重型柴油機排放提升控制技術(shù)分析

摘要：文章介紹了重型柴油機排放的4種主要污染物及各污染物的生成機理。為滿足日益提高的排放法規(guī)要求，在提升燃油品質(zhì)和機內(nèi)凈化的基礎(chǔ)上，增加了尾氣后處理技術(shù)。DOC是通過氧化的方式降低HC和CO的含量，DPF是補集尾氣中的顆粒物，SCR是通過還原的方式降低NOX的含量。對重型柴油機滿足國六排放法規(guī)的三種典型技術(shù)路線進行了詳細的對比，EGR+SCR路線在后處理系統(tǒng)復(fù)雜程度、成本、處理效果、柴油機動力性、經(jīng)濟性、車輛的出勤率、尿素消耗量及是否有氨氣泄漏等方面均在不同程度上優(yōu)于另外兩條路線。EGR+SCR路線的DPF再生時刻和尿素噴射量，受發(fā)動機運行狀態(tài)和多個傳感器的制約。

關(guān)鍵詞：重型柴油機；排放；后處理；技術(shù)路線

Analysis of Emission Enhancement Control Technology for

Heavy-duty Diesel Engines

Xie YanchaoGuo LinaZheng ChunweiLi Haigang

（Department of Vehicle and Transportation，Baotou Vocational amp; Technical College，Baotou，Inner Mongolia 014035）

Abstract：The article introduces 4 main pollutants emitted by heavy-duty diesel engines and their generation mechanisms.In order to meet the increasingly stringent emission regulations，exhaust after treatment technology has been added on the basis of improving fuel quality and internal purification.DOC reduces the content of HC and CO through OXidation，DPF replenishes particulate matter in exhaust，and SCR reduces the content of NOX through reduction.A detailed comparison was made on three typical technical routes for heavy-duty diesel engines to meet the National Ⅵ emission regulations，the EGR+SCR route is superior to the other two routes in terms of post-processing system complexity，cost，processing efficiency，diesel power，economy，vehicle attendance，urea consumption，and whether there is ammonia leakage.The DPF regeneration timing and urea injection quantity of the EGR+SCR route are constrained by the engine operating status and multiple sensors.

Key words：heavy-duty diesel engines;discharge;post processing;technical routes

近年來，隨著新能源汽車銷量的不斷增加，部分機構(gòu)和學(xué)者提出了車用柴油機消亡論。事實證明，此論點被嚴重擴大化，新能源不會取代柴油機，特別是重型柴油機。［1］由于鋰電池的能量密度不足，純電動僅適用于部分商用車領(lǐng)域。重型柴油機憑借其熱效率高、扭矩大、功率高及經(jīng)濟性好等諸多優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于重型商用車、船舶及國防建設(shè)等領(lǐng)域。［2］

汽車排放的主要污染物有碳氫化合物（HC）、一氧化碳（CO）、顆粒物（PM）及氮氧化物（NOX）等。污染物會引發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)及心腦血管疾病，還是造成酸雨的罪魁禍首之一。柴油機通過壓縮點燃混合氣，整個過程為富氧燃燒，其排放的PM和NOX明顯高于HC和CO。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，柴油機的PM排放量占汽車總排放量的90%以上，NOX排放量接近汽車總排放量的70%。［2］

重型柴油機排放法規(guī)不斷升級，特別是《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（以下簡稱國六）的全面實施。該法規(guī)被稱為“史上最嚴”的排放標(biāo)準，對PM和NOX的排放限值較國五階段削減 60%以上。［3］

本文介紹了重型柴油機各類污染物的生成機理和相應(yīng)的控制技術(shù)。詳細描述了重型柴油機滿足國六排放法規(guī)的三種典型技術(shù)路線，研究了EGR+SCR路線的DPF再生時刻控制策略和尿素噴射量控制策略。

1污染物的生成機理

重型柴油機以化石能源為燃料，理論上只生成水（H2O）和二氧化碳（CO2）兩種產(chǎn)物。［4］但是，受到燃油品質(zhì)、混合氣形成方式及燃燒形式等多種因素的影響，會生成HC、CO、PM及NOX等有害物質(zhì)。

