國六標準下的重型柴油車排放后處理技術簡析

江蘇汽車技師學院 夏宗寶，彭幸玲

1 重型柴油車的國六排放標準

隨著國家“藍天保衛戰”的實施，環保升級“迫在眉睫”，柴油車排放標準升級如同箭在弦上。2018年7月3日，生態環境部刊發“關于發布國家污染物排放標準《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 17691—2018）的公告”（以下簡稱“新國標”），宣布自2021年7月1日起，所有生產、進口、銷售和注冊登記的重型柴油車應符合本標準要求。之后，北京、天津、河北、山東、河南、廣東等6省市相繼宣布將于2019年7月1日提前實施國六排放標準。對于重型車而言，無論是壓燃式還是氣體點燃式柴油機，要想滿足史上最嚴苛的國六排放標準，都必須在發動機后處理上進行大規模的技術升級。新國標中的發動機標準循環排放限值見表1所列。

柴油機穩態工況（ESC/WHSC）下國三到國六排放標準中最主要污染物NOx與PM限值的主要變化是：氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）排放限值和國五相比分別提高了77%和67%，增加了粒子數量（PN）排放限值要求；變更了污染物排放測試循環，發動機測試工況從歐洲穩態循環（ESC）和歐洲瞬態循環（ETC）改為更具有代表性的世界統一穩態循環（WHSC）和世界統一瞬態循環（WHTC）。

2 柴油機排放后處理系統的含義及發展

新國標中對柴油機排放后處理系統的定義為：催化器（氧化型催化器、三元催化轉換器及任何氣體催化器）、顆粒捕集器，除氮氧系統、組合式降氮氧系統的顆粒捕集器，以及其他各種安裝在發動機下游的削減污染物的裝置。

通常為了降低重型柴油車氣態污染物和顆粒污染物的排放，一般會采用以下兩種方式：一是利用發動機機內凈化從根源上減少污染物的產生；二是通過增加后處理系統盡可能地將產生的污染物通過化學反應消除掉。

對采用清潔高效的缸內燃燒控制技術，減少發動機的原始污染物排放是發動機開發工作中最重要、最基本的工作。利用發動機機內凈化可以有效控制顆粒物的排放，能滿足國三排放法規。要滿足國四、國五排放法規，必須采用后處理技術，主要通過采用選擇性催化還原技術（SCR）利用尿素溶液對尾氣中的氮氧化物進行處理。到了國六階段，需要多種技術共同配合，是對發動機和后處理系統的再一次革命，發動機本體再次發生變化，需要引入渦輪增壓和更高的壓力共軌系統，后處理系統中還要增加柴油顆粒捕捉器（DPF）來降低懸浮顆粒個數等，雖然各廠商技術路線出現分化，但 SCR+DPF成為標配。

表1 發動機標準循環排放限值

3 國六標準重型柴油車排放主流后處理技術路線

目前，主流的國六標準重型柴油車排放后處理技術路線是：氧化型催化轉化器（DOC）+柴油顆粒捕捉器（DPF）+選擇性催化還原轉化器（SCR）+氨逃逸催化器（ASC），詳細分析如下。

（1）氧化型催化轉化器（DOC）。DOC主要用來降低廢氣中碳氫化合物（HC）和一氧化碳（CO）的含量。通過在DOC內使用氧化催化劑（貴金屬涂層，如鉑、鈀等組成），加速一氧化碳（CO）和碳氫化合物（HC）在此完成氧化反應，生成二氧化碳（CO2）和水（H2O）。并促使氮氧化物（NOx）中的一氧化氮（NO）和氧氣（O2）反應生成二氧化氮（NO2），并釋放熱量。國六柴油機配備DOC的原因一方面是國六標準對CO和HC排放要求更加嚴格；另一方面國六標準對NOx原排（后處理器前濃度）就有要求，將NOx原排降下來，CO和HC排放就會高些，而且通過DOC的內部反應提升排氣溫度，促進下游DPF和SCR的反應。匹配DPF的DOC的可處理95%的CO、處理80%左右的HC和處理PM中80%以上的SOF（可溶性有機物），DOC結構如圖1所示。

圖1 氧化型催化轉化器結構示意

如果柴油中的硫含量過高，會使硫和水反應生成硫酸或亞硫酸，造成DOC損壞。

（2）柴油顆粒捕捉器（DPF）。DPF主要用來降低尾氣中顆粒物（PM）的含量，其作用簡單理解就是將大小微粒物都過濾掉的裝置（圖2）。DPF是以堇青石或碳化硅為原料的一種壁流式蜂窩陶瓷，過濾式的陶瓷本體由許多細小的平行孔道所組成；這些平行的孔道之間是由通氣性的孔壁分隔，一端開放，一端堵塞，過濾器孔壁中的微孔可讓廢氣分子通過，黑煙顆粒由于粒徑比較大，而無法通過微孔，被過濾在陶瓷孔壁表面，進而達到消除黑煙的效果。同時，可溶性有機成分SOF（主要是高沸點HC）也能部分被捕集。

圖2 柴油顆粒捕捉器

攔截下來的顆粒物絕大多數是可以被燒掉的碳煙，其燃燒溫度約為550 ℃～700 ℃。顆粒物在DPF上附著會使廢氣的通過性能降低，從而使發動機的排氣背壓升高，造成發動機功率下降，因此必須定時再生和更換DPF濾芯。

DPF的再生分為主動再生和被動再生。國六發動機的大負荷再生和通過熱管理系統對進、排氣節流控制，來提高排氣溫度，使得沉積在DPF壁面的碳煙燒掉，屬于被動再生。主動再生需要約550 ℃以上才能進行，因此主動再生需要一個額外的噴油器將柴油噴射到排氣管內燃燒，使排氣管內的溫度升高到DPF再生所需的溫度，像濰柴6缸重型柴油機排氣管上設有第7個燃油噴嘴，當排氣背壓達到一定限值（16 kPa左右），直接向排氣管噴入燃油（在DOC之前），燃料在DOC內部燃燒后將排氣溫度提高到約600 ℃，通常情況下大部分顆粒物與其他沉積物都能被燒掉。福康重型柴油機采用各缸噴油器后噴來提高排氣溫度。當需要再生時，各缸噴油器在做功行程末端噴油，作用等同于第7個噴油嘴。

（3）選擇性催化還原轉化器（SCR）。SCR主要將發動機排氣中的氮氧化合物（NOx）轉化為氮氣和水，降低NOx排放量。在高溫環境下，尿素噴射單元向排氣管中噴射尿素水溶液（一種尿素濃度為32.5%的尿素水溶液），尿素在高溫下水解放出氨氣，氨氣在SCR催化器中與尾氣中的氮氧化物發生反應，生成氮氣和水。SCR是目前為止降低氮氧化物含量最有效的的手段。

（4）氨逃逸催化器（ASC）。ASC裝在SCR后端，通過催化氧化作用降低SCR后端排氣中泄漏出的氨。

4 結語

對于重型柴油車，目前主要的排放控制技術是DPF與SCR的組合。未來的后處理系統要具有超高的轉化效率、緊湊的設計、超低的購買成本和使用成本，主要方向是提高DPF再生時的燃油經濟性和改善SCR技術的低溫特性，以及滿足SCR技術的新型催化劑和還原劑，實現更加清潔和經濟的燃燒。