武漢城市職業(yè)學院汽車技術與服務學院 胡晶晶

柴油機主要的排放污染物有NOx（氮氧化合物）、顆粒物、CO（一氧化碳）、HC（碳氫化合物）及硫化物。鑒于柴油機直噴、壓燃、富氧燃燒的特點，對于柴油機來說，CO、HC產生量并不是太多，而硫化物的產生量則主要取決于柴油中的含硫量，也就是油品的好壞，因此，柴油機中的排放控制技術主要是針對NOx和顆粒物所采用的，下面筆者將重點介紹控制這2種排放污染物的技術措施。

1 排放法規(guī)發(fā)展及排放限值

1.1 排放法規(guī)發(fā)展情況

目前，世界上實行的排放法規(guī)主要有美國、歐洲和日本3大體系，其中美國和歐洲的排放標準體系被各國廣泛引用。汽車排放控制最早起源于美國的加州地區(qū)，1960年，美國加利福尼亞州頒布了世界上第一部汽車排放法規(guī)。1963年美國政府制定了《大氣清潔法》，其后進行了多次修訂和補充，逐步嚴格化，但在1968年以前美國一直采用加州汽車排放標準。從1968年起美國才有了聯(lián)邦汽車排放標準，之后幾乎是逐年嚴格化。但是直到現(xiàn)在加州汽車排放標準仍然是世界上最嚴格的汽車排放標準。繼美國之后，日本和歐洲經濟委員會分別于1966年和1970年相繼制定了機動車排放法規(guī)和標準。

我國機動車污染控制工作開始于1979年頒布的《中華人民共和國環(huán)境保護法》，從1981年開始制定標準，于1983年首次發(fā)布了國家汽車排放標準GB 3842～3847—83，并于1984年4月1日起執(zhí)行。在世界3大排放標準體系中，歐洲法規(guī)在標準的嚴格程度、道路交通情況等方面相對較適用于我國的實際情況，我國在充分吸收歐美的經驗后，在歐洲法規(guī)的基礎上形成了中國排放法規(guī)體系。1999年國家頒布了等效采用歐洲排放法規(guī)的《壓燃式發(fā)動機和裝用壓燃式發(fā)動機的車輛排氣可見污染物限值及測試方法》（GB 3847—1999）、《汽車排放污染物限值及測試方法》（GB 14761—1999）、《壓燃式發(fā)動機和裝用壓燃式發(fā)動機的車輛排氣污染物限值及測試方法》（GB 17691—1999）等4項標準。后來實施的《車用壓燃式發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法》（GB 17691—2001）對GB 17691—1999進行了修改。

2005年4月27日，我國發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》（GB 18352.3—2005）、《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》（GB 17691—2005）；2008年4月2日發(fā)布了《重型車用汽油發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》（GB 14762—2008），標準規(guī)定了各類汽車國Ⅲ、國Ⅳ排放標準的試驗項目、型式核準時間、實施時間。北京市已于2008年率先實施等效于歐Ⅲ排放標準的我國第Ⅲ階段排放標準。環(huán)保部為保證車輛在實際道路運行過程中也能滿足要求并保持一致性，在此后的2年內先后發(fā)布了《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車車載診斷（OBD）系統(tǒng)技術要求》（HJ 437—2008）、《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排放控制系統(tǒng)耐久性技術要求》（HJ 438—2008）等排放法規(guī)。

2016年，為貫徹《中華人民共和國大氣污染防治法》，嚴格控制機動車污染，全面實施《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅴ階段）》（GB 18352.5—2013）和《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》（GB 17691—2005）中第Ⅴ階段排放標準（簡稱國Ⅴ標準）要求，全國自2017年7月1日起，所有制造、進口、銷售和注冊登記的重型柴油車，須符合國Ⅴ標準要求。全國自2018年1月1日起，所有制造、進口、銷售和注冊登記的輕型柴油車，須符合國Ⅴ標準要求。

