鄧家奇，周家旺，高聰聰

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

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車用柴油機歐Ⅴ、歐Ⅵ排放控制技術(shù)路線研究

鄧家奇，周家旺，高聰聰

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

摘 要：歐Ⅴ歐Ⅵ規(guī)定的PM和NOx的排放限值較歐Ⅳ更低，為了滿足歐Ⅴ歐Ⅵ的要求，本文介紹了3條主流技術(shù)路線，并對這3條技術(shù)路線進行了對比分析。

關(guān)鍵詞：柴油機；排放；歐Ⅴ；歐Ⅵ

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.005

CLC NO.: U463.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-14-03

引言

表1 柴油機排放控制常用的技術(shù)措施

歐Ⅵ排放標準已經(jīng)生效，在歐Ⅳ歐Ⅴ的基礎(chǔ)上對NOx和PM排放限值提出了更加苛刻的要求，這對柴油機開發(fā)及排氣后處理技術(shù)來說無疑是一個重大的挑戰(zhàn)，也迫使各汽車制造廠商采用更加先進的技術(shù)來控制污染物的生成和排放，目前常用的技術(shù)措施如表1所示。

由于NOx與PM排放間存在著trade-off關(guān)系，除非采用新的燃燒方式，傳統(tǒng)燃燒方式無法使NOx和PM排放同時降低。唯一可行的方法就是盡可能在發(fā)動機內(nèi)減少一種物質(zhì)生成，另一種物質(zhì)則通過后處理來完成。

1、排放法規(guī)概述

現(xiàn)行的排放法規(guī)體系主要有美國，歐盟，日本3種體系，不同體系的限值要求和測試方法也不盡相同，上述的三種排放法規(guī)體系以歐盟的排放法規(guī)最具通用性，世界上很多國家都是以該法規(guī)為主，結(jié)合自己國家的國情加以引用和實施，但在實施時間上不同于歐盟[2]。

1.1 歐盟排放標準和限值

表2為歐洲重型車用柴油機的排放限值，從世界范圍內(nèi)排放法規(guī)的演變歷程來看，每一次排放標準的升級都伴隨著排放限值的進一步減小，最新的排放限值都已經(jīng)非常低，幾乎達到零排放。

表2 歐洲重型車用柴油機的排放限值（歐洲穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)測試循環(huán)）

1.2 歐Ⅴ、歐Ⅵ排放標準的一些新變化

從歐IV到歐V法規(guī)，NOx的排放限值從3.50g/( kW?h)下降到2.00g/(kW?h)，降幅約為43%，而從歐V到歐VI法規(guī)，不僅NOx的排放限值下降了80%，PM的排放限值也下降了50%，已經(jīng)逐步接近零排放。

從歐Ⅴ和歐Ⅵ法規(guī)開始，柴油車微粒排放還增加了對微粒數(shù)量（PN）的檢測，法規(guī)規(guī)定的微粒排放數(shù)量限值是5×1011g/km，而通常沒有加裝過濾器的柴油機微粒排放數(shù)量在1×1013g/km，即要達到排放標準在數(shù)量上應(yīng)該有95%的微粒要被過濾。因此，要達到新的微粒排放標準，微粒捕集器已經(jīng)成為必不可少的后處理裝置。歐VI法規(guī)，還增加了對NH3的限制。在柴油機ESC(歐洲穩(wěn)態(tài)測試循環(huán))和ETC（歐洲瞬態(tài)循環(huán)測試）試驗循環(huán)中，NH3的濃度峰值不得超過10×10-6。此外，歐VI還要求建立非使用狀態(tài)下的排放限值及引入全球統(tǒng)一車載診斷裝置，即發(fā)動機排放超過限值就報警。

歐Ⅵ排放法規(guī)除排放限值降低外，還在原有ESC、ETC 和ELR試驗循環(huán)的基礎(chǔ)上建立了WHDC和ETC測試結(jié)果之間的關(guān)系，把WHSC和WHTC引入到歐Ⅵ重型柴油機排放測試循環(huán)中。針對不同車種或不同控制階段，應(yīng)用不同試驗方法。WHSC和WHTC組合就是全球統(tǒng)一測試循環(huán)(WHDC)，該循環(huán)綜合多個國家和地區(qū)典型的道路條件。

