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01 柴油机冷、暖起动工况的排放特点 长时间停机后再启动会导致HC排放增多，而频繁的热启动会引起NOx排放的增多。此外，频繁启动条件下，排气温度降低，后处理装置可能因为反应温度不合适而导致一定程度的失效。波兰BOSMAL汽车研发中心对一台带有催化转化器的增压柴油机进行了冷、暖机起动测试，发现柴油机冷机起动工况下的 CO、HC 和 PM 排放明显较高，起动后的3min和30s期间，冷机起动的 HC 和PM 排放量是暖机起动的数倍，两种工况下的 CO排放差距几乎达到2个数量级。伯明翰大学在一台带有 EGR的共轨柴油机上进行了常温冷机起动和水温 90℃的暖机起动试验，结果发现暖机起动后的10s内NOx排放累积量高于常温冷机起动工况，而常温冷机起动的 THC、聚集态和核态颗粒物排放远高于暖机起动工况。同济大学在一台电控增压共轨重型柴油机上进行了冷机和热机起动工况测试，结果发现冷机起动过程中粒径小于 100nm 的颗粒数量远大于热机起动。因此柴油机冷机和暖机起动过程产生的排放不容忽视。 目前，控制柴油机污染物排放，最常见的手段是以催化剂为核心的排气后处理技术 （机外净化技术）和以改善柴油机燃烧过程为核心的机内净化技术。本期推文将主要介绍机外净化技术，如柴氧化催化器、颗粒捕捉器、选择性催化还原等油机尾气后处理技术。02 常见的后处理措施 1.氧化催化器 柴油氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）一般用铂 Pt 或钯 Pd 作为活性成分，以金属或陶瓷作为催化剂的载体，当柴油机尾气通过催化剂时，碳氢化合物（THC）和一氧化碳（CO）等在较低的温度下可以很快地与尾气中的氧气进行化学反应，生成水和CO2，达到净化尾气中 THC 和 CO 的目的。 2.颗粒捕集器 柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）可有效减少微粒排放（particulate matter，PM），它主要通过过滤等物理方法捕集排气中的微粒。颗粒捕集器对 PM 的过滤效率高达 90％。由于过滤下来的微粒不断积存并逐渐堵塞过滤孔，使排气背压增加，导致发动机的动力性和经济性恶化，因此必须及时除去 DPF 中的微粒，这个清除过程称为再生。目前主要的 DPF 再生方法可分为两类，即断续加热再生和连续催化再生。其中，加热再生方式主要有电加热和燃烧加热。电加热耗电过多，因此使用较为普遍的是燃烧加热，即在DPF前设置燃烧器，喷入柴油（或其他燃料）和二次空气进行燃烧。连续催化再生技术中目前获得广泛产品化应用的是由 JM 公司提出的连续再生捕集器。排气首先经过氧化催化器 DOC，在CO和THC被净化的同时，NO 被氧化成NO2。NO2作为一种活性很强的氧化剂，可在随后的微粒捕集器中与微粒在 200℃的低温下进行氧化反应，将微粒氧化为二氧化碳。 3.选择性催化还原装置 选择性催化还原装置（selective catalytic re－duction，SCR）主要是将尿素与水以适当比例混合，喷入废气中，在高温条件（温度不低于200℃）和催化剂的共同作用下，将废气中的 NOx还原为N2和水。它的缺点是需要配备尿素和尿素箱，对反应温度有一定要求，并且尿素喷射量需精确控制，以避免大量氨气泄漏，污染空气。 03 柴油机国六技术路线对比 单一的后处理措施往往无法满足现有的排放法规要求，为了改善柴油机冷、暖启动的排放性能，需要将多种后处理措施进行集成处理。目前，国内发动机生产商的主流国六技术路线为：冷却EGR+DOC+DPF+SCR+（ASC），也有部分采用无EGR国六技术路线，即不使用外部冷却 EGR，仅采用后处理系统中的高效SCR来使NOx排放达标。下表所示为：不带EGR与带EGR柴油机国六技术路线对比。无EGR系统的燃油经济性好，NOx转化效率高达90%，可靠性好，成本低，且冷却系统相较于国五无需做太大的改动。然而，其布置难度较大。带有EGR的后处理系统布置难度较小，然而其燃油经济性一般，维护复杂且成本较高。 1.路线一：DOC+DPF+高效SCR（不带EGR） 不带EGR的后处理系统技术难度相对更大，对标定精度要求更高且对后处理要求较高，需要和高效集成式（如DOC和DPF一体封装技术）后处理系统配合。但由于减少了EGR相关组件，整体可靠性更高。从燃油经济性方面考虑，EGR为了抑制氮氧化物而降低空气的燃烧温度，燃烧放热率降低，燃烧不完全程度增加，故不带EGR的技术路线燃油经济性要不带有EGR的燃油经济性好。下图所示为路线一的实行方案。 2.路线二：EGR+DOC+DPF+SCR（带EGR）路线 该后处理系统先是通过EGR降低原机的NOx排放，再通过DOC +DPF + SCR降低NOx和颗粒物排放。该路线燃油经济性相对于不带EGR的系统较差，与高效SCR技术路线相比，该路线对SCR转化率要求不高（90 -92 %），尿素消耗也较低，对发动机原机排放一致性要求也不高，因此与不同发动机的匹配具有广泛性。 总结  从排气末端处理存在技术和成本方面的限制，需要深入的研究技术更加成熟的排气后处理系统；从源头上控制燃烧有也一定的研究空间。为了使柴油机在起动阶段满足排放法规要求，柴油机燃烧性能的改善及排气后处理装置的改善仍需取得长足的进步。 |
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