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1、为 欧lV 及之后中重型柴油机排放控制两大主要技术路线对比l 墨墨脚 欧IV及之后中重型柴油机排放控制 两大主要技术路线对 比 了满 足 欧 lV到 欧 Vl 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 + S CR( 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 P M的产生 ，而在机外后处理 过程 中，采用尿素溶液对氮氧化物 N Ox 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、
2、底 特律柴油机 、戴姆勒一克莱斯勒 、 沃尔沃 、达 夫 、依维柯 等 ；其 二 是 “ E GR+ DOC DP F P OC ( 废气再 循环+ 柴油氧 化催化器 柴油颗粒 过滤器 颗粒氧化催化器) ”技术路 线 ，其中以 “ EGR +DP F ”应用最 广泛 ，简称E GR + 路线 ，它以废气 再循环为基础，在机内 l： p J 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 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
3、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S CR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 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 E GR +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D P F 的再
4、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DP F I I 可。 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N Ox E 放 的主要技术措 2 0 1 1 1 7( N o 4 ) C V E两 翠糍 滋裁 撰文 辛木 施之一。 目前研究开发中的柴油机 N Ox 催化还原后处理技术有 ：选择 性非催化还原( S NCR ) ；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
5、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S C R 技术则得到了广泛应用并且 在不断发展中。 S CR 装置的催化剂作用使N H 。 迅速还原为N z 和Hz O。随烟气排入 大气。在S CR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NH。 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N Ox 得到充分还原。 在 有些S CR 装置中 ，每个催 化层都设有压缩空气吹洗管
6、，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。 1 影响SCR 性能的主要因素 ( 1 ) 温度的影响 S CR 还原反应过程 中必须有Oz 存在并且有适宜的温度。温度过高 时 ，NH。 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 T 9 E 墨四 l 欧IV 及之后中重型柴油机排放控制两大主要技术路线对比 催化剂。 ( 2 ) 柴油品质的影响 柴油 品质 的好
7、坏 也 间接 影响 了S CR 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S CR 的广泛 使用有着密切 的联系。 ( 3 ) P M及粉尘的影响 柴油机排 放物 中的一个 主要 污染成分就是P M。如果过 多的PM 堆积在催化 器 中就会 使排气 不畅 通，增加阻力 ，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S CR装置进行 催化还原反应前，先让排气通过颗 粒过滤器DP F，既可 以降低柴油机 P M的排放 ，同时也解决了S CR中 P M粉尘的影响 ，当然，这样做成 本将会大大增加。 S
8、 CR 技术 是一种能有效 降低 车用柴油机 N Ox 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 、P M等诸 多因素的 影 响 ，因此对SCR技术 的进 一步 开发研究也显得尤为重要。 2 SCR技术应 用面临 的主要 挑战 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
9、溶液( Ad B l u e ) ， 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 ，戴姆勒一 克莱斯勒公 司称 即使采用含硫量3 5 0 p p m以上 的欧 I II 燃油也可 以满足要求。 至今为止 ，从欧洲的使用情况 看，采用S CR 路线主要面临以下几 大挑战： ( 1 ) SCR装置本身不仅要增加 约1 5 0 3 0 0 k g的质量 ，另外还要
10、增加1 个Ad Bl u e 溶液箱。按1 0 0 L 尿 素溶液运行7 0 0 0 k m计算 ，一辆汽 车损失的有效载荷在4 0 0 k g ；右。 S CR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N Ox 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，这就加大了装置的复 杂性和保养的难度 ，而且这种装
11、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 4 0 欧 元 ，每升柴油现价 为0 4 2 欧元，大 致相当。 ( 2 ) SCR 作 为先进 的后处理技 术 ，系统成本较 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。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 在温度较低( 一1 1 以下) 的 情况下 ，尿素一 水溶液会结冰
12、，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S CR 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“f S CR 装置成本 以及尿素 加注站的布局等问题。随着对S CR 技术的开发研究深入和排放法规的 日趋严格，相信S CR 技术在我国很 快会得到推广。 主流技术路线之 二 E GR + E G R 废气再循环技术 ，能 够有效降低发动机NOx # E 放 ，现已 成为汽车发动机必不可少的排放控 制措施 之一 。
13、国外早在2 0 世 纪7 0 年代就开始了E GR 技术的研究 ，并 率先在汽油机上应用 ，取得了很好 的效果 ，9 0 年代后E G R 技术开始广 泛应用于柴油机。我国目前对E GR 技术的应用研究 尚处于起步阶段。 EGR 是一种 通过 降低缸内最 高燃烧 温度 以及缸 内混合气 中O 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E GR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。 1 应 用E G R技术亟 需解决 的几 个问题 ( 1 ) 若E GR率控制不 当，可能 造成发动机HC D CO排放增加，燃 油经济 性恶化
14、。低负荷时E G R将 影响发动机工作稳定性，高负荷时 E GR 将影响发动机的动力性。 ( 2 ) 由于缸 内固体颗粒数量的 剧增，E G R 还可能造成发动机活塞 环和气缸套等部件的磨损加剧 ，影 响发动机的寿命。 ( 3 ) E G R 废气温度过高 ，影响 发动机的充气效率 ，若采用E GR 冷 却循环 ，会增加冷却系统和温度控 霉毒 誊 髓C V E ( N o 4 )2 0 1 t 一1 7 制系统的复杂性。 ( 4 ) 各缸EG R 分配均匀性和瞬 态响应性难以兼顾。 NOx 是车用发动机废气排放中 主要的污染物之一 ，危害极大，且 不易控制。E GR 技术是 目前最有效 实用的
15、发动机机 内控制措施之一 ， 但也会给发动机带来一些不 良的影 响 ，如可能导致燃油消耗率和P M 排放上升。因此，必须对各工况点 的E G R 率进行优化。 在欧美国家 ，EGR技术 已是 一种成熟的技术，在车用发动机上 得到广泛应用。随着我国排放法规 与世界逐步接轨 ，我国发动机企业 应加快 、加强对EG R技术 的应 用 研究 。 “ E GR+”路线 的形成及发展 1 E GR需要后 处理 系统 以降低 P M排 放 E G R可 有效 地 降 低 N0 X 排 放 ，但随着E GR 率 的增加 ，缸 内 较低 的氧 气 浓度 将会 增加 PM的 排放 ，并使 发动机 的排 气烟度增
16、加 ，所 以为达 到欧 lV及 之后排放 法规限值 ，除E GR率要精确控制 外 ，同时还需配合使用P M后处理 器 ，如柴油颗粒 过滤器 ，又称柴 油 颗粒捕 捉器( DPF ) ；颗粒 氧化 催 化器( P0C) ；柴油氧化 催化器 ( DOC) 等 。而这种 “ E GR+ PM后 处理器”的技术方案通常被统称为 “ E GR+ ”技术路线。 2 P M后处理器的种类 为了满足日益严格的P M排放 法规要求，汽车制造商们开发出了 柴油颗粒捕捉器( DP F ) 、颗粒氧化 催化器( P OC，又称为分流式过滤 器) 和柴油氧化催化器( D OC ) 等P M 后处理技术。下面就这些技术分别 进行介绍。 (1)柴 油 氧 化 催 化 器 D OC ( D i e s e l Ox i d a t io n C a t a l
