國Ⅴ輕型柴油車排放法規發展及后處理應對技術

孫?飛，胡?帥，高延新，王光遠，馬?標，李?杰

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

國Ⅴ輕型柴油車排放法規發展及后處理應對技術

孫?飛，胡?帥，高延新，王光遠，馬?標，李?杰

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

輕型柴油車以其良好的動力性和燃油經濟性，在城市運輸和物流方面應用前景廣闊，但是尾氣中碳煙顆粒的處理一直是排放控制重點。隨著輕型柴油車國V階段排放法規的實施，針對輕型柴油車碳煙顆粒的后處理技術更加明確，DPF是一種安全可靠的后處理系統裝置。本文針對國V階段輕型柴油車排放法規發展及后處理DPF技術進行分析研究，為輕型柴油車排放控制系統的開發設計提供一定參考。

國V 輕型汽車；排放法規；排放控制系統

1 排放法規趨勢

輕型柴油車國V 階段排放法規于2013年發布，GB 18352.5—2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》，自2018年1月1日起，所有銷售和注冊登記的輕型汽車應符合本標準要求。目前北京、上海等發達地區已相繼實施國V階段排放法規，歐洲已于2015年進入歐VI階段。輕型車和重型車在歐V和歐VI階段，NOx和PM均有大幅度降低，且都對顆粒物數量進行了限制，這就要求車輛必須加裝DPF（Diesel Particulate Filter）顆粒捕集器，才能滿足法規要求。中國第五階段輕型柴油車排放法規限值見表1。

表1 國Ⅴ輕型柴油車法規限值

表1中對顆粒物數量進行了明確限制，6×1011個/km，意味著只通過發動機機內凈化沒有辦法達到顆粒物數量的限值，必須采用DPF技術滿足要求。輕型車排放測試循環NEDC循環為冷啟動測試，排溫較低，SCR技術在低溫效率很低甚至沒有作用，需要使用帶旁通式的EGR系統通過機內凈化降低NOx排放。因此國V階段輕型柴油車后處理系統選用DOC（Diesel Oxidation Catalysts）+DPF技術路線。

2 DPF工作原理

2.1 PM的組成

在輕型柴油車中PM（Particulate Matte）排放在0.1～1.0 g/km的數量級；PM組成包括干碳煙、可溶性有機物（SOF）、灰分、硫酸鹽和水，其中干碳煙和SOF占73%左右［1］。SOF主要包括未燃的燃油和機油，灰分包括腐蝕磨損（Fe，Cu，Cr，Al）、機油添加劑（Ca，Zn，P，S，）和機油中的基礎油［2］。PM組成大概比例如圖1所示。

圖1 PM的組成

2.2 DPF捕集原理

顆粒捕集器內部為蜂窩狀結構，其兩端一邊是敞開，一邊是堵塞的通道壁，廢氣從敞開的一端進入，穿越多孔的蜂窩壁，然后從相鄰的通道排出。大部分微粒由于體積過大而無法穿越壁孔，因而被過濾在通道壁上而不會排放到空氣中。捕集原理如圖2所示。

圖2 捕集原理

2.3 DPF再生原理

DPF需要再生的原因：DPF中隨過濾下來顆粒的積存，過濾孔逐漸堵塞，排氣阻力增加，導致發動機動力性和經濟性的惡化，因此必須及時除去DPF中的顆粒，這稱為顆粒捕集器的再生。目前，根據再生原理的不同可分為主動再生和被動再生兩大類。

1）主動再生技術

主動再生是通過提高氣流溫度，使顆粒燃燒。目前采用較多的是噴油助燃再生，該再生技術分為排氣管噴射和缸內后噴。

排氣管噴油再生是通過一套專門的系統，在發動機排氣管上適時地向載體上游空間噴入燃油，噴入的燃油經過DOC的氧化作用使排氣溫度上升，顆粒著火燃燒，以實現DPF的再生。

