柴油機尾氣污染物超低排放后處理關鍵技術及應用

魏宗洋

（凱龍高科技股份有限公司，江蘇 無錫 214000）

1 立項背景

2021年，我國汽車產銷量超2600 萬輛，連續13年位居世界第一，汽車排放污染物已成為大氣污染重要來源。《中國移動源環境管理年報（2021年）》顯示，2020年全國機動車4 項污染物排放總量為1593 萬噸，其中氮氧化物（NOx）626.3 萬噸、顆粒物（PM）6.8 萬噸、碳氫化合物（HC）190.2 萬噸、一氧化碳（CO）769.7 萬噸。汽車是污染物總量主要貢獻者，其排放的NOx和PM 超過總量的90%，柴油車占汽車總保有量的10%左右，但其排放的NOx超過汽車排放總量的80%，排放的PM 超過汽車排放總量的90%，亟待治理。

一直以來，柴油機后處理核心技術被幾家國外公司壟斷，價格昂貴。我國后處理行業起步晚，國內企業停留在系統封裝、零部件拼裝等階段，核心技術空白。因此，突破柴油機后處理關鍵技術，打破國外壟斷勢在必行。

2 總體思路

面向國家環境保護、節能減排的重大需要，本項目提出氧化催化劑（DOC）+催化型顆粒物捕集器（CDPF）+選擇性催化還原（SCR）的柴油機排放后處理技術方案，在國家和地方高新技術計劃支持下，對柴油機后處理電控單元、SCR 噴射關鍵零部件、載體、催化劑等核心技術進行研究攻關，項目產品完成與國內主流柴油機匹配應用，總體技術處于國際先進水平，改變了柴油機后處理系統被壟斷的局面（項目總體思路見圖1）。

圖1 項目總體思路

3 技術的先進性、創新性

3.1 柴油機后處理系統電控單元智能化集成技術

針對電控單元技術長期被國外壟斷的現狀，本項目研發團隊進了電控單元軟硬件模塊化設計，開展了基于自主催化劑化學反應動力學模型的串級雙閉環控制策略研究及創新，研發了智能化故障診斷管理系統，滿足國六排放標準，實現了具有自主知識產權的電控單元國產化。

（1）電控單元硬件和軟件模塊化設計

本項目對電控單元硬件和軟件進行了模塊化設計（見圖2），完成了電控單元型式認證試驗，保證了電控單元工作的穩定性和可靠性。電控單元控制器抗電磁干擾能力均達到A 級要求。項目設計了雙反饋信號電路，可實現NOx傳感器信號和無刷直流電機轉速信號的反饋控制，解決了傳統單反饋電路帶來的尿素噴射控制穩定性差、控制滯后、一致性差、排放波動大等難題，使尿素的穩態和瞬態的噴射精度提高了1 倍，NOx排放波動控制在20ppm 以內，顯著優于國外產品的40ppm。NOx濃度排放穩定性對比見圖3。

圖2 電控單元硬件模塊化結構

圖3 項目和國外產品NOx 濃度排放穩定性對比

（2）后處理電控單元控制策略開發

傳統后處理控制采用脈譜圖，按照預定試驗及經驗參數設定控制策略，控制精度低、魯棒性弱，排放易超標、氨易泄漏。本項目開展了基于自主催化劑化學反應動力學模型的串級雙閉環控制理論研究（見圖4），研發了高精度、高響應性、多模型協同控制的SCR 雙閉環智能控制策略，可以根據催化劑實時化學反應狀態進行控制策略動態自適應調整。構建了多模式碳載量預估模型和再生溫度閉環控制模型，實現了高瞬變工況下后處理與柴油機的協同排放控制，原排模型、溫度模型、閉環反饋修正模型、碳載量估計模型等模型誤差小于5%。

