歐Ⅳ及之后中重型柴油機排放控制兩大主要技術(shù)路線對比評價

　　當今業(yè)內(nèi)眾所周知，為了滿足歐Ⅳ～歐Ⅵ排放法規(guī)，歐美中重型商用車及柴油機企業(yè)主要采用了兩條排放控制技術(shù)路線：其一是“優(yōu)化燃燒+SCR (選擇性催化還原)”技術(shù)路線，簡稱SCR路線，它是通過優(yōu)化噴油和燃燒過程，盡量在機內(nèi)控制微粒PM的產(chǎn)生，而在機外后處理過程中，采用尿素溶液對氮氧化物NOx進行選擇性催化還原，這一技術(shù)路線在歐洲占主流，歐洲長途載貨車幾乎全部采用這一方案，相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)主要有康明斯、馬克、底特律柴油機、戴姆勒-克萊斯勒、沃爾沃、達夫、依維柯等;其二是“EGR+DOC/DPF/POC (廢氣再循環(huán)+柴油氧化催化器/柴油顆粒過濾器/顆粒氧化催化器)”技術(shù)路線，其中以“EGR+DPF”應(yīng)用最廣泛，簡稱EGR+路線，它以廢氣再循環(huán)為基礎(chǔ)，在機內(nèi)抑制NOx的產(chǎn)生，在機外后處理過程中采用柴油氧化催化器、或柴油顆粒過濾器(當今主流)、或顆粒氧化催化器對PM進行氧化催化或過濾捕捉，這一技術(shù)路線在北美市場占主流(歐洲短途運輸和城市公交車也主要選擇此方案)，相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)主要有康明斯、卡特彼勒、萬國、斯堪尼亞、曼等。

　　兩種技術(shù)路線各有優(yōu)缺點，采用SCR方案，對發(fā)動機不須做進一步的強化處理;燃油中的硫含量對于系統(tǒng)的影響較小，可回避燃油含硫量高的難題，而硫含量高是中國國產(chǎn)柴油短期內(nèi)難以克服的技術(shù)問題;采用SCR方案還可通過調(diào)整噴油特性而節(jié)省燃油消耗約5%;其缺點是必須在加油站設(shè)立相關(guān)的尿素溶液補充設(shè)備，整車也需增加一套尿素貯存和轉(zhuǎn)化裝置而使成本增加。采用EGR+方案則需對原發(fā)動機進行強化，提高噴油壓力和增壓中冷能力，此外，還有DPF的再生問題、燃油含硫量要求嚴格的問題、燃油消耗增高的問題等;其優(yōu)點是不增加額外的裝置和費用，用戶只要定期更換DPF即可。

　　下面對此兩種技術(shù)路線的基本原理和發(fā)展現(xiàn)狀作一詳細對比評介。

　　1 主流技術(shù)路線之一——優(yōu)化燃燒+SCR

　　采用催化還原后處理器是降低汽車發(fā)動機NOx排放的主要技術(shù)措施之一。目前研究開發(fā)中的柴油機NOx催化還原后處理技術(shù)有：選擇性非催化還原(SNCR);選擇性催化還原(SCR);非選擇性催化還原(NSCR)等3種。這3種方法都已在治理發(fā)電廠鍋爐的NOx排放中得到了成功的應(yīng)用，對固定工況運轉(zhuǎn)的大型柴油機也有不少應(yīng)用實例。作為車用柴油機NOx后處理方法，其中SCR技術(shù)則得到了廣泛應(yīng)用并且在不斷發(fā)展中。

　　1.1 SCR的理論依據(jù)

　　SCR裝置依據(jù)NOx還原基本原理，將尿素與水以適當比例混合，噴入廢氣中，能將廢氣中的NOx還原成氮氣(N2)和水(H2O)，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

　　CO(NH2)2+2H2O=2NH3+CO2+H2O，

　　4NH3+2NO2+O2=3N2↑+6H2O，

　　4NH3+4NO+O2=4N2↑+6H2O。

　　在高溫環(huán)境中(溫度高于300℃)，再加上催化劑的作用，廢氣中的NOx能迅速與氨氣(NH3)反應(yīng)，生成N2和H2O。而柴油機的排氣溫度一般在300℃～500℃范圍內(nèi)，滿足了NOx還原所需的溫度條件。

　　1.2 SCR系統(tǒng)組成及工作原理

　　SCR催化還原系統(tǒng)組成及工作原理如圖1所示，計量器在收到控制中心的指令后，從尿素水溶液罐中提取一定量的尿素液與壓縮空氣混合形成初步霧化的尿素霧并通往噴槍，多余的尿素液返回尿素罐。噴槍將尿素霧噴入發(fā)動機排氣管。在排氣管的混合區(qū)，尿素已分解成NH3和H2O并與廢氣充分混合，然后進入SCR反應(yīng)裝置。

