柴油機SCR與EGR+兩大排放控制技術(shù)路線研發(fā)生產(chǎn)和應(yīng)用成本對比分析(一)

　　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；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）。

　　兩種技術(shù)路線各有優(yōu)缺點，筆者在近期發(fā)表的“歐Ⅳ及之后中重型柴油機排放控制兩大主要技術(shù)路線對比評介”一文中有過很詳細的介紹，在此不再贅述。下面僅就兩種技術(shù)路線的研發(fā)生產(chǎn)和應(yīng)用成本進行對比分析。

　　1發(fā)動機本身

　　采用SCR技術(shù)路線的發(fā)動機，相對于原發(fā)動機，發(fā)動機結(jié)構(gòu)不需要進行任何變化就能達標。而EGR+路線，發(fā)動機結(jié)構(gòu)需要進行重新設(shè)計，主要因為EGR發(fā)動機需要較高的噴油壓力，所以需要升級燃油噴射系統(tǒng)，同時EGR發(fā)動機需要更高的散熱要求，需要增大散熱器來滿足，從這一角度來看，EGR的成本高于SCR。發(fā)動機本身的改變不但增加了前期開發(fā)成本，發(fā)動機生產(chǎn)過程中，還需要對配套供應(yīng)鏈進行重新整合，這也會增加成本。

　　2后處理系統(tǒng)

　　SCR系統(tǒng)除了開發(fā)SCR凈化技術(shù)外，還增加了尿素儲藏容器和尿素噴射系統(tǒng)，而EGR系統(tǒng)除了開發(fā)EGR凈化技術(shù)外，還需要增加DOC、DPF或者POC裝置，由此可見，兩種技術(shù)路線的后處理系統(tǒng)開發(fā)成本差別不大。對于EGR+DPF系統(tǒng)，為了有效降低背壓，有時我們還需要采用DPF主動再生系統(tǒng)，如圖表1所示，主動再生系統(tǒng)需要額外增加燃油噴射部分，所以，EGR+主動再生DPF系統(tǒng)的開發(fā)成本略高于SCR。

　　SCR系統(tǒng)的發(fā)動機體積較小，EGR系統(tǒng)的發(fā)動機體積較大，但是SCR發(fā)動機對封裝要求較高，而EGR發(fā)動機要求較低，所以，從這一方面看，兩者成本相差不大。

　　3兩種路線的升級可行性及成本

　　鑒于目前中國正在實施國Ⅲ、試行國Ⅳ（型式認證），而國Ⅴ標準即將在未來不久于全國實施，因此，面向國Ⅳ水平的發(fā)動機不得不朝著與國Ⅴ接軌的方向發(fā)展、升級。

　　3.1SCR技術(shù)

　　國Ⅲ發(fā)動機可作為向歐IV/歐V進一步發(fā)展的基礎(chǔ)機。在這個過程中，發(fā)動機主要系統(tǒng)的以下領(lǐng)域?qū)⑹侵攸c發(fā)展和考慮對象。

　?。?）燃油噴射系統(tǒng)

　　國Ⅲ基礎(chǔ)的燃油噴射系統(tǒng)采用電子控制式直接燃油噴射，噴油壓力可達到1600bar，這樣的噴油系統(tǒng)同樣能夠滿足歐Ⅳ、歐Ⅴ的排放要求。

　　通過噴油提前角的設(shè)置和軌壓的調(diào)節(jié)，可以使燃燒標定工作達到低顆粒排放和高效率燃燒水平，峰值燃燒壓力將略高于歐Ⅲ運行狀況。

　?。?）進氣系統(tǒng)

　　進氣系統(tǒng)必須應(yīng)用支持低顆粒排放的先進技術(shù)，一般包括四氣門技術(shù)，低渦流率技術(shù)以及國Ⅲ以上渦輪增壓技術(shù)。

　?。?）尾氣后處理系統(tǒng)

　　SCR后處理系統(tǒng)包括了SCR催化劑，有時還結(jié)合氧化催化劑（DOC）和氨催化劑（AMOX），以避免操作中多余氨的排放。此外，還需要一個單獨的尿素（AdBlue）供給系統(tǒng)和尿素噴射控制系統(tǒng)。

　?。?）標定策略和方法

　　對發(fā)動機原始排放的標定工作，國Ⅳ與國Ⅲ的標定策略相同，只是國Ⅳ發(fā)動機對排放要求更高。但國Ⅳ發(fā)動機要增加對后處理SCR系統(tǒng)的標定，該標定是通過調(diào)整尿素（AdBlue）噴射控制策略來實現(xiàn)的。同時要在標準要求的所有測試循環(huán)狀態(tài)下進行標定，包括穩(wěn)態(tài)循環(huán)和瞬態(tài)循環(huán)。

