王 鋒

（鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州 450016）

為了滿足不斷提升的汽車尾氣排放標準，EGR（Exhaust Gas Recycle，廢氣再循環(huán)）、SCR（Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還原）、DPF（Diesel Particle Filter，柴油顆粒過濾器）、DOC（Diesel Oxidation Catalyst，柴油氧化催化劑）、POC（Particulate Oxidation Catalysts，顆粒氧化催化劑）等先進技術越來越多地應用到現(xiàn)在的汽車及發(fā)動機當中。通過更好的催化轉化器的活性層、二次空氣噴射以及帶有冷卻裝置的排氣再循環(huán)系統(tǒng)等的應用，控制和減少汽車排放污染物到規(guī)定數(shù)值以下的標準。國IV標準比國Ⅲ標準主要對NOx（氮氧合物）和PM（微粒）要求更為嚴格。

1 國IV發(fā)動機技術路線介紹

目前，從國Ⅲ排放升級到國IV排放，主要有四種技術路線：EGR+DOC、EGR+DOC+DPF、EGR+DOC+POC、SCR[1-2]。

1.1 EGR+DOC系統(tǒng)

EGR是將排氣中的少部分廢氣經(jīng)EGR閥進入進氣系統(tǒng)，與混合氣混合后進入氣缸參與燃燒，降低了燃燒時氣缸中的溫度。因NOx是在高溫富氧的條件下生成的，故抑制了NOx的生成，從而降低了廢氣中的NOX的含量。同時大幅提高噴油壓力并增加DOC，可以降低TPM排放。

通過EGR+DOC系統(tǒng)可以減少HC、CO和25%的PM的排放，并可以將NO轉化成NO2。但僅采用EGR+DOC系統(tǒng)實現(xiàn)國IV排放，需要很高的噴射壓力（220 MPa以上）。

1.2 EGR+DOC+DPF系統(tǒng)

EGR+DOC+DPF系統(tǒng)是在EGR+DOC系統(tǒng)的基礎上增加DPF系統(tǒng)來實現(xiàn)的。具體原理見圖1。

根據(jù)過濾器再生方式不同，又分為主動再生型和被動再生型。

1）主動再生型。通過發(fā)動機缸內后噴燃油或者在排氣管中噴入燃油，燃油在DOC內燃燒提供DPF再生所需要的高溫，從而達到減少DPF內顆粒物的目的。

2）被動再生型。廢氣中的NO在DOC內反應生成NO2，NO2與碳粒反應達到被動再生的目的。

通過EGR+DOC+DPF系統(tǒng)可以減少HC、CO和90%的PM的排放，但由于再生技術不成熟，在客車領域應用不廣泛。

1.3 EGR+DOC+POC系統(tǒng)

有制造商使用EGR+DOC+POC系統(tǒng)作為一種過渡技術達到歐Ⅳ排放。該系統(tǒng)需要與被動再生DPF相同的工作條件。它通過NO2再生，屬于完全被動系統(tǒng)，不主動再生，不需要ECU控制。

通過EGR+DOC+POC系統(tǒng)，PM的轉換率約為50%，它對灰分不敏感，燃燒剩余灰燼可以通過POC排出，不產(chǎn)生排氣阻塞，在美國商用車領域應用廣泛。

1.4 SCR系統(tǒng)

SCR系統(tǒng)包括尿素水溶液儲罐、輸送裝置、計量裝置、噴射裝置、催化器以及溫度和排氣傳感器等。圖2為SCR后處理系統(tǒng)示意圖。其基本工作原理：尾氣從渦輪出來后進入排氣混合管，在混合管上安裝有尿素計量噴射裝置，噴入尿素水溶液，尿素在高溫下發(fā)生水解和熱解反應后生成NH3，在SCR系統(tǒng)催化劑表面利用NH3還原NOX，排出N2，多余的NH3也被還原為N2，防止泄漏。一般情況下，消耗100 L燃油的同時會消耗5 L液體尿素水溶液。

在SCR系統(tǒng)中發(fā)生的復雜的物理和化學反應包括尿素水溶液的噴射、霧化、蒸發(fā)、尿素的水解和熱解氣相化學反應以及NOX在催化劑表面與NH3發(fā)生的催化表面化學反應。利用數(shù)值模擬研究這些過程，可以優(yōu)化混合管路的設計和尿素噴射裝置的布置，從而優(yōu)化SCR系統(tǒng)的布置，預測催化效率，減少試驗成本。

2 四種技術路線優(yōu)缺點分析

2.1 技術優(yōu)劣勢

表1對可實現(xiàn)國Ⅳ/國Ⅴ排放性能的四大主流技術，從技術優(yōu)勢、劣勢及成熟度三個方面進行了比較。

表1 四種技術路線優(yōu)劣勢及成熟度對比

2.2 研發(fā)成本

發(fā)動機本身采用SCR技術路線的發(fā)動機，相對于原發(fā)動機，發(fā)動機結構不需要進行任何改變就能達標。

而EGR+路線的發(fā)動機結構需要進行重新設計，主要是因為EGR發(fā)動機需要較高的噴油壓力，所以需要升級燃油噴射系統(tǒng)，同時EGR發(fā)動機需要更高的散熱要求，需要增大散熱器。從這一角度來看，EGR+的成本高于SCR。

