中國重型卡車排放技術(shù)發(fā)展路線探討

 

 國Ⅳ排放，國內(nèi)主流廠家比較認可SCR技術(shù)路線。預(yù)計國Ⅳ時代，高速物流用牽引車會采用SCR技術(shù)路線，而對于中短途載貨車及自卸車將會采用EGR+DPF技術(shù)路線。 

 

汽車排放是指從廢氣中排出的CO、HC＋NOx、PM等有害氣體。為了抑制這些有害氣體的產(chǎn)生，促使汽車生產(chǎn)廠家改進產(chǎn)品以降低這些有害氣體的產(chǎn)生源頭。目前世界上排放法規(guī)主要有三個體系，即歐洲、美國和日本的排放法規(guī)體系，其中歐洲標(biāo)準(zhǔn)是我國借鑒的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，所以下面重點介紹歐洲排放法規(guī)的要求。

 

A、歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)

 

 歐洲標(biāo)準(zhǔn)是由歐洲經(jīng)濟委員會(ECE)的排放法規(guī)和歐共體(EEC，即現(xiàn)在的歐盟EU)的排放指令共同加以實現(xiàn)的。排放法規(guī)由ECE參與國自愿認可，排放指令是EEC或EU參與國強制實施的。汽車排放的歐洲法規(guī)(指令)標(biāo)準(zhǔn)1992年前已實施若干階段，1992年之前為歐0階段，具體實施時間及排放標(biāo)準(zhǔn)見表1。

 

歐0階段：采用純機械式的供油系統(tǒng)(燃油泵或柴油泵)和自然吸氣技術(shù)。

 

歐Ⅰ階段：在歐0發(fā)動機的機械供油系統(tǒng)(燃油泵)基礎(chǔ)上，主要輔以廢氣渦輪增壓技術(shù)。

 

歐Ⅱ階段：在歐Ⅰ發(fā)動機平臺上適當(dāng)改進，主要輔以廢氣渦輪增壓(水空)中冷技術(shù)或廢氣渦輪增壓(空空)中冷技術(shù)， 供油系統(tǒng)沒有本質(zhì)變化。

 

歐Ⅲ階段：對歐II發(fā)動機平臺進行重大升級，主要是供油系統(tǒng)發(fā)生了本質(zhì)變化，實現(xiàn)了供油系統(tǒng)由機械式控制向電子控制的轉(zhuǎn)化，主要技術(shù)路線包括電控泵噴嘴、電控高壓共軌、電控單體泵和電控H泵+EGR。EGR(廢氣再循環(huán))技術(shù)主要是針對有害氣體(NOx) 設(shè)置的排氣凈化裝置，它將一部分排氣循入進氣管與新鮮空氣混合后進入氣缸燃燒，以增加混合氣的熱容量，降低燃燒時的最高溫度，抑制NOx的生成。

 

歐Ⅳ階段：在該階段，PM與NOx的排放都做了進一步限制，其技術(shù)路線是在歐Ⅲ發(fā)動機基礎(chǔ)上，供油系統(tǒng)沒有本質(zhì)變化，主要是采取一系列機內(nèi)凈化技術(shù)如提高供油系統(tǒng)的控制靈敏性和壓力，燃燒室和進氣等進一步優(yōu)化，并綜合使用機外凈化(后處理)技術(shù)。機外凈化(后處理)技術(shù)目前主要有兩條技術(shù)路線：一種是SCR(選擇性催化還原)技術(shù)，通過機內(nèi)凈化PM，機外催化還原；另一種是EGR(廢氣再循環(huán))+DPF(微粒捕集器)+DOC(氧化催化轉(zhuǎn)換器)技術(shù)，通過機內(nèi)凈化降低NOx，機外通過微粒捕捉器過濾PM。

 

歐Ⅴ階段：在該階段，對PM的要求與歐Ⅳ相同，僅對NOx的排放做了進一步限制。其技術(shù)路線在歐Ⅳ發(fā)動機基礎(chǔ)上，根據(jù)歐Ⅳ階段采取的技術(shù)路線的不同，進行相應(yīng)的調(diào)整。采用SCR技術(shù)的發(fā)動機相對容易，只需要進行部分配件和電控參數(shù)上的局部調(diào)整，而采用EGR技術(shù)的發(fā)動機則需要在管路上進行重新設(shè)計，改動較大。總之，在每一級的排放技術(shù)提升中，整個發(fā)動機都需要對進氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)和排氣后處理系統(tǒng)進行改進和優(yōu)化。

 

國內(nèi)排放實施時間

 

為了早日與世界接軌，我國正積極地實施更為嚴(yán)格的排放法規(guī)，特別是制定了中重型柴油車的排放標(biāo)準(zhǔn)，其實施步驟是： 2007年初引進歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，2010年引進歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)

 

B、 中國國Ⅲ排放技術(shù)之爭

 

1. 國Ⅲ排放實施路線

 

從歐洲的發(fā)展看，歐Ⅱ到歐Ⅲ和歐Ⅲ到歐Ⅳ，不是一個量的進步方式，而是質(zhì)的飛躍。發(fā)動機內(nèi)從機械式噴油變?yōu)楦咏?jīng)濟和高效率的電子噴油。在尾氣處理上增加一些微粒捕集器、催化劑之類，進一步提高排放和燃燒效率。

 

目前，國內(nèi)車用柴油機針對國Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)實施的燃油系統(tǒng)技術(shù)路線主要有四種：電控泵噴嘴(EUI)、高壓共軌(Common Rail)、電控單體泵(EUP)和電控直列泵(EIL)+EGR。在這四種技術(shù)路線中，德爾福在中國市場針對中輕型車推廣共軌技術(shù)，針對重型車提供泵噴嘴和單體泵技術(shù)；博世在中國市場主推高壓共軌系統(tǒng)；電裝目前正在研發(fā)第3代、第4代共軌系統(tǒng)和為中國市場的共軌系統(tǒng)作適應(yīng)性二次開發(fā)；而中國重汽則推出電控直列泵(EIL)+EGR，由于價格便宜(比共軌便宜1.5萬元左右)，一經(jīng)推出就受到市場的追捧。但剛開始實行國Ⅲ的時候，市場上幾乎一邊倒都主推共軌技術(shù)，而重汽的電控直列泵(EIL)+EGR則被競爭對手戲稱為“假國Ⅲ”。國內(nèi)外柴油機燃油系統(tǒng)的技術(shù)路線之爭都已經(jīng)到了白日化階段，現(xiàn)對各種路線做一個剖析。

 

(1) 電控泵噴嘴技術(shù)(EUI)

 

在泵噴嘴系統(tǒng)中，電控油泵和噴油嘴之間沒有管路連接，做成一體直接安裝在氣缸蓋上，這樣不占用更多的空間。每一個油泵都由頂置凸輪軸同時驅(qū)動氣門和泵噴嘴，頂置凸輪軸必須具有極高的硬度和剛度以承受噴油器產(chǎn)生的高壓。同時，凸輪軸的驅(qū)動系統(tǒng)也需要專門設(shè)計。電控泵噴嘴系統(tǒng)的優(yōu)勢在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，噴油嘴孔徑非常小，所以燃油噴射壓力非常高，形成優(yōu)良的混合氣，確保燃油霧化良好，燃燒效率很高，同時還可以精確控制噴油始點和噴油量，從而提高柴油機的動力性、燃油經(jīng)濟性，降低排放和改善NVH特性。目前，采用該項技術(shù)的車用柴油機可滿足歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，峰值壓力可達到2000bar。

 

該技術(shù)被沃爾沃、曼、依維柯、東風(fēng)、