◆文/廣西 金軍平

淺談柴油機(jī)國(guó)IV后處理系統(tǒng)

◆文/廣西 金軍平

自2015年1月1日國(guó)家強(qiáng)制柴油車實(shí)施國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，柴油機(jī)國(guó)IV排放技術(shù)受到人們的廣泛關(guān)注。本文在探討國(guó)IV柴油機(jī)使用后處理系統(tǒng)必要性的基礎(chǔ)上，對(duì)SCR后處理系統(tǒng)及EGR+DPF系統(tǒng)的原理進(jìn)行了分析，并討論這兩種柴油機(jī)國(guó)IV技術(shù)路線的區(qū)別。

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)及汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，我國(guó)的汽車數(shù)量急劇增加。據(jù)最新調(diào)查顯示：截至2014年末，除三輪汽車和低速貨車之外，國(guó)民用汽車保有量達(dá)到14 475萬(wàn)輛，千人保有量首次超過(guò)百輛，達(dá)到105.83輛/千人。汽車數(shù)量的不斷增加勢(shì)必導(dǎo)致能源消耗的不斷增大，同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。汽車廢氣排放物主要成份為：一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)、碳?xì)浠衔?HC)以及由碳煙、氧化硫及附著的HC等組成的微粒(PM)。如果這些汽車廢氣被大量排入空氣中，人類的健康將受到極大的危害。例如：廢氣中CO能危害人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。根據(jù)人體吸入CO濃度與時(shí)間的不同，輕者出現(xiàn)頭暈、惡心及頭痛等癥狀，嚴(yán)重者出現(xiàn)心血管工作困難，甚至死亡。從環(huán)境容量來(lái)看，我國(guó)每年的氮氧化合物(NOx)排放上限為1 880萬(wàn)噸左右。按照目前的發(fā)展趨勢(shì)，到2020年，NOx將達(dá)到3 500萬(wàn)噸。這些氮氧化合物中的NO2是一種具有強(qiáng)烈刺激性的棕紅色有毒氣體，能降低血液的輸氧能力，對(duì)人體的心臟、肝及腎產(chǎn)生嚴(yán)重危害。因此，對(duì)機(jī)動(dòng)車輛的廢氣排放進(jìn)行嚴(yán)格限制是很有必要的。

一、國(guó)IV柴油機(jī)使用后處理系統(tǒng)的必要性

國(guó)家排放法規(guī)參照歐洲的排放標(biāo)準(zhǔn)主要對(duì)HC、CO、NOx和PM做了相關(guān)的規(guī)定，其中降低NOx和PM的排放是每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)廠家都重點(diǎn)關(guān)注的目標(biāo)。燃燒系統(tǒng)是排放能否達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵，也是排放控制首要關(guān)注的對(duì)象。傳統(tǒng)的排放控制理論主要是通過(guò)如下方法來(lái)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)：(1)通過(guò)降低初始燃燒溫度來(lái)減少NOx；(2)通過(guò)提高燃燒速度來(lái)降低微粒物排放；(3)通過(guò)縮短擴(kuò)散燃燒周期來(lái)降低微粒物排放和改善燃油經(jīng)濟(jì)性。在燃燒室高溫及氧氣充足的情況下，PM排放量大大減少，燃油經(jīng)濟(jì)性得到了改善，但NOx卻被大量地產(chǎn)生出來(lái)。通過(guò)優(yōu)化進(jìn)氣渦流及燃燒室、提高噴油器噴射壓力及采用小孔徑多孔噴射的方法縮短噴霧液相長(zhǎng)度等一系列的燃燒優(yōu)化手段，并在PM排放量及NOx排放量之間尋求一個(gè)最佳匹配，柴油機(jī)能夠滿足國(guó)III及國(guó)III以下排放法規(guī)的要求。但事實(shí)證明，僅通過(guò)機(jī)內(nèi)燃燒優(yōu)化的手段，而不考慮機(jī)前優(yōu)化以及機(jī)外廢氣凈化的后處理系統(tǒng)，柴油機(jī)的廢氣排放已經(jīng)無(wú)法滿足嚴(yán)格的國(guó)IV排放法規(guī)的要求。盡管后處理系統(tǒng)增加了汽車的制造成本，但汽車廢氣排放要想滿足國(guó)IV排放要求，必須將PM和NOx進(jìn)行解耦。也就是說(shuō)，在保證燃油品質(zhì)的前提下，通過(guò)增加后處理系統(tǒng)并按一定的先后順序?qū)M及NOx進(jìn)行分別處理，使汽車廢氣排放最終能滿足國(guó)IV排放要求。