圖4 基于自主催化劑化學反應動力學模型的雙閉環控制原理

（3）后處理故障診斷智能化

項目研究了后處理裝置典型失效模式的影響因素，構建了面向控制與診斷的故障失效機理模型；發明了基于模型的催化器/傳感器/執行器故障診斷方法；提出了故障失效模式下的容錯控制方法，開發了“跛行回家”故障模式下尾氣排放、氨泄漏和尿素噴射量的最優控制，實現了263 項全故障實時在線監控及監管精準定位，故障檢出率達99.8%。

本項目設計了“三級故障診斷”控制策略軟件模塊，可解決后處理系統傳感器和執行器安全性差、報警難問題，通過對故障診斷管理的智能化，即驅動芯片自診斷、反饋信號電路診斷和通過系統信息進行合理性診斷，實現了系統故障診斷識別與處理功能（見圖5）。

圖5 “三級故障診斷”示意

3.2 SCR 噴射系統關鍵技術

通過對計量泵、噴嘴及混合器結構多參數優化設計，攻克普遍存在的尿素易結晶、計量精度低、尿素溶液霧化質量差、流場混合不均勻等難題，形成高效SCR 噴射技術，提高了柴油機穩態和瞬態工況下尾氣NOx的高效轉化。

（1）尿素供給計量泵技術

本項目發明了分體式、灌頂式和罐底式系列化無空氣輔助尿素齒輪泵，采用無刷直流電機正反轉實現預注、建壓、穩壓、排空等多種工作模式，電機與齒輪間采用磁力驅動方式連接，防止尿素泄露。本項目設計了一種尿素泵穩壓裝置，提出了基于模型前反饋和閉環反饋的尿素泵供給壓力控制方法，實現了在全工況范圍內供給壓力的精準控制和高魯棒性，壓力波動為900±40kPa，優于BOSCH 公司900±60kPa（見圖6）。

圖6 項目與博世泵尿素供給壓力波動對比

（2）尿素電磁閥噴嘴技術

本項目研發了尿素溶液的高精度計量噴射和多角度旋流霧化噴嘴裝置，完成了尿素計量噴射精度和霧化粒徑的性能測試，實現了尿素噴嘴的精確計量和高霧化質量，計量噴射精度≤±5%，噴嘴噴霧粒徑≤60μm。

（3）防尿素結晶控制技術及混合器結構優化

本項目探明了尿素詳細分解機理及尿素沉積物反應路徑，總結了影響尿素結晶的各種邊界條件，發明了適配不同后處理裝置的全系列高效尿素混合器。本項目針對尿素結晶影響因子及其影響規律，提出了尿素結晶定性和定量判定方法，首次形成尿素結晶試驗方法，并制定了行業標準。本項目通過優化混合器結構及尿素噴嘴安裝位置，降低了尿素結晶概率；后處理裝置氨氣分布均勻性高達98.5%，尿素平均結晶量低于限定值80%以上，優于國際同類產品（見圖7）。

圖7 關鍵零部件尿素結晶示意

3.3 載體及催化劑關鍵技術

本項目發明了鈰鋯儲放氧材料、高溫穩定復合氧化鋁的結構和形貌控制技術，通過對催化劑組成設計的優化，開發了系列SCR、DOC 和CDPF 催化劑，突破了大尺寸陶瓷載體的制備技術和大尺寸整體式催化劑的均勻涂覆技術，形成了整體式催化劑均勻制備的關鍵技術。

（1）SCR、DOC 和CDPF 系列催化劑

本項目利用貴金屬與稀土氧化物的相互作用，形成了貴金屬納米粒子“定向錨定”技術，突破了低含量貴金屬（Pt、Pd 等）納米粒子穩定制備的難題，貴金屬用量從30—35g/ft3降到25g/ft3。發明的高性能DOC 催化劑，HC 起燃溫度為160℃（見圖8），同時還具有高的NO 氧化的能力（見圖9），優于進口產品。