1.1HC的生成機理

HC是柴油機尾氣中各種未完全燃燒的燃料以及少量的潤滑油，潤滑油是高分子HC排放的主要貢獻之一。［4］由于結(jié)構(gòu)的不同，柴油機的HC排放量明顯小于汽油機的排放量。

1.2CO的生成機理

柴油機在剛開始燃燒時，混合氣燃燒不完全，此時會生成CO。由于柴油機混合氣不均勻且濃度相對較低，不利于CO的生成，所以柴油機CO的排放量比汽油機低很多。［4］

1.3PM的生成機理

碳煙是柴油機尾氣中顆粒物的主要成分，其生成過程極其復(fù)雜。在高溫和缺氧條件下，柴油分子經(jīng)過熱解生成不飽和前趨物。再通過環(huán)閉合、成核、凝聚和表面生長，使凝聚的顆粒物呈球形的基本碳。不同基本碳粒繼續(xù)凝聚，生成鏈狀聚結(jié)物。不同的聚結(jié)物聚結(jié)在一起，形成更大的聚結(jié)物。碳煙的具體形成過程如圖1所示。［4］

1.4NOX的生成機理

NOX是NO、NO2、N2O等氮氧化物的總稱，柴油機尾氣中的NOX絕大多數(shù)以NO和NO2的形式存在。在氣缸內(nèi)高溫狀態(tài)下，大氣中的N2被氧化生成NO，化學(xué)反應(yīng)方程式如下［5］：

N2+O= NO+N（1）

N+O2= NO+O（2）

N+OH= NO+H（3）

通常情況，NO2主要通過NO與HO2的反應(yīng)生成，化學(xué)反應(yīng)方程式如下［5］：

NO+HO2=NO2+OH（4）

NO+OH=NO2+H（5）

2排放提升控制技術(shù)

柴油機排放提升控制技術(shù)主要有提升燃油品質(zhì)、機內(nèi)凈化技術(shù)及尾氣后處理技術(shù)等。

由國三到國六的排放標(biāo)準，柴油的含硫量降低97.14%，十六辛烷值由49提高到51，多環(huán)芳烴含量下降36.36%。［6］

機內(nèi)凈化技術(shù)主要包括缸蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、多氣門技術(shù)、高壓共軌技術(shù)、增壓中冷技術(shù)、勻質(zhì)混合氣壓燃技術(shù)及電控EGR（廢氣再循環(huán)）技術(shù)。

電控EGR的工作原理為：EGR取氣管由柴油機排氣管獲取尾氣，通過電控EGR閥控制廢氣進入和流出冷卻器，該冷卻器通過發(fā)動機冷卻液進行冷卻，冷卻后的尾氣再次進入發(fā)動機氣缸內(nèi)。這種情況會降低氣缸內(nèi)的氧氣濃度，降低系統(tǒng)峰值溫度，這對于抑制NOX的生成有重要的作用。電控EGR系統(tǒng)的詳細結(jié)構(gòu)如圖2所示。［7］

為滿足日益提高的排放法規(guī)要求，在提升燃油品質(zhì)和機內(nèi)凈化的基礎(chǔ)上，增加了尾氣后處理技術(shù)。

2.1氧化型催化轉(zhuǎn)化技術(shù)（DOC）

DOC一般位于排氣后處理的最前端，在蜂窩陶瓷載體上涂抹貴金屬催化劑（如P），其目的是降低柴油機尾氣中HC和CO的活化能，使這些物質(zhì)能與尾氣中的氧氣在較低的溫度下進行氧化反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為 CO2和H2O。［8］化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