　　圖1：SCR催化還原系統(tǒng)組成及工作原理圖

　　SCR裝置的催化劑作用使NH3迅速還原為N2和H2O，隨煙氣排入大氣。在SCR中設(shè)有兩層由一塊塊催化磚整齊排列的催化層。催化磚是將催化劑拌入耐溫材料中，做成有透氣小孔的磚塊，保證排氣流通順暢，盡量減少阻力，降低排氣背壓。同時又擴大了流通面積，保證混有NH3的廢氣在通過催化層時，能更多地接觸到催化劑，使排氣中的NOx得到充分還原。

　　在有些SCR裝置中，每個催化層都設(shè)有壓縮空氣吹洗管，定時排出壓縮空氣，將附著在催化磚中的塵土及煙灰吹走，隨煙氣排至大氣。在這里，保持催化磚干凈，保證催化磚不被堵塞，使煙氣能順暢地通過催化磚，并在催化劑的作用下，使NOx被迅速還原，這幾點無疑至關(guān)重要。

　　1.3 影響SCR性能的主要因素

　　SCR作為一種正在發(fā)展中的后處理技術(shù)，雖然能使柴油機排氣污染物大幅度地降低，但它也受多個方面因素的影響，使其性能還不夠穩(wěn)定，必須加以改進研究。

　　(1)溫度的影響

　　SCR還原反應(yīng)過程中必須有O2存在并且有適宜的溫度。溫度過高時，NH3可能自行燃燒而不與NOx起反應(yīng);溫度太低，則反應(yīng)速度可能太慢，由此產(chǎn)生的冷凝還將損壞催化劑。

　　(2)柴油品質(zhì)的影響

　　柴油品質(zhì)的好壞也間接影響了SCR的工作效能。柴油中的硫含量將會使裝置里的催化劑中毒，進而使SCR的工作效率大大降低。所以，燃油品質(zhì)的提高與SCR的廣泛使用有著密切的聯(lián)系。

　　(3)PM及粉塵的影響

　　柴油機排放物中的一個主要污染成分就是PM。如果過多的PM堆積在催化器中就會使排氣不暢通，增加阻力，混合氣不能充分與催化劑接觸，裝置的效率將會大大降低。因此，如果在SCR裝置進行催化還原反應(yīng)前，先讓排氣通過顆粒過濾器DPF，既可以降低柴油機PM的排放，同時也解決了SCR中PM粉塵的影響，當然，這樣做，成本將會大大增加。

　　SCR技術(shù)是一種能有效降低車用柴油機NOx排放的機外控制措施，在國外已進入實用階段數(shù)年。但是，SCR作為一種新近發(fā)展的后處理技術(shù)，由于初期投資高、操作和保養(yǎng)費用高、需要加一套較復(fù)雜的調(diào)節(jié)尿素霧噴射量的控制系統(tǒng)等原因，在我國車用柴油機上還沒有得到大范圍的應(yīng)用推廣。而且SCR技術(shù)還受到溫度、柴油品質(zhì)、PM等諸多因素的影響，因此對SCR技術(shù)的進一步開發(fā)研究也顯得尤為重要。隨著SCR技術(shù)的日趨成熟和我國國Ⅳ排放法規(guī)的實施，相信SCR技術(shù)在我國很快會得到廣泛應(yīng)用。

　　1.4 SCR技術(shù)應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)

　　如上所述，SCR技術(shù)路線在歐洲采用較多，故又簡稱歐洲路線。目前歐洲市面上銷售的尿素溶液(AdBlue)，它無毒、潔凈、無氣味、不易著火、無爆炸危險，但有一點點腐蝕性，必須使用特殊的儲存容器。

　　實踐證明，這種技術(shù)方案的發(fā)動機燃油消耗率比較低，油耗可節(jié)省5%～7%，若扣除因尿素所增加的費用，還將有節(jié)油2%～3%的優(yōu)勢。此外，這一路線對于燃油品質(zhì)相對不敏感，戴姆勒-克萊斯勒公司稱即使采用含硫量350ppm以上的歐Ⅲ燃油也可以滿足要求。

　　至今為止，從歐洲的使用情況看，采用SCR路線主要面臨以下幾大挑戰(zhàn)：

　　(1)SCR裝置本身不僅要增加約150～300kg的質(zhì)量，另外還要增加1個AdBlue溶液箱。按100L尿素溶液運行7000km計算，一輛汽車損失的有效載荷在400kg左右。SCR系統(tǒng)中的尿素劑量最終由發(fā)動機管理系統(tǒng)控制，尿素的噴入量必須要與NOx的濃度相匹配，在保證降低NOx的同時，不能超過份量。尿素的噴入量過少，則達不到應(yīng)有的處理水平，尿素的噴入量過多，則會使多余的氨氣排入大氣，導(dǎo)致新的污染。所以，必須有高靈敏度的NOx濃度傳感器以及相應(yīng)的高精度尿素噴射裝置。而且尿素消耗較快，定期添加尿素的責任也必須由用戶來完成，這就加大了裝置的復(fù)雜性和保養(yǎng)的難度，而且這種裝置的價格也是較為昂貴的。目前歐洲市場每L尿素溶液現(xiàn)價為0.40歐元，每L柴油現(xiàn)價為0.42歐元，大致相當。

