中重型車用柴油機實施歐4排放的技術路徑
1 歐洲重型柴油機排放限值的演變
在一些國家和地區(qū)，中重型車用柴油機的排放在發(fā)動機對環(huán)境排放貢獻度中要達到70%左右，因此中重型車用柴油機的排放一直是內(nèi)燃機排放控制領域的重點。2005年歐洲車用發(fā)動機已開始實施歐4排放法規(guī)，其對柴油機提出了更為苛刻的要求。表1為歐洲重型柴油機排放限值的演變，其中NOX排放限值自排放法規(guī)實施20年以來下降了81%；PM排放限值15年以來下降了97%。
在一些國家和地區(qū)，中重型車用柴油機的排放在發(fā)動機對環(huán)境排放貢獻度中要達到70%左右，因此中重型車用柴油機的排放一直是內(nèi)燃機排放控制領域的重點。2005年歐洲車用發(fā)動機已開始實施歐4排放法規(guī)，其對柴油機提出了更為苛刻的要求。表1為歐洲重型柴油機排放限值的演變，其中NOX排放限值自排放法規(guī)實施20年以來下降了81%；PM排放限值15年以來下降了97%。
2 中重型車用柴油機實現(xiàn)歐4應具有的基本條件
中重型車用歐4柴油機必須建立在一臺有良好基礎的電控歐111發(fā)動機基礎上。國外典型的12～13L車用歐4柴油機具有如下特征：
a.采用直列6缸形式，單級帶空一空中冷渦輪增壓系統(tǒng)，同時匹配排氣旁通閥和可變截面渦輪增壓器或復合增壓系統(tǒng)，或采用二級增壓系統(tǒng)?？刂七M氣溫度很重要，進氣溫度每減低1℃NQ，可減少0.5%～0.67%。
b.采用鑄鐵缸蓋、水冷、4氣門結構，噴油嘴垂直中置。4氣門結構有使發(fā)動機功率提高15%左右、降低油耗4%左右的潛力。
c.機體采用鑄鐵，水冷、濕式缸套，內(nèi)置式機油冷卻器。
d.采用整體鋁活塞/鋼頂鋁裙組合活塞/整體鋼活塞。
e.燃油系統(tǒng)采用電控共軌系統(tǒng)/電控單.體泵/電控泵噴嘴/HEUI/高壓噴射系統(tǒng)。需電控、3～5次的多次噴射（包括預噴、主噴、后噴）能力和更高的燃油噴射壓力。如采用共軌系統(tǒng)，額定工況時最大噴射壓力要達到180 MPa；如采用電控泵噴嘴或電控單體泵，額定工況時最大噴射壓力要達到200 MPa[3〕。為使油耗降低，應縮短噴油持續(xù)期，使放熱靠近上止點。要借助于噴油規(guī)律實現(xiàn)柔和燃燒。表2為歐洲12～13 L車用柴油機燃油系統(tǒng)的構成及預估情況。
中重型車用歐4柴油機必須建立在一臺有良好基礎的電控歐111發(fā)動機基礎上。國外典型的12～13L車用歐4柴油機具有如下特征：
a.采用直列6缸形式，單級帶空一空中冷渦輪增壓系統(tǒng)，同時匹配排氣旁通閥和可變截面渦輪增壓器或復合增壓系統(tǒng)，或采用二級增壓系統(tǒng)?？刂七M氣溫度很重要，進氣溫度每減低1℃NQ，可減少0.5%～0.67%。
b.采用鑄鐵缸蓋、水冷、4氣門結構，噴油嘴垂直中置。4氣門結構有使發(fā)動機功率提高15%左右、降低油耗4%左右的潛力。
c.機體采用鑄鐵，水冷、濕式缸套，內(nèi)置式機油冷卻器。
d.采用整體鋁活塞/鋼頂鋁裙組合活塞/整體鋼活塞。
e.燃油系統(tǒng)采用電控共軌系統(tǒng)/電控單.體泵/電控泵噴嘴/HEUI/高壓噴射系統(tǒng)。需電控、3～5次的多次噴射（包括預噴、主噴、后噴）能力和更高的燃油噴射壓力。如采用共軌系統(tǒng)，額定工況時最大噴射壓力要達到180 MPa；如采用電控泵噴嘴或電控單體泵，額定工況時最大噴射壓力要達到200 MPa[3〕。為使油耗降低，應縮短噴油持續(xù)期，使放熱靠近上止點。要借助于噴油規(guī)律實現(xiàn)柔和燃燒。表2為歐洲12～13 L車用柴油機燃油系統(tǒng)的構成及預估情況。
f.進一步優(yōu)化進氣渦流和燃燒系統(tǒng)，采用直口或略微縮口燃燒室，進氣渦流比為0.5～1.5，壓縮比為16.5～18.5。
g.缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力可達18～22 MPa，升功率可達35 kW/L。
h.進一步控制燃油中的硫含量到50x10-6以下，燃油的十六烷值提高到52或十六烷指數(shù)提高到46。
i.嚴格控制活塞環(huán)、氣門導管、增壓器軸承等處的機油泄漏量，將發(fā)動機額定工況時機油耗與柴油耗的比值控制到0.1%以下。
j.采用排氣后處理裝置。
為實現(xiàn)歐3排放，在燃燒方面，目前技術狀況下能采用的技術措施多已被采用，僅依靠燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化已無法滿足要求，更多地是將其與機后凈化措施相結合，來滿足更為苛刻的排放要求?？刂芇M排放的措施有氧化催化器（可溶性顆粒物）、顆粒捕集器（固體顆粒物）。
