欧ⅳ 排放技术对比.doc

欧欧ⅣⅣ 排放技术对比排放技术对比欧Ⅳ及之后中重型柴油机排放控制技术对比 2011-05-09 作者：辛木 来源：《汽车与配件》－《商用车与发动机》 文字大小：【大】 【中】 【小】为了满足欧Ⅳ到欧Ⅵ排放法规，欧美中重型商用车及柴油机企业主要采用了两条排放控制技术路线：其一是“优化燃烧+SCR (选择性催化还原)”技术路线，简称 SCR 路线；其二“EGR+DOC/DPF/POC(废气再循环+柴油氧化催化器/柴油颗粒过滤器/颗粒氧化催化器)”技术路线，其中以“EGR+DPF”应用最广泛，简称 EGR+路线关键字：欧Ⅳ SCR EGR 为了满足欧Ⅳ到欧Ⅵ排放法规，欧美中重型商用车及柴油机企业主要采用了两条排放控制技术路线：其一是“优化燃烧+SCR (选择性催化还原)”技术路线，简称 SCR 路线，它是通过优化喷油和燃烧过程，尽量在机内控制微粒 PM 的产生，而在机外后处理过程中，采用尿素溶液对氮氧化物NOx 进行选择性催化还原，这一技术路线在欧洲占主流，欧洲长途载货车几乎全部采用这一方案，相关生产企业主要有康明斯、马克、底特律柴油机、戴姆勒-克莱斯勒、沃尔沃、达夫、依维柯等；其二是“EGR+DOC/DPF/POC(废气再循环+柴油氧化催化器/柴油颗粒过滤器/颗粒氧化催化器)”技术路线，其中以“EGR+DPF”应用最广泛，简称 EGR+路线，它以废气再循环为基础，在机内抑制 NOx 的产生，在机外后处理过程中采用柴油氧化催化器、或柴油颗粒过滤器(当今主流)、或颗粒氧化催化器对 PM 进行氧化催化或过滤捕捉，这一技术路线在北美市场占主流(欧洲短途运输和城市公交车也主要选择此方案)，相关生产企业主要有康明斯、卡特彼勒、万国、斯堪尼亚、曼等。

两种技术路线各有优缺点，采用 SCR 方案，对发动机不须做进一步的强化处理；燃油中的硫含量对于系统的影响较小，可回避燃油含硫量高的难题，而硫含量高是中国国产柴油短期内难以克服的技术问题；采用 SCR 方案还可通过调整喷油特性而节省燃油消耗约5%；其缺点是必须在加油站设立相关的尿素溶液补充设备，整车也需增加一套尿素贮存和转化装置而使成本增加采用 EGR+方案则需对原发动机进行强化，提高喷油压力和增压中冷能力，此外，还有DPF 的再生问题、燃油含硫量要求严格的问题、燃油消耗增高的问题等；其优点是不增加额外的装置和费用，用户只要定期更换 DPF即可主流技术路线之一——优化燃烧+SCR采用催化还原后处理器是降低汽车发动机 NOx 排放的主要技术措施之一目前研究开发中的柴油机 NOx 催化还原后处理技术有：选择性非催化还原(SNCR)；选择性催化还原(SCR);非选择性催化还原(NSCR)等 3 种这 3 种方法都已在治理发电厂锅炉的 NOx 排放中得到了成功的应用，对固定工况运转的大型柴油机也有不少应用实例作为车用柴油机 NOx 后处理方法，其中 SCR 技术则得到了广泛应用并且在不断发展中SCR 装置的催化剂作用使 NH3 迅速还原为 N2 和 H2O，随烟气排入大气。

在 SCR 中设有两层由一块块催化砖整齐排列的催化层催化砖是将催化剂拌入耐温材料中，做成有透气小孔的砖块，保证排气流通顺畅，尽量减少阻力，降低排气背压同时又扩大了流通面积，保证混有 NH3 的废气在通过催化层时，能更多地接触到催化剂，使排气中的 NOx 得到充分还原在有些 SCR 装置中，每个催化层都设有压缩空气吹洗管，定时排出压缩空气，将附着在催化砖中的尘土及烟灰吹走，随烟气排至大气在这里，保持催化砖干净，保证催化砖不被堵塞，使烟气能顺畅地通过催化砖，并在催化剂的作用下，使 NOx 被迅速还原，这几点无疑至关重要1.影响 SCR 性能的主要因素(1)温度的影响SCR 还原反应过程中必须有 O2 存在并且有适宜的温度温度过高时，NH3 可能自行燃烧而不与 NOx 起反应；温度太低，则反应速度可能太慢，由此产生的冷凝还将损坏催化剂2)柴油品质的影响柴油品质的好坏也间接影响了 SCR 的工作效能柴油中的硫含量将会使装置里的催化剂中毒，进而使 SCR 的工作效率大大降低所以，燃油品质的提高与 SCR 的广泛使用有着密切的联系3)PM 及粉尘的影响柴油机排放物中的一个主要污染成分就是 PM如果过多的 PM堆积在催化器中就会使排气不畅通，增加阻力，混合气不能充分与催化剂接触，装置的效率将会大大降低。