2CO+O2=2CO2（6）

4HC+5O2=4CO2+2H2O（7）

2.2顆粒捕捉技術(shù)（DPF）

DPF一般安裝在DOC之后，是一種高效凈化顆粒物的方式，能有效地補集尾氣中90%以上的顆粒物。通常以壁流式蜂窩陶瓷為載體，尾氣由開合的主通道流入，由于主通道的末端是封閉的，只能通過多孔的壁面流入相鄰?fù)ǖ?，在這個過程中DPF便完成了碳煙顆粒的捕集，具體過程如圖3所示。［9］

隨著顆粒物的不斷積聚，導(dǎo)致排氣背壓升高，柴油機的動力性和燃油經(jīng)濟性下降。當(dāng)排氣背壓升高到16kPa～20kPa左右時，需要去除DPF中的顆粒物，使DPF回到初始的狀態(tài)，即再生。采用外部裝置對DPF進行加熱來引燃顆粒物，以達到再生目的的方式稱為主動再生；不采取額外加熱裝置的再生方式稱為被動再生。

2.3選擇性催化還原技術(shù)（SCR）

SCR一般安裝在后處理系統(tǒng)的最后端，主要消除重型柴油機尾氣中的NOX。為了在較低溫度下也能有效地將NOX還原成N2，恰當(dāng)?shù)倪€原劑和催化劑是必不可少的。選用滿足GB29518要求濃度為32.5%的尿素水溶液作為還原劑，其具有無毒、無味的優(yōu)點。［10］V2O5-WO3-TiO2是應(yīng)用最為廣泛的SCR技術(shù)催化劑。

SCR技術(shù)的工作原理為：柴油機排出的尾氣通過渦輪增壓器進入后處理系統(tǒng)中，安裝在排氣管上的尿素噴嘴，在適當(dāng)?shù)臅r刻，以定量的方式將尿素水溶液以霧狀的形態(tài)噴入排氣管中，尿素液滴在高溫尾氣中發(fā)生水解和熱解反應(yīng)，生成最終的還原劑NH3，NH3在催化劑的作用下將NOX還原成N2和H2O。［11］SCR技術(shù)的工作原理如圖4所示。

尿素水溶液的熱解和水解反應(yīng)方程式如下：

（NH2）2CO=HCON+NH3（8）

HNCO+H2O=NH3 +CO2（9）

在后處理系統(tǒng)內(nèi)部，NH3將NO、NO2還原成N2和H2O，方程式如下：

4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O（10）

4NH3+2NO2+O2=3N2+6H2O（11）

6NO2+8NH3=7N2+12H2O（12）

NO+NO2+2NH3=4N2+12H2O（13）

3滿足國六排放法規(guī)的典型技術(shù)路線

隨著排放法規(guī)的不斷升級，單一技術(shù)已經(jīng)無法滿足要求，需要將多種技術(shù)耦合在一起。滿足國六排放法規(guī)的典型技術(shù)路線主要有三種：一種是純EGR路線，另一種是純SCR路線，最后一種是EGR+SCR路線。

3.1純EGR路線

純EGR路線是采用電控EGR+DOC+DPF的技術(shù)路線，具體原理如圖5所示。尾氣只能通過電控EGR，降低NOX的含量。為達到NOX的排放標(biāo)準，EGR率相對較高，造成燃燒惡化，發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性降低。由于燃燒不充分，生成顆粒物較多，增加了DPF的負擔(dān)。DPF需要通過多次主動再生的方式恢復(fù)至最初狀態(tài)，降低了車輛的出勤率。

3.2純SCR路線

純SCR路線是采用DOC+DPF+SCR的技術(shù)路線，具體原理如圖6所示。該系統(tǒng)由SCR降低尾氣中的NOX，需要的尿素量相對較多，為避免NH3泄漏，在系統(tǒng)后部多加裝了ASC（NH3捕捉器）。同時，對尿素的噴射時刻和噴射量要求較高，控制策略極其復(fù)雜。

3.3EGR+SCR路線

EGR+SCR路線是采用電控EGR+DOC+DPF+SCR的技術(shù)路線，具體原理如圖7所示。柴油機尾氣中的NOX是通過電控EGR和SCR共同降低的。EGR率相對較小，柴油機的動力性和經(jīng)濟性得到了保證。燃燒更加充分，尾氣中的顆粒物較少，提高了車輛的出勤率。僅需較少的尿素即可還原尾氣中的NOX，無需加裝ASC，控制策略相對簡單。

