轻型柴油机国六后处理技术路线探讨

李江兵 赵挺 樊华春

摘要：为满足越来越严格的排放要求，尤其是随着国六排放的实施，氮氧化物（以下简称为NOX）排放限值极低，其中轻型柴油机的挑战巨大，以常见的柴油皮卡为例，NOX从280mg/km降低到了82mg/km（6a）、50mg/km（6b），发动机机内排放已无法满足该限值，故在机外增加了处理NOX的装置，提升整车处理NOX的能力。2019年底至2020年初，陆续有多家整车厂推出满足国6a或国6b w/o RDE的轻型柴油机产品，其后处理技术路线主要有两条，以下对其进行探讨。

关键词：国六排放;轻型柴油机;NOX;后处理技术路线

中图分类号：U464.172;X734.2                       文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）21-0038-02

0  引言

为了满足日益严格的排放法规要求，对于柴油机，尤其是轻型柴油机，需对发动机机内排放进行严格控制，以及机外后处理净化技术做出革新，采用更加先进的技术，对排放污染物进行控制和处理。通过对国外轻型柴油机技术进行调研，发动机本体的机内控制技术与国内基本一致，例如：优化燃烧室，减低摩擦;提高高压共轨的喷射压力;采用高效的增压器[1];采用先进的EGR技术，甚至高压EGR和低压EGR配合使用等，后处理技术路线较多，有：NSC+SDPF+SCR、NSC+CDPF+SCR、DOC+SDPF+SCR、DOC+CDPF+SCR等，不同的技术路线，净化原理有较大差异，对标定也有较大影响。在国内，轻型柴油机产品的标定主要由无锡博世和上海德尔福主导，后处理技术路线相对统一，主要有：DOC+SDPF+SCR和NSC+CDPF+SCR，以下对这两种技术路线作进一步说明和分析。

1  SDPF技术路线

SDPF技术路线，在DPF和SCR上涂覆分子筛涂层后对NOX进行处理转化，标定相对简单，不会出现硫中毒和超高温的问题，没有对发动机硬件的耐温要求，但SDPF路线的载体容积相对较大，低温区域处理NOX的能力相对LNT较弱，对低温转化率和布置空间有更高的要求。图1所示是SDPF技术路线后处理简图，包含若干传感器，合计7～9个，有些具体方案中会争取把氧传感器和T7温度传感器去除，但需要在标定策略上作补偿，并验证是否可行。

SDPF技术路线的关键要素之一是SDPF的载体选择，一般选择高孔隙率（简称HP）的AT或者SiC。CN6最大碳载量的选择，更多考虑是催化器的温度而不是考虑过滤器开裂，在热性能上，由于更密的低导热沸石涂层，CN6中AT HP与SiC HP相似;由于SDPF更密的图层和更多的结构部件，为了更好的过滤效率，即使对孔隙结构进行优化，CN6背压仍会更高，由于结构的不同，AT HP要优于SiC HP，如图2所示。通过台架对比，AT HP再生升温更快，如图3所示，NEDC循环的入口温度近似，但出口温度，AT HP整体温度高出不少，如图4所示。

通过以上分析，SDPF技术路线后处理中，同样的碳载量、同样的入口温度，AT HP再生效率更高。同等条件下，再生里程也是AT HP占优，SDPF载体建议优先考虑AT HP。

2  LNT技术路线

LNT（Lean NOX trap）技术路线，也称CDPF路线或者NSC（NOX Storage Catalyst）路线，LNT对NOX有较强的吸附、转化、储存、释放、再生的能力，因柴油里含有少量硫元素，LNT对硫较为敏感，在后喷油LNT再生时有硫元素吸附在LNT载体上，易发生硫中毒失效现象，故标定策略上需对LNT定期进行高温脱硫的策略，高温温度可达800℃以上，所以采用LNT路线的发动机的排气岐管和增压器蜗壳等部件耐温必须达到800℃以上，图5所示是LNT技术路线简图。

LNT的工作原理：低温下，NOX与载体内的BaCO3涂层发生反应，“储存”在涂层内，详见图6所示;同时需要定期再生处理“储存”的硝酸及硫酸盐，而硫酸盐的存储将影响NOX的吸附效率。随使用时间延长，涂层深处的硫酸盐越来越难以消除，即NOX的吸附效率越来越低。另外：再生处理硝酸盐和硫酸盐过程都需要较低的氧浓度和较多的CO，这种需求将导致发动机排温较高。

LNT的再生原理：当NOX硝酸盐存储满了或硫化物过多时，必须进行再生反应。如下的反应可以看出除NOX和除SOX都需要发动机工作在浓混合气状态下（加浓，较高的CO浓度），且除SOX的反应还需要额外的温度要求;需要EMS通过后喷、EGR阀、节流阀等空气系统管理来实现这样的要求。这些控制措施，将导致发动机在NSC再生过程中排温较高。

通过LNT工作原理可以看出，LNT技术路线后处理的难点为：若油品中含硫量较高，脱硫不测底，将使LNT的NOx的吸附效率大大下降;若NOX传感器探测精度不足，将导致脱硝不彻底;另外，LNT也对涂层老化性能提出了更高要求。

3  結论

国六排放要求的两种主要技术路线，LNT方案具备较好的NOX吸附能力和脱硝效率，尤其再低温区域处理NOX效率很高，但是由于存在高温脱硫的过程，因此标定较为复杂，并且对发动机排气歧管和增压器蜗壳等零部件的耐温必须达到800℃以上，导致高温老化性能面临较大挑战，当前主要由于相关的不足，导致LNT技术路线在国内未成为主流。同时，由于SDPF的明显优势，逐渐成为正式国6b后处理路线解决方案。

参考文献：

[1]Schatz N，Wiebicke U，陈丽丽，等.效率最高的重型卡车发动机——MAN新一代15.2L柴油机[J].国外内燃机，2016，48（5）：13-19.

[2]林九冬.高压共轨喷射系统的参数确定及排放控制研究 ——以轻型车用柴油机为例[J].内燃机与配件，2019（14）：2-3.

[3]黎思倩.有效解决小型轻型柴油机机油消耗高的一项技术[J].大科技，2019（39）：221.