我国重型车欧Ⅳ/Ⅴ标准的技术路线选择

呆桃奶赞

做一个帅气的卡友很累，这点我真的深有体会。

    世界各国越来越关注汽车尾气的排放了，从日益严格的法规可以证实这一点：欧洲法规规定，自2006年1月起，柴油发动机载货车排放需达到欧Ⅳ标准，2009年1月达到欧Ⅴ标准；美国即将实施的法规比欧Ⅳ和欧Ⅴ还要严格；日本也紧随其后。为了早日与世界接轨，我国正积极地实施更为严格的排放法规，特别是制定了中重型柴油车的排放标准，其实施步骤是：2007年初引进欧Ⅲ标准，2010年引进欧Ⅳ标准，至于欧Ⅴ标准何时引进还未确定。

●  更加严格的欧Ⅳ/Ⅴ排放法规

    从欧Ⅱ到欧Ⅲ，对发动机进行了改进，比如加强中冷对进气进行冷却，将机械喷射系统换为电控高压喷射系统等。这样不但降低了燃油消耗量，而且氮氧化物和颗粒物都有所下降，氮氧化物从7g/kWh降低到5g/kWh，颗粒物从0.15g/kWh降低到0.1g/kWh。

    欧Ⅳ/Ⅴ标准对氮氧化物和颗粒物提出了更高的要求，下图是欧0到欧Ⅴ氮氧化物和颗粒物的排放限值，它们是逐级减少的，从欧Ⅲ到欧Ⅳ，颗粒物排放限值从0.1g/kWh降低到0.02g/kWh，NOx排放限值从5g/kWh降低到3.5g/kWh。欧Ⅳ和欧Ⅴ的颗粒物排放标准是一样的，但是NOx从3.5g/kWh降低到2.0g/kWh。在欧Ⅲ的基础上仅仅对发动机内部参数进行优化虽然可以继续降低排放，但是不足以满足欧Ⅳ/Ⅴ标准，还需要增加其他的技术。

●  满足欧Ⅳ/Ⅴ排放法规的技术方案

    要使得NOx和颗粒物的排放达到法规的要求，现有两种方案可以选择：一是EGR（废气再循环）＋DPF（柴油微粒过滤器）系统，通过EGR降低NOx，用DPF捕集颗粒物并通过再生技术除去颗粒；或者采用EGR＋POC（颗粒物氧化催化剂），其工作原理和EGR＋DPF相似，只是颗粒物转化效率较低。二是改变发动机技术，使颗粒物排放达到法规要求，但是同时会增加NOx的排放，所以在排气管中安装SCR（选择性还原催化器）系统来降低NOx的排放。

    EGR＋DPF系统

    对于废气再循环来说，一部分废气取自排气歧管，在EGR冷却器中冷却后再混入进气中。EGR总的废气流量由EGR阀门控制。将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同时降低氮氧化物的排放。但是同时由于燃烧以及改良的缸内气体交换和颗粒物后处理装置的造成背压等因素使得油耗将会增加。

    但是，气缸内的氧气浓度的降低会增加颗粒物的排放，所以需要加装一个吸收颗粒物的装置。柴油微粒过滤器（DieselParticulateFilter，DPF）就是这样一种装置，它通过过滤或/和化学反应来降低排气中颗粒物。图3就是一种高效率、壁面流动式过滤器，它可以减少90%的柴油微粒排放。

    DPF的基质由多孔材料组成，有的是陶瓷，有的是金属。它由很多管道组成，这些管道的入口和出口之一是封闭的，如图所示，废气从左边进入，因为出口是封闭的，所以废气只能通过蜂窝状的管壁进入相邻的只有出口开放的管道。

    当穿过管壁的时候颗粒物会从排气气流中分离出来并在管壁上堆积，过滤效率在80%～90%之间，根据过滤器的材料和系统布局不同而不同。这些沉积在过滤器壁上的颗粒物要定期的清除掉，不然过滤器就会被堵塞，这就是过滤器的再生。

