高壓共軌技術結合HC-SCR控制柴油機NOx排放的研究

楊亞飛，于春令，魏 聰，趙金祥

寧波大學海運學院，浙江 寧波 315211

寧波大學SRIP科研項目，寧波市服務型教育重點建設專業（航運與港口物流）資助

1 背景介紹

柴油發動機具有高效率、大功率、適應性好、功率范圍大等優點，因此在生產和生活中的應用非常廣泛。隨著社會的發展，私家車變得日益普及，柴油機憑借其一系列優勢，作為汽車發動機的應用也越來越多。然而，柴油機尾氣卻一直是制約其發展的瓶頸，尤其是尾氣中的NOx，不僅是大氣污染的主要氣體之一，對人體的危害也很大。

由于柴油機尾氣的危害，世界各國都針對柴油機尾氣排放制定了相應的標準，目前，美國、日本和歐洲均已形成了嚴格的汽車排放標準體系，我國也制定了相應的汽車尾氣排放標準（見表1）。

越來越嚴格的排放標準將對柴油機尾氣處理技術提出更高的要求，柴油機尾氣處理技術的發展將直接制約國產柴油機的發展。歐美已有較為成熟的汽車尾氣處理技術，但在國內的應用受到諸多限制，因此，研究符合國V標準要求的NOx處理技術具有現實意義。

2 國外相關技術分析

歐美國家對汽車排放控制起步早，相關技術較國內成熟。已形成以歐洲為代表的歐洲技術和以美國為代表的美國技術。

2.1 歐洲技術

歐洲技術是采用高壓共軌技術結合選擇性催化還原技術（SCR）的處理系統。高壓共軌技術是指在由高壓油泵、壓力傳感器和 ECU 組成的閉環系統中，將柴油噴射壓力的產生和柴油噴射過程彼此完全分開的一種供油方式。高壓共軌技術能夠實現對噴油量和噴油正時的精準控制，從而優化燃燒，減少NOx的生成。同時在汽車上安裝尾氣處理裝置，利用SCR技術對汽車尾氣進行后處理，以減少排放到空氣中的NOx的量[2]。

2.2 美國技術

美國技術是采用廢棄再循環技術（EGR）+微粒捕捉技術（DPF）。廢氣再循環就是將柴油機排出的一部分廢氣再吸入柴油機的氣缸參與燃燒的過程。通過稀釋效應、熱效應，降低NOx的濃度，但占較小的比重。并且，EGR減少了直接排入大氣的廢氣量，因此，即使排氣中的NOx的濃度相同，由于排氣總量的減少，也使得排入大氣的NOx的質量成比例的減少。而微粒捕捉技術主要是減少尾氣中的微粒排放[2]。

2.3 兩種技術的國內適用性分析

表1 我國對汽車尾氣中NOx含量的規定[1]

歐洲技術因為需要定期對柴油機尾氣處理裝置添加還原劑尿素。因此，需要建設很多添加尿素的基站(俗稱“添藍”基站)，這將耗費巨大的社會資源；同時，由于使用腐蝕性很強的NH3或氨水，對儀器設備的要求高，造價昂貴。因此，在國內的應用受到成本的制約。

美國路線中由于廢氣再循環技術對車用柴油的含S量要求比較高，而國內車用柴油標準一直滯后于汽車尾氣排放標準[3]，因此，在國內的應用不易實現。

2.4 國III標準國內尾氣處理技術介紹

國內車用柴油機針對國III排放標準所采取的技術方案主要有4種：電控泵噴嘴技術（EUI）、高壓共軌技術、電控單體泵技術（EUP）和電控直列泵+電控冷EGR技術[2]。研究表明，我國現階段對以上車用柴油機的排放控制技術都有所應用，其中市場表現最好的技術為電控直列泵+EGR技術，但這些技術對于國IV以及要求更高的國V標準來講，潛力有限[2]。而高壓共軌技術結合以HC作為還原劑的SCR技術被認為是在國內最有應用前景的處理方案。

2014-2016年，門診中成藥銷售金額分別為348.04、305.17和288.23萬元，分別占門診藥品銷售總金額的42.28%、36.22%和36.98%。中成藥均為口服或外用品種，口服中成藥的金額占比最高，未使用中藥注射劑。2014-2016年不同給藥途徑中成藥銷售金額見表1。

