柴油机国六排放控制技术

周大权，李吉爽，林树军，何烈永，龚建平,张刚健，胡景彦

1.浙江钱江摩托股份有限公司研究院，浙江台州 317500;2.宁波市鄞州德来特技术有限公司，浙江宁波 315000)

0 引言

发动机作为一种推动时代进步的装置，广泛运用于交通运输、工农业加工、航空航天、国防工业等重要领域。随着我国汽车保有量逐年增加，国家能源消耗和环境保护方面压力增大。根据生态环境部发布的统计[1],汽车是大气污染的主要贡献者，CO和HC占比超过80%，NOx和PM占比超过90%。整治汽车污染物排放势在必行。随着GB 18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限制及测试方法(中国第六阶段)》法规推出及逐步实施，汽车发动机生产厂商面临严峻的考验。

柴油机相比汽油机，具有热效率高，动力性、经济性、可靠性好等诸多优势，广泛运用于各种乘用车和商用车上。根据相关统计[1]，虽然我国柴油车保有量仅占全国汽车保有量的7.8%，但是排放的NOx和PM分别占总量的57%和77%以上，因此加速开展柴油车排放治理工作刻不容缓。

1 柴油机主要排放污染物介绍及控制方案

柴油机主要排放污染物有NOx、CO、HC和PM。相对于汽油机而言，大多数柴油机采用扩散燃烧方式，其空燃比大，燃烧更加充分，排放物中CO和HC量较少，但NOx和PM含量较高，其中NOx是导致酸雨和光化学烟雾的主要因素之一[2]。柴油机排放的颗粒物(PM)基本上是碳质微球(含有少量氢和其他微量元素)的聚集体，当排气温度较低时，碳烟会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成分。柴油机排气PM的微观形态呈复杂的链状或团絮状，当量粒度大多在0.02～1 μm范围内，其平均粒度为0.1～0.3 μm，属于能长期悬浮在空气中的亚微米颗粒物[3]。颗粒物直径越小，比表面积越大，其悬浮在空气中，对空气中的金属粉末、病原体微生物以及部分强致癌物的吸附能力越强。当颗粒物直径小于2.5 μm(PM2.5)，称为可入肺颗粒，它对人体有极大的危害，长期处于PM2.5的环境，易得肺癌，严重影响人民的健康[4]。因此有效控制NOx和PM排放是柴油机后处理及机内净化技术关注的重点。

1.1 柴油机内净化技术方案

柴油机运转时平均过量空气系数很高，即使在全负荷时一般都在1.3以上，在通常部分负荷下一般在2.0以上。如果达到理想的混合，柴油机的污染物排放将很低。但实际上由于油气混合不均匀导致多处出现过量空气系数小于0.6，使得颗粒物大量产生。因此柴油机产生污染物排放的根本原因在于燃油与空气混合的不均匀，如何提高柴油机油气混合均匀性成为技术的关键[5]。本文作者重点对进气系统、增压系统、燃油系统和燃烧系统进行方案举例。

1.1.1 柴油机进气系统

柴油机气道设计注重涡流比和流量系数，对于轻型柴油机来讲，国内各大生产企业以及部分国外设计公司(AVL和FEV)推荐涡流比一般为1.6～2.1之间，北汽福田汽车的蔡卓洁、叶林保[5]对轻型柴油机机内净化进行研究，得出提高涡流比可以大幅度改善低速高负荷时候的烟度，但是高速会导致NOx的提高，需要优化最合适的涡流比，相关试验结果见图1。

图1 涡流比对低速高负荷烟度(1 000 r/min,

对于重型柴油机，为了达到高性能、低油耗、低排放的目标，普遍采用低涡流甚至是无涡流设计。

1.1.2 柴油机增压系统

增压不仅是提高柴油机功率密度的最重要手段，而且是控制排放的必然选择。增压柴油机(包括增压中冷型柴油机)的主要特性是进气量大，平均过量空气系数大，这样可以减少CO、HC及PM的排放，但是增压后发动机燃烧温度上升会导致NOx排放量增大。随着国六阶段NOx排放限值的进一步加严，大部分增压柴油机需要采用EGR技术，为实现废气再循环，涡轮增压器必须同时在高速和低速时提供足够的EGR驱动压差，尤其是低速工况，增压器需要匹配更小的占空比来产生低速EGR，这会导致发动机增压系统进气量减少，从而引起发动机性能和排放的变差。

随着增压技术的提升，可变涡轮截面增压器(VGT)的出现，可以改善低速时增压系统涡轮的效率。有些机构经过研究得出了VGT增压器匹配国六柴油机有明显的优势[6]。VGT增压器通过调节VGT开度满足不同工况下驱动EGR压差的要求，还具备发动机热管理功能，尤其是低速低负荷工况，可以通过VGT的工作效率提高发动机排气温度，满足后处理起燃温度的要求[7]，同时VGT还可以快速实现排气制动功能，满足许多商用柴油车的需求。

1.1.3 燃油喷射系统

降低柴油机的排放，燃油喷射系统的改进是关键，其中主要方案有：(1)优化喷油正时。(2)优化喷油规律(喷油过程可分为前期缓慢喷油，中期急速喷油，后期快速断油[8]),这种喷射方式结合可以降低初始燃烧时混合气的燃烧速率，喷射中期加强扩散燃烧，使燃烧更加充分，喷油后期快速断油，可以减少末期喷油压力降低导致燃油雾化变差的问题)。(3)燃油喷雾形态与燃烧室形状与燃烧室内气流运动相匹配。(4)降低燃油的SMD值，喷雾粒度足够细且足够均匀，保证了燃油及时蒸发，并与空气充分混合(减低SMD一般通过提高喷油压力、缩小喷孔大小、优化喷油器内部流场结构实现)。