    如果发动机在大负荷下运转，那么废气的温度足以燃烧掉这些颗粒物，在DPF的上游安装一个氧化催化剂，它可以氧化柴油排气中的大部分HC、CO和颗粒中的可溶有机成分SOF，但是发动机在低负荷下运转时，废气的温度是不足以启动再生过程的，所以需要其他的辅助装置使得过滤器再生，主要的方法有：燃烧器再生、电热再生、催化剂再生等等。最近美国和欧洲正在应用的连续再生过滤器（CRT，Continuous Regenetatig Trap）可以很好的解决再生问题。

    但是这些有贵金属涂层的颗粒物后处理系统的缺点是：如果废气中有硫的话会将硫转化为硫酸盐。只有燃油中的硫含量低于20ppm时（假设不包括燃油中所含的硫的情况下，发动机排放的微粒物不超过0.01g/kWh）才可能达到欧Ⅳ/Ⅴ要求的颗粒物排放，所以如果采用此方案，不能使用欧Ⅲ标准（燃油中硫含量最高为350ppm）或者油品更差的燃油，因为这样不仅达不到颗粒物排放标准，而且可能使系统受到损害。例如：发动机可能会受EGR系统产生的硫酸的腐蚀；DPF再生会被硫酸盐钝化，并且过滤器会被堵塞并不可恢复。因此车辆使用的燃油最低也要达到欧Ⅳ标准。

    使用EGR系统的另一个问题是：从EGR冷却系传出的热量会转移到发动机的水循环系统，如果车辆的水冷器要符合欧Ⅳ标准，其水冷能力就要增加30%，要符合欧Ⅴ标准就要增加50%。但是对于中国的卡车来说，车辆上的空间是有限的，要安装一个增大了冷却器确实存在困难。

    SCR系统

    为了降低排气中的颗粒物可以对发动机进行优化，比如高压喷射、喷射正时提前以及加大涡轮增压器的增压压力比等，这样可以使颗粒物符合欧Ⅳ/Ⅴ标准，但是会增加氮氧化物的排放，应用SCR（Selective Catalytic Reduction，SCR）技术就可以解决此问题。

    选择性还原催化器是指安装在柴油汽车排气系统中，将柴油机排气中的NOx催化还原成N2和O2的催化转化装置。SCR系统通过还原剂把氮氧化物转化为N2和O2，一般是选择尿素水溶液作为还原剂。尿素水溶液喷射到催化剂逆流方向的排气管中，在废气温度和气流作用下气化分解为CO2和氨水，氨水作为还原剂将NOx还原为无污染的氮气和水。

    尿素溶液必须根据发动机工作状况定量喷射，所以定量喷射单元的逻辑电路是与发动机控制单元相连接的。SCR的工作效率取决于气体的温度，如果在200℃和500℃的温度范围内工作，其效率是85%，实际车辆的操作条件都可以达到这个要求。欧Ⅳ标准要求转化率是50%，欧Ⅴ标准是70%，所以SCR系统完全满足要求。

    SCR系统需要的尿素水溶液是32.5%的高纯尿素溶液，它必须储藏在车上的独立的储藏罐中，且要满足严格的质量标准，以保证SCR系统的稳定工作。AdBlue品牌就能保证其质量标准，它是一种人工合成的无毒、无味的液体，并且对水的污染是最低级别，使用它是简单且安全的。目前在欧洲已经有1500家左右的加注站了，并且仍然在增加，它的价格仅是柴油的一半左右。其消耗量也是很低的，满足欧Ⅳ标准的消耗量大约是燃油消耗的3.5%，满足欧Ⅴ标准大约是燃油消耗的5%。

