同济大学汽车学院教授 董尧清

　　与机后净化措施结合成趋势

　　20世纪90年代以来，世界各国对发动机排放法规的不断严格，大大推动了发动机技术的发展。2005年欧洲车用发动机已开始实行欧Ⅳ排放法规，欧Ⅳ排放法规对柴油机提出了更为苛刻的要求，欧洲NOx排放限值20年来下降了81%；PM排放限值15年来下降了97%。我国2008 年1月1日将要实施欧Ⅲ排放法规，2011年1月1日将要实施欧Ⅳ排放法规。在激烈的市场竞争中，一些主要生产厂多已做好欧Ⅲ发动机的生产准备，并已开始考虑欧Ⅳ发动机的改造或研制。

　　为实现欧Ⅲ排放，在燃烧方面，目前技术状况下能采用的技术措施多已被采用，传统扩散燃烧方式的潜力已到极限。所以，在实现欧Ⅳ排放的过程中，单单依靠燃烧系统的优化已无法满足要求，更多地是将其与机后净化措施相结合，来满足更为苛刻的排放要求。

　　要实现欧Ⅳ对NOx和PM较低的限值，目前大致上有两条机后净化技术路线：

　　其一是先通过优化燃烧，再使用选择性催化还原SCR来降低因燃烧优化而产生的NOx排放(多在欧洲使用，故称为欧洲路线)；其二是EGR(废气再循环)+DPF(颗粒捕集器)路线，即先通过EGR降低排放中NOx的成份，再用DPF捕集因使用EGR而略有增加的颗粒物，从而达到同时降低NOx和PM的效果(多在美国使用，故称为美国路线)。

　　欧洲路线须使用尿素

　　对于大多数制造商来说，发展现有的发动机技术是他们的首选途径。他们有几种可供选择的方案：先在发动机机内处理NOx，再处理PM；或者两者都进行后处理。最后这种方法存在一个污染源回收的处理问题。没有EGR系统，在发动机机内处理NOx是非常困难的，并且燃油消耗更高。因此，制造商一般在发动机机内减少PM排放，在废气中处理NOx。

　　在欧洲，目前采用的一种解决方案是：利用商业用的固体尿素和水(水溶液浓度为32.5%±0.5%)，在排气中喷入尿素、氨水等还原性物质，将NOx(主要是NO)还原为N2和H2O。如市面上销售的AdBlue，它无毒、洁净、无气味、不易着火、无爆炸危险，但有一点点腐蚀性，必须使用特殊的储存容器。

　　采用这种净化方案的发动机燃油消耗率比较低，油耗可节省5%～7%，若扣除因使用尿素而增加的费用，它还将有节油2%～3%的优势。这对于发动机制造商来说，是吸引消费者的一大亮点。此外，这一路线对于燃油品质相对不敏感，戴姆勒·克莱斯勒公司甚至认为含硫量350ppm以下的欧Ⅲ燃油都可以满足要求。这也可进一步降低这一路线的使用成本。但使用SCR后不但要增加SCR本身装置的重量约150kg～300kg，另外还要增加一个尿素溶液(AdBlue)箱和尿素溶液。按100L尿素溶液跑7000km计算，一辆汽车损失的有效载荷在400kg左右。

　　应用这一系统时必须装有储存和喷射尿素的装置，SCR系统中的尿素剂量最终由发动机管理系统控制，尿素的喷入量必须要与NOx的浓度相匹配，在保证降低NOx的同时，不能超过一定的剂量。尿素的喷入量过少，达不到应有的处理水平；尿素的喷入量过多，则会使多余的氨气排入大气，导致新的污染。所以，必须要有高灵敏度的NOx浓度传感器以及相应的高精度的尿素喷射装置。此外，尿素消耗较快，定期添加尿素的工作也必须由用户来完成。这就加大了装置的复杂性和保养的难度，而且这种装置的价格也是较为昂贵的。

　　SCR作为一种新的后处理技术，由于系统成本高(大约是车辆成本的3%～5%)、初期投资高、操作和保养费用高、需要加一套较复杂的调节还原剂喷射量的控制系统等原因，在车用柴油机上还没有得到大范围的推广。此外还必须保证行驶区域内对尿素需求的供应，需要车载诊断(OBD)，并需要车辆使用者有较强的环保意识，自觉及时地加尿素也是目前实施这一路线的现实困难。

