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1、TRANSPOWORLD 2011 No.10 (May)84当今业内众所周知，为了满足欧欧排放法规，欧美中重型商用车及柴油机企业主要采用了两条排放控制技术路线：其一是“优化燃烧+SCR (选择性催化还原)”技术路线，简称SCR路线，它是通过优化喷油和燃烧过程，尽量在机内控制微粒PM的产生，而在机外后处理过程中，采用尿素溶液对氮氧化物NOx进行选择性催化还原，这一技术路线在欧洲占主流，欧洲长途载货车几乎全部采用这一方案，相关生产企业主要有康明斯、马克、底特律柴油机、戴姆勒-克莱斯勒、沃尔沃、达夫、依维柯等；其二是“EGR+DOC/DPF/POC (废气再循环+柴油氧化催化器/柴油颗粒过滤器/颗
2、粒氧化催化器)”技术路线，其中以“EGR+DPF”应用最广泛，简称EGR+路线，它以废气再循环为基础，在机内抑制NOx的产生，在机外后处理过程中采用柴油氧化催化器、或柴油颗欧及之后中重型柴油机排放控制 欧美两大主要技术路线对比评介文/辛 木粒过滤器（当今主流）、或颗粒氧化催化器对PM进行氧化催化或过滤捕捉，这一技术路线在北美市场占主流（欧洲短途运输和城市公交车也主要选择此方案），相关生产企业主要有康明斯、卡特彼勒、万国、斯堪尼亚、曼等。两种技术路线各有优缺点，采用SCR方案，对发动机不须做进一步的强化处理；燃油中的硫含量对于系统的影响较小，可回避燃油含硫量高的难题，而硫含量高是中国国产柴油短期
3、内难以克服的技术问题；采用SCR方案还可通过调整喷油特性而节省燃油消耗约5%；其缺点是必须在加油站设立相关的尿素溶液补充设备，整车也需增加一套尿素贮存和转化装置而使成本增加。采用EGR+方案则需对原发动机进行强化，提高喷油压力和增压中冷能力，此外，还有DPF的再生问题、燃油含硫量要求严格的问题、燃油消耗增高的问题等；其优点是不增加额外的装置和费用，用户只要定期更换DPF即可。下面对此两种技术路线的基本原理和发展现状做一个详细对比评介。主流技术路线之一优化 燃烧+SCR 采用催化还原后处理器是降低汽车发动机NOx排放的主要技术措施之一。目前研究开发中的柴油机NOx催化还原后处理技术有：选择性非催
4、化还原(SNCR)；选择性催化还原(SCR)；非选择性催化还原(NSCR)等3种。这3种方法都已在治理发电厂锅炉的NOx排放中得到了成功的应用，对固定工况运转的大型柴油机也有不少应用实例。作为车用柴油机NOx后处理方法，其中SCR技术则得到了广泛应用并且在不断发展中。SCR的理论依据SCR装置依据NOx还原基本原理，将尿素与水以适当比例混合，喷入废气POWERTRAIN动力总成852011年第10期 交通世界(5月下)中，能将废气中的NOx还原成氮气(N2)和水(H2O)，其化学反应方程式如下：C O ( N H2)2+ 2 H2O 2 N H3+ CO2+H2O，4NH3+2NO2+O23N
5、2+ 6H2O，4NH3+4NO+O24N2+6H2O。在高温环境中(温度高于300)，再加上催化剂的作用，废气中的NOx能迅速与氨气(NH3)反应，生成N2和H2O 。 而 柴 油 机 的 排 气 温 度 一 般 在300500范围内，满足了NOx还原所需的温度条件。SCR系统组成及工作原理SCR催化还原系统组成及工作原理如图1所示，计量器在收到控制中心的指令后，从尿素水溶液罐中提取一定量的尿素液与压缩空气混合形成初步雾化的尿素雾并通往喷枪，多余的尿素液返回尿素罐。喷枪将尿素雾喷入发动机排气管。在排气管的混合区，尿素已分解成NH3和H2O并与废气充分混合，然后进入SCR反应装置。SCR装置的