　　從國Ⅳ到未來的國Ⅴ（歐Ⅴ），發(fā)動機原始排放的標定策略與國Ⅳ相同，只是對后處理SCR系統(tǒng)的標定工作要求更高。

　　3.2EGR+DPF技術(shù)

　?。?）燃油噴射系統(tǒng)

　　滿足國Ⅲ標準的燃油噴射系統(tǒng)的噴射壓力一般不超過1600bar，國Ⅳ標準使用1600bar的噴油系統(tǒng)也有可能達到，而滿足未來國Ⅴ標準的燃油系統(tǒng)則需要更高級的電控噴油系統(tǒng)及更高的噴射壓力。

　　通過設(shè)置噴射正時延時，軌壓調(diào)整和EGR標定，可以控制燃燒過程以保證較低的NOx排放水平，發(fā)動機效率低于采用SCR技術(shù)的發(fā)動機。與國Ⅲ應(yīng)用情況相比，峰值燃燒壓力將會增加。

　?。?）進氣系統(tǒng)

　　滿足國Ⅲ標準無需采用EGR廢氣再循環(huán)中冷技術(shù)，滿足國Ⅳ和國Ⅴ標準需采用帶中冷的EGR技術(shù)以降低NOx排放。為使排放從國Ⅳ標準進一步提升至國Ⅴ標準，空氣系統(tǒng)需要升級，例如用可變噴嘴增壓器（VNT）技術(shù)甚至二級渦輪增壓來盡可能提高廢氣再循環(huán)率和進氣壓力。

　?。?）尾氣后處理系統(tǒng)

　　在大多數(shù)歐Ⅳ排放應(yīng)用中，大多會采用柴油機氧化催化劑（DOC）和通透式顆粒過濾器（DPF）的組合系統(tǒng)。該系統(tǒng)是被動再生，需要定期進行清潔和人工主動再生維護。同時，該系統(tǒng)對燃油中的硫敏感，硫含量不能超過50ppm。當升級到未來的國Ⅴ（歐Ⅴ）后，通透式顆粒過濾器的過濾效率已經(jīng)不能滿足要求，需要過濾效率更高的壁流式顆粒捕捉器系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時需要進行主動再生的標定。對油品中的硫含量更為敏感。

　?。?）標定策略及方法

　　滿足國Ⅳ和國Ⅴ排放法規(guī)的發(fā)動機原始排放標定需采用更加先進的標定技術(shù)。在國Ⅳ階段，大部分情況下采用通透式顆粒過濾器系統(tǒng)，因而并不需要對排放系統(tǒng)進行額外的標定工作。而到未來的國Ⅴ階段，大部分需要采用主動再生的壁流式顆粒捕捉器技術(shù)，因而需要對排放系統(tǒng)進行再生標定。再生標定工作可以通過標定發(fā)動機ECU或者標定單獨的再生控制單元來完成。發(fā)動機冷卻液的溫度控制可以通過噴油系統(tǒng)的ECU來完成，并且可能因EGR的高冷卻能力而在國Ⅴ標準實際應(yīng)用中起到相當顯著的作用。

　　3.3技術(shù)連續(xù)性與可行性

　　圖表2列舉了SCR技術(shù)和EGR+技術(shù)在歐Ⅲ、歐Ⅳ和歐Ⅴ之間的技術(shù)升級連續(xù)性和標定策略，其中七項技術(shù)不連續(xù)性的進一步解釋如下：

　?。?）增加用于降低NOx排放的尾氣后處理SCR系統(tǒng)，同時需要引進尿素（AdBlue）供給系統(tǒng)。國Ⅲ無需尾氣后處理裝置，因而沒有舊系統(tǒng)可替換。

　?。?）引進帶冷卻的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）。

　?。?）引進降低顆粒物排放的尾氣后處理DPF系統(tǒng)。國Ⅲ無需后處理，因而沒有舊系統(tǒng)可替換。

　?。?）與國Ⅲ相比，燃油系統(tǒng)具有更高的噴油壓力。

　?。?）進氣系統(tǒng)需具備提供高EGR率的能力，例如，可變渦輪幾何面積（VTG）增壓系統(tǒng)。

　?。?）將通透式被動再生的顆粒過濾器系統(tǒng)替換成壁流式主動再生顆粒捕捉系統(tǒng)。

　?。?）引進主動再生DPF的再生標定策略。

　　通過上面闡述這兩種技術(shù)路徑的連續(xù)性，可以分析這兩種技術(shù)的可靠性。相比SCR技術(shù)而言，EGR系統(tǒng)將會面臨更多的技術(shù)不連續(xù)性問題。

　　4應(yīng)用成本對比

　　4.1附加尿素成本

　　采用SCR發(fā)動機的重型車大約每行駛5000km需要加一次尿素，盡管尿素本身成本并不高，但是，我國不同于歐洲，歐洲目前已經(jīng)有6000多個尿素供應(yīng)點，而我國還沒有。所以，在我國國IV實施初期階段，采用SCR路線的汽車對于用戶來說，使用成本會較高，而便利性也會很差。對于中短途運輸?shù)闹匦蛙囈约拜^大的運輸車隊這一矛盾還不會很突出，而對于長途運輸和個體重型車用戶而言，這一問題難以解決。