因此，如果在 SCR 装置进行催化还原反应前，先让排气通过颗粒过滤器 DPF，既可以降低柴油机 PM 的排放，同时也解决了 SCR 中 PM 粉尘的影响，当然，这样做成本将会大大增加SCR 技术是一种能有效降低车用柴油机 NOx 排放的机外控制措施，在国外已进入实用阶段数年但是，SCR 作为一种新近发展的后处理技术，由于初期投资高、操作和保养费用高、需要加一套较复杂的调节尿素雾喷射量的控制系统等原因，在我国车用柴油机上还没有得到大范围的应用推广而且 SCR 技术还受到温度、柴油品质、PM 等诸多因素的影响，因此对 SCR 技术的进一步开发研究也显得尤为重要2.SCR 技术应用面临的主要挑战SCR 技术路线在欧洲采用较多，故又简称欧洲路线目前欧洲市面上销售的尿素溶液(AdBlue)，它无毒、洁净、无气味、不易着火、无爆炸危险，但有一点点腐蚀性，必须使用特殊的储存容器实践证明，这种技术方案的发动机燃油消耗率比较低，油耗可节省 5%~7%，若扣除因尿素所增加的费用，还将有节油 2%~3%的优势此外，这一路线对于燃油品质相对不敏感，戴姆勒-克莱斯勒公司称即使采用含硫量 350ppm 以上的欧Ⅲ燃油也可以满足要求。

至今为止，从欧洲的使用情况看，采用 SCR 路线主要面临以下几大挑战：(1)SCR 装置本身不仅要增加约 150~300kg 的质量，另外还要增加 1 个 AdBlue 溶液箱按 100L 尿素溶液运行 7000km 计算，一辆汽车损失的有效载荷在 400kg 左右SCR 系统中的尿素剂量最终由发动机管理系统控制，尿素的喷入量必须要与 NOx 的浓度相匹配，在保证降低 NOx 的同时，不能超过份量尿素的喷入量过少，则达不到应有的处理水平，尿素的喷入量过多，则会使多余的氨气排入大气，导致新的污染所以，必须有高灵敏度的 NOx 浓度传感器以及相应的高精度尿素喷射装置而且尿素消耗较快，定期添加尿素的责任也必须由用户来完成，这就加大了装置的复杂性和保养的难度，而且这种装置的价格也是较为昂贵的目前欧洲市场每升尿素溶液现价为 0.40 欧元，每升柴油现价为 0.42 欧元，大致相当2)SCR 作为先进的后处理技术，系统成本较高(对中重型车而言，大约是车辆成本的 3%~5%)，故初期投资高，且操作和保养费用也高，还需要加一套较复杂的调节还原剂喷射量的控制系统3)SCR 路线要求行驶区域内对尿素的供应，并需要车载诊断(OBD)，同时要求车辆使用者有较高的环保意识，自觉及时地添加尿素。

4)在温度较低(-11℃以下)的情况下，尿素-水溶液会结冰，这使其在寒冷地区的推广使用受到限制，不过，现已可以通过尿素计量系统的适当加热措施来解决总之，在 SCR 技术路线的应用方面，目前欧洲已经基本解决尿素的储存、注入和喷射策略等技术问题，其使用耐久性好，已有数年在柴油机上应用的经验，但还需进一步解决降低 SCR 装置成本以及尿素加注站的布局等问题随着对 SCR 技术的开发研究深入和排放法规的日趋严格，相信 SCR 技术在我国很快会得到推广主流技术路线之二——EGR+EGR——废气再循环技术，能够有效降低发动机 NOx 排放，现已成为汽车发动机必不可少的排放控制措施之一国外早在 20 世纪70 年代就开始了 EGR 技术的研究，并率先在汽油机上应用，取得了很好的效果，90 年代后 EGR 技术开始广泛应用于柴油机我国目前对 EGR 技术的应用研究尚处于起步阶段EGR 是一种通过降低缸内最高燃烧温度以及缸内混合气中 O2 的体积分数，破坏 NOx 的生成环境，从而降低 NOx 排放的技术同时，应用 EGR 并不会使发动机的指示指标及 HC、CO 排放指标有太大的恶化1.应用 EGR 技术亟需解决的几个问题(1)若 EGR 率控制不当，可能造成发动机 HC 和 CO 排放增加，燃油经济性恶化。

