满足重型柴油机超低排放法规的后处理技术现状与展望

王建龙

摘要：根据CARB的预测，即使所有在用车辆都符合美国环保局(EPA)发布的2010年法规要求，加州与PM和O3相关的污染物仍达不到美国国家环境空气质量标准(NAAQS)。因此， CARB率先发布了关于进一步降低重型车辆排放的白皮书，进一步限制污染物(NOx、PM、N2O、CH4、CO2等)的排放。

关键词：重型柴油机；排放法规；后处理；颗粒物；NOx；

针对未来超低排放法规的技术要求，全球相关机构开展了大量的研发和试验工作，有效推动了排放控制技术的升级。从发动机后处理零部件的角度，总结了国内外相关文献及研究成果，提出发动机和后处理技术需联动升级，在加强发动机热管理的同时，降低原机NOx排放。重点介绍了潜在的后处理技术解决方案，如NOx吸附脱附技术和紧耦合SCＲ技术等控制低温NOx排放的关键技术，灰分管理和PN控制相关的DPF控制技术，以及电加热催化器和燃烧器等可能应用于后处理系统的热管理技术，并对相关技术的优劣势进行了分析。

一、重型柴油车排放控制技术路线

通过综合CAＲB、EU6和国六等全球相关排放法规，汇总出未来重型柴油车需满足的排放限值，满足现阶段EPA2010、EU6和国六等排放法规的主流技术路线有2条:废气再循环(EGＲ)路线和高效SCＲ路线。2条路线的区别在于发动机是否采用EGＲ技术降低NOx原机排放，以及后处理SCＲ控制的复杂度。二者的选择，基于不同市场背景下对发动机油耗和尿素消耗量的平衡，对应于柴油价格和尿素价格。相较于国五发动机，增加了EGＲ和节流阀。通过EGＲ的控制，将发动机的原排降低到较低水平(5 g/(kW·h)以下)，这样后处理的控制相对简单，DPF一般采用主动再生。但是EGＲ阀的故障率较高，控制及维护难度偏高，且此类发动机的燃油耗量高，尿素消耗较低，是美国市场的主流技术。另外一种技术路线主要来自于欧洲的高效SCＲ技术，以Scania、IVECO等OEM为主导，通过取消EGＲ，将NOx原排控制在8 g/(kW·h)及以上，该路线中后处理的NOx转化效率达到97%以上，需要采用基于化学反应动力学的模型进行精确控制，对后处理系统的鲁棒性挑战很高，OBD控制难度大。该技术通过增加尿素消耗来平衡发动机的油耗，在中国、欧洲等尿素价格相对便宜的地区具有一定的成本优势。相比现有法规的排放控制技术，CAＲB的超低排放法规主要加严了冷启动及低负荷工况下的NOx排放控制。

二、满足柴油机超低排放法规的后处理技术

1.NOx吸附与脱附技术。当发动机原机排放和热管理方案明确后，如何在后处理还原剂喷射之前对NOx的排放进行控制，是降低低温下NOx排放的思路之一。PNA技术即是将低温下的NOx进行吸附，并在高温时进行脱附的技术。PNA主要在250℃以下温度区间内工作，将PNA技术与SCＲ技术相结合，可以将NOx排放的控制窗口从200℃降低到100℃左右，能有效降低低温下的NOx排放。在美国西南研究院(SwＲI)的前期研究成果中，采用的技术方案主要包括PNA、微型燃烧器(MB)、SCＲF等技术，对不同PNA老化程度对NOx排放的影响进行了概述，在未老化情况下的NOx排放为0.015 g/(kW·h)，但是最终老化后的系统，NOx排放无法满足0.027 g/(kW·h)的限值要求。但是该技术的贵金属涂覆量过多，存在成本高、可靠性低、与SCＲ性能的紧密配合控制难度大等特点。

2.SCＲ技术。在超低排放技术方案中，通过喷射还原剂来降低NOx的技术发展关键点主要有SCＲF和紧耦合SCＲ技术，二者的目标都是将SCＲ放置在距离发动机较近的位置，促使SCＲ快速起燃，提升后处理系统低温下的NOx转化效率。SCＲF相较于传统的DPF+SCＲ，能够减少后处理载体热容损失，使SCＲ快速起燃，但是SCＲF整体的转化效率受DPF内碳载量的影响，需要在后方增加1块SCＲ才能保证高效的NOx转化。不同温度下SCＲF和SCＲF+SCＲ的NOx转化效率测试结果如图1所示;