3.4各技術(shù)路線對比

就后處理系統(tǒng)復(fù)雜程度、成本、處理效果、柴油機動力性、經(jīng)濟性、車輛的出勤率、尿素消耗量及是否有氨氣泄漏等方面，對以上三種技術(shù)路線進行了對比，詳細對比結(jié)果見表1。EGR+SCR技術(shù)路線均在不同程度上優(yōu)于另外兩條路線。

4EGR+SCR技術(shù)路線的控制策略

重型柴油機運行路況復(fù)雜多變，工作在高溫、高原、高寒及濕熱等惡劣環(huán)境中。根據(jù)國六排放法規(guī)，柴油機污染物的排放量要全地域、全天候滿足要求。這對后處理系統(tǒng)本身及其控制策略都是一個全新的挑戰(zhàn)。

4.1DPF再生時刻控制策略

若再生時刻過早，碳載量過小，顆粒物難以起燃，導(dǎo)致再生不徹底，再生頻率高，燃油經(jīng)濟性降低；若再生時刻過晚，碳載量過大，顆粒物燃燒溫度高，載體容易被燒壞。［9］

由于不同負荷、不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)發(fā)動機排氣背壓的差別較大。根據(jù)DPF壓差傳感器讀取的進出口壓差，與設(shè)定閾值比較的方法確定的再生時刻不精確。

建立重型柴油機對應(yīng)的不同噴油量、轉(zhuǎn)速及排氣背壓的數(shù)據(jù)庫。在某一時刻，由噴油量和轉(zhuǎn)速確定排氣背壓。根據(jù)此背壓與DPF設(shè)定閾值比較確定再生時刻，詳細控制策略如圖8所示。

4.2尿素噴射量控制策略

尿素噴射量過多會導(dǎo)致NH3泄漏，對環(huán)境造成二次污染。噴射量過少，無法完全還原掉尾氣中的NOX，排放不滿足國家法規(guī)要求。尿素噴射量受多個傳感器、DPF再生時刻、NH3泄露量等多種因素影響，詳細控制策略如圖9所示。

5結(jié)論

HC、CO、PM和NOX是重型柴油機排放的四種主要污染物。根據(jù)發(fā)動機結(jié)構(gòu)、燃燒溫度及燃燒方式可知：PM和NOX的排放量明顯高于HC和CO，且PM和NOX兩者的排放量是一種此消彼長的關(guān)系。

排氣后處理技術(shù)主要有DOC、DPF及SCR。其中，DOC是通過氧化的方式降低HC和CO的含量，DPF是補集尾氣中的顆粒物，SCR是通過還原的方式降低NOX的含量。

純EGR路線、純SCR路線及EGR+SCR路線是重型柴油機滿足國六排放法規(guī)的的三種典型技術(shù)路線。EGR+SCR路線在處理系統(tǒng)復(fù)雜程度、成本、處理效果、柴油機動力性、經(jīng)濟性、車輛的出勤率、尿素消耗量及是否有氨氣泄漏等方面均在不同程度上優(yōu)于另外兩條路線。

DPF再生時刻，受重型柴油機的負荷、轉(zhuǎn)速及排氣背壓等多種因素的制約。尿素噴射量的多少，需要檢測NOX等多個傳感器的信號。

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（責(zé)任編輯郭曉勇）

收稿日期：2024-12-01

基金項目：內(nèi)蒙古高?？蒲幸话沩椖俊盎诠羌苣Ｐ偷闹乜ǖ妆P Top－Down 設(shè)計方法研究”（NJZY23024）；包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年項目“基于骨架模型的多軸汽車運動學(xué)特性研究”（KJ202203）成果。

作者簡介：解艷超（1987-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，講師，工程師，碩士，研究方向為整車總布置、性能計算及部件有限元分析。