　　(2)SCR作為先進的后處理技術(shù)，系統(tǒng)成本鉸高(對中重型車而言，大約是車輛成本的3%～5%)，故初期投資高，且操作和保養(yǎng)費用也高，還需要加一套較復(fù)雜的調(diào)節(jié)還原劑噴射量的控制系統(tǒng)。

　　(3)SCR路線要求行駛區(qū)域內(nèi)對尿素的供應(yīng)，并需要車載診斷(OBD)，同時要求車輛使用者有較高的環(huán)保意識，自覺及時地添加尿素。

　　(4)在溫度較低(-11℃以下)的情況下，尿素-水溶液會結(jié)冰，這使其在寒冷地區(qū)的推廣使用受到限制，不過，現(xiàn)已可以通過尿素計量系統(tǒng)的適當加熱措施來解決。

　　總之，在SCR技術(shù)路線的應(yīng)用方面，目前歐洲已經(jīng)基本解決尿素的儲存、注入和噴射策略等技術(shù)問題，其使用耐久性好，已有數(shù)年在柴油機上應(yīng)用的經(jīng)驗，但還需進一步解決降低SCR裝置成本以及尿素加注站的布局等問題。隨著對SCR技術(shù)的開發(fā)研究深入和排放法規(guī)的日趨嚴格，相信SCR技術(shù)在我國很快會得到推廣。

　　2 主流技術(shù)路線之二——EGR+

　　2.1 EGR技術(shù)

　　EGR——廢氣再循環(huán)技術(shù)，能夠有效降低發(fā)動機NOx排放，現(xiàn)已成為汽車發(fā)動機必不可少的排放控制措施之一。國外早在20世紀70年代就開始了EGR技術(shù)的研究，并率先在汽油機上應(yīng)用，取得了很好的效果，90年代后EGR技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于柴油機。我國目前對EGR技術(shù)的應(yīng)用研究尚處于起步階段。

　　2.1.1 EGR基本原理

　　NOx的主要成分是NO以及少量的繼續(xù)氧化產(chǎn)物NO2。NO是在高溫燃燒下(大于2200K)，由分解的氧原子和氮原子發(fā)生反應(yīng)而生成的，故NO的生成量在很大程度上取決于燃燒溫度，此外還與O2的體積分數(shù)直接相關(guān)。在稀燃時，O2體積分數(shù)足夠大，NO的生成主要取決于燃燒溫度;在濃混合氣條件下，NO的生成量主要取決于O2的體積分數(shù)。所以，NO體積分數(shù)最大點應(yīng)該出現(xiàn)在混合氣略稀、火焰燃燒溫度較高的工況點。相反，燃燒溫度很高的過濃混合氣區(qū)和O2體積分數(shù)大的過稀混合氣區(qū)都不會產(chǎn)生很高的NO體積分數(shù)。

　　從NO的生成機理可以看出，為了降低發(fā)動機NO排放量，可以采取降低燃燒室峰值火焰溫度，降低NO生成階段的O2體積分數(shù)，縮短燃燒氣體在高溫下的滯留時間等3種方法。顯然，O2體積分數(shù)的下降使燃燒惡化，限制HC和CO的進一步氧化，這將導(dǎo)致發(fā)動機的熱效率下降，同時不利于HC和CO的排放。因此，提高發(fā)動機的指示指標、改善發(fā)動機HC和CO排放，與改善NOx排放之間存在著矛盾，應(yīng)綜合考慮這些因素，并給予必要的折中優(yōu)化。

　　EGR正是一種通過降低缸內(nèi)最高燃燒溫度以及缸內(nèi)混合氣中O2的體積分數(shù)，破壞NOx的生成環(huán)境，從而降低NOx排放的技術(shù)。同時，應(yīng)用EGR并不會使發(fā)動機的指示指標及HC、CO排放指標有太大的惡化。通常，EGR降低NOx排放的原理有以下3種解釋。

　　(1)比熱容論

　　在發(fā)動機的可燃混合氣中摻入一部分CO2，H2O和N2等惰性廢氣，前兩者的比熱容均高于新鮮混合氣。因此，新舊氣體混合后的工作混合氣的總熱容量也隨之增大，在氣缸內(nèi)燃料總放熱量不變的情況下，混合氣燃燒產(chǎn)生的最高燃燒溫度就會降低，降低的幅度與增加的比熱容成正比。

　　(2)稀釋論

　　EGR對NOx的影響是由于增加了混合氣中惰性氣體量，一方面使氣缸內(nèi)的O2體積分數(shù)下降;另一方面惰性分子降低了鏈式反應(yīng)的速率，使燃燒的絕熱火焰溫度降低，從而使NOx的生成量下降。

