商用車(chē)柴油機(jī)國(guó)四之排放

聶元花

摘 要：2013年大氣污染嚴(yán)重，執(zhí)行國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)在必行，本文介紹國(guó)四排放要求、國(guó)內(nèi)商用車(chē)后處理系統(tǒng)排放的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和工作原理、OBD診斷條件等。

關(guān)鍵詞：國(guó)四排放；后處理系統(tǒng)；OBD診斷條件

前言

2013年，民眾聽(tīng)到最多的字眼之一就是“霧霾”，尤其是長(zhǎng)三角、珠三角和京津冀魯?shù)貐^(qū)城市，空氣受到重污染，一時(shí)間呼吸疾病率飆升，呼吸成為大家難言的痛。2013年 9月國(guó)務(wù)院印發(fā)實(shí)施的《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》提出，減少多污染物排放、調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等十條措施，力促空氣質(zhì)量改善。面對(duì)霧霾已成為生活中一個(gè)常態(tài)化“頑疾”的現(xiàn)實(shí)，我們開(kāi)始反思改善自己的衣食住行，其與物流密不可分，商用車(chē)是物流形式之一。全面實(shí)行商用車(chē)第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)，將成為治理霧霾這個(gè)頑疾的一部分。

據(jù)了解，目前北京、上海、廣州、成都等一線城市已經(jīng)提前實(shí)施"國(guó)Ⅳ"標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)Ⅳ車(chē)的主要特點(diǎn)是進(jìn)一步降低商用車(chē)的CO、碳?xì)浠衔铩⒌趸镆约翱晌腩w粒物等污染物排放總量。在一些國(guó)家和地區(qū)，中重型車(chē)用柴油機(jī)的排放在發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)環(huán)境排放貢獻(xiàn)度中要達(dá)到70%左右，因此中重型車(chē)用柴油機(jī)的排放一直是內(nèi)燃機(jī)排放控制領(lǐng)域的重點(diǎn)。2005年歐洲車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)已開(kāi)始實(shí)施歐4排放法規(guī)，其對(duì)柴油機(jī)提出了更為嚴(yán)格的要求。

1.國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)要求

國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)家第四階段機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，汽車(chē)排放污染物主要有HC（碳?xì)浠衔铮Ox（氮氧合物）、CO（一氧化碳）、PM（微粒）等，壓燃式柴油機(jī)排放HC、CO相對(duì)汽油機(jī)少，但排放NOx和PM的量較大，因此柴油機(jī)排放控制的重點(diǎn)是降低NOx和

PM的排放量。通過(guò)更好的催化轉(zhuǎn)化器的活性層、二次空氣噴射以及帶有冷卻裝置的排氣再循環(huán)系統(tǒng)等技術(shù)的應(yīng)用，控制和減少汽車(chē)排放污染物到規(guī)定數(shù)值以下的標(biāo)準(zhǔn)。

2007年國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)疫總局發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)GB17691，可查得到關(guān)于國(guó)四排放ECT試驗(yàn)限值，見(jiàn)表1 ，ESC和ELR的試驗(yàn)限值，見(jiàn)表2。從上面兩張表格可以看到，無(wú)論是穩(wěn)態(tài)、負(fù)荷和瞬態(tài)對(duì)氮氧化物和顆粒物的要求都是相同的，即NQx為3.5g/（kW·h），顆粒物PM0.03 g/（kW·h）。

要實(shí)現(xiàn)國(guó)Ⅳ對(duì)NQx和PM排放的要求，目前有兩條技術(shù)路線：其一是先通過(guò)噴射系統(tǒng)優(yōu)化和噴射定時(shí)提前以降低顆粒物PM，再使用SCR來(lái)降低因燃燒優(yōu)化而產(chǎn)生的NQx排放；其二是EGR+DPF路線，即先通過(guò)廢氣再循環(huán)降低排放中NOx的成份，再用顆粒捕集器捕集因使用EGR而略有增加的顆粒物PM，從而達(dá)到同時(shí)降低NOx和PM的效果，如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)歐四排放技術(shù)路線圖

