江蘇汽車技師學院 夏宗寶，彭幸玲

1 重型柴油車的國六排放標準

隨著國家“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”的實施，環(huán)保升級“迫在眉睫”，柴油車排放標準升級如同箭在弦上。2018年7月3日，生態(tài)環(huán)境部刊發(fā)“關(guān)于發(fā)布國家污染物排放標準《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 17691—2018）的公告”（以下簡稱“新國標”），宣布自2021年7月1日起，所有生產(chǎn)、進口、銷售和注冊登記的重型柴油車應符合本標準要求。之后，北京、天津、河北、山東、河南、廣東等6省市相繼宣布將于2019年7月1日提前實施國六排放標準。對于重型車而言，無論是壓燃式還是氣體點燃式柴油機，要想滿足史上最嚴苛的國六排放標準，都必須在發(fā)動機后處理上進行大規(guī)模的技術(shù)升級。新國標中的發(fā)動機標準循環(huán)排放限值見表1所列。

柴油機穩(wěn)態(tài)工況（ESC/WHSC）下國三到國六排放標準中最主要污染物NOx與PM限值的主要變化是：氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）排放限值和國五相比分別提高了77%和67%，增加了粒子數(shù)量（PN）排放限值要求；變更了污染物排放測試循環(huán)，發(fā)動機測試工況從歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)（ESC）和歐洲瞬態(tài)循環(huán)（ETC）改為更具有代表性的世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)循環(huán)（WHSC）和世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)（WHTC）。

2 柴油機排放后處理系統(tǒng)的含義及發(fā)展

新國標中對柴油機排放后處理系統(tǒng)的定義為：催化器（氧化型催化器、三元催化轉(zhuǎn)換器及任何氣體催化器）、顆粒捕集器，除氮氧系統(tǒng)、組合式降氮氧系統(tǒng)的顆粒捕集器，以及其他各種安裝在發(fā)動機下游的削減污染物的裝置。

通常為了降低重型柴油車氣態(tài)污染物和顆粒污染物的排放，一般會采用以下兩種方式：一是利用發(fā)動機機內(nèi)凈化從根源上減少污染物的產(chǎn)生；二是通過增加后處理系統(tǒng)盡可能地將產(chǎn)生的污染物通過化學反應消除掉。

對采用清潔高效的缸內(nèi)燃燒控制技術(shù)，減少發(fā)動機的原始污染物排放是發(fā)動機開發(fā)工作中最重要、最基本的工作。利用發(fā)動機機內(nèi)凈化可以有效控制顆粒物的排放，能滿足國三排放法規(guī)。要滿足國四、國五排放法規(guī)，必須采用后處理技術(shù)，主要通過采用選擇性催化還原技術(shù)（SCR）利用尿素溶液對尾氣中的氮氧化物進行處理。到了國六階段，需要多種技術(shù)共同配合，是對發(fā)動機和后處理系統(tǒng)的再一次革命，發(fā)動機本體再次發(fā)生變化，需要引入渦輪增壓和更高的壓力共軌系統(tǒng)，后處理系統(tǒng)中還要增加柴油顆粒捕捉器（DPF）來降低懸浮顆粒個數(shù)等，雖然各廠商技術(shù)路線出現(xiàn)分化，但 SCR+DPF成為標配。

表1 發(fā)動機標準循環(huán)排放限值

3 國六標準重型柴油車排放主流后處理技術(shù)路線

目前，主流的國六標準重型柴油車排放后處理技術(shù)路線是：氧化型催化轉(zhuǎn)化器（DOC）+柴油顆粒捕捉器（DPF）+選擇性催化還原轉(zhuǎn)化器（SCR）+氨逃逸催化器（ASC），詳細分析如下。