　　(3)點火或著火延遲論

　　對汽油機而言，該理論認為EGR將一定數(shù)量的排氣引入進氣管，造成進氣管真空度略下降，從而使真空提前角滯后，引起了點火延遲，而點火延遲會造成NOx的下降。對柴油機而言，EGR系統(tǒng)改變了混合氣的組分，因而延長了著火延遲，從而降低了缸內(nèi)最高燃燒溫度，促使NOx排放下降。

　　2.1.2 EGR系統(tǒng)的分類

　　EGR系統(tǒng)一般可通過內(nèi)部EGR和外部EGR兩種方式來實現(xiàn)循環(huán)。

　　內(nèi)部EGR是區(qū)別外部EGR而言的，其實質(zhì)是通過擴大氣門重疊角來實現(xiàn)的，即增大進氣門提前開啟和推遲排氣門延遲關(guān)閉或提高排氣背壓等方法來增加缸內(nèi)的殘余廢氣，參與下個循環(huán)的燃燒，從而實現(xiàn)EGR。但由于它降低了新鮮進氣充量，且妨礙了進氣慣性效應(yīng)的利用，因而要犧牲功率和燃油消耗。另外，其控制和調(diào)節(jié)沒有外部EGR方便靈活，所以應(yīng)用面不廣。

　　外部EGR就是通常所指的EGR，即將排氣管中部分廢氣經(jīng)外部管路引入進氣管參與再燃燒，從而實現(xiàn)廢氣在循環(huán)。就形式而言一般可分為機械式、電氣式和電控式，其中電控式EGR最具典型性，代表EGR技術(shù)的發(fā)展方向，下面將著重給予介紹。

　　2.1.3 典型EGR系統(tǒng)組成及功能介紹

　　圖2：典型EGR系統(tǒng)組成圖

　　如圖2，典型EGR系統(tǒng)由EGR閥、EGR冷卻器、混合腔、節(jié)流閥、一根或多根EGR管組成。根據(jù)使用需要有時包含旁通閥和節(jié)流閥，電控EGR系統(tǒng)則還包含ECU控制器。氣缸排氣經(jīng)過排氣管，通過EGR控制閥部分進入EGR系統(tǒng)，高溫氣體經(jīng)過EGR冷卻器，最終到達混合腔與新鮮空氣混合進入氣缸。在某些特定工況下，部分循環(huán)廢氣可以不經(jīng)過EGR冷卻器，而直接由旁通閥進入混合腔。

　　ECU則是系統(tǒng)的控制中心，它根據(jù)各傳感器送來的信號，計算廢氣回流量，實時控制EGR電磁閥的開度。相對其他形式的EGR系統(tǒng)，電控EGR具有動態(tài)響應(yīng)好，調(diào)節(jié)精度高，排氣回流量大以及結(jié)構(gòu)相對簡單等優(yōu)點。因此，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電控式EGR系統(tǒng)得到了日益廣泛的應(yīng)用。

　　研究還表明，帶中冷器的EGR系統(tǒng)通過降低循環(huán)廢氣的溫度，降低了發(fā)動機的進氣溫度和燃燒峰值溫度，從而能夠更加有效地降低NOx的排放。與此同時，較低的進氣溫度提高了進氣密度和進氣充量，有利于改善發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。

　　2.1.4 EGR對柴油機燃燒性能的影響。

　　(1)EGR對燃油霧化過程的影響

　　EGR改變了進氣充量的密度和組分，從而改變了噴油始點缸內(nèi)的熱力學(xué)條件和流動條件，進而影響燃油的霧化過程。雖然存在分歧，但一般認為，油束貫穿距離隨EGR率的增大而略微提高，而油束錐角的變化則視具體情況而定，不能下一簡單結(jié)論。

　　(2)EGR對著火點和燃燒溫度的影響

　　較大的EGR率使柴油機的著火點分布更為廣泛，更接近燃燒室壁，且數(shù)量更多，這直接導(dǎo)致了燃燒高溫區(qū)域更加細碎，從而降低了缸內(nèi)最高燃燒溫度，因此有利于改善NOx的排放。

　　(3)EGR對燃燒放熱規(guī)律的影響

　　EGR系統(tǒng)改變了混合氣的組分，使混合氣中含有更多的CO2和水蒸氣，降低了O2的含量，因而延長了著火延遲，給油束更多的貫穿時間，自燃點更加靠近缸壁。這同時意味著燃油與O2有更充裕的混合時間，預(yù)混合燃油量可能增加，降低了碳煙的生成，因為碳煙的生成主要集中在隨后的擴散燃燒階段。但O2含量的降低會減輕預(yù)混燃燒的強度，在某種程度上抵消了預(yù)混合燃油量增加帶來的效應(yīng)。

　　2.1.5 應(yīng)用EGR技術(shù)亟需解決的幾個問題

　　(1)若EGR率控制不當，可能造成發(fā)動機HC和CO排放增加，燃油經(jīng)濟性惡化。低負荷時EGR將影響發(fā)動機工作穩(wěn)定性，高負荷時EGR將影響發(fā)動機的動力性。

