柴油機國六排放控制技術

周大權，李吉爽，林樹軍，何烈永，龔建平,張剛健，胡景彥

1.浙江錢江摩托股份有限公司研究院，浙江臺州 317500;2.寧波市鄞州德來特技術有限公司，浙江寧波 315000)

0 引言

發動機作為一種推動時代進步的裝置，廣泛運用于交通運輸、工農業加工、航空航天、國防工業等重要領域。隨著我國汽車保有量逐年增加，國家能源消耗和環境保護方面壓力增大。根據生態環境部發布的統計[1],汽車是大氣污染的主要貢獻者，CO和HC占比超過80%，NOx和PM占比超過90%。整治汽車污染物排放勢在必行。隨著GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限制及測試方法(中國第六階段)》法規推出及逐步實施，汽車發動機生產廠商面臨嚴峻的考驗。

柴油機相比汽油機，具有熱效率高，動力性、經濟性、可靠性好等諸多優勢，廣泛運用于各種乘用車和商用車上。根據相關統計[1]，雖然我國柴油車保有量僅占全國汽車保有量的7.8%，但是排放的NOx和PM分別占總量的57%和77%以上，因此加速開展柴油車排放治理工作刻不容緩。

1 柴油機主要排放污染物介紹及控制方案

柴油機主要排放污染物有NOx、CO、HC和PM。相對于汽油機而言，大多數柴油機采用擴散燃燒方式，其空燃比大，燃燒更加充分，排放物中CO和HC量較少，但NOx和PM含量較高，其中NOx是導致酸雨和光化學煙霧的主要因素之一[2]。柴油機排放的顆粒物(PM)基本上是碳質微球(含有少量氫和其他微量元素)的聚集體，當排氣溫度較低時，碳煙會吸附和凝聚多種有機物，稱為有機可溶成分。柴油機排氣PM的微觀形態呈復雜的鏈狀或團絮狀，當量粒度大多在0.02～1 μm范圍內，其平均粒度為0.1～0.3 μm，屬于能長期懸浮在空氣中的亞微米顆粒物[3]。顆粒物直徑越小，比表面積越大，其懸浮在空氣中，對空氣中的金屬粉末、病原體微生物以及部分強致癌物的吸附能力越強。當顆粒物直徑小于2.5 μm(PM2.5)，稱為可入肺顆粒，它對人體有極大的危害，長期處于PM2.5的環境，易得肺癌，嚴重影響人民的健康[4]。因此有效控制NOx和PM排放是柴油機后處理及機內凈化技術關注的重點。

1.1 柴油機內凈化技術方案

柴油機運轉時平均過量空氣系數很高，即使在全負荷時一般都在1.3以上，在通常部分負荷下一般在2.0以上。如果達到理想的混合，柴油機的污染物排放將很低。但實際上由于油氣混合不均勻導致多處出現過量空氣系數小于0.6，使得顆粒物大量產生。因此柴油機產生污染物排放的根本原因在于燃油與空氣混合的不均勻，如何提高柴油機油氣混合均勻性成為技術的關鍵[5]。本文作者重點對進氣系統、增壓系統、燃油系統和燃燒系統進行方案舉例。

1.1.1 柴油機進氣系統

柴油機氣道設計注重渦流比和流量系數，對于輕型柴油機來講，國內各大生產企業以及部分國外設計公司(AVL和FEV)推薦渦流比一般為1.6～2.1之間，北汽福田汽車的蔡卓潔、葉林保[5]對輕型柴油機機內凈化進行研究，得出提高渦流比可以大幅度改善低速高負荷時候的煙度，但是高速會導致NOx的提高，需要優化最合適的渦流比，相關試驗結果見圖1。

圖1 渦流比對低速高負荷煙度(1 000 r/min,

對于重型柴油機，為了達到高性能、低油耗、低排放的目標，普遍采用低渦流甚至是無渦流設計。

1.1.2 柴油機增壓系統

增壓不僅是提高柴油機功率密度的最重要手段，而且是控制排放的必然選擇。增壓柴油機(包括增壓中冷型柴油機)的主要特性是進氣量大，平均過量空氣系數大，這樣可以減少CO、HC及PM的排放，但是增壓后發動機燃燒溫度上升會導致NOx排放量增大。隨著國六階段NOx排放限值的進一步加嚴，大部分增壓柴油機需要采用EGR技術，為實現廢氣再循環，渦輪增壓器必須同時在高速和低速時提供足夠的EGR驅動壓差，尤其是低速工況，增壓器需要匹配更小的占空比來產生低速EGR，這會導致發動機增壓系統進氣量減少，從而引起發動機性能和排放的變差。

隨著增壓技術的提升，可變渦輪截面增壓器(VGT)的出現，可以改善低速時增壓系統渦輪的效率。有些機構經過研究得出了VGT增壓器匹配國六柴油機有明顯的優勢[6]。VGT增壓器通過調節VGT開度滿足不同工況下驅動EGR壓差的要求，還具備發動機熱管理功能，尤其是低速低負荷工況，可以通過VGT的工作效率提高發動機排氣溫度，滿足后處理起燃溫度的要求[7]，同時VGT還可以快速實現排氣制動功能，滿足許多商用柴油車的需求。