6、催化剂作用使NH3迅速还原为N2和H2O，随烟气排入大气。在SCR中设有两层由一块块催化砖整齐排列的催化层。催化砖是将催化剂拌入耐温材料中，做成有透气小孔的砖块，保证排气流通顺畅，尽量减少阻力，降低排气背压。同时又扩大了流通面积，保证混有NH3的废气在通过催化层时，能更多地接触到催化剂，使排气中的NOx得到充分还原。在有些SCR装置中，每个催化层都设有压缩空气吹洗管，定时排出压缩空气，将附着在催化砖中的尘土及烟灰吹走，随烟气排至大气。在这里，保持催化砖干净，保证催化砖不被堵塞，使烟气能顺畅地通过催化砖，并在催化剂的作用下，使NOx被迅速还原，这几点无疑至关重要。影响SCR性能的主要因素SCR作
7、为一种正在发展中的后处理技术，虽然能使柴油机排气污染物大幅度地降低，但它也受多个方面因素的影响，使其性能还不够稳定，必须加以改进研究。温度的影响SCR还原反应过程中必须有O2存在并且有适宜的温度。温度过高时，NH3可能自行燃烧而不与NOx起反应；温度太低，则反应速度可能太慢，由此产生的冷凝还将损坏催化剂。柴油品质的影响柴油品质的好坏也间接影响了SCR的工作效能。柴油中的硫含量将会使装置里的催化剂中毒，进而使SCR的工作效率大大降低。所以，燃油品质的提高与SCR的广泛使用有着密切的联系。PM及粉尘的影响柴油机排放物中的一个主要污染成分就是PM。如果过多的PM堆积在催化器中就会使排气不畅通，增加阻
8、力，混合气不能充分与催化剂接触，装置的效率将会大大降低。因此，如果在SCR装置进行催化还原反应前，先让排气通过颗粒过滤器DPF，既可以降低柴油机PM的排放，同时也解决了SCR中PM粉尘的影响，当然，这样做，成本将会大TRANSPOWORLD 2011 No.10 (May)86大增加。SCR技术是一种能有效降低车用柴油机NOx排放的机外控制措施，在国外已进入实用阶段数年。但是，SCR作为一种新近发展的后处理技术，由于初期投资高、操作和保养费用高、需要加一套较复杂的调节尿素雾喷射量的控制系统等原因，在我国车用柴油机上还没有得到大范围的应用推广。而且SCR技术还受到温度、柴油品质、PM等诸多因素的
9、影响，因此对SCR技术的进一步开发研究也显得尤为重要。随着SCR技术的日趋成熟和我国国排放法规的实施，相信SCR技术在我国很快会得到广泛应用。SCR技术应用面临的主要挑战如上所述，SCR技术路线在欧洲采用较多，故又简称欧洲路线。目 前 欧 洲 市 面 上 销 售 的 尿 素 溶 液（AdBlue），它无毒、洁净、无气味、不易着火、无爆炸危险，但有一点点腐蚀性，必须使用特殊的储存容器。实践证明，这种技术方案的发动机燃油消耗率比较低，油耗可节省5%7%，若扣除因尿素所增加的费用，还将有节油2%3%的优势。此外，这一路线对于燃油品质相对不敏感，戴姆勒-克莱斯勒公司称即使采用含硫量350ppm以上的欧
10、燃油也可以满足要求。至今为止，从欧洲的使用情况看，采用SCR路线主要面临以下几大挑战：SCR装置本身不仅要增加约150300kg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。SCR系统中的尿素剂量最终由发动机管理系统控制，尿素的喷入量必须要与NOx的浓度相匹配，在保证降低NOx的同时，不能超过份量。尿素的喷入量过少，则达不到应有的处理水平，尿素的喷入量过多，则会使多余的氨气排入大气，导致新的污染。所以，必须有高灵敏度的NOx浓度传感器以及相应的高精度尿素喷射装置。而且尿素消耗较快，定期添加尿素的责任也必须由用户来完成
11、，这就加大了装置的复杂性和保养的难度，而且这种装置的价格也是较为昂贵的。目前欧洲市场每升尿素溶液现价为0.40欧元，每升柴油现价为0.42欧元，大致相当。SCR作为先进的后处理技术，系统成本铰高（对中重型车而言，大约是车辆成本的3%5%），故初期投资高，且操作和保养费用也高，还需要加一套较复杂的调节还原剂喷射量的控制系统。SCR路线要求行驶区域内对尿素的供应，并需要车载诊断（OBD），同时要求车辆使用者有较高的环保意识，自觉及时地添加尿素。在温度较低（-11以下）的情况下，尿素-水溶液会结冰，这使其在寒冷地区的推广使用受到限制，不过，现已可以通过尿素计量系统的适当加热措施来解决。总之，在SCR