    SCR系统的一大优势是对燃油中硫含量的要求不高，即使使用欧Ⅲ标准的燃油也可以满足欧Ⅳ/Ⅴ标准。也就是说即使不能及时的在全国提供欧Ⅳ标准的燃油，装载了SCR系统的车辆也可以在全国范围内行驶。并且此系统可以很合适的装在一辆卡车上，而不像EGR系统那样需要更大的冷却装置。

    EGR＋DPF系统和SCR系统的比较

    EGR＋DPF系统需要高质量超低硫燃油，其含硫量要小于20ppm，而且在新的排放标准出台前1年燃油供应基础设施就要准备就绪，石油行业也需要更多的时间来进行调整，在欧洲，石油行业的改造过程大约用了10年。

    可见要实施此方案的成本很高，且时间较长。相比之下，SCR系统对燃油质量的要求就相对较低，硫含量在200ppm左右就可以了，也就是说在只能提供欧Ⅲ燃油的情况下就可以提前引进欧Ⅳ车辆了。它需要的是像AdBlue这样的附加触媒。

    AdBlue是一种尿素水溶液，它无毒、无味、无危险，操作方便、安全。并且在欧洲已经得到了应用，根据欧洲市场的经验来看，我国在2010年前在全国推广AdBlue技术是可行的，这就需要汽车行业和政府的大力支持。

    另外，燃油消耗率也是要考虑的一个因素。在欧Ⅳ标准上看，SCR系统较EGR＋DPF系统节省3%～5%的燃油，在欧Ⅴ标准上看，SCR系统较EGR＋DPF系统节省10%的燃油。虽然SCR系统需要消耗AdBlue，但是其消耗量仅为柴油消耗量的3.5%（从成本来讲是柴油消耗的1.7%），而EGR＋DPF系统会多消耗7%的柴油，可见SCR系统在燃油消耗上的优势高于EGR＋DPF系统。

●  我国重型车满足欧Ⅳ/Ⅴ标准的技术路线选择

    我国最终会选择哪种方案这就要看到2010年中国市场能够提供超低燃油还是AdBlue。我国更适合采用SCR技术方案，因为尿素水溶液的提供还是较容易的，而超低燃油对于中国来说确实存在很大的困难，目前我国的燃油标准还未达到欧Ⅲ标准（硫含量为350ppm），到2010年达到30ppm是不大可能的。如果我国采用了SCR技术，那么达到超低燃油的柴油脱硫工作就可以延迟到引进欧Ⅵ标准时再进行，这就为石油行业提供了更多的时间进行调整。

    SCR系统更适合中国市场还有以下几个原因：

    1. 能够节省燃油消耗。如前所述，SCR系统的燃油消耗相对于EGR＋DPF系统稍低一些，它的AdBlue的消耗量也可在燃油消耗上得到补偿。

    2. 现在采用了此技术，在很长时间内都可以满足排放法规定的要求，一直到欧Ⅵ标准的引进。

    3. 此系统不同于EGR＋DPF系统，要增加冷却器的体积，它只需一个附加的贮藏罐，这对于车辆驾驶室的设计影响不大。

    4. 发动机复杂性低。

    此系统可以同时满足欧Ⅳ和欧Ⅴ标准，可以在部分地区提前引进，只需设立尿素加注站。

●  结束语

    综上所述，SCR系统更适合中国。但是要使此技术在我国得到应用，还存在很多问题：首先是技术问题，需要对欧Ⅲ发动机机内燃烧技术进行改进，再加上后处理装置，技术复杂，系统零部件多。为了符合新标准要求，可能要借鉴国外的成熟技术。

    再者就是成本问题，SCR技术其实比DPF技术更复杂，成本也相对较高；发动机基本上都是采用高压共轨技术，此技术的成本约为发动机成本的一半，对发动机企业来讲，压力很大；虽然SCR系统相对于EGR系统来说硫含量低至200ppm，但是中国的油品还未达到这个要求。还有尿素加注站的问题，需要国家的规划和大力支持。（作者：李锦 许建昌 马杰 徐达）