二、柴油機(jī)國(guó)IV技術(shù)路線

柴油機(jī)國(guó)IV技術(shù)路線實(shí)際上是基于PM和NOx解耦思路上的技術(shù)路線。目前，在柴油機(jī)上廣泛應(yīng)用的國(guó)IV技術(shù)路線主要有兩種，即SCR技術(shù)路線和EGR+DPF技術(shù)路線。SCR技術(shù)路線先通過(guò)機(jī)內(nèi)燃燒優(yōu)化降低PM排放量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，然后再通過(guò)SCR后處理系統(tǒng)來(lái)處理柴油機(jī)廢氣中的NOx，從而滿足國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)。EGR+DPF技術(shù)路線對(duì)PM與NOx的處理過(guò)程與SCR技術(shù)路線恰好相反，即先通過(guò)廢氣再循環(huán)降低NOx的排放量，然后再用DPF處理廢氣中的PM。兩種技術(shù)路線達(dá)到國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)的路徑如圖1所示。

三、SCR后處理系統(tǒng)

SCR后處理系統(tǒng)為選擇性催化還原系統(tǒng)，英文全稱為：se1ected cata1ystic reduction，主要用于擇性催化還原NOx。它的主要原理是將添藍(lán)溶液(adb1ue，質(zhì)量濃度為32.5%的尿素水溶液)噴人排氣管內(nèi)，尿素受熱后分解成NH3和CO2，然后NH3將NOx催化還原成N2和H2O。SCR后處理系統(tǒng)中的主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

1.尿素分解

(NH2)2CO + H2O -＞ 2NH3+ CO2

2.催化器內(nèi)的還原反應(yīng)

2NH3+ NO+ NO2-＞ 2N2+ 3H2O

4NH3+ 4NO+O2-＞ 4N2+ 6H2O

4NH3+ 2NO2+ O2-＞ 3N2+ 6H2O

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：在達(dá)到國(guó)IV排放的重卡車型中，BOSCH的SCR噴射系統(tǒng)獨(dú)占鰲頭，其次是浙江銀輪、蘇州派格力、無(wú)錫凱龍和TENNECO廠家的SCR噴射系統(tǒng)；在工程機(jī)械車領(lǐng)域，配套的SCR后處理系統(tǒng)幾乎全部都被格蘭富占領(lǐng)；而客車及運(yùn)輸車領(lǐng)域幾乎全部是BOSCH的SCR噴射系統(tǒng)的身影。但是不管SCR后處理系統(tǒng)配套的是BOSCH噴射系統(tǒng)還是格蘭富尿素泵，它們都是以催化還原NOx，降低汽車廢氣中的NOx排放為目的而形成的一整套控制系統(tǒng)。SCR后處理系統(tǒng)由尿素泵、添藍(lán)罐、DCU、溫度傳感器、NOx傳感器、噴嘴、催化消聲器以及一些線束和管路等組成。SCR后處理系統(tǒng)原理圖如圖2。

圖2 SCR后處理系統(tǒng)原理圖

添藍(lán)罐內(nèi)部通常都集成了溫度傳感器、液位傳感器以及用于引入柴油機(jī)熱水對(duì)添藍(lán)進(jìn)行加熱以防止結(jié)冰的水管。當(dāng)液位傳感器檢測(cè)到添藍(lán)罐內(nèi)的添藍(lán)低于某個(gè)等級(jí)(如20%)時(shí)，后處理系統(tǒng)會(huì)激活故障燈來(lái)提醒駕駛員注意。如果添藍(lán)罐內(nèi)添藍(lán)的液位太低(如低于10%)，DCU此時(shí)會(huì)激活排放故障燈，并通過(guò)CAN總線告知ECU激活減扭矩功能，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行減扭矩處理。NOx傳感器安裝在催化消聲器的下游，主要用于測(cè)量汽車廢氣中的NOx含量，并通過(guò)CAN總線將檢測(cè)到的信息傳遞給控制器。當(dāng)NOx傳感器檢測(cè)到汽車廢氣中的NOx排放高(如超過(guò)7g/(kW·h))時(shí)，NOx傳感器通過(guò)CAN總線發(fā)布信息，DCU立即激活排放故障燈，同時(shí)ECU對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行減扭矩處理。由于尿素的熔點(diǎn)在132.7℃，需要加熱至160℃才分解并產(chǎn)生出NH3，因此為防止過(guò)多未及時(shí)分解的尿素在排氣管內(nèi)結(jié)晶，SCR后處理系統(tǒng)只有在催化器前溫度傳感器檢測(cè)到(或DCU根據(jù)MAP估算到)催化消聲器上游的排氣溫度大于200℃時(shí)才允許添藍(lán)噴射到排氣管內(nèi)。一般情況下，添藍(lán)的消耗量是柴油消耗量的3%～7%。