2、滿足歐Ⅴ，歐Ⅵ排放的技術(shù)路線

與不同階段排放法規(guī)相適應(yīng)的技術(shù)如表3所示，一般滿足更高一級排放法規(guī)的柴油機都是在前一級的基礎(chǔ)上加以改進升級。為了滿足歐Ⅴ排放標準，歐美中重型商用車及柴油機企業(yè)主要采用兩條排放控制技術(shù)路線：一、“優(yōu)化燃燒+SCR”技術(shù)路線，簡稱SCR路線，這條路線在歐洲占主流，也稱為“歐洲路線”，二、“EGR+DOC/DPF/POC”路線，其中以EGR+DPF應(yīng)用最為廣泛，簡稱EGR+路線[3]，這條路線在北美市場應(yīng)用較多，也稱為“北美路線”。

通過進一步的技術(shù)提升，這兩條技術(shù)路線都可以滿足歐Ⅴ的排放要求。但由于歐Ⅵ規(guī)定的排放限值相對歐Ⅳ、歐Ⅴ有大幅降低，需要對現(xiàn)有的這兩條路線進行改進才有望滿足歐Ⅵ的標準，技術(shù)路線主要有3條：SCR路線，“EGR+”路線和EGR+SCR路線。

表3 與不同階段排放法規(guī)匹配的技術(shù)措施

2.1 SCR路線

SCR技術(shù)路線的一個完整廢氣后處理系統(tǒng)主要由DOC，DPF，SCR等組成。它是通過優(yōu)化噴油和缸內(nèi)燃燒過程，盡量在機內(nèi)控制PM的產(chǎn)生，而在機外后處理過程中通過SCR系統(tǒng)對NOx進行選擇性催化還原，并通過DOC和DPF進一步降低CO，HC和PM的排放[4]。

SCR技術(shù)的技術(shù)連續(xù)性較好，不僅可以達到歐Ⅳ限值,而且只要增加還原劑的劑量, 還可解決歐Ⅴ的限值問題。但是在歐Ⅵ階段由于NOx和PM排放限值都大幅降低，單獨采用SCR系統(tǒng)達到歐Ⅵ的排放限值就必須把SCR系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化率提高到90%以上，目前提高SCR催化轉(zhuǎn)化率有兩種方法：一、繼續(xù)對原有的系統(tǒng)進行進一步優(yōu)化設(shè)計如采用固體氨鹽取代傳統(tǒng)的尿素水溶液[5]，在SCR前加裝預(yù)氧化裝置提高尾氣中的NO2含量[6]，采用帶有NOx傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)等都能提高NOx的轉(zhuǎn)化率[7]。二、提高NOx轉(zhuǎn)化率的方法是采用催化劑復(fù)合裝置如：LNT+DPF+SCR，DOC+SCRF+SCR等。

2.1.1 LNT+DPF+SCR

LNT在正常情況下工作效率高達90% 以上，不需額外的還原劑及其儲存裝置，單獨采用LNT也能滿足歐Ⅳ歐Ⅴ的標準限值，但其低溫活性差，對硫（S）極其敏感，消耗貴金屬，增加油耗，控制十分復(fù)雜。SCR的優(yōu)勢是省油耗，不消耗貴金屬，對S不敏感；但缺點也很明顯，比如需要額外的尿素儲存裝置，噴氨控制十分復(fù)雜，存在氨泄露等。因此，在尾氣后處理技術(shù)中出現(xiàn)了一種新型的催化劑復(fù)合裝置LNT – SCR，能較好地綜合兩者的優(yōu)缺點。由于SCR有較好的低溫還原能力，因此低溫時單獨工作，而高溫時SCR 和LNT同時工作[8]，兩者的配合在大多數(shù)工況都能達到很高的NOx轉(zhuǎn)化率。

2.1.2 DOC+SCRF+SCR

SCRF是一種新型后處理裝置，其工作原理是將新型SCR催化劑如銅沸石（Cu/ZSM-5）涂覆到具有高孔隙率的壁流式DPF基底表面。因此，在過濾體的壁面既能將沉積的碳煙催化氧化，同時在還原劑NH3作用下還能高效率催化還原NOx。相對于傳統(tǒng)的組合式后處理系統(tǒng)而言，該新型后處理器在實現(xiàn)高效率降低柴油機NOx和PM排放的基礎(chǔ)上，同時實現(xiàn)了后處理裝置的小型化、輕量化、低成本化[9]。研究發(fā)現(xiàn)采用這種DOC+SCRF+SCR的裝置較傳統(tǒng)的DOC+SCR方式可以實現(xiàn)更高的NOx 轉(zhuǎn)化率和很高的PM凈化率，是滿足歐Ⅵ排放的途徑之一[10]。