（1）氧化型催化轉(zhuǎn)化器（DOC）。DOC主要用來降低廢氣中碳氫化合物（HC）和一氧化碳（CO）的含量。通過在DOC內(nèi)使用氧化催化劑（貴金屬涂層，如鉑、鈀等組成），加速一氧化碳（CO）和碳氫化合物（HC）在此完成氧化反應，生成二氧化碳（CO2）和水（H2O）。并促使氮氧化物（NOx）中的一氧化氮（NO）和氧氣（O2）反應生成二氧化氮（NO2），并釋放熱量。國六柴油機配備DOC的原因一方面是國六標準對CO和HC排放要求更加嚴格；另一方面國六標準對NOx原排（后處理器前濃度）就有要求，將NOx原排降下來，CO和HC排放就會高些，而且通過DOC的內(nèi)部反應提升排氣溫度，促進下游DPF和SCR的反應。匹配DPF的DOC的可處理95%的CO、處理80%左右的HC和處理PM中80%以上的SOF（可溶性有機物），DOC結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氧化型催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)示意

如果柴油中的硫含量過高，會使硫和水反應生成硫酸或亞硫酸，造成DOC損壞。

（2）柴油顆粒捕捉器（DPF）。DPF主要用來降低尾氣中顆粒物（PM）的含量，其作用簡單理解就是將大小微粒物都過濾掉的裝置（圖2）。DPF是以堇青石或碳化硅為原料的一種壁流式蜂窩陶瓷，過濾式的陶瓷本體由許多細小的平行孔道所組成；這些平行的孔道之間是由通氣性的孔壁分隔，一端開放，一端堵塞，過濾器孔壁中的微孔可讓廢氣分子通過，黑煙顆粒由于粒徑比較大，而無法通過微孔，被過濾在陶瓷孔壁表面，進而達到消除黑煙的效果。同時，可溶性有機成分SOF（主要是高沸點HC）也能部分被捕集。

圖2 柴油顆粒捕捉器

攔截下來的顆粒物絕大多數(shù)是可以被燒掉的碳煙，其燃燒溫度約為550 ℃～700 ℃。顆粒物在DPF上附著會使廢氣的通過性能降低，從而使發(fā)動機的排氣背壓升高，造成發(fā)動機功率下降，因此必須定時再生和更換DPF濾芯。

DPF的再生分為主動再生和被動再生。國六發(fā)動機的大負荷再生和通過熱管理系統(tǒng)對進、排氣節(jié)流控制，來提高排氣溫度，使得沉積在DPF壁面的碳煙燒掉，屬于被動再生。主動再生需要約550 ℃以上才能進行，因此主動再生需要一個額外的噴油器將柴油噴射到排氣管內(nèi)燃燒，使排氣管內(nèi)的溫度升高到DPF再生所需的溫度，像濰柴6缸重型柴油機排氣管上設(shè)有第7個燃油噴嘴，當排氣背壓達到一定限值（16 kPa左右），直接向排氣管噴入燃油（在DOC之前），燃料在DOC內(nèi)部燃燒后將排氣溫度提高到約600 ℃，通常情況下大部分顆粒物與其他沉積物都能被燒掉。?？抵匦筒裼蜋C采用各缸噴油器后噴來提高排氣溫度。當需要再生時，各缸噴油器在做功行程末端噴油，作用等同于第7個噴油嘴。

（3）選擇性催化還原轉(zhuǎn)化器（SCR）。SCR主要將發(fā)動機排氣中的氮氧化合物（NOx）轉(zhuǎn)化為氮氣和水，降低NOx排放量。在高溫環(huán)境下，尿素噴射單元向排氣管中噴射尿素水溶液（一種尿素濃度為32.5%的尿素水溶液），尿素在高溫下水解放出氨氣，氨氣在SCR催化器中與尾氣中的氮氧化物發(fā)生反應，生成氮氣和水。SCR是目前為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裝在SCR后端，通過催化氧化作用降低SCR后端排氣中泄漏出的氨。

4 結(jié)語

對于重型柴油車，目前主要的排放控制技術(shù)是DPF與SCR的組合。未來的后處理系統(tǒng)要具有超高的轉(zhuǎn)化效率、緊湊的設(shè)計、超低的購買成本和使用成本，主要方向是提高DPF再生時的燃油經(jīng)濟性和改善SCR技術(shù)的低溫特性，以及滿足SCR技術(shù)的新型催化劑和還原劑，實現(xiàn)更加清潔和經(jīng)濟的燃燒。