2.后處理系統(tǒng)排放的反應(yīng)機(jī)理及工作原理

目前，對(duì)于輕型卡車(chē)后處理系統(tǒng)排放主要采用技術(shù)路線二，國(guó)內(nèi)商用車(chē)主機(jī)場(chǎng)后處理系統(tǒng)排放采技術(shù)路線一。文主要討論商用車(chē)后處理系統(tǒng)，下面將介紹技術(shù)路線一的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及工作原理。

2.1.技術(shù)路線一的反應(yīng)機(jī)理

制造商一般采用在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)減少PM排放、在廢氣中處理NOx的措施。目前采用的一種解決方案是：利用商業(yè)用的可蘭素（固體尿素和水溶液，濃度為32.5%±0.5%），在排氣中噴入尿素、氨水等還原性物質(zhì)，將NQx（主要是NO）還原為N2和H20。如市面上銷(xiāo)售的AdBlue，無(wú)毒、潔凈、無(wú)氣味、不易著火、無(wú)爆炸危險(xiǎn)，但有輕微的腐蝕性，必須在特殊儲(chǔ)存容器內(nèi)反應(yīng)。

反應(yīng)通常在SCR催化器中進(jìn)行，SCR催化器是指安裝在柴油汽車(chē)排氣系統(tǒng)中，將柴油機(jī)排放中的NOx催化還原成N2和O2的催化還原裝置。在SCR催化器內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

尿素分子熱解，與排氣混合；

（NH2）2CO→NH3+HNCO

HNCO進(jìn)一步水解，與排氣混合

HNCO+H2O→NH3+CO2

催化器內(nèi)主要發(fā)生的反應(yīng)

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O 為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

上述兩個(gè)反應(yīng)寫(xiě)成一個(gè)反應(yīng)方程式：

4NH3+4Nox+（3-2X）O24N2+6H2O

當(dāng)催化器溫度低于200℃時(shí)，發(fā)生低溫邊界反應(yīng)：

2NH3+2NO2→NH4NO3+N2+H2O

反應(yīng)生成物被催化劑吸附在活性中心后將滯留在活性中心，引起催化劑活性的降低，當(dāng)催化器溫度高于400℃，會(huì)有如下反應(yīng)：

4NH3+3O2→2N2+6H2O

以上的化學(xué)方程式可以簡(jiǎn)單的理解為一個(gè)還原化反應(yīng)，即將NQx還原為N2和水。

為防止過(guò)量的氨氣泄漏，通常在SCR催化器之后加裝NH3氧化器。利用NH3會(huì)在催化劑的作用下被排氣中的氧氣氧化這一特性，氧化SCR剩余的NH3。在SCR催化器內(nèi)發(fā)生催化還原反應(yīng)時(shí)，選擇尿素水溶液作為還原劑。尿素水溶液噴射到催化劑逆流方向的排氣管中，在廢氣溫度和氣流的作用下氣化分解為CO2和氨水，氨水作為還原劑將NOx還原成無(wú)污染的氮?dú)夂退蛩厝芤罕仨毟鶕?jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況狀況定量噴射，所以定量噴射單元的邏輯控制電路是與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元相連接的。SCR 的工作效率取決于氣體溫度，如果在200℃到500℃的溫度工作，其效率是85%，實(shí)際車(chē)輛的操作條件都可以達(dá)到這個(gè)要求。歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)要求轉(zhuǎn)化率50%，歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)要求轉(zhuǎn)化率70%，所以SCR系統(tǒng)完全滿足要求。即SCR技術(shù)路線是我國(guó)重型柴油機(jī)達(dá)到第Ⅳ階段排放標(biāo)準(zhǔn)的最佳選擇。