3 高壓共軌技術結合HC-SCR技術的原理介紹

3.1 高壓共軌技術介紹

高壓共軌技術由于實現了噴油壓力和柴油機轉速的相對獨立，使高壓油管內壓力大小與柴油機的轉速無關,可以大幅度降低柴油機轉速變化對柴油機供油壓力的影響。因此，通過對公共供油管內油壓的精確控制，高壓共軌噴射系統克服了傳統柴油機由于壓力變化而產生的二次噴油現象，降低了不穩定噴射，噴油不均，間歇性不噴射等現象的發生機率，達到優化燃燒的目的，由此減少了因不完全燃燒產生的尾氣中碳氫化合物等有害物質的排放量以及燃油的消耗量，減少尾氣中NOx的生成，同時還能節省燃油，增加經濟性[4]。

3.2 HC-SCR技術介紹

HC-SCR技術是指以HC為還原劑的選擇性催化還原技術，即HC在催化劑的作用下將NOx還原成N2。HC-SCR技術的HC的來源有兩個：一是柴油機尾氣中未燃燒完全的HC，另一個是燃料柴油，可通過向排氣管中直接噴射柴油實現[5]。通過向尾氣中噴射燃油可使NOx的最大轉化效率增加到30%左右[5]。H. Klein等對主動稀NOx系統進行了深入研究,對裝有不同催化劑的HCSCR系統在不同溫度范圍內的性能進行了優化，最后得到影響稀NOx系統性能的關鍵因素是反應溫度和尾氣在催化器中的流動速度及HC的種類，技術的進一步的研究集中在增加催化劑的運行溫度范圍及轉化效率上[6]。

3.3 高壓共軌技術結合HC-SCR技術方案設計

3.3.1 原理分析

高壓共軌技術能夠對噴油量和噴油正時進行精準控制，能夠優化燃燒，減少NOx的生成量，同時高壓共軌系統還可以獲取燃燒室生成的NOx的量和殘余的HC的量，作為HC-SCR的基礎數據。

HC-SCR技術需要兩個主要數據：一是尾氣中NOx的含量，作為計算需要添加HC量的依據，即噴射燃油量。二是噴油正時，要在適當的時間將燃油噴射到尾氣處理裝置中。

對于需要噴射的HC，可以由高壓共軌系統對柴油機尾氣處理裝置進行二次噴油，這可以通過由共軌管引出一個獨立的噴油管實現。而二次噴油正時的控制，實際上是在尾氣冷卻到合適溫度的時間控制，可以通過在尾氣處理裝置中設置溫度傳感器來實現。

3.3.2 系統可行性分析

國IV標準實施后，單純的使用機內處理技術和后處理技術都不能滿足嚴格的排放標準的要求，歐美技術在國內的應用有諸多限制，高壓共軌技術結合HC-SCR技術在國內的應用將有以下優勢：

1）高壓共軌技術相對成熟，國內大多柴油機廠商均有使用，有很強的技術儲備，應用難度較小；

2）HC-SCR系統對S不敏感，對于國內車用柴油標準滯后的狀況，具有很大優勢；

3）該方案不用建設“添藍”基站，不用定期添加尿素，因此省去建設基站的成本外，還降低了后期的維護成本。

同時，該技術的實施應用需綜合考慮以下幾點：

1）由于需要添加尾氣處理裝置，需對汽車排氣系統進行改進，會增加成本；

2）HC-SCR技術不夠成熟，合適的催化劑仍舊是研究的難點；

3）向排氣裝置中噴射燃油會降低柴油車的經濟性能。

4 結論

國IV及更為嚴格的標準的逐步實施將使柴油機的發展面臨困境，柴油機尾氣處理仍將是全世界的一項重大研究課題。我國在柴油機尾氣處理方面起步較晚，技術相對落后，相關政策不配套，導致國內柴油機尾氣處理面臨和國外不同的難題。高壓共軌技術結合HC-SCR技術針對國內的具體情況具有很強的優勢，雖然HC-SCR技術還不夠成熟，但是可以預見，隨著研究的深入，相關技術難題會逐步解決。因此，我們有理由相信，高壓共軌技術結合HC-SCR技術在國內有著廣闊的發展空間。

[1]GB 17691-2005 車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）.

[2]胡昊.我國車用柴油機適應性排放標準升級的對策研究[D].長安大學碩士學位論文，2009，5：62-65.

[3]王璞.國III標準又要“遲到”了[J].中國汽車報，2012，8（3155）.

[4]劉旭剛，張國彬，等.柴油發動機高壓共軌技術的產生與發展[J].汽車運用，2007(11).

[5]蘇慶運，朱國朝，劉衛國，等.柴油機排氣后處理技術的進展及發展趨勢[J].汽車工程，2001.

[6]楊華，王學中，周澤興.HC-SCR技術應用于稀薄燃燒條件下NOx凈化研究進展[J].化學研究與應用，2004，6.