　　(2)由于缸內(nèi)固體顆粒數(shù)量的劇增，EGR還可能造成發(fā)動機活塞環(huán)和氣缸套等部件的磨損加劇，影響發(fā)動機的壽命。

　　(3)EGR廢氣溫度過高，影響發(fā)動機的充氣效率，若采用EGR冷卻循環(huán)，會增加冷卻系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

　　(4)各缸EGR分配均勻性和瞬態(tài)響應(yīng)性難以兼顧。

　　NOx是車用發(fā)動機廢氣排放中主要的污染物之一，危害極大，且不易控制。EGR技術(shù)是目前最有效實用的發(fā)動機機內(nèi)控制措施之一，但也會給發(fā)動機帶來一些不良的影響，如可能導(dǎo)致燃油消耗率和PM排放上升。因此，必須對各工況點的EGR率進行優(yōu)化。

　　在歐美國家，EGR技術(shù)已是一種成熟的技術(shù)，在車用發(fā)動機上得到廣泛應(yīng)用。隨著我國排放法規(guī)與世界逐步接軌，我國發(fā)動機企業(yè)應(yīng)加快、加強對EGR技術(shù)的應(yīng)用研究。

　　2.2 “EGR + ”路線的形成及發(fā)展

　　2.2.1 EGR需要后處理系統(tǒng)以降低PM排放

　　許多實際應(yīng)用已經(jīng)證明EGR可以有效降低NOx排放，并可實現(xiàn)歐IV以上法規(guī)，但是EGR在降低NOx排放的同時會增加PM排放。供油提前角和EGR都對柴油機的NOx排放和PM排放有較大的影響。減小供油提前角，可以使NOx排放降低，但會使PM排放和燃油消耗率增加;而采用EGR，使廢氣與進氣混合可以降低缸內(nèi)氧氣濃度，從而在燃燒過程中降低氣體最高溫度的同時降低NOx排放，但會使PM排放增加。與減小供油提前角相比，采用EGR時燃油消耗率變化不大，所以在采用機內(nèi)降低NOx排放的措施時通常首選EGR技術(shù)。

　　EGR可有效地降低NOx排放，但隨著EGR率的增加，缸內(nèi)較低的氧氣濃度將會增加PM的排放，并使發(fā)動機的排氣煙度增加，所以為達到歐Ⅳ及之后排放法規(guī)限值，除EGR率要精確控制外，同時還需配合使用PM后處理器，如柴油顆粒過濾器，又稱柴油顆粒捕捉器(DPF);顆粒氧化催化器(POC);柴油氧化催化器(DOC)等。而這種“EGR+PM后處理器”的技術(shù)方案通常被統(tǒng)稱為“EGR+”技術(shù)路線。

　　2.2.2 PM后處理器的種類

　　為了滿足日益嚴格的PM排放法規(guī)要求，汽車制造商們開發(fā)出了柴油顆粒捕捉器(DPF)、顆粒氧化催化器(POC，又稱為分流式過濾器)和柴油氧化催化器(DOC)等PM后處理技術(shù)。下面就這些技術(shù)分別進行介紹。

　　(1)柴油氧化催化器DOC(Diesel Oxidation Catalysts)

　　DOC可以降低PM排放25-50%，降低HC和CO排放60%以上,柴油氧化催化器中的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

　　2CO+O2=2CO2

　　2C3H6+9O2=6CO2+6H2O

　　C2H4+3O2=2CO2+2H2O

　　HCHO+O2=CO2+H2O

　　實際上，氧化催化器是最原始種類的自動催化器，從20世紀70年代中期開始用于汽油轎車上，直到被三元催化器所取代。時至今日，柴油氧化催化器(DOC)仍然是柴油發(fā)動機的一鐘重要PM減排技術(shù)，因為柴油機尾氣中高的氧氣含量無法使用三元催化器。氧化催化器將碳氫化合物(HC)和一氧化碳(CO)轉(zhuǎn)換成二氧化碳(CO2)和水，但是對氮氧化物(NOx)排放幾乎沒有影響。DOC也可以通過氧化吸附在碳顆粒上的碳氫化合物來降低柴油顆粒物PM排放的質(zhì)量(但不是顆粒數(shù)量)。PM排放降低的程度主要由顆粒中可溶性有機物(Soluble Organic Fraction–SOF)(圖3)的比例決定。去除這些SOF十分重要，因為顆粒排放中的這部分含有大量的有毒化學(xué)成分，專家擔心這些毒物有損健康。

　　圖3：DOC過濾PM中的可溶性有機物

　　DOC里的載體孔道暢通，則尾氣可以很順暢地通過孔道。也出現(xiàn)過DOC孔道堵塞的特殊情況，但都與發(fā)動機工作不正常有關(guān)。在過去十幾年里，世界各地許多車輛都安裝了柴油氧化催化器，它被證明是柴油機PM減排的經(jīng)濟解決方案。