1.1.4 低排放燃烧室

对于非直喷柴油机来讲，PM的生成主要集中在副燃烧室，合理地设置主、副燃烧室之间的比例以及合理优化进入副燃烧室的气流，可以大大减少颗粒物生成[9]。对于直喷式柴油机燃烧室，尽可能增大燃烧室的有效容积比，提高缸内空气利用率，降低PM排放，此外适当提高压缩比也能降低HC和CO的排放。

1.2 柴油机后处理技术方案

但是随着排放指标的日益严格，仅使用缸内净化技术已经无法满足当前的要求,现在比较常用的柴油机后处理技术包括柴油机微粒捕集器(DPF)、颗粒氧化催化转化器(POC)、柴油机氧化催化器(DOC)、选择性催化还原技术(SCR)、稀燃氮氧化物捕集技术(LNT)等。下面简单介绍主要后处理技术的原理。

1.2.1 氧化催化器(DOC)

DOC一般位于后处理系统的前段，它只具备氧化能力，一般以铂、钯等贵金属作为催化剂，作用是将排气中未燃尽的CO和HC氧化成CO2和H2O,同时降低微粒排放中的SOF(可溶性有机成分)的含量。其工作原理见图2，DOC可以降低排气中PM数值40%～50%，HC和CO处理效率分别可以达到88%、68%以上，但是DOC对于碳颗粒物的氧化处理效果比较差，同时有将排气中的SO2氧化成SO3进而生成硫酸盐颗粒的趋势，特别在温度较高的情况下硫酸盐生成速率增大，不但无法减少PM排放总量，而且可能导致载体因硫中毒而劣化[10]。

图2 DOC工作原理示意

1.2.2 柴油机微粒捕集器(DPF)

微粒捕集器示意见图3，它主要是通过表面和内部混合的过滤装置捕捉颗粒，利用扩散沉淀、惯性沉淀或者线性拦截等方式，有效净化排气中70%～90%的颗粒。柴油机颗粒捕集器需要设置再生机构保证该装置的长久运行。

图3 DPF结构示意

1.2.3 选择性催化还原技术(SCR)

选择性催化还原技术是目前在柴油后处理系统中对NOx处理的主流技术，是利用尿素水溶液或氨水在一定温度窗口和催化条件下将NOx还原成H2和H2O，因为NH3作为还原剂优先与NOx反应，而不是与O2反应，表现出高选择性。就目前而言，运用最广泛的催化剂是V2O5-WO3/TiO2。V2O5作为主催化剂，作用是降低NOx的反应活化能，降低反应温度；WO3称为助催化剂，主要作用是提高V2O5的稳定性，增加其使用寿命；TiO2是V2O5和WO3的载体,具有承载、稳定催化活化物质的功能[10]。图4为典型的SCR后处理系统原理图。

图4 SCR系统原理

1.2.4 多种后处理设备耦合

由于柴油机排放物NOx和PM之间存在trade-off关系[11],导致NOx和PM无法同时降低到最低。为了满足国六排放标准，需要不同的后处理设备耦合才可以达到同时降低二者的排放值。典型的耦合协作技术路线有：(1)采用优化燃烧耦合SCR,此方案可以提高经济性，但是对排气温度有较高的要求，此外还要考虑SCR混合及冷机下结晶的问题。(2)采用EGR+DPF，此技术可以同时降低NOx和PM，但是由于DPF的再生技术，EGR率过高后带来的热效率降低、腐蚀等问题需进一步研究。

2 柴油机国六技术方案

柴油机国六排放控制方案见图5。

国内主要柴油生产厂家技术路线统计见表1。

图5 柴油机国六排放控制思维导图

表1各厂家技术路线统计

厂家发动机系列采用的技术路线EGR率玉柴K11外其他系列EGR+DOC+DPF+SCR低K11系列DOC+DPF+SCR+ASC无潍柴WP2.3N、WP3N、WP4.1N、WP4.6N、WP6.7、WP7、WP13EGR+DOC+DPF+SCR低WP20H、WP12、WP13DOC+DPF+HiSCR无江西五十铃JE493、JE4D28、4JJ1DOC+DPF+SCR+ASC无

3 结论

(1)柴油机相比汽油机排放物中CO和HC量较少，但NOx和PM含量较高，污染物排放的根本原因在于燃油与空气混合不均匀。因此通过优化进气系统涡流，优化燃烧室的形状，优化燃油喷射系统，采用VGT增压中冷及EGR系统，可以从发动机硬件方面降低发动机原排，优化机内净化技术可以让整机生产和运行时保持更好的一致性和控制性，同时也可以大大降低后处理系统的开发和使用成本，因此尽可能地降低发动机原排是今后研究的重要方向。

(2)当前相关厂家的排放耦合协作的技术路线以DOC+DPF+SCR+ASC或者EGR+DOC+DPF+SCR为主，这两种方法需要对后处理进行精确的热管理，控制难度高，设计及标定费用多，整个后处理系统结构也比较庞大。

(3)后处理系统简单高效的设计方案是国六排放控制方案的趋势。