柴油机排放后处理系统的含义及发展

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重型柴油车的国六排放标准

随着国家“蓝天保卫战”的实施,环保升级“迫在眉睫”，柴油车排放标准升级如同箭在弦上。对于重型车而言,无论是压燃式还是气体点燃式柴油机,要想满足史上最严苛的国六排放标准,都必须在发动机后处理上进行大规模的技术升级。新国标中的发动机标准循环排放限值见表所列。

发动机标准循环排放限值

柴油机稳态工况(ESC/WHSC)下国三到国六排放标准中最主要污染物NOx与PM限值的主要变化是:氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)排放限值和国五相比分别提高了77%和67%,增加了粒子数量(PN)排放限值要求;变更了污染物排放测试循环，发动机测试工况从欧洲稳态循环(ESC)和欧洲瞬态循环(ETC)改为更具有代表性的世界统一稳态循环(WHSC )和世界统一瞬态循环(WHTC)。

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柴油机排放后处理系统的含义及发展

新国标中对柴油机排放后处理系统的定义为:催化器(氧化型催化器、三元催化转换器及任何气体催化器)、颗粒捕集器,除氮氧系统、组合式降氮氧系统的颗粒捕集器，以及其他各种安装在发动机下游的削减污染物的装置。

 

通常为了降低重型柴油车气态污染物和颗粒污染物的排放,一般会采用以下两种方式:一是利用发动机机内净化从根源上减少污染物的产生;二是通过增加后处理系统尽可能地将产生的污染物通过化学反应消除掉。

 

对采用清洁高效的缸内燃烧控制技术,减少发动机的原始污染物排放是发动机开发工作中最重要、最基本的工作。利用发动机机内净化可以有效控制颗粒物的排放,能满足国三排放法规。要满足国四、国五排放法规,必须采用后处理技术，主要通过采用选择性催化还原技术(SCR)利用尿素溶液对尾气中的氮氧化物进行处理。到了国六阶段，需要多种技术共同配合,是对发动机和后处理系统的再一次革命,发动机本体再次发生变化,需要引入涡轮增压和更高的压力共轨系统，后处理系统中还要增加柴油颗粒捕捉器(DPF)来降低悬浮颗粒个数等,虽然各厂商技术路线出现分化,但SCR+DPF成为标配。

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国六标准重型柴油车排放主流后处理技术路线

目前，主流的国六标准重型柴油车排放后处理技术路线是:氧化型催化转化器(DOC) +柴油颗粒捕捉器(DPF)+选择性催化还，原转化器(SCR) +氨逃逸催化器(ASC),详细分析如下。

 

(1)氧化型催化转化器(DOC)。DOC主要用来降低废气中碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)的含量。通过在DOC内使用氧化催化剂(贵金属涂层,如铂、钯等组成),加速一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)在此完成氧化反应,生成二氧化碳(CO2 )和水(H20)。并促使氮氧化物(N0,)中的一氧化氮(NO)和氧气(02)反应生成二氧化氮(NO2),并释放热量。国六柴油机配备DOC的原因一方面是国六标准对C0和HC排放要求更加严格;另一方面国六标准对NOx原排(后处理器前浓度)就有要求，将N0x原排降下来, C0和HC排放就会高些,而且通过DOC的内部反应提升排气温度,促进下游DPF和SCR的反应。匹配DPF的DOC的可处理95%的CO、处理80%左右的HC和处理PM中80%以上的SOF (可溶性有机物), DOC结构如图所示。

氧化型催化转化器结构示意

如果柴油中的硫含量过高,会使硫和水反应生成硫酸或亚硫酸,造成DOC损坏。

 

(2)柴油颗粒捕捉器(DPF)。DPF主要用来降低尾气中颗粒物(PM)的含量,其作用简单理解就是将大小微粒物都过滤掉的装置(如下图所示)。DPF是以堇青石或碳化硅为原料的一种壁流式蜂窝陶瓷,过滤式的陶瓷本体由许多细小的平行孔道所组成;这些平行的孔道之间是由通气性的孔壁分隔，一端开放,一端堵塞,过滤器孔壁中的微孔可让废气分子通过,黑烟颗粒由于粒径比较大,而无法通过微孔，被过滤在陶瓷孔壁表面，进而达到消除黑烟的效果。同时,可溶性有机成分SOF (主要是高沸点HC)也能部分被捕集。

柴油颗粒捕捉器

 

拦截下来的颗粒物绝大多数是可以被烧掉的碳烟,其燃烧温度约为550 ℃~700℃。颗粒物在DPF上附着会使废气的通过性能降低，从而使发动机的排气背压升高,造成发动机功率下降,因此必须定时再生和更换DPF滤芯。

 

DPF的再生分为主动再生和被动再生。国六发动机的大负荷再生和通过热管理系统对进、排气节流控制，来提高排气温度,使得沉积在DPF壁面的碳烟烧掉,属于被动再生。主动再生需要约550℃以上才能进行，因此主动再生需要一个额外的喷油器将柴油喷射到排气管内燃烧,使排气管内的温度升高到DPF再生所需的温度,像潍柴6缸重型柴油机排气管上设有第7个燃油喷嘴,当排气背压达到一定限值(16kPa左右),直接向排气管喷入燃油(在DOC之前),燃料在DOC内部燃烧后将排气温度提高到约600℃,通常情况下大部分颗粒物与其他沉积物都能被烧掉。福康重型柴油机采用各缸喷油器后喷来提高排气温度。当需要再生时,各缸喷油器在做功行程末端喷油,作用等同于第7个喷油嘴。

       (3)选择性催化还原转化器(SCR)。SCR主要将发动机排气中的氮氧化合物(NOx)转化为氮气和水,降低NOx排放量。在高温环境下，尿素喷射单元向排气管中喷射尿素水溶液(一种尿素浓度为32.5%的尿素水溶液),尿素在高温下水解放出氨气,氨气在SCR催化器中与尾气中的氮氧化物发生反应，生成氮气和水。SCR是目前为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装在SCR后端,通过催化氧化作用降低SCR后端排气中泄漏出的氨。

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结论

对于重型柴油车,目前主要的排放控制技术是DPF与SCR的组合。未来的后处理系统要具有超高的转化效率、紧凑的设计、超低的购买成本和使用成本,主要方向是提高DPF再生时的燃油经济性和改善SCR技术的低温特性,以及满足SCR技术的新型催化剂和还原剂,实现更加清洁和经济的燃烧。

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