　　催化器的免維修性能以及發(fā)動機的壽命是重要的參考指標，對于實行柴油機翻新改造的國家尤為看重。在排氣系統(tǒng)里安裝柴油氧化催化器是非常容易而快捷的，車輛很快就能正常行駛。即使是一個小小的維修間都可以完成安裝柴油氧化催化器的任務(wù)，而不需要借助其他特殊的工具或電動設(shè)備。通常，所需的安裝時間和更換一個排氣管所需時間差不多，甚至還要更短。

　　(2)柴油顆粒過濾器DPF(Diesel Particle Filter)

　　柴油顆粒過濾器DPF是一種陶瓷件，用來從發(fā)動機尾氣中捕捉顆粒物質(zhì)。在發(fā)動機尾氣處在高溫情況下，這些被捕捉的顆粒在顆粒過濾器中被燃燒掉，生成二氧化碳排放到空氣中。在發(fā)動機排氣溫度低的情況下，需要增加催化器來實現(xiàn)再生。

　　不過，DPF也潛伏著危險：一方面燃料中的硫會使顆粒過濾系統(tǒng)中毒失效;另一方面，廢氣中含有的灰分會逐漸地堵塞捕集器，增加排氣背壓，使油耗惡化。因此，有時在DPF的上游增加一個氧化催化轉(zhuǎn)換器(DOC)，其基質(zhì)用貴金屬如白金涂層，就能夠改進再生過程的效率，還將進一步降低HC的排放。在某些發(fā)動機上也有單獨用DPF或DOC來轉(zhuǎn)化PM的。

　　柴油顆粒過濾器DPF的分類有兩種：一是按再生種類，通常分為主動再生過濾器和被動再生過濾器。被動再生DPF工作時不需要任何能量輸入，只需要從發(fā)動機排出來的尾氣所攜帶的熱量即可。主動再生過濾器需要一個附加系統(tǒng)來往尾氣中增加能量以便提高尾氣溫度。被動再生過濾器的應(yīng)用成本低，但是應(yīng)用范圍較窄，而主動再生過濾器可以用于所有柴油機上。二是按有無催化分類，通常分為無催化型過濾器和有催化型過濾器，無催化型DPF一般需要采用主動再生技術(shù)，而有催化型DPF可以是被動再生，也可以是主動再生。目前市面上應(yīng)用最多的主要有被動帶催化型顆粒過濾器和主動無催化型顆粒過濾器兩種。

　　a)被動帶催化型柴油顆粒過濾器PDPF(Passive Diesel Particle Filter)

　　PDPF可以降低PM排放85%左右，可以降低HC和CO排放60-90%。

　　主動和被動顆粒過濾器的大部分部件都可以通用，但是也有一些關(guān)鍵差別。PDPF將一個氧化催化器與多孔陶瓷、燒結(jié)金屬材料或者金剛砂過濾器一起集成到一個類似于消音器排氣管的金屬容器中。

　　PDPF有很多種類設(shè)計，典型的有兩類：一是采用一個單獨的流通式(flow-through)催化器芯(實際上就是一個DOC)與一個非催化過濾器串聯(lián);二是采用將催化劑直接涂到過濾器中的方式。不管哪種方式，PDPF外形就像一個典型的消音器。

　　尾氣中的氣態(tài)部分從過濾器的多孔墻壁流過，而固態(tài)PM顆粒被墻體捕捉。在常規(guī)的柴油機排氣溫度下，催化器可以促進被捕捉到的顆粒的氧化，生成氣態(tài)二氧化碳和水排到空氣中。催化器也可以氧化尾氣中氣態(tài)的VOC和CO，就像典型DOC或者直通式過濾器FTF(flow-through filter)。

　　PDPF需要尾氣的最低溫度為250-290℃，在此溫度下需要大約35%的時間來氧化所捕捉到的顆粒物。這在大多數(shù)的車用發(fā)動機上很容易實現(xiàn)，但是在一些特定的發(fā)動機和負荷循環(huán)下，發(fā)動機的尾氣溫度不足以讓PDPF有效工作。通常，PDPF用于柴油發(fā)動機大部分時間處于高負荷的汽車上。

　　b) 主動無催化型柴油顆粒過濾器ADPF(Active Diesel Particle Filter)

　　ADPF可以降低PM排放85%左右，可以降低HC和CO排放10-20%。

　　ADPF也是采用一個多孔的過濾器來捕捉尾氣中的顆粒。但是，為了適應(yīng)更寬的負荷循環(huán)條件，ADPF還采用了一個主動系統(tǒng)來提高過濾器內(nèi)部溫度。

　　提高過濾器溫度的最常用方法是往尾氣流中噴射額外數(shù)量燃料，噴射點在發(fā)動機排氣歧管后面和過濾器前面。當這些燃料燃燒時，尾氣的溫度就升高了。

　　目前已經(jīng)有一種實現(xiàn)商用的ADPF，這種裝置將一個電加熱單元置入過濾器中，當汽車行駛時，過濾器連續(xù)捕捉PM。晚上駐車時，駕駛員必須將電加熱單元的插頭接到電源上，用電產(chǎn)生足夠的熱量，在幾個小時內(nèi)將搜集到的顆粒燒掉。