2.2 “EGR+”路線

該路線通過廢氣再循環(huán)在機內(nèi)抑制NOx的生成，在機外后處理系統(tǒng)中通過DOC，DPF等來對微粒進行凈化。目前車上使用的EGR多采用的是帶有冷卻器的冷EGR系統(tǒng)，冷EGR系統(tǒng)能進一步降低缸內(nèi)燃燒溫度，有利于降低NOx的生成。

采用該路線需要對發(fā)動機進行強化，提高噴射壓力和增壓中冷能力。帶冷卻器的冷卻EGR和帶中冷器的廢氣渦輪增壓系統(tǒng)結(jié)合起來就可以達到歐Ⅳ標準，為達到更嚴格的歐Ⅴ，歐Ⅵ標準要求，可增大廢氣再循環(huán)率，或者降低廢氣及充入氣缸空氣的溫度，單級廢氣再循環(huán)加二級渦輪增壓中冷器和二級冷卻廢氣再循環(huán)加上單級渦輪增壓都可達到此目的。

2.3 EGR+SCR路線

單獨采用SCR或EGR路線滿足歐Ⅵ標準，都面臨著技術(shù)升級難度大，可靠性不高等問題，因此目前絕大多數(shù)發(fā)動機制造企業(yè)開發(fā)的歐Ⅵ發(fā)動機都采用的是將SCR與EGR相結(jié)合的技術(shù)路線。歐洲的斯坦尼亞，奔馳，國內(nèi)的濰柴，玉柴等柴油機生產(chǎn)和研發(fā)企業(yè)新推出的歐Ⅵ發(fā)動機都采用的是這條路線，這條路線綜合了以上兩條路線的優(yōu)點，能大幅降低NOx的排放，再結(jié)合DOC，DPF能滿足歐Ⅵ排放要求，但采用這種系統(tǒng)不僅重量大，安裝空間大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且成本較高。

3、技術(shù)路線對比

SCR路線和EGR路線在發(fā)動機噴射壓力要求、增壓系統(tǒng)、發(fā)動機強度，冷卻系統(tǒng)及配套措施方面都有較大的區(qū)別，具體對比見表4，SCR+EGR路線則兼具兩者的優(yōu)缺點。

在使用工況方面，由于SCR技術(shù)僅在一定的工作溫度范圍內(nèi)才有效果，所以更適合長時間大負荷工作的重型柴油機，而在城市工況下的轎車柴油機，長期工作在低負荷區(qū)域，尾氣溫度不能達到要求，所以只適合使用EGR技術(shù)。

從技術(shù)連續(xù)性上來看，SCR路線技術(shù)連續(xù)性好，在燃油噴射系統(tǒng)、發(fā)動機本體和標定措施上從歐Ⅲ到歐Ⅴ都是連續(xù)的，僅在尾氣后處理系統(tǒng)上從歐Ⅲ到歐Ⅳ是不連續(xù)的；而EGR路線在燃油噴射系統(tǒng)、發(fā)動機本體、尾氣后處理系統(tǒng)和標定措施上都存在技術(shù)的不連續(xù)，這將增加企業(yè)改進技術(shù)的投入，這將對EGR路線的推廣產(chǎn)生一定的負面效應(yīng)。

表4 SCR路線與EGR路線的對比

4、結(jié)語

為了應(yīng)對更加嚴格的歐排放標準，可以采用3條技術(shù)路線，這3條路線都能將NOx和PM排放降低到標準規(guī)定的限值內(nèi)，但依然有很多技術(shù)難題有待解決，比如如何在盡量寬的溫度范圍內(nèi)保持高的NOx還原率，如何簡化這些技術(shù)的控制系統(tǒng)和策略等，這些都有待今后在這些方面做深入的研究才能解決。

參考文獻

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Research on the Technical Route of EuroⅤ、Ⅵ Emission Control of Vehicle Diesel Engine

Deng Jiaqi, Zhou Jiawang, Gao Congcong
（Chang’an University, School of Automobile, Shaanxi Xi’an 710064）

Abstract：Euro V, VI provisions of PM and NOx emission limit values lower than the Euro IV. In order to meet the requirements of Euro V, VI, this paper introduces the three mainstream technology route, and carries on the contrast analysis to the three technical route.

Keywords:Diesel Engine; Emission; EuroⅤ; Euro Ⅵ

作者簡介：鄧家奇，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院。

中圖分類號：U463.9

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)02-14-03