　　此外，在温度较低(-11℃)的情况下，尿素-水溶液会结冰，也使其在寒冷地区的推广使用受到限制。不过，目前可使用添加剂来提高尿素冰点，考虑能源消耗而不采用加热整个尿素箱的方案。

在SCR技术的应用方面，目前已经基本解决尿素的储存、注入和喷射策略等技术问题，使用耐久性好，并已有几年在柴油机上应用的经验，但还需要进一步解决SCR装置以及尿素加注站的布局及相应的成本等问题。随着对SCR技术的进一步开发研究和排放法规的日趋严格，相信SCR技术在欧Ⅳ机上很快会得到推广。

　　目前，已采用这一路线的厂商主要集中在欧洲，如AVL、戴姆勒-克莱斯勒、VOLVO、DAF、IVECO等。

　　美国路线须控制硫含量

　　另一条路线就是EGR系统+DPF/DOC(废气再循环系统+颗粒捕捉器/氧化催化转换器)。

供油提前角和EGR都对柴油发动机的NOx排放和PM排放有较大的影响。减小供油提前角，可以使NOx排放降低，但会使PM排放和燃油消耗率增加；而增大EGR率，使废气与进气混合可以降低缸内氧气浓度，从而在燃烧过程中降低气体的最高温度的同时也可以使NOx排放降低，但会使PM排放增加。它们虽然都可以有效地降低NOx排放，但与减小供油提前角相比，采用EGR时燃油消耗率变化不大，所以在采用降低NOx排放的措施时应首选EGR系统。

　　EGR可有效地降低NOx排放，随着EGR率的增加，NOx排放大幅度下降。同时随着EGR率的增加，缸内较低的氧气浓度将会增加颗粒物的排放，并使发动机的排气烟度增加，但在中小负荷时烟度值比较小，而大负荷时会使柴油机的排气烟度增大，这就给全面、有效地控制NOx和PM排放带来了困难。所以为达到欧Ⅳ排放限值，EGR率一般控制在15%以内，同时还需要配合使用DPF微粒捕集器。

　　然而这项技术却潜伏着危险：一方面燃料中的硫会使微粒捕集系统中毒失效；另一方面，废气中含有的灰分会逐渐堵塞捕集器，增加排气背压，使油耗恶化。因此，往往在DPF的逆向方向增加一个氧化催化转换器DOC，其基质用贵金属如白银涂层，就能够改进再生过程的效率，这将进一步降低HC的排放。

　　尽管这一路线的油耗量更大一些，但部分商家认为，该方案比SCR便宜，因此毫无疑问将会被用户接受。但它不适合停车启动操作，因为在此时发动机排温不可能达到300℃，废气中的黑烟无法在颗粒过滤器中燃烧，同时还存在过滤器堵塞的危险。它更适合在发动机排温高而且比较稳定的长途运输中使用。

　　为了使EGR在卡车发动机中更加有效，EGR冷却系统和散热器必须比普通的同类装置大得多，甚至大于路线一中的尿素箱的尺寸，这对于一些货车而言还是个问题。大多数发动机为了减少噪声而进行了空间压缩，这增加了冷却问题的解决难度。EGR系统和内部冷却系统都需要安装在发动机上，这就引发了发动机的体积问题。早期试验表明，在欧Ⅳ发动机中使用EGR的燃油效率不如SCR。而且这条路线对燃油品质的要求更高，由于燃油中的硫会引起这一系统的积灰，所以要求硫含量达到低于50ppm的水平，理想情况要求达到10ppm～15ppm的水平，我国的石油工业要想在2010年前达到这一要求似乎有困难。

　　另外，要在柴油机上实现微粒捕集器的再生，一般需要附加能源，例如用燃烧器加热、电阻加热或微波加热。这些也在一定程度上增加了这一路线的油耗和系统成本。正因为这些原因，许多生产厂商反对将EGR系统用到欧Ⅳ发动机中。当然，这并不意味着欧Ⅴ和欧Ⅵ发动机也不会采用。目前，采用这一路线的主要厂商有：SWRI、SCANIA、MAN等。