BOSCH尿素泵的作用是：將添藍(lán)罐里面的添藍(lán)汲取上來(lái)，并根據(jù)DCU指令建立合適的壓力，以保證添藍(lán)噴射量的準(zhǔn)確性以及噴射時(shí)獲得良好的霧化效果。格蘭富尿素泵的作用是：精確計(jì)算添藍(lán)的噴射量，并通過(guò)壓縮空氣將添藍(lán)輸送給噴嘴。也就是說(shuō),BOSCH尿素泵主要用于控制添藍(lán)的噴射壓力，而格蘭富尿素泵主要用于控制尿素的噴射量。BOSCH尿素泵與格蘭富尿素泵之間的功能差異使得與它們相互匹配的尿素噴嘴也存在差異。BOSCH的SCR噴射系統(tǒng)采用的是電控添藍(lán)噴嘴，DCU通過(guò)控制噴嘴上面的電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)添藍(lán)噴射定時(shí)及噴射量的精確控制。由于有壓縮空氣輔助噴射，對(duì)于配套格蘭富尿素泵的SCR后處理系統(tǒng)而言，機(jī)械噴嘴已經(jīng)足夠滿足其噴射要求，并能形成良好的霧化效果。BOSCH的DNOX2.0尿素泵和DNOX2.0電控噴嘴以及格蘭富尿素泵和機(jī)械噴嘴如圖3所示。

圖3 BOSCH的DNOX2.0尿素泵和DNOX2.0電控噴嘴以及格蘭富尿素泵和機(jī)械噴嘴

四、EGR+DPF系統(tǒng)

EGR+DPF系統(tǒng)是一種柴油機(jī)國(guó)IV技術(shù)路線的典型代表，它通過(guò)犧牲柴油機(jī)一定的燃油經(jīng)濟(jì)性來(lái)達(dá)到國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)。與之相類似的系統(tǒng)還有EGR+DOC、EGR+POC、EGR+DOC+POC以及EGR+DOC+DPF。DOC是柴油氧化催化器，主要用于處理柴油機(jī)廢氣排放中的HC和CO。POC是微粒氧化催化器，主要用于處理柴油機(jī)廢氣排放中的PM 。

EGR即廢氣再循環(huán)，主要用于降低汽車廢氣中的NOx排放。EGR的原理是將冷卻后的柴油機(jī)廢氣引入進(jìn)氣管內(nèi)，通過(guò)降低汽缸內(nèi)氧氣濃度及燃燒溫度，來(lái)達(dá)到破壞NOx的生成環(huán)境，減緩燃燒速度，降低NOx排放的目的。根據(jù)控制方式的不同，EGR閥分為真空動(dòng)作EGR閥、排氣背壓EGR閥及電控EGR閥。EGR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是使足夠的廢氣回流到進(jìn)氣管中，并根據(jù)柴油機(jī)不同的工況找到與之相匹配的最佳EGR率。實(shí)驗(yàn)證明，隨著EGR率的增加，不僅NOx排放量明顯降低，空燃比、渦前壓力及中冷后壓力也逐漸降低。當(dāng)EGR率過(guò)高時(shí)，HC、CO及PM排放量增加，燃油經(jīng)濟(jì)性惡化，DPF對(duì)廢氣的處理負(fù)擔(dān)增大。如果EGR率過(guò)小，NOx排放達(dá)不到國(guó)IV排放法規(guī)的要求，柴油機(jī)也容易產(chǎn)生爆震現(xiàn)象。因此，EGR率必須根據(jù)柴油機(jī)工況要求進(jìn)行控制。與此同時(shí)，能感知單位時(shí)間內(nèi)空氣進(jìn)氣總量的空氣流量計(jì)也被廣泛用于加強(qiáng)ECU對(duì)EGR率的控制。為達(dá)到國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)，柴油機(jī)一般采用15%以內(nèi)的EGR率與DPF組合。EGR+DPF系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 EGR+DPF系統(tǒng)原理圖