缸內后噴則不需要增加額外的系統，只需要在正常噴油結束后加入后噴，后噴的燃油隨氣流進入DOC中氧化，提高排氣溫度，顆粒著火燃燒。但是缸內后噴會帶來機油稀釋的風險，考慮到發動機耐久和可靠性，因此目前輕型車主要采用缸內后噴，重型車主要采用排氣管噴射。

2）被動再生技術

被動再生是利用化學催化的方法降低PM的反應活化能，使顆粒在柴油機正常排氣溫度下燃燒以實現再生的目的。

被動再生的主要原理：在前級DOC催化器的氧化作用下，NO與O2結合生成NO2，加上尾氣中的NO2。NO2在含有貴金屬涂層的催化作用下，其分子鍵在較低溫時（250℃左右）斷裂，所需能量為305 kJ／mol。產生的O與被捕集到的碳顆粒燃燒，生成CO2。主要的化學反應如下

3）再生循環

如圖3所示，再生循環包括PM的捕集過程、背壓上升、噴油主動再生。其中DOC的主要作用是：處理HC、CO；為DPF 的被動再生提供NO2；氧化燃油，為DPF的主動再生提供高溫。

3 DPF系統組成

DPF系統（包括DOC）由催化器、傳感器和封裝管路組成。DPF系統組成如圖4所示。

3.1 載體

DPF載體要求低壓降，高過濾效率（對于大部分壁流式DPF，過濾效率較高，＞99%；干凈的 DPF過濾效率可能較低，＜80%），熱穩定性，機械穩定性-抗高溫和高溫度梯度，低熱膨脹率，高熱導率，化學穩定性-在所有溫度范圍內抗“灰分”。

圖3 再生循環

圖4 DPF系統組成

載體的主要材料有：堇青石，碳化硅SiC，鈦酸鋁AT等。

SiC材料耐熱溫度較高，由于熱傳導率和熱容量大，即使有大量的PM滯留，溫度上升不至于過高，因此可以安全再生。堇青石熱膨脹系數小，可以做成一體型的，細孔的設計自由度高，可以降低背壓，相反，由于熱傳導率低，當再生大量的PM時，需要精密控制再生溫度。鈦酸鋁熱膨脹系數小，可以做成一體型，耐沖擊性高。幾種載體材料的參數對比見表2。

表2 載體參數對比

目前載體的新技術包括薄膜技術、不對稱孔技術、新AT材料（相比原AT材料，可降低壓降約30%）、新堇青石DPF（顯著降低壓降）、SiC材料優化（氣孔分布，降低壓降損失）。具體技術介紹見表3。

表3 載體新技術

3.2 涂層

目前DPF涂層技術主要以Pt/Pd技術為主，因為Pt/Pd配比抗失活性好，DPF主動再生時溫度會達到700～800℃，成本方面Pd的成本比Pt低。DPF貴金屬的另外一個作用是氧化NO，提高DPF被動再生的比例，延長再生里程，降低燃油耗。但是NO的氧化主要依靠DOC，因此DPF內的貴金屬含量不需要太高。

3.3 封裝管路

封裝組成包括：殼體、管路、襯墊、隔熱罩和固定支架。

封裝的關鍵點：①封裝工藝：襯墊尺寸檢測、壓緊力控制、壓緊方式；②設計支持：三維設計能力、CFD分析能力、強度和振動分析、聲學分析；③檢測能力：材料、噪聲、熱機械疲勞等測試；④傳感器位置的設計、背壓預測等。

4 DPF系統試驗

4.1 封裝可靠性試驗驗證

封裝設計驗證試驗主要包括熱沖擊試驗、熱振動試驗、內部熱沖擊試驗和冷態襯墊保持力測試試驗。具體的試驗方法和標準如表4所示。整車搭載DPF可靠性試驗需進行至少2萬公里，包括高速環路、強化路、場內山路、一般公路。