2.2.工作原理

當(dāng)SCR系統(tǒng)工作時(shí)，電控單元采集柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩信號(hào)、排氣管中的排氣溫度信號(hào)、催化器溫度信號(hào)后電控單元根據(jù)輸入?yún)?shù)，查找存儲(chǔ)的尿素噴射脈譜圖，計(jì)算出此時(shí)所需的尿素量。經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，轉(zhuǎn)化為噴射脈沖信號(hào)，控制尿素泵動(dòng)作。尿素泵將一定量的尿素從尿素罐中抽出，加壓過(guò)濾后送到計(jì)量控制單元，形成具有一定壓力的尿素待用。同時(shí)壓縮空氣接通，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度達(dá)到要求時(shí)，計(jì)量控制單元將一定量的尿素噴出并與壓縮空氣混合噴入SCR 催化器入口前端。在排氣管的混合區(qū)，尿素遇高溫分解成NH3和H2O，與排氣充分混合后進(jìn)入SCR 反映裝置。在催化反應(yīng)區(qū)，NH3和NOx反應(yīng)生成N2和H2O，排到大氣中。催化消聲器是一個(gè)集催化器和消聲器于一體的催化消聲裝置（如需尾氣加熱功能還可集成尾氣加熱器）。催化消聲器內(nèi)部有三個(gè)串聯(lián)并相互獨(dú)立的單元組成，包括氨擴(kuò)散器、催化器和消聲器。擴(kuò)散器負(fù)責(zé)將帶有氨的排氣均勻的分布在催化器的表面，催化器負(fù)責(zé)加速NOX的還原，消聲器消除發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的噪音。為了防止氨氣腐蝕，催化消聲器整體采用不銹鋼材料制造，其內(nèi)部催化器工作過(guò)程中需要表面最低溫度達(dá)到200℃，因此布置時(shí)應(yīng)盡量靠近發(fā)動(dòng)機(jī)，催化器入口必須位于距增壓器出口1～4m 的地方。催化器前后設(shè)有兩個(gè)溫度傳感器，用于檢測(cè)催化器前后溫度，以此來(lái)判斷催化器表面溫度，確定AdBlue的噴射量。為了防止催化消聲器內(nèi)部陶瓷載體免受劇烈震動(dòng)，安裝系統(tǒng)需要采取減震設(shè)計(jì)，催化消聲器支架與車(chē)輛大梁之間需要使用彈性減震裝置。渦輪增壓器出口和催化消聲器之間使用金屬軟管鏈接，可使催化消聲器內(nèi)的催化器免受震動(dòng)。

3.車(chē)載診斷系統(tǒng)

國(guó)四對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放要求，若是實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中超出了要求，車(chē)用壓燃燒工發(fā)機(jī)將有什么影響。每個(gè)后處理系統(tǒng)中都有一個(gè)斷診斷儀，當(dāng)排放超標(biāo)時(shí)，下表是國(guó)家環(huán)境保護(hù)部發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)HJ437-2008，可查閱表三，以下內(nèi)容對(duì)適用于NOx控制限值，ETC試驗(yàn)排放超過(guò)3.5 g/

小結(jié)

SCR作為新的后處理技術(shù)，由于系統(tǒng)成本高、初期投資高、操作和保養(yǎng)費(fèi)用高、需要加一套較復(fù)雜的調(diào)節(jié)還原劑噴射量的控制系統(tǒng)等原因，在車(chē)用柴油機(jī)上還沒(méi)有得到推廣。其還要求行駛區(qū)域內(nèi)對(duì)尿素的供應(yīng)，并需要車(chē)載診斷（OBD），同時(shí)需要車(chē)輛使用者有較高的環(huán)保意識(shí)，自覺(jué)及時(shí)地添加尿素也是目前實(shí)施這一路線的現(xiàn)實(shí)困難。此外，在溫度較低（-11℃）的情況下，尿素-水溶液會(huì)結(jié)冰，也使其在寒冷地區(qū)的推廣使用受到限制，但現(xiàn)已可以通過(guò)尿素計(jì)量系統(tǒng)的適當(dāng)加熱措施來(lái)解決。在SCR技術(shù)的應(yīng)用方面，目前已經(jīng)基本解決尿素的儲(chǔ)存、注入和噴射策略等技術(shù)問(wèn)題，其使用耐久性好，已有幾年在柴油機(jī)上應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，但還需進(jìn)一步解決降低SCR裝置成本以及尿素加注站的布局等問(wèn)題。隨著對(duì)SCR技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究和排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，SCR技術(shù)在歐5機(jī)上很快也會(huì)得到推廣。

總之，國(guó)四實(shí)行是勢(shì)在必行的，SCR成各主機(jī)場(chǎng)的首選。

參考文獻(xiàn)

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