DPF是柴油微粒捕捉器的英文縮寫，英文全稱為：Diese1 Partic1e Fi1ter。它的過(guò)濾技術(shù)機(jī)理主要為：當(dāng)柴油機(jī)廢氣通過(guò)DPF時(shí)，微粒經(jīng)過(guò)擴(kuò)散、截流、慣性碰撞及重力沉降等原理被濾體捕捉。PDF的捕捉效率主要受到微粒粒徑、過(guò)濾體微孔孔徑、排氣流速及氣流溫度等因素影響。再生技術(shù)是DPF能否在后處理系統(tǒng)上正常工作的關(guān)鍵。一種好的再生系統(tǒng)應(yīng)具有成本低廉、對(duì)柴油機(jī)性能影響小以及不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)。根據(jù)DPF的再生原理的不同，DPF的再生可分為被動(dòng)再生和主動(dòng)再生。被動(dòng)再生要求DPF在設(shè)計(jì)上應(yīng)滿足微粒的總?cè)紵俣缺仨氁笥谖⒘５目偡e累速度，它是利用燃油添加劑或催化劑等降低微粒的著火溫度，使微粒在柴油機(jī)正常的排氣溫度下燃燒，從而實(shí)現(xiàn)再生。被動(dòng)再生方式目前主要有催化涂層再生和燃油添加劑再生等。主動(dòng)再生是利用外加能源，使DPF內(nèi)的排氣溫度達(dá)到微粒的著火溫度(500℃～600℃)，然后通過(guò)燃燒微粒來(lái)實(shí)現(xiàn)再生。主動(dòng)再生方式主要有電加熱再生、微波加熱再生、紅外加熱再生及噴油或燃?xì)庵荚偕?。為判斷DPF是否存在失效現(xiàn)象，通常在PDF上安裝用于檢測(cè)其兩端壓力差的壓差傳感器。DPF失效主要存在堵塞和燒漏(或燒結(jié))兩種情況，前者會(huì)因排氣阻力大而影響柴油機(jī)的動(dòng)力性，后者會(huì)因無(wú)法正常捕捉微粒而導(dǎo)致排放超標(biāo)。當(dāng)壓差傳感器檢測(cè)到DPF兩端的壓差值超出正常范圍時(shí)，控制器會(huì)立即激活故障燈。

五、兩種柴油機(jī)國(guó)IV技術(shù)路線的差異

由于柴油機(jī)廢氣中的PM與NOx的生成條件存在互逆性，因此在滿足國(guó)IV排放的技術(shù)上出現(xiàn)了兩種路線。從國(guó)外情況看，歐洲主要選擇SCR技術(shù)路線，而美國(guó)主要選擇EGR+DPF技術(shù)路線。目前，國(guó)內(nèi)兩種技術(shù)路線都有運(yùn)用，中重型車輛主要采用SCR技術(shù)路線，輕型車輛主要采用EGR+DPF技術(shù)路線。出于成本考慮，部分中型車也采用了EGR+DPF技術(shù)路線。在柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)方面，高壓共軌系統(tǒng)與單體泵系統(tǒng)在兩種技術(shù)路線上都有運(yùn)用，其中高壓共軌系統(tǒng)將可能成為國(guó)IV柴油機(jī)配套的主流系統(tǒng)，單體泵系統(tǒng)借助其對(duì)油品清潔度的不敏感性被配套于一些使用環(huán)境比較惡劣的國(guó)VI排放車輛(比如自卸車)上。兩種柴油機(jī)國(guó)IV技術(shù)路線的區(qū)別如表1所示。

表1 兩種柴油機(jī)國(guó)IV技術(shù)路線的區(qū)別

六、結(jié)束語(yǔ)

SCR后處理系統(tǒng)和DPF都是廢氣處理裝置，它們與柴油機(jī)在降低PM與NOx排放上存在不同的分工。使用哪種機(jī)外廢氣凈化處理裝置不僅取決于市場(chǎng)需求及中國(guó)的國(guó)情，還受到發(fā)動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)及配套成本的影響。柴油品質(zhì)及添藍(lán)溶液的供給是實(shí)施柴油機(jī)國(guó)IV排放升級(jí)的基礎(chǔ)。如果油品含硫量過(guò)高，后處理系統(tǒng)中的催化劑很容易中毒，廢氣凈化效果將大打折扣，甚至導(dǎo)致排放不達(dá)標(biāo)。此外，低廉的排放違法成本以及地方保護(hù)主義也將會(huì)使行業(yè)秩序遭到破壞。因此，要想使國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)廣泛推廣，國(guó)家需要做好相關(guān)配套工作，并嚴(yán)格執(zhí)法。