表4 封裝可靠性試驗

4.3 DPF耐久試驗

在車輛實際行駛過程中會發生3種再生情況：正常再生，不可控再生和不完全再生。

1）正常再生 屬于可控再生，再生溫度維持在600～700℃。

2）不可控再生 再生溫度達到850～1 300℃。

3）不完全再生 再生過程不完全，碳煙未完全燃燒。

3種再生情況需要在臺架上模擬實際情況。對于輕型車，在其全部使用壽命周期內大概會發生320次，臺架模擬實際情況可通過提高再生的溫度來縮短再生次數。

4.2 DTI（怠速跌落Drop To Idle）試驗驗證

怠速跌落試驗是DPF再生中最惡劣的工況，因為突然降怠速后，排氣中氧含量充足，碳煙更容易燃燒，排氣流量也大幅降低，由氣流帶走的熱量減少，因此載體的溫度急劇升高，極易造成載體的破損。而且該工況在車輛實際行駛過程有幾率發生，因此必須保證在DTI試驗中DPF不會發生失效模式。

其次，DTI試驗是確定再生極限最重要的手段。所謂再生極限，是指當DPF內部的碳載量堆積到超過一定量時，在這個狀態進行再生操作產生的熱量有破壞DPF載體的可能，對于此時的碳載量，稱作再生極限。

進入怠速的時機和降怠速時DPF入口溫度是DTI試驗中影響再生后最高溫度的2個關鍵點。進入怠速的時機取決于DPF載體（材料、壁厚和形狀）、發動機排氣溫度和排氣流量。DPF入口溫度越高，降怠速后再生后的最高溫度越高。

1）DPF入口溫度：①低：DPF最高溫度低（燃燒速度平緩）；②高：DPF最高溫度高（燃燒速度快速）。

2）DTI時機：①遲：DPF最高溫度低（DTI前碳顆粒已經開始燃燒）；②早：DPF最高溫度低（DTI時入口排氣溫度低）。

DTI試驗中設定的最高溫度和溫度梯度依各載體材料規格不同而不同，最終確定的再生極限是保證再生溫度和溫度梯度均不超過載體破損的限值。試驗一般方案如表5所示，對于不同入口溫度，降怠速時機進行組合，測試不同碳載量時載體達到的最高溫度和溫度梯度。

表5 DTI試驗策劃

5 DPF失效模式

DPF的主要失效模式如表6所示。

表6 DPF失效模式

6 結論

中國第5階段輕型柴油車排放法規對顆粒物數量PN進行了明確限制，6×1 011個/km，必須采用DPF技術滿足法規要求。DPF是降低柴油機PM排放比較有效而成熟的后處理技術，其主要設計包括載體、涂層和封裝及其傳感器管路設計。根據不同的使用車型、環境和溫度要求，選擇合適載體和涂層配方，設計流體均勻性好、安全可靠的封裝外殼。同時整車和發動機臺架試驗驗證DPF累碳和再生功能，盡量減少再生頻率，提高燃油經濟性，保證DPF催化器的耐久性和可靠性。DPF系統最關鍵的是能夠可靠地再生，未來仍需要在柴油機排放后處理控制中，不斷優化DPF的材料和再生策略，實現更高PM轉化效率、安全性和可靠性，同時以更低的成本實現柴油機的零排放。

［1］ 周龍保，劉巽俊，高宗英，等.內燃機學［M］.北京：機械工業出版，2005.

［2］ 趙航，王務林，楊建軍，等.車用柴油機后處理技術［M］.北京：中國科學技術出版社，2010.

［3］ Shingo Iwasaki，Takashi Mizutani，Yukio Miyairi，etc. New Design Concept for Diesel Particulate Filter［J］.SAE，2011，2011-01-0603.

［4］ Krishna Aravelli，Achim Heibel. Improved Lifetime Pressure Drop Management for Robust Cordierite（RC）Filters with Asymmetric Cell Technology（ACT）［J］.SAE，2007，2007-01-0920.

［5］ Thorsten Boger，Joshua Jamison，Jason Warkins，etc. Next Generation Aluminum Titanate Filter for Light Duty Diesel Applications.［J］.SAE，2011，2011-01-0816.