1.2 國Ⅳ、國Ⅴ排放限值

從表1和表2可以看出，隨著法規(guī)國Ⅳ向國Ⅴ的升級，車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機等汽車污染物排放限值的變化主要來自于NOx，通過對比《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》（GB 18352.3—2005）和《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅴ階段）》（GB 18352.5—2013）這2個法規(guī)中的排放限值（即表3和表4），可以發(fā)現(xiàn)，對于輕型汽車而言，國Ⅴ排放標準相比國Ⅳ排放標準，NOx排放降低了28%，HC+NOx總和指標降低了23%，而對于柴油車的顆粒物（PM）濃度降低了82%，新增顆粒物粒子數(shù)量（PN）檢測。從表5可以看出，對于OBD的限值而言，國Ⅳ向國Ⅴ的升級，要求從OBD1+NOx控制升級為OBD2+NOx控制，同時不再使用嚴重性功能故障替代ESC排放確認，而是需要通過ETC排放來確認NOx轉化效率的降低；除此以外，還增加了電控單元之間的通信診斷；超標報警或限扭的閥值分別從5 g/kWh和7 g/kWh變化為3.5 g/kWh和7 g/kWh。

表1 穩(wěn)態(tài)循環(huán)和負荷煙度試驗限值（摘自GB 17691—2005）

表2 瞬態(tài)循環(huán)試驗限值（摘自GB 17691—2005）

表3 I型試驗排放限值（摘自GB 18352.3—2005）

2 國Ⅳ階段技術路線

隨著時間的不斷推移，排放法規(guī)也在不斷收嚴，新的排放控制技術也在不斷升級。相比較國Ⅲ時期的電控高壓噴射系統(tǒng)，目前國內實現(xiàn)國Ⅳ的主要技術路線有3個：一個是高壓共軌+EGR+DOC+POC，采用控制燃燒溫度等手段在機內減少NOx生成，利用POC對生成的微粒進行后處理；第二個是高壓共軌+EGR+DOC+DPF，采用控制燃燒溫度等手段在機內減少NOx生成，利用DPF對生成的微粒進行后處理；第三個是高壓共軌+SCR，SCR技術是通過強化發(fā)動機機內燃燒來降低微粒的生成，然后利用尿素溶液對NOx進行機外催化氧化。

2.1 高壓共軌+EGR+DOC+POC

高壓共軌系統(tǒng)是指在由高壓油泵、燃油計量單元或壓力控制閥、軌壓傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式，由高壓油泵把高壓燃油輸送到油軌，通過對燃油計量單元或壓力控制閥對油軌內的油壓實現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動機的轉速無關，可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發(fā)動機轉速的變化，因此也就減少了傳統(tǒng)柴油機的缺陷。ECU控制噴油器的噴油量，噴油量大小取決于油軌壓力和電磁閥開啟時間的長短。截止到目前，博世公司已經推出了三代高壓共軌系統(tǒng)，第一代共軌高壓泵采用壓力控制閥控制油軌壓力，總是保持在最高壓力，導致能量的浪費和很高的燃油溫度。第二代可根據(jù)發(fā)動機需求而改變燃油計量單元的開度，從而改變油軌壓力，并具有預噴射和后噴射功能。預噴是在主噴射之前1 μs內少量的燃油被噴進了氣缸壓燃，預加熱燃燒室。預熱后的氣缸使主噴射后的壓燃更加容易，缸內的壓力和溫度不再是突然地增加，有利于降低燃燒噪音。在膨脹過程中進行后噴射，產生二次燃燒，將缸內溫度增加200 ℃～250 ℃，降低了排氣中的HC。而第三代共軌系統(tǒng)，軌壓由壓力控制閥和燃油計量單元共同控制，響應更迅速更準確，壓力從200 bar～2 000 bar（1 bar=100 kPa）彈性調節(jié)；壓電式噴油器代替了電磁閥式噴油器，噴油量更精準，針閥開啟更快，最多可實現(xiàn)一個行程內5次噴射，工作更柔順；沒有了回油管，在結構上更簡單；最小噴射量可控制在0.5 mm3，減小了煙度和NOx的排放。

表4 I型試驗排放限值（摘自GB 18352.5—2013）

表5 OBD限值（摘自HJ 437—2008）

EGR是指ECU根據(jù)發(fā)動機的轉速、負荷、溫度、進氣流量、排氣溫度等控制EGR電磁閥適時地打開，使排氣中部分廢氣經EGR閥進入進氣系統(tǒng)，與新鮮空氣混合進入氣缸參與燃燒。進入氣缸參與燃燒的部分廢氣，降低了混合氣中氧的濃度，從而可以降低燃燒速度和燃燒最高溫度，抑制燃燒過程中NOx的形成，從而降低NOx排放量。EGR可有效地降低NOx排放，隨著EGR率的增加，NOx排放量大幅度下降。同時隨著EGR率的增加，缸內較低的氧氣濃度將會增加顆粒物的排放量，并使發(fā)動機的排氣煙度增加，在中、小負荷時煙度值比較小，而大負荷時會使柴油機的排氣煙度值增大，這就給全面、有效地控制NOx和PM排放帶來了困難。所以為達到歐Ⅳ排放限值，EGR率一般控制在15%以內。除此之外還要配合使用DOC+POC或DOC+DPF。