低负荷时 EGR 将影响发动机工作稳定性，高负荷时EGR 将影响发动机的动力性2)由于缸内固体颗粒数量的剧增，EGR 还可能造成发动机活塞环和气缸套等部件的磨损加剧，影响发动机的寿命3)EGR 废气温度过高，影响发动机的充气效率，若采用 EGR 冷却循环，会增加冷却系统和温度控制系统的复杂性4)各缸 EGR 分配均匀性和瞬态响应性难以兼顾NOx 是车用发动机废气排放中主要的污染物之一，危害极大，且不易控制EGR 技术是目前最有效实用的发动机机内控制措施之一，但也会给发动机带来一些不良的影响，如可能导致燃油消耗率和 PM 排放上升因此，必须对各工况点的 EGR 率进行优化在欧美国家，EGR 技术已是一种成熟的技术，在车用发动机上得到广泛应用随着我国排放法规与世界逐步接轨，我国发动机企业应加快、加强对 EGR 技术的应用研究EGR + ”路线的形成及发展1.EGR 需要后处理系统以降低 PM 排放EGR 可有效地降低 NOx 排放，但随着 EGR 率的增加，缸内较低的氧气浓度将会增加 PM 的排放，并使发动机的排气烟度增加，所以为达到欧Ⅳ及之后排放法规限值，除 EGR 率要精确控制外，同时还需配合使用 PM 后处理器，如柴油颗粒过滤器，又称柴油颗粒捕捉器(DPF)；颗粒氧化催化器(POC)；柴油氧化催化器(DOC)等。

而这种“EGR+PM 后处理器”的技术方案通常被统称为“EGR+”技术路线2.PM 后处理器的种类为了满足日益严格的 PM 排放法规要求，汽车制造商们开发出了柴油颗粒捕捉器(DPF)、颗粒氧化催化器(POC，又称为分流式过滤器)和柴油氧化催化器(DOC)等 PM 后处理技术下面就这些技术分别进行介绍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%以上实际上，氧化催化器是最原始种类的自动催化器，从 20 世纪70 年代中期开始用于汽油轿车上，直到被三效催化转化器所取代时至今日，柴油氧化催化器(DOC)仍然是柴油发动机的一种重要 PM减排技术，因为柴油机尾气中高的氧气含量无法使用三效催化转化器氧化催化器将碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)转换成二氧化碳(CO2)和水，但是对氮氧化物(NOx)排放几乎没有影响DOC 也可以通过氧化吸附在碳颗粒上的碳氢化合物来降低柴油颗粒物 PM 排放的质量(但不是颗粒数量)PM 排放降低的程度主要由颗粒中可溶性有机物(Soluble Organic Fraction-SOF)(图 3)的比例决定。

去除这些 SOF 十分重要，因为颗粒排放中的这部分含有大量的有毒化学成分，专家担心这些毒物有损健康DOC 里的载体孔道畅通，则尾气可以很顺畅地通过孔道也出现过 DOC 孔道堵塞的特殊情况，但都与发动机工作不正常有关在过去十几年里，世界各地许多车辆都安装了柴油氧化催化器，它被证明是柴油机 PM 减排的经济解决方案催化器的免维修性能以及发动机的寿命是重要的参考指标，对于实行柴油机翻新改造的国家尤为看重在排气系统里安装柴油氧化催化器是非常容易而快捷的，车辆很快就能正常行驶即使是一个小小的维修间都可以完成安装柴油氧化催化器的任务，而不需要借助其他特殊的工具或电动设备通常，所需的安装时间和更换一个排气管所需时间差不多，甚至还要更短2)柴油颗粒过滤器 DPF(Diesel Particle Filter)柴油颗粒过滤器 DPF 是一种陶瓷件，用来从发动机尾气中捕捉颗粒物质在发动机尾气处在高温。