图1 SCＲF性能评估

此外，SCＲF技术存在涂覆工艺复杂、系统背压大、PN排放控制困难、控制策略复杂等问题，除了部分非道路产品，暂时没有重型车领域的商业化应用。紧耦合SCＲ技术在传统的DOC+DPF+SCＲ/ASC系统的基础上，将整块的SCＲ拆分成2部分:紧耦合SCＲ和第2级SCＲ，将cc-SCＲ布置在紧靠发动机涡轮后，采用2套还原剂喷射系统间歇或同时喷射，使后处理系统能够兼顾低温和高温下的NOx转化效率。采用紧耦合SCＲ技术的后处理系统布置方式主要有2种。考虑到紧耦合SCＲ的位置，需考虑催化剂在硫中毒、碳氢中毒等情况下的性能恢复问题，因此紧耦合SCＲ前可以采用有DOC或者没有DOC的设计，。该系统的紧耦合SCＲ通常采用低温起燃性能良好的催化剂，高温性能要求较低，第2级SCＲ需要满足较高的转化效率要求，两级SCＲ互相配合使整体的NOx排放量进一步降低。双喷射SCＲ系统是在现有国六后处理系统的基础上，采用传统部件满足超低排放较为理想的方案，具有较大的发展空间。

3.DPF技术。DPF主要用于捕集发动机排放的颗粒物，满足法规对PM和PN的要求。目前DPF载体材料主要有堇青石、碳化硅、钛酸铝等，考虑到被动再生等因素，重型车一般采用堇青石作为DPF载体，但是在某些市区等低温应用工况下，被动再生实现困难时，也会采用碳化硅或者钛酸铝作为载体以提升后处理的鲁棒性。DPF的控制需要综合考虑压力损失、再生控制、PM/PN过滤效率等因素。在目前的排放控制阶段，DPF存在问题较多的是灰分的管理以及PN的排放控制等方面。不同的再控制方式下，灰分分布的不同，直接影响了DPF内碳载量的分布，并间接影响了压差传感器的测量精度。随着重型车排放法规中PN排放控制要求的引入，近几年国内外的相关研究成果发现，在发动机冷启动、被动再生、主动再生等情况下，由于DPF载体表面没有足够量均匀的碳层或灰层，仅依赖DPF的载体结构和催化剂涂层，PN排放超标的问题屡屡出现。在DPF被动再生效果明显的整车工况下，PN排放超标问题非常严重。类似问题已经成为国内外各大主机厂关注的重点，在目前技术水平下，足够的预处理过程是保证PN排放满足法规要求的保障手段之一，载体技术、催化剂技术、发动机及后处理控制技术的联动发展是彻底解决该问题的唯一途径。

4.后处理热管理技术。后处理系统温度的提升，除了依赖发动机的热管理技术外，还可以在后处理系统上，通过涡前取气、电加热、燃烧器、管路保温等方式进行短期的温度提升。例如研究成果中，燃烧器能够快速提升SCＲF前的温度，不受发动机涡后排温的影响。也能通过电加热功能，实现对后处理温度的提升，同时EHC上可以涂覆催化剂，使其具有DOC或SCＲ的功能。燃烧器由于直接在后处理中喷射柴油，因此热效率相较于EHC更高一些，但其可控性、鲁棒性和可维护性等方面的性能偏低，失控的风险较大。在24 V系统中应用EHC技术，功率一般较小，因此EHC技术在48 V系统中应用的可能性更高。对于发动机热管理功能受限的情况下，后处理热管理技术能够有效解决排温低、被动再生效率低、尿素起喷晚等问题，可有效降低冷启动过程中的NOx排放。但是类似技术，通常有成本高、可靠性无法保证、控制困难等问题，因此目前只局限于在用车改造等领域，在未来的48 V系统应用中有较大的发展空间。

总之，双喷射技术在低温排放控制、降低尿素结晶、降低OBD控制难度等方面具有较大优势，是目前全球研发关注的重点;EHC或燃烧器技术，由于能耗、可靠性等方面，目前都存在较大的争议，但是作为一种直接作用于后处理系统的热管理技术，也有较好的发展前景。

参考文献：

［1］王红．浅谈满足重型柴油机超低排放法规的后处理技术现状与展望.2020．

［2］吴芳，柴油车排放法规及后处理技术的现状与展望.2020.