DOC又稱氧化催化轉化器，它是一個圓筒形的陶瓷載體，中間有許多細長的通道，可以大大增加陶瓷載體內部的表面積。它主要用來氧化尾氣中的HC、CO及部分微粒，除此之外，它還能將尾氣中的NO氧化成NO2，為顆粒捕集器的反應提供反應劑，并在氧化中提升排氣溫度， 為后面的顆粒氧化反應做準備。

POC又稱顆粒催化轉化器，它是針對柴油機排放污染物中顆粒成分設計的后處理裝置，屬于氧化催化轉化器的范圍。柴油機排放顆粒物主要由干炭煙、灰塵、硫化物和可溶有機組分組成。POC主要處理顆粒物中的干炭煙，一般能處理40%～60%。

2.2 高壓共軌+EGR+DOC+DPF

DPF又稱微粒捕集器，它也是一種減少PM排放的有效手段，該技術的應用方法是先用DPF捕集廢氣中的PM，然后通過其他手段對收集的PM進行氧化來使DPF再生。它可以從柴油機排氣中去除炭煙顆粒，效率超過90%，然而PM過濾并不是DPF的核心問題，其核心問題是過濾器的再生，確保在柴油機的任何工況下都能將聚集起來的炭煙氧化掉。在柴油機正常工作的轉速和負荷下，排氣溫度一般在250 ℃～500 ℃，而PM的燃點一般為550 ℃～600 ℃，依靠柴油機的排氣很難使捕集器再生。要使DPF再生必須降低PM的燃點或提高排氣溫度。因此，DPF再生的方法有2種:一種是通過在燃油中加入添加劑或在過濾材料表面涂催化層來降低PM的燃點，使PM能在較低的溫度下燃燒掉，稱為被動再生，另一種是指利用外界能量來提高DPF內的溫度，使PM著火燃燒，稱為主動再生，例如在DPF前面加裝DOC以提高排氣溫度，或者采用電加熱或進行燃油多次噴射（后噴）等。相對于POC的被動再生，DPF多采用主動再生和被動再生相結合，提高顆粒捕捉效率。微粒捕集器在正常使用時，排氣阻力會因微粒在過濾器中的沉積而增加，為保證發(fā)動機的性能損失不致過大，必須定期清除微粒，限制其最高阻力，微粒的清除即為捕集器的再生，再生是顆粒捕集器實用化的關鍵技術。

DPF對燃油中的含硫量非常敏感，要求含硫量≤50×10-6，早在國Ⅳ時期，國內很多地方的燃油標準達不到此要求，加之該系統(tǒng)價格昂貴，容易堵塞，維修養(yǎng)護成本高，因此DPF技術在我國的國Ⅳ階段基本沒有應用。

POC和DPF的比較見表6所列。

表6 POC和DPF比較

2.3 高壓共軌+ SCR

SCR又稱選擇催化還原系統(tǒng)，它的主要作用是將排氣中的NOx在貴金屬、堿金屬氧化物或沸石等催化劑的作用下還原為N2分子和水，反應適宜的溫度為285 ℃～400 ℃。催化劑的組成和活性對SCR方法的處理效率影響很大。SCR系統(tǒng)的基本工作過程是排氣從增壓器渦輪流出后進入排氣管中，同時由安裝在排氣管上的尿素噴射裝置將定量的尿素水溶液以霧狀形態(tài)噴入排氣管中，尿素液滴在高溫廢氣作用下發(fā)生水解和熱解反應，生成所需要的還原劑氨氣（NH3），NH3在催化劑的作用下將NOx有選擇性地還原為N2和水，有時為了防止多余的NH3逃逸造成二次污染，還需要在SCR催化劑后方設置促使NH3氧化成氮氣的催化劑。