　　由于這種技術(shù)提高了尾氣溫度，ADPF可以應(yīng)用于更多用途的發(fā)動機和更廣的負荷循環(huán)。

　　(3)顆粒氧化催化器POC(Particulate Oxidation Catalysts)

　　POC又稱分流式過濾器(Partial Flow Filter)，可以降低PM排放50-70%，可以降低HC和CO排放60%以上。

　　POC是一種沒有堵塞現(xiàn)象的柴油顆粒過濾器，可以在比傳統(tǒng)柴油顆粒過濾器背壓更低的前提下，高效地降低柴油顆粒物質(zhì)排放。這種技術(shù)可以用于許多無法使用DPF的地方，如輕負荷條件和舊的柴油機。其一般要求燃料硫含量在50ppm下應(yīng)用，最好在15ppm以下。

　　柴油氧化催化器(DOC)和柴油顆粒過濾器(DPF)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，其應(yīng)用也眾所周知。然而，由于其天生的技術(shù)特性，兩種技術(shù)的應(yīng)用都有一定局限。一般典型的DOC可以應(yīng)用于幾乎所有的重型柴油機，并且可以降低20-30%的顆粒物質(zhì)量，但不能明顯降低顆粒物的個數(shù)。另一方面，DPF可以有效地降低顆粒物排放：質(zhì)量的90%以上，數(shù)量的99%以上。不幸的是，被動再生DPF應(yīng)用受到局限，因為該類過濾器的再生受限于發(fā)動機排出的尾氣中NOx與PM的比例以及尾氣溫度。由于這個原因，被動DPF不能廣泛地用于舊的未達標發(fā)動機。這就產(chǎn)生了一個技術(shù)空白。

　　分流式過濾器POC正好填補了這一空白。這種裝置將DOC與一種獨特的過濾技術(shù)合二為一，可以將PM排放降低77%。這一技術(shù)同時具有直通式(flow through)催化涂層的優(yōu)點和壁流式(wall flow)過濾器的優(yōu)點，將發(fā)動機排出尾氣中的一部分PM捕捉起來，而沒有必要全部捕捉，因此，可以實現(xiàn)降低PM排放而不造成過濾器堵塞。由于該技術(shù)的直通(flow through)特點，故盡管超過過濾器能力的多余PM沒有被捕捉到，但因尾氣可以連續(xù)地流動而不會明顯地增加過濾器背壓。這種系統(tǒng)也可應(yīng)用于被動DPF前來氧化一部分PM，從而使得該被動再生系統(tǒng)效率更高。除此之外，該過濾器不會積累大量的潤滑油灰燼(Ash)，這一優(yōu)點可以延長過濾器的定期灰燼(Ash)清潔維護周期。

　　2.2.3 “EGR + ”路線的幾種后處理解決方案

　　(1)EGR+DOC方案

　　即冷卻EGR加上柴油氧化催化轉(zhuǎn)換器DOC的技術(shù)方案。在歐洲，斯堪尼亞在滿足歐IV排放標準技術(shù)路線時采用了這一方案。而曼的歐V款4.6L和7L發(fā)動機采用的EGR+Oxi-Kat方案中的Oxi-Kat實際上就是DOC，用它取代歐IV款發(fā)動機所用的PM-Kat，這是因為曼的歐V發(fā)動機采用了更高的燃油噴射壓力和復(fù)雜的渦輪增壓技術(shù)，使得PM排放在發(fā)動機內(nèi)部得到降低，只需要用一個氧化催化器輔助降低NOx和其他排放即可。該方案需要燃油噴射壓力超過2200bar，需要優(yōu)化燃燒室，采用高級燃燒技術(shù)。

　　(2) EGR(+DOC)+DPF方案

　　此方案通常有冷卻EGR加上主動再生和被動再生顆粒過濾器DPF的兩種技術(shù)方案。EGR(+DOC)+ADPF典型的應(yīng)用實例有：美國Navistar公司的Maxxforce發(fā)動機，在滿足EPA2007和EPA2010排放標準時都采用EGR+DOC+ADPF方案;美國康明斯在滿足EPA2007法規(guī)時也采用了這一方案。

　　EGR(+DOC)+PDPF在1999年首次使用，因過濾器內(nèi)的催化劑促進了再生，而DOC則降低了CO、HC和NOx排放，故這一方案擴大了被動再生系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。單獨采用PDPF的技術(shù)解決方案也是當今很多OEM的做法，其可以大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

　　總體來看，美國重型車制造商在滿足EPA2007排放法規(guī)時幾乎都采用EGR+DPF路線(圖4)，除了上面提到的兩家外，還有如Mack卡車、沃爾沃北美、FREIGHTLINER/DDC和卡特彼勒都是如此。