12、技术路线的应用方面，目前欧洲已经基本解决尿素的储存、注入和喷射策略等技术问题，其使用耐久性好，已有数年在柴油机上应用的经验，但还需进一步解决降低SCR装置成本以及尿素加注站的布局等问题。随着对SCR技术的开发研究深入和排放法规的日趋严格，相信SCR技术在我国很快会得到推广。主 流 技 术 路 线 之 二 EGR+ EGR技术EGR废气再循环技术，能够有效降低发动机NOx排放，现已成为汽车发动机必不可少的排放控制措施之一。国外早在20世纪70年代就开始了EGR技术的研究，并率先在汽油机上应用，取得了很好的效果，90年代后EGR技术开始广泛应用于柴油机。我国目前对EGR技术的应用研究尚处于起步阶段
13、。EGR基本原理NOx的主要成分是NO以及少量的继续氧化产物NO2。NO是在高温燃烧下（大于2200K），由分解的氧原子和氮原子发生反应而生成的，故NO的生成量在很大程度上取决于燃烧温度，此外还与O2的体积分数直接相关。在稀燃时，O2体积分数足够大，NO的生成主要取决于燃烧温度；在浓混合气条件下，NO的生成量主要取决于O2的体积分数。所以，NO体积分数最大点应该出现在混合气略稀、火焰燃烧温度较高的工况点。相反，燃烧温度很高的过浓POWERTRAIN动力总成872011年第10期 交通世界(5月下)混合气区和O2体积分数大的过稀混合气区都不会产生很高的NO体积分数。从NO的生成机理可以看出，为了
14、降低发动机NO排放量，可以采取降低燃烧室峰值火焰温度，降低NO生成阶段的O2体积分数，缩短燃烧气体在高温下的滞留时间等3种方法。显然，O2体积分数的下降使燃烧恶化，限制HC和CO的进一步氧化，这将导致发动机的热效率下降，同时不利于HC和CO的排放。因此，提高发动机的指示指标、改善发动机HC和CO排放，与改善NOx排放之间存在着矛盾，应综合考虑这些因素，并给予必要的折中优化。EGR正是一种通过降低缸内最高燃烧温度以及缸内混合气中O2的体积分数，破坏NOx的生成环境，从而降低NOx排放的技术。同时，应用EGR并不会使发动机的指示指标及HC、CO排放指标有太大的恶化。通常，EGR降低NOx排放的原理
15、有以下3种解释。比热容论在发动机的可燃混合气中掺入一部分CO2，H2O和N2等惰性废气，前两者的比热容均高于新鲜混合气。因此，新旧气体混合后的工作混合气的总热容量也随之增大，在气缸内燃料总放热量不变的情况下，混合气燃烧产生的最高燃烧温度就会降低，降低的幅度与增加的比热容成正比。稀释论EGR对NOx的影响是由于增加了混合气中惰性气体量，一方面使气缸内的O2体积分数下降；另一方面惰性分子降低了链式反应的速率，使燃烧的绝热火焰温度降低，从而使NOx的生成量下降。点火或着火延迟论对汽油机而言，该理论认为EGR将一定数量的排气引入进气管，造成进气管真空度略下降，从而使真空提前角滞后，引起了点火延迟，而点
16、火延迟会造成NOx的下降。对柴油机而言，EGR系统改变了混合气的组分，因而延长了着火延迟，从而降低了缸内最高燃烧温度，促使NOx排放下降。EGR系统的分类EGR系统一般可通过内部EGR和外部EGR两种方式来实现循环。内 部 E G R 是 区 别 外 部 E G R 而 言的，其实质是通过扩大气门重叠角来实现的，即增大进气门提前开启和推迟排气门延迟关闭或提高排气背压等方法来增加缸内的残余废气，参与下个循环的燃烧，从而实现EGR。但由于它降低了新鲜进气充量，且妨碍了进气惯性效应的利用，因而要牺牲功率和燃油消耗。另外，其控制和调节没有外部EGR方便灵活，所以应用面不广。外部EGR就是通常所指的EGR，即将排气管中部分废气经外部管路引入进气管参与再燃烧，从而实现废气在循环。就形式而言一般可分为机械式、电气式和电控式，其中电控式EGR最具典型性，代表EGR技术的发展方向，下面将着重给予介绍。典型EGR系统组成及功能介绍如图2，典型EGR系统由EGR阀、EGR冷却器、混合腔、节流阀、一根或多根EGR管组成