研究開發(fā)中的柴油機NOX后處理方法，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）和吸附還原催化劑，以及最新提出的低溫等離子體技術，具有同時去除NOX和PM的潛力。
3 實現(xiàn)歐W的兩條主要技術路線
要實現(xiàn)歐4對NQx和PM都較低的限值，目前有如圖1所示的兩條技術路線：其一是先通過噴射系統(tǒng)優(yōu)化和噴射定時提前以降低顆粒物，再使用SCR來降低因燃燒優(yōu)化而產(chǎn)生的NQx排放；其二是EGR+DPF路線，即先通過廢氣再循環(huán)降低排放中NOx的成份，再用顆粒捕集器捕集因使用EGR而略有增加的顆粒、物，從而達到同時降低NOx和PM的效果〔6〕。
g.缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力可達18～22 MPa，升功率可達35 kW/L。
h.進一步控制燃油中的硫含量到50x10-6以下，燃油的十六烷值提高到52或十六烷指數(shù)提高到46。
i.嚴格控制活塞環(huán)、氣門導管、增壓器軸承等處的機油泄漏量，將發(fā)動機額定工況時機油耗與柴油耗的比值控制到0.1%以下。
j.采用排氣后處理裝置。
為實現(xiàn)歐3排放，在燃燒方面，目前技術狀況下能采用的技術措施多已被采用，僅依靠燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化已無法滿足要求，更多地是將其與機后凈化措施相結合，來滿足更為苛刻的排放要求?？刂芇M排放的措施有氧化催化器（可溶性顆粒物）、顆粒捕集器（固體顆粒物）。
研究開發(fā)中的柴油機NOX后處理方法，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）和吸附還原催化劑，以及最新提出的低溫等離子體技術，具有同時去除NOX和PM的潛力。
3 實現(xiàn)歐W的兩條主要技術路線
要實現(xiàn)歐4對NQx和PM都較低的限值，目前有如圖1所示的兩條技術路線：其一是先通過噴射系統(tǒng)優(yōu)化和噴射定時提前以降低顆粒物，再使用SCR來降低因燃燒優(yōu)化而產(chǎn)生的NQx排放；其二是EGR+DPF路線，即先通過廢氣再循環(huán)降低排放中NOx的成份，再用顆粒捕集器捕集因使用EGR而略有增加的顆粒、物，從而達到同時降低NOx和PM的效果〔6〕。
3.1 路線1（優(yōu)化燃燒+SCR）
此種路線在歐洲采用較多，簡稱歐洲路線。對于大多數(shù)制造商，發(fā)展現(xiàn)有的發(fā)動機技術是首選的途徑。有幾種可選擇的方案：如先在發(fā)動機機內(nèi)處理NQx，再處理PM；或者兩者都進行后處理。后者存在一個污染源回收的處理問題。沒有EGR系統(tǒng)，在發(fā)動機機內(nèi)處理NOx是非常困難的，并且燃油消耗更高。因此，制造商一般采用在發(fā)動機機內(nèi)減少PM排放、在廢氣中處理NOx的措施。
在歐洲，目前采用的一種解決方案是：利用商業(yè)用的固體尿素和水（水溶液濃度為32.5%±0.5%），在排氣中噴人尿素、氨水等還原性物質(zhì)，將NQx（主要是NO）還原為N2和H20。如市面上銷售的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。圖2為SCR系統(tǒng)的工作原理。
此種路線在歐洲采用較多，簡稱歐洲路線。對于大多數(shù)制造商，發(fā)展現(xiàn)有的發(fā)動機技術是首選的途徑。有幾種可選擇的方案：如先在發(fā)動機機內(nèi)處理NQx，再處理PM；或者兩者都進行后處理。后者存在一個污染源回收的處理問題。沒有EGR系統(tǒng)，在發(fā)動機機內(nèi)處理NOx是非常困難的，并且燃油消耗更高。因此，制造商一般采用在發(fā)動機機內(nèi)減少PM排放、在廢氣中處理NOx的措施。
在歐洲，目前采用的一種解決方案是：利用商業(yè)用的固體尿素和水（水溶液濃度為32.5%±0.5%），在排氣中噴人尿素、氨水等還原性物質(zhì)，將NQx（主要是NO）還原為N2和H20。如市面上銷售的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。圖2為SCR系統(tǒng)的工作原理。