2.4 3種技術路線的對比

從表7可以看出，采用高壓共軌+EGR+DOC+POC方案的成本最低，且結構簡單，使用方便，不需要添加車用尿素溶液就可正常使用，但采用的EGR會導致發(fā)動機的動力性和經濟性略為下降，因此在國內這種方案大多用在輕型柴油機上，例如云內的YN27CRD、YN33CRD、YN38CRD系列，玉柴的YC4FA-40、YC4S-48，全柴的4B1-82C40、4A1-62C43、4B2-95C4，錫柴的CA4DW83-65E4、CA4DW93-84E4及五十鈴的JE493ZLQ4等國Ⅳ發(fā)動機均采用這種方案。但鑒于POC的轉化效率不高，因此無法滿足國Ⅴ法規(guī)的需求。而高壓共軌+ SCR這套方案雖然成本高，但不需要犧牲發(fā)動機的動力性，而且對原機的改動較小，能夠滿足國Ⅴ排放法規(guī)，因此在重型柴油機及國Ⅴ階段具有相當大的市場，是目前市面上的主流技術路線，例如玉柴的YC6J-46、YC6A-40（四氣門），杭發(fā)的MC07、D10，西安康明斯ISM、濰柴WP10和WP12等機型均采用這種方案。而高壓共軌+EGR+DOC+DPF由于有著較高的成本，雖然轉化效率高，能夠滿足國Ⅴ的法規(guī)需求，但對硫特別敏感，容易硫中毒，因此在國Ⅳ階段國內基本沒有應用。

3 國Ⅴ階段技術路線

目前我國國Ⅴ技術路線大致有2種，即冷態(tài)EGR+DOC+DPF與優(yōu)化燃燒+DOC +SCR。

3.1 冷態(tài)EGR+DOC +DPF

這種技術路線是通過冷態(tài)EGR，使缸內燃燒變差，降低NOx的排放，再通過DOC和DPF對排氣中顆粒物進行凈化。除了發(fā)動機要改變結構添加EGR閥外，最為關鍵的技術是DPF系統(tǒng)。DPF由PM采集裝置、燃油噴射裝置和控制系統(tǒng)組成。當DPF內的顆粒吸附量達到一定限值時，ECU就會開啟燃油噴射系統(tǒng)向DPF噴射燃油，使DPF捕捉到的顆粒充分燃燒完成再生，這能夠有效凈化排氣中70%～90%的顆粒，是凈化柴油機顆粒物最有效、最直接的方法之一。但也存在3大難點：一是DPF技術依賴國外進口，目前我國的DPF生產都是和外企合作的，成本高。DPF標定技術主要掌握在國外公司手里。標定周期長、費用高、國內車型種類多等，對于國內企業(yè)來說都是壓力。二是DPF標定復雜。DPF技術路線標定工作非常復雜，需要整機臺架標定與整車標定技術的集成與融合，柴油機本身燃燒、再生策略、排氣溫度熱管理、機油稀釋風險、碳載荷與系統(tǒng)背壓關系標定、OBD標定等都是要突破的技術難點。這些技術在行業(yè)內都已經得到應用，但由于標定復雜，研發(fā)成本很高。三是由于DPF在使用過程中的顆粒物逐漸增加會引起的發(fā)動機排氣背壓升高，導致發(fā)動機性能下降的情況，所以要定期除去DPF內沉積的顆粒物，恢復它的過濾性能，質量不高的需要定期更換，這就要產生額外的費用，而且DPF目前單次購買價格高，使用成本又將提高。

表7 3種國Ⅳ技術路線優(yōu)缺點比較

3.2 優(yōu)化燃燒+DOC+SCR

這種路線是通過優(yōu)化噴油和燃燒過程及性能優(yōu)化標定匹配，盡量在機內控制顆粒物（PM）的產生，實現(xiàn)柴油機比較理想的裸機PM排放，在機外后處理過程，采用DOC將NO氧化成NO2，因為排氣管中尿素溶液水解的NH3與NO的反應更快，同時在氧化的過程中能夠提高排氣溫度，加快尿素溶液對NOx的催化還原反應。

SCR系統(tǒng)在國Ⅳ階段已經趨近于成熟，升級國Ⅴ排放標準只需調整一下參數(shù)，對發(fā)動機的改變不大，相對開發(fā)成本較低，市場認可度較高，使用SCR目前仍然是滿足國Ⅴ排放標準的主流技術。

3.3 2種國Ⅴ技術路線的對比

通過對比可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化燃燒+DOC+SCR系統(tǒng)的燃油經濟性好，發(fā)動機改動小，低熱量對冷卻系統(tǒng)無要求，而且SCR對燃油品質不那么敏感，可以回避國內燃油含硫量高的問題。但是，SCR系統(tǒng)箱體處理尺寸和重量大，監(jiān)控系統(tǒng)復雜，時間長了會產生結晶，整體成本較高；而冷態(tài)EGR+DOC+DPF具有顆粒轉換效率高，質量輕，體積小的優(yōu)點，但對油品要求高，燃油經濟性比SCR系統(tǒng)低，高發(fā)熱對冷卻系統(tǒng)有要求。