圖8 DOC 對CO 和HC 的起燃活性

圖9 NO 氧化為NO2 的性能

本項目發明了稀土和Cu 雙組分交換的小孔分子篩基SCR 催化劑及定量交換技術，利用稀土的選擇性占位，抑制了Cu 在高溫下的遷移和團聚，提高了低溫活性和水熱穩定性。本項目利用添加非鋁酸位助劑，提高了Cu-CHA 框架其他位點的酸性，抑制了SO2/SO3與銅活性中心結合，確保活性位點數不發生明顯減少，提高了耐硫性能。催化劑WHTC 瞬態循環工況NOx轉化效率達到97%，優于國內同類產品。

本項目利用表面氧的活化與遷移和NO2的強氧化能力，發明了基于“稀土氧化物-微量貴金屬”的CDPF，突破了碳煙燃燒“氣-固-固”反應的擴散限制，顯著降低了PM 的燃燒溫度，實現了排氣溫度下CDPF 的連續再生，再生效率達到91.6%。試驗表明碳煙平衡點溫度為325℃。催化劑WHTC 瞬態循環工況PM 過濾效率為90.3%，優于國外公司產品。

（2）載體制備及涂覆技術

本項目發明了新型載體植皮材料和黏結劑，形成了大尺寸陶瓷載體（直徑≥240mm）常溫植皮和熱風加濕干燥技術，突破了常規生產需二次高溫焙燒的限制，載體合格率≥95%，生產效率提高100%，能耗降低40%。

本項目發明了“真空涂覆-真空抽提”的制備工藝，強化了涂層與載體間的結合強度，解決了常規壓縮空氣吹掃易造成堵孔的問題。超聲檢測脫落率≤1%，涂覆精度偏差≤±3%，有效解決了大規格整體式催化劑產品一致性差的難題。

3.4 后處理系統優化分析方法和整機匹配及工程化應用技術

本項目構建了后處理系統多場耦合模型及工程優化分析方法，建立了后處理系統與柴油機及整車匹配的標定技術規范，形成了整機匹配與工程化應用技術。

本項目構建了柴油機后處理系統熱-固-汽-化多場耦合數值仿真模型，分析后處理零部件在各種布置條件下溫度、壓力、污染物分布、流場分布、機械應力分布等參數，實現后處理系統優化設計。本項目開展了后處理系統NVH 性能分析，建立了振動與輻射噪聲分析模型，實現對排氣噪聲、插入損失等預測，進行排氣殼體模態分析，避免怠速共振，降低振動傳遞率。本項目發明了能夠根據不同排氣工況自適應降噪及消聲結構，掌握了后處理關鍵零部件集成設計、參數優化等技術方法。

在整車試驗方面，本項目進行了高溫、高原、高寒的“三高”標定試驗，完成上百個機型后處理標定試驗，上萬種試驗數據的采集；自主完成國內主流柴油機的國六排放標定試驗，建立整套后處理系統與柴油機及整車的標定匹配技術規范及數據庫文件，突破國外技術封鎖，經權威第三方檢測，結果見下表。

4 成果轉化情況

項目產品已批量應用于國內各主流柴油機企業及整車制造企業，已完成玉柴、上柴、全柴、三一重工、大柴、索菲姆、大通等主機廠54 個系列柴油機的環保公告，與上依紅、北汽福田、南京依維柯、三一重工、徐工集團、上汽大通、東風商用車等整車廠完成“三高”試驗并上工業和信息化部整車公告，價格僅為國外同類產品的2/3，整車市場占有率近15%。

5 對促進行業技術進步和產業結構優化升級起到的作用

本項目突破了后處理系統智能協同控制器開發、尿素精準噴射及混合、DPF 高精度再生、低溫高活性低背壓后處理系統設計及制造等關鍵技術，開發了具有自主知識產權的達到國六/歐Ⅵ排放標準的商用車尾氣后處理系統，并實現了大規模推廣及應用。

SOFIM8140、47Z6 柴油機排放檢測結果

本項目建立了后處理系統“載體、催化劑、噴射計量、智能控制、混合器封裝一體化、協同匹配標定”全套完整產業鏈，后處理系統年產量大于30 萬套，總體技術指標達到國際先進水平，引領并顯著促進了我國商用車尾氣后處理行業科技進步，支撐了我國商用車從國四到國六排放各階段的跨越。