2.3 使用成本

采用SCR的發(fā)動機需定期添加尿素，尿素的價格決定了SCR技術額外的使用成本。SCR系統(tǒng)對燃油油品和機油品質要求較低，對機油含碳要求低，對燃料內含硫不敏感，使用的燃油、機油可以與國Ⅲ一樣。SCR系統(tǒng)發(fā)動機耐久性好，燃油經(jīng)濟性好，對發(fā)動機的使用和維修保養(yǎng)費用較低。

而使用EGR+系統(tǒng)，在使用過程中免維護，但是必須使用超低硫含量的燃油以及高品質潤滑油，且機油更換周期短。對于EGR+系統(tǒng)而言，油耗偏高，對發(fā)動機本身及后處理的維護保養(yǎng)要求較高，否則會影響發(fā)動機壽命并可能造成催化器堵塞風險。

2.4 布置空間

采用SCR系統(tǒng)需要單獨布置尿素噴射系統(tǒng)空間；而使用EGR+系統(tǒng)，無需增加發(fā)動機外的布置空間。但SCR發(fā)動機相較EGR+發(fā)動機體積小。從這兩點看，兩者布置空間相差不大。

2.5 技術連續(xù)升級性

SCR系統(tǒng)發(fā)動機沒有催化器堵塞的風險，燃油噴射壓力要求相對較低，技術升級連續(xù)性較好?，F(xiàn)在采用了此技術，在很長時間內都可以滿足排放法規(guī)定的要求，一直到歐Ⅵ標準的引進。

對于EGR+系統(tǒng)而言，需要增加EGR及其冷卻系統(tǒng)，技術連續(xù)升級性差。

綜上可知，短期內，無論從研發(fā)成本、燃油經(jīng)濟性、技術成熟度，還是技術連續(xù)升級性考慮，SCR系統(tǒng)是主流技術路線。

3 客車國IV發(fā)動機的布置方案

目前，匹配SCR系統(tǒng)的國IV發(fā)動機是客車達到國IV的主流方向?？蛙噰鳬V發(fā)動機SCR系統(tǒng)針對不同的客車用途一般有多種布置方案。較典型的布置方案有以下兩種。

3.1 發(fā)動機前置客車

由于發(fā)動機在客車前懸部分，布置空間限制，冷卻系統(tǒng)布置在發(fā)動機前面，所以尿素噴射系統(tǒng)布置在發(fā)動機附近，SCR消聲器布置在車架中段（門對面?zhèn)龋?，如圖3所示。

該布置方案的特點：冷卻系統(tǒng)、尿素噴射系統(tǒng)均布置在發(fā)動機附近，且SCR消聲器與尿素噴射系統(tǒng)同側，能有效地保證SCR系統(tǒng)冷卻管路、尿素噴射管路及系統(tǒng)配線盡量設計成最短，保證了觸媒反應的溫度。SCR消聲器布置在門的對面，使發(fā)動機尾氣排放方向與乘客上下車方向不在同一側，保證了乘客的乘坐舒適性。

3.2 發(fā)動機后置客車

由于發(fā)動機布置在后懸部分，所以冷卻系統(tǒng)和SCR消聲器分別布置在發(fā)動機的左右兩側，冷卻系統(tǒng)縱向布置；因不同發(fā)動機內部冷卻與進排氣結構的不同，同一車型，不同的發(fā)動機，冷卻系統(tǒng)和SCR消聲器布置在發(fā)動機的左側，還是右側受限于發(fā)動機內部冷卻與進排氣結構。為了保證尿素噴射系統(tǒng)位置的統(tǒng)一性，尿素噴射系統(tǒng)可布置在冷卻系統(tǒng)前方，也可布置于SCR消聲器的前方。如圖 4（a）和（b）所示。

圖4布置方案的特點：冷卻系統(tǒng)、尿素噴射系統(tǒng)、SCR消聲器三者均布置在發(fā)動機附近，能有效地保證SCR系統(tǒng)冷卻管路、尿素噴射管路及系統(tǒng)配線設計成最短，保證了觸媒反應的溫度。冷卻系統(tǒng)、尿素噴射系統(tǒng)均單獨開艙門，維修更加方便。

4 結束語

隨著國IV排放標準法規(guī)的推進和人們對環(huán)境的關注程度越來越高，客車國IV發(fā)動機的應用會越來越廣泛，國IV發(fā)動機的技術會越來越成熟。本文介紹了不同客車細分市場情況下客車SCR系統(tǒng)的3種布置方案，以期達到拋磚引玉。

[1]陳成勇.SCR 技術的控制原理[J].汽車電器，2011，（5）

[2]楊燕南.汽車發(fā)動機廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）的介紹[J].國外金屬加工，2005，（26）

[3]GB 18352.3-2005，輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國III、IV階段）第5部分：技術要求和試驗[S].北京：中國標準出版社，2005.

[4]《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊[K].北京：人民交通出版社，2001.

[5]劉世濤，周君蘭.JS6800型CNG動力城市客車設計[J].客車技術與研究，2007，29（5）：7-8.

[6]劉惟信.汽車設計 (第1版)[M].北京：清華大學出版社，2001.7.

[7]余志生.汽車理論 (第4版)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.9.