這種凈化方案的發(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·克萊斯勒公司認為甚至含硫量350x10-6以下的歐3燃油就可以滿足要求。
但使用SCR后不但要增加SCR本身裝置的質(zhì)量約150～300 kg，另外還要增加1個尿素溶液（AdBlue）箱和尿素溶液。按100 L尿素溶液運行7 000 km計算，一輛汽車損失的有效載荷在400 kg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。尿素的噴人量過少，則達不到應有的處理水平，尿素的噴人量過多，則會使多余的氨氣排入大氣，導致新的污染。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。目前歐洲市場每升尿素溶液現(xiàn)價為40歐分，每升柴油現(xiàn)價為42歐分。
SCR作為新的后處理技術，由于系統(tǒng)成本高 （大約是車輛成本的3%～5%）、初期投資高、操作和保養(yǎng)費用高、需要加1套較復雜的調(diào)節(jié)還原劑噴射量的控制系統(tǒng)等原因，在車用柴油機上還沒有得到推廣。其還要求行駛區(qū)域內(nèi)對尿素的供應，并需要車載診斷（OBD），同時需要車輛使用者有較高的環(huán)保意識，自覺及時地添加尿素也是目前實施這一路線的現(xiàn)實困難。此外，在溫度較低（-11℃）的情況下，尿素-水溶液會結冰，也使其在寒冷地區(qū)的推廣使用受到限制，但現(xiàn)已可以通過尿素計量系統(tǒng)的適當加熱措施來解決。在SCR技術的應用方面，目前已經(jīng)基本解決尿素的儲存、注入和噴射策略等技術問題，其使用耐久性好，已有幾年在柴油機上應用的經(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技術的開發(fā)研究和排放法規(guī)的日趨嚴格，相信SCR技術在歐5機上很快會得到推廣。
3.2 路線2（EGR+DPF）
該路線美國采用較多，簡稱美國路線。 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；而增大EGR率，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可使NOx排放降低，但會使PM排放增加。與減小供油提前角相比，燃油消耗率變化不大，所以在采用降低NOx排放的措施時應首選EGR系統(tǒng)。 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顆粒物的排放，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增大，所以為達到歐4排放限值，EGR率一般控制在15%以內(nèi)，同時還需配合使用DPF微粒捕集器。然而這項技術卻潛伏著危險：一方面燃料一中的硫會使微粒捕集系統(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。圖4為一典型的中重型車用柴油機配置的EGR+DPF+DOC系統(tǒng)（VGT為可變截面渦輪增壓進氣系統(tǒng)）。在某些發(fā)動機上也有只用DPF或DOC來轉(zhuǎn)化PM的。
該方案成本比SCR低，但它不適合停車起動操作，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)動機排溫高而且比較穩(wěn)定的長途運輸使用。
但使用SCR后不但要增加SCR本身裝置的質(zhì)量約150～300 kg，另外還要增加1個尿素溶液（AdBlue）箱和尿素溶液。按100 L尿素溶液運行7 000 km計算，一輛汽車損失的有效載荷在400 kg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。尿素的噴人量過少，則達不到應有的處理水平，尿素的噴人量過多，則會使多余的氨氣排入大氣，導致新的污染。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。目前歐洲市場每升尿素溶液現(xiàn)價為40歐分，每升柴油現(xiàn)價為42歐分。
