASC发生老化现象，在ASC的快速老化试验时，老化后的NH3转化效率的下降量不得高于15%，NOx选择性转化效率的上升量不得高于15%。

3 结语

国六排放标准被称为史上最严法规，对上游车企、发动机厂等企业的生产技术、检测标准和售后维修服务带来一定挑战。随着国六标准的实施，意味着发动机控制逻辑和整个后处理系统技术进行一次升级。本文对国六排放后处理技术路线的基本工作原理、技术特点以及应用进行了简单论述和分析，以供柴油机后处理器各制造商和广大一线维修人员参考和使用。目前我国的柴油机技术还是比较落后，希望后继研究者更多地关注和研究相关技术，为我国的节能减排事业做出贡献。