針對國Ⅴ發(fā)動機，各廠家的路線相對比較一致，3.5 t以上的中重型車基本還是延續(xù)國Ⅳ階段的技術路線，只是在原SCR的基礎上加裝了DOC，修改了標定數(shù)據(jù)，對發(fā)動機本體改變不大（京Ⅴ發(fā)動機需在國Ⅴ發(fā)動機的基礎上加裝DPF）；而3.5 t以下的輕型車則是采用冷態(tài)EGR+DOC+DPF與優(yōu)化燃燒+DOC+SCR兩種路線并行，這2項國Ⅴ技術路線在目前看來，SCR路線成為主流。

4 國Ⅵ技術路線展望

隨著國Ⅴ在全國范圍內的全面實施，法規(guī)預測，預計到2020年國Ⅵ排放法規(guī)將在全國范圍內實行，據(jù)《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅵ階段）》（GB 18352.6—2016）顯示，輕卡的國Ⅵa將于2020年7月開始實施，輕卡的國Ⅵb將于2023年7月開始實施，從表8和表9可以看出，輕卡的國Ⅵ限值更多的是針對降低NOx，而在重卡方面，可以從歐洲的排放限值窺探一二，NOx的排放要求從歐Ⅴ的2 g/kWh下降到歐Ⅵ的0.46 g/kWh，同比下降了77%，而PM的排放要求從歐Ⅴ的0.03 g/kWh下降到歐Ⅵ的0.01 g/kWh，同比下降了67%，同時還增加的PN限值，要求車輛必須加裝DPF。

表8 I型試驗排放限值（6a）（摘自GB 18352.6—2016）

表9 I型試驗排放限值（6b）（摘自GB 18352.6—2016）

當前，國內主流的國Ⅵ技術路線有以下3種:一種是EGR+DOC+DPF+SCR，這種技術路線開發(fā)難度適中，經濟性較好，目前是國外的主流方案，這種方法在國內也得到了廣泛的應用，例如玉柴的YC6L330-60歐Ⅵ發(fā)動機，云內的CM6D28歐Ⅵ系列柴油機，濰柴的WP2.3N、WP3N、WP4.1 N、WP4.6N、WP6.7、WP7、WP9等系列歐Ⅵ發(fā)動機均是采用這種方案；第二種是DOC+DPF+SCR+ASR，這種方案取消了EGR，通過優(yōu)化燃燒將顆粒物大量降低，再以DPF對剩余顆粒物進行轉化，使顆粒物的排放達標，但優(yōu)化燃燒導致的NOx的排放增加則需要SCR系統(tǒng)進行轉化，并且為了防止沒有反應的NH3泄漏到大氣中，采用了ASR系統(tǒng)對多余的NH3進行了處理，這種方案在玉柴的K11系列，五十鈴的JE493、JE4D28、4JJ1等系列發(fā)動機上有應用；第三種方案是DOC+DPF+HiSCR，這種方案的開發(fā)難度最低，經濟性好，但對后處理的要求較高，它通過采用更高效的SCR系統(tǒng)（即HiSCR），輔助DPF+DOC實現(xiàn)歐Ⅵ標準。所謂高效SCR，就是通過處理器控制單元更加合理地控制SCR催化劑的噴射量，使之更高效地轉化尾氣中的NOx，這種方法在濰柴的WP10、WP12、WP13系列歐Ⅵ發(fā)動機上均有應用。

隨著我國排放法規(guī)的不斷收嚴，柴油機上的排放控制技術也在不斷升級，從最初的采用電噴、電控高壓共軌、電控單體泵、增壓中冷、四氣門技術、燃燒室優(yōu)化、EGR等機內凈化技術，到后處理方面的的DOC、POC、DPF、SCR等機外凈化技術，整個排放控制技術越來越復雜，在柴油機的發(fā)展中，如何開發(fā)出更優(yōu)質的燃料，更優(yōu)化的燃燒，更少的排放甚至是混合動力柴油機將是未來發(fā)展的重點，而對于研究這些技術優(yōu)化方案、拓展新能源領域也是滿足未來排放法規(guī)升級實現(xiàn)國家綠水青山的的必經之路。