SCR作為新的后處理技術，由于系統(tǒng)成本高 （大約是車輛成本的3%～5%）、初期投資高、操作和保養(yǎng)費用高、需要加1套較復雜的調(diào)節(jié)還原劑噴射量的控制系統(tǒng)等原因，在車用柴油機上還沒有得到推廣。其還要求行駛區(qū)域內(nèi)對尿素的供應，并需要車載診斷（OBD），同時需要車輛使用者有較高的環(huán)保意識，自覺及時地添加尿素也是目前實施這一路線的現(xiàn)實困難。此外，在溫度較低（-11℃）的情況下，尿素-水溶液會結冰，也使其在寒冷地區(qū)的推廣使用受到限制，但現(xiàn)已可以通過尿素計量系統(tǒng)的適當加熱措施來解決。在SCR技術的應用方面，目前已經(jīng)基本解決尿素的儲存、注入和噴射策略等技術問題，其使用耐久性好，已有幾年在柴油機上應用的經(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技術的開發(fā)研究和排放法規(guī)的日趨嚴格，相信SCR技術在歐5機上很快會得到推廣。
3.2 路線2（EGR+DPF）
該路線美國采用較多，簡稱美國路線。 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；而增大EGR率，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可使NOx排放降低，但會使PM排放增加。與減小供油提前角相比，燃油消耗率變化不大，所以在采用降低NOx排放的措施時應首選EGR系統(tǒng)。 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顆粒物的排放，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增大，所以為達到歐4排放限值，EGR率一般控制在15%以內(nèi)，同時還需配合使用DPF微粒捕集器。然而這項技術卻潛伏著危險：一方面燃料一中的硫會使微粒捕集系統(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。圖4為一典型的中重型車用柴油機配置的EGR+DPF+DOC系統(tǒng)（VGT為可變截面渦輪增壓進氣系統(tǒng)）。在某些發(fā)動機上也有只用DPF或DOC來轉(zhuǎn)化PM的。
該方案成本比SCR低，但它不適合停車起動操作，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)動機排溫高而且比較穩(wěn)定的長途運輸使用。
為使EGR更有效，EGR冷卻系統(tǒng)和散熱器必須比普通的大得多，甚至大于路線1中尿素箱的尺寸，可大多數(shù)發(fā)動機為了減少噪聲進行了空間壓縮，這增加了冷卻問題的解決難度。早期試驗表明了在歐W發(fā)動機中使用EGR的燃油效率不如SCR。而且這條路線對燃油品質(zhì)的要求更高，要求硫含量達到低于50x10-6的水平，理想情況要求達到10x10-6～15x10-6的水平，這對于我國的石油工業(yè)要在2010年前達到這一要求似有困難。另外，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，許多生產(chǎn)廠商反對采用EGR系統(tǒng)。當然，這并不意味著歐5、歐6發(fā)動機也不會采用。
目前，采用這一路線的主要廠商有SWRI，SCANIA、MAN等。
表3給出了上述兩條技術路線的比較。
正因為這些原因，許多生產(chǎn)廠商反對采用EGR系統(tǒng)。當然，這并不意味著歐5、歐6發(fā)動機也不會采用。
目前，采用這一路線的主要廠商有SWRI，SCANIA、MAN等。
表3給出了上述兩條技術路線的比較。
4 結束語
a.要實現(xiàn)歐4對NOx和PM都較低的限值，目前大致上有兩條技術路線：其一是先通過優(yōu)化燃燒，再使用選擇性催化還原來降低因燃燒優(yōu)化而產(chǎn)生的NOx排放，NOx轉(zhuǎn)化率達85%以上；其二是使用EGR使NOx降低，但會導致PM增加，因此要加DPF將PM轉(zhuǎn)化。使用DPF的PM轉(zhuǎn)化率可達80%～90%，單獨使用DOC時PM轉(zhuǎn)化率大于50%。
b.考慮到中國能源短缺，而尿素生產(chǎn)比較普遍，因此我國中重型車用柴油機實施歐4排放宜首選SCR技術路線。
a.要實現(xiàn)歐4對NOx和PM都較低的限值，目前大致上有兩條技術路線：其一是先通過優(yōu)化燃燒，再使用選擇性催化還原來降低因燃燒優(yōu)化而產(chǎn)生的NOx排放，NOx轉(zhuǎn)化率達85%以上；其二是使用EGR使NOx降低，但會導致PM增加，因此要加DPF將PM轉(zhuǎn)化。使用DPF的PM轉(zhuǎn)化率可達80%～90%，單獨使用DOC時PM轉(zhuǎn)化率大于50%。
b.考慮到中國能源短缺，而尿素生產(chǎn)比較普遍，因此我國中重型車用柴油機實施歐4排放宜首選SCR技術路線。