　　圖4：EGR(+DOC)+DPF方案原理圖

　　在曼的EEV客車發(fā)動機系列中，我們還可以見到一種名為EGR+CRT的排放控制技術(shù)，CRT為英文Continuously Regenerating Trap System，對應(yīng)中文應(yīng)為連續(xù)再生顆粒捕捉系統(tǒng)。CRT實際上就是一種被動再生顆粒過濾器，即前面提到的PDPF。它是由一家EmiNOx公司生產(chǎn)的。CRT原理如下：

　　CRT采用一種專利技術(shù)，也就是顆粒PM在大約250℃時會與NOx反應(yīng)(相對應(yīng)的是，與氧氣反應(yīng)溫度要高達600℃)，如此低的溫度正好與柴油機低負荷排氣溫度相吻合。CRT由兩部分構(gòu)成，一個高活性的鉑金氧化催化器安裝在前腔，一個超細的壁流式陶瓷過濾器位于后腔。

　　當發(fā)動機尾氣進入前腔時，一個擴散盤將其均勻地分流到催化器的各個通道里，通道中的鉑金氧化催化器將CO和HC氧化成二氧化碳和水，從而將尾氣中的HC和CO除掉。催化器也將部分NO氧化成NO2，這是CRT將捕捉到的顆粒PM氧化掉的關(guān)鍵。

　　后腔中的壁流式過濾器將尾氣中的顆粒捕捉起來，這些被捕捉到的顆粒被NO2氧化，并從尾氣中去除。這種CRT系統(tǒng)可以降低90%以上的顆粒物、碳氫化合物和一氧化碳排放，NOx排放降低約為5-10%。

　　CRT系統(tǒng)也需要定期維護，在正常使用條件下，其維護間隔取決于過濾器中PM和灰燼(ASH)積累的程度，其中灰燼(ASH)是由于潤滑油燃燒形成的無法燃燒的殘余物，隨著Ash和PM的積累，過濾器的背壓增加，所以監(jiān)控CRT的背壓是了解系統(tǒng)運行的關(guān)鍵。為了保證系統(tǒng)正常運行，該系統(tǒng)配有電子保養(yǎng)指示器(Electronic Service Indicator)。根據(jù)實際工況不同，這種系統(tǒng)的保養(yǎng)期也不同。

　　另外，如果采用EGR(+DOC)+DPF這一技術(shù)路線從歐Ⅲ過渡到歐IV，發(fā)動機一般需要進行以下改動：1)提高EGR性能，發(fā)動機全負荷運行時EGR率須達到15%以上;2)汽車冷卻系統(tǒng)需要改進;3)最高爆發(fā)壓力增加高達190-195bar，須對發(fā)動機強化;4)燃油噴射壓力須提高至1800bar以上。

　　其次，EGR(+DOC)+DPF方案不適合頻繁停車起動操作，因為此時發(fā)動機排溫不可能達到300℃，廢氣中的黑煙無法在顆粒過濾器中燃燒，同時還存在過濾器堵塞的危險。它更適合發(fā)動機排氣溫度高而且比較穩(wěn)定的長途運輸使用。

　　最后，為使EGR更有效，EGR冷卻系統(tǒng)和散熱器必須比普通的大很多，甚至大于路線1中尿素箱的尺寸，可目前大多數(shù)發(fā)動機為了減少噪聲不斷進行空間壓縮，這增加了冷卻問題的解決難度。同時試驗表明在歐Ⅳ發(fā)動機中使用EGR的燃油效率不如SCR。而且這種路線對燃油品質(zhì)的要求更高，要求硫含量達到低于50×10-6的水平，理想情況要求達到10×10-6～15×10-6的水平，這對于我國的石油工業(yè)要在短期內(nèi)達到顯然不太現(xiàn)實。另外，如果要在柴油機上實現(xiàn)微粒捕集器的再生，一般需要附加能源，例如用燃燒器加熱、電阻加熱或微波加熱，這些也在一定程度上增加了這一路線的油耗和系統(tǒng)成本。

　　正因為這些原因，目前我國許多生產(chǎn)廠商反對采用EGR(+DOC)+DPF方案。當然，這并不意味著今后也不會采用。

　　(3)EGR(+DOC)+POC方案

　　冷卻EGR加上分流過濾器POC也是一種常見的方案。在歐洲，曼已經(jīng)采用這一技術(shù)路線。其特點是：1)顆粒物排放控制效率50%以上;2)該系統(tǒng)是完全被動再生系統(tǒng)，不需要強制再生，不需要ECU控制，也不需要附加裝置;3)對煙灰不敏感，發(fā)動機產(chǎn)生的煙灰可以直接從POC中通過。

　　曼的所有歐IV發(fā)動機和多數(shù)歐V發(fā)動機都采用這一方案，曼稱之為EGR+PM-Kat方案。PM-Kat實際上就是將DOC與POC集于一體而已