　　EGR發(fā)動機就完全沒有上述問題，EGR發(fā)動機不需要添加尿素的基礎(chǔ)設(shè)施，不需要定期添加尿素，EGR發(fā)動機和SCR發(fā)動機的價格也不會有明顯的差異。從這一方面來看，EGR發(fā)動機的使用成本低于SCR。

　　4.2燃油經(jīng)濟性

　　歐洲汽車工業(yè)協(xié)會（ACEA）曾經(jīng)宣稱“SCR技術(shù)是唯一能夠同時解決滿足排放要求和燃油經(jīng)濟性要求的技術(shù)”。

　　從技術(shù)角度分析，相對于國Ⅲ發(fā)動機，SCR國Ⅳ發(fā)動機可節(jié)約燃油5%，同時消耗尿素4%-6%；而EGR+DPF國Ⅳ發(fā)動機需多消耗2%的燃油。到國Ⅴ階段，SCR發(fā)動機尿素消耗增加到5%-7%，但是燃油消耗可進一步下降到6%的降幅。而到國Ⅴ階段，EGR技術(shù)路線的尾氣后處理裝置需要進行主動再生，燃油消耗將進一步增加，預計比國Ⅲ發(fā)動機增加7%。

　?。?）歐洲汽車工業(yè)協(xié)會（ACEA）的研究結(jié)果

　　ACEA曾經(jīng)就使用不同技術(shù)的歐Ⅳ/歐Ⅴ發(fā)動機的經(jīng)濟性進行過研究，研究結(jié)果顯示，一臺總重40噸的重型汽車采用SCR后處理技術(shù)的歐Ⅳ發(fā)動機，每100km平均消耗柴油29.8L，尿素1.5L。與此相對，一臺40噸重型汽車采用EGR+DPF技術(shù)的歐Ⅳ發(fā)動機，每100km平均消耗柴油32.6L，沒有尿素消耗。

　?。?）沃爾沃的試驗結(jié)果

　　如圖表3，據(jù)沃爾沃試驗表明，要減少每份NOx(如1g/hp-hr)，SCR后處理的發(fā)動機要使用大約1.5%燃油量的尿素；例如，對于一個采用SCR系統(tǒng)的發(fā)動機，要把NOx由6g降低到1g(6-1=5g減少量)，需要噴大約7.5%燃油重量(5g×1.5%/克=7.5%)的尿素。在美國，尿素價格預計和柴油相同；因而，在上面例子中，發(fā)動機燃油經(jīng)濟性必須至少改善7.5%才能避免使用成本的負面效應(yīng)；SCR系統(tǒng)在柴油價格遠遠高于尿素價格的市場上，有很大優(yōu)勢(在北美以外國家，如歐洲)，但在北美優(yōu)勢不明顯。

　　                                                                 圖表3：2種方案與歐Ⅲ發(fā)動機相比使用成本變化（尿素按0.45歐元/L計算）

　?。?）康明斯的試驗結(jié)果

　　從美國康明斯的試驗結(jié)果來看，采用EGR技術(shù)在滿足較低排放標準時，油耗增加幅度較小，將SCR發(fā)動機消耗的尿素折合成4%-6%的油耗增加，此時，EGR發(fā)動機燃油經(jīng)濟性相對好一些。兩種技術(shù)的平臺研發(fā)成本相當，EGR開發(fā)成本略高，加上換油周期短，二者的成本相差不大。但是，當滿足歐Ⅴ（EPA2007）以上排放標準時，EGR油耗增加成本要明顯高于SCR尿素消耗，EGR的成本高于SCR。雖然如此，康明斯的經(jīng)驗表明，對于在使用超低硫清潔燃油的情況下，選用EGR系統(tǒng)對于長途運輸汽車來說是個最好的尾氣處理解決辦法。其原因是由EGR技術(shù)的特點決定的：

　　a）由于NOx排放量隨負荷增大而增大，因此廢氣回流量隨負荷增大而增大。

　　b）暖機過程中，冷卻水溫度和進氣溫度均較低，NOx排放不高。為防止廢氣回流破壞燃燒的穩(wěn)定性，一般在發(fā)動機冷卻水溫低于50℃時不進行EGR。

　　c）怠速和小負荷時，NOx排放不高，也不進行EGR。

　　d）接近全負荷時，為了保證發(fā)動機的足夠動力性能，即使NOx排放很高，也不允許EGR。

　　對于長途運輸汽車而言，發(fā)動機的負荷始終處于穩(wěn)定和非全負荷狀態(tài)，EGR技術(shù)可以完全滿足排放要求，且不用攜帶尿素。

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