［6］ Thorsten Boger，Suhao He，Thomas Collins，etc. A Next Generation Cordierite Diesel Particle Filter with Significantly Reduced Pressure Drop［J］.SAE，2011，2011-01-0813.

（編輯 章 子）

征集“新能源汽車”稿件

全球新能源汽車產業已經走向商品化，面臨規模化。新能源汽車已是全球競相追逐的戰略性新興產業，方興未艾。新能源汽車的中國時代即將來臨，中國已經為全面發展新能源汽車做好了充分的準備，這一結論來源于以下四個方面。

一、新能源汽車已經被明確為中國國家戰略，后續政策將陸續出臺，這是國家意志的展現。

2014年以來，國務院、國家發改委、財政部、工信部、交通部等多個中央部門出臺了新一輪的新能源汽車補貼政策，明確支持新能源汽車的發展。

二、經過數年的積累，一批富有創造精神的企業在產業鏈幾乎所有關鍵技術環節上取得了突破，中國的產業體系已經具備競爭力；我國金融界提出中國新能源汽車產業鏈各環節投資價值的排序依次是：電解質、隔膜、整車、電機電控、鋰資源和充電樁。

三、伴隨著動力電池由鉛酸蓄電池向鋰電池快速切換，通過對產業鏈的積聚效應以及核心技術的大面積突破，中國新能源汽車產業已初步建立起完整的產業鏈體系，對全球范圍內電動汽車的大規模產業化將起到決定性作用。

四、從2015年9月下旬迄今，不到40天的時間里，李克強總理已經多次提及新能源汽車。

2015年9月23日李克強總理主持召開國務院常務會議，部署加快電動汽車充電基礎設施和城市停車場建設。

2015年9月29日召開的國務院常務會議再次聚焦新能源汽車議題。會議決定出臺一系列新能源汽車扶持政策，例如支持動力電池、燃料電池汽車等研發，開展智能網聯汽車示范試點等。

2015年10月9日，為落實國務院常務會議精神，國務院辦公廳發布《關于加快電動汽車充電基礎設施建設的指導意見》。

2015年10月22日，全國節能與新能源汽車產業發展推進工作座談會召開，李克強總理作出重要批示：加快發展節能與新能源汽車。針對發展重點，批示指出，著力突破核心技術和關鍵零部件制約、提升自主創新能力和技術水平，落實和完善扶持政策、優化配套環境，創新商業模式、擴大先進適用的節能與新能源汽車的市場應用。

2015年10月30日，李克強總理到安徽江淮集團控股有限公司考察新能源汽車研發生產情況。而對于產業發展，國家定位就更清晰：努力實現2020年新能源汽車規劃目標，加快建成新能源汽車強國。

5年以來，《汽車電器》雜志出版了多期“新能源專刊”，公開發表了許多單位、作者的研究成果與經驗，被多家網站轉載，有的文章的被引頻次與下載頻次遠遠高出同期汽車類“核心期刊”，從一個角度說明了本雜志所刊出文章的水平。

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《汽車電器》雜志社

The Development of China Ⅴ Light Duty Diesel Vehicle Emission Regulation and After-treatment Techniques

SUN Fei，HU Shuai，GAO Yan-xin，WANG Guang-yuan，MA Biao，LI Jie（Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

Light duty diesel vehicle has wide application prospects in urban transportation and logistics. Particle in diesel engine exhaust has always been the focus of emission control. With the implementation of China V stage of the light duty diesel vehicle emission regulation，the after-treatment technology of PM becomes more specific. DPF is a safe and reliable aftertreatment system device. This paper will make an analytical research about the development of China V stage light duty diesel vehicle emission regulation and DPF after-treatment techniques，which provides some references for developing emission control system of light duty diesel vehicles.

China V light vehicle；emission regulation；emission control system

U473.9

A

1003-8639（2017）11-0023-05

2017-08-28；

2017-09-04

孫飛（1986-），男，安徽宿州人，工程師，碩士，主要從事發動機排氣后處理設計開發工作。