1.1.3 燃油噴射系統

降低柴油機的排放，燃油噴射系統的改進是關鍵，其中主要方案有：(1)優化噴油正時。(2)優化噴油規律(噴油過程可分為前期緩慢噴油，中期急速噴油，后期快速斷油[8]),這種噴射方式結合可以降低初始燃燒時混合氣的燃燒速率，噴射中期加強擴散燃燒，使燃燒更加充分，噴油后期快速斷油，可以減少末期噴油壓力降低導致燃油霧化變差的問題)。(3)燃油噴霧形態與燃燒室形狀與燃燒室內氣流運動相匹配。(4)降低燃油的SMD值，噴霧粒度足夠細且足夠均勻，保證了燃油及時蒸發，并與空氣充分混合(減低SMD一般通過提高噴油壓力、縮小噴孔大小、優化噴油器內部流場結構實現)。

1.1.4 低排放燃燒室

對于非直噴柴油機來講，PM的生成主要集中在副燃燒室，合理地設置主、副燃燒室之間的比例以及合理優化進入副燃燒室的氣流，可以大大減少顆粒物生成[9]。對于直噴式柴油機燃燒室，盡可能增大燃燒室的有效容積比，提高缸內空氣利用率，降低PM排放，此外適當提高壓縮比也能降低HC和CO的排放。

1.2 柴油機后處理技術方案

但是隨著排放指標的日益嚴格，僅使用缸內凈化技術已經無法滿足當前的要求,現在比較常用的柴油機后處理技術包括柴油機微粒捕集器(DPF)、顆粒氧化催化轉化器(POC)、柴油機氧化催化器(DOC)、選擇性催化還原技術(SCR)、稀燃氮氧化物捕集技術(LNT)等。下面簡單介紹主要后處理技術的原理。

1.2.1 氧化催化器(DOC)

DOC一般位于后處理系統的前段，它只具備氧化能力，一般以鉑、鈀等貴金屬作為催化劑，作用是將排氣中未燃盡的CO和HC氧化成CO2和H2O,同時降低微粒排放中的SOF(可溶性有機成分)的含量。其工作原理見圖2，DOC可以降低排氣中PM數值40%～50%，HC和CO處理效率分別可以達到88%、68%以上，但是DOC對于碳顆粒物的氧化處理效果比較差，同時有將排氣中的SO2氧化成SO3進而生成硫酸鹽顆粒的趨勢，特別在溫度較高的情況下硫酸鹽生成速率增大，不但無法減少PM排放總量，而且可能導致載體因硫中毒而劣化[10]。

圖2 DOC工作原理示意

1.2.2 柴油機微粒捕集器(DPF)

微粒捕集器示意見圖3，它主要是通過表面和內部混合的過濾裝置捕捉顆粒，利用擴散沉淀、慣性沉淀或者線性攔截等方式，有效凈化排氣中70%～90%的顆粒。柴油機顆粒捕集器需要設置再生機構保證該裝置的長久運行。

圖3 DPF結構示意

1.2.3 選擇性催化還原技術(SCR)

選擇性催化還原技術是目前在柴油后處理系統中對NOx處理的主流技術，是利用尿素水溶液或氨水在一定溫度窗口和催化條件下將NOx還原成H2和H2O，因為NH3作為還原劑優先與NOx反應，而不是與O2反應，表現出高選擇性。就目前而言，運用最廣泛的催化劑是V2O5-WO3/TiO2。V2O5作為主催化劑，作用是降低NOx的反應活化能，降低反應溫度；WO3稱為助催化劑，主要作用是提高V2O5的穩定性，增加其使用壽命；TiO2是V2O5和WO3的載體,具有承載、穩定催化活化物質的功能[10]。圖4為典型的SCR后處理系統原理圖。

圖4 SCR系統原理

1.2.4 多種后處理設備耦合

由于柴油機排放物NOx和PM之間存在trade-off關系[11],導致NOx和PM無法同時降低到最低。為了滿足國六排放標準，需要不同的后處理設備耦合才可以達到同時降低二者的排放值。典型的耦合協作技術路線有：(1)采用優化燃燒耦合SCR,此方案可以提高經濟性，但是對排氣溫度有較高的要求，此外還要考慮SCR混合及冷機下結晶的問題。(2)采用EGR+DPF，此技術可以同時降低NOx和PM，但是由于DPF的再生技術，EGR率過高后帶來的熱效率降低、腐蝕等問題需進一步研究。

2 柴油機國六技術方案

柴油機國六排放控制方案見圖5。

國內主要柴油生產廠家技術路線統計見表1。

圖5 柴油機國六排放控制思維導圖

表1各廠家技術路線統計

廠家發動機系列采用的技術路線EGR率玉柴K11外其他系列EGR+DOC+DPF+SCR低K11系列DOC+DPF+SCR+ASC無濰柴WP2.3N、WP3N、WP4.1N、WP4.6N、WP6.7、WP7、WP13EGR+DOC+DPF+SCR低WP20H、WP12、WP13DOC+DPF+HiSCR無江西五十鈴JE493、JE4D28、4JJ1DOC+DPF+SCR+ASC無

3 結論

(1)柴油機相比汽油機排放物中CO和HC量較少，但NOx和PM含量較高，污染物排放的根本原因在于燃油與空氣混合不均勻。因此通過優化進氣系統渦流，優化燃燒室的形狀，優化燃油噴射系統，采用VGT增壓中冷及EGR系統，可以從發動機硬件方面降低發動機原排，優化機內凈化技術可以讓整機生產和運行時保持更好的一致性和控制性，同時也可以大大降低后處理系統的開發和使用成本，因此盡可能地降低發動機原排是今后研究的重要方向。

(2)當前相關廠家的排放耦合協作的技術路線以DOC+DPF+SCR+ASC或者EGR+DOC+DPF+SCR為主，這兩種方法需要對后處理進行精確的熱管理，控制難度高，設計及標定費用多，整個后處理系統結構也比較龐大。

(3)后處理系統簡單高效的設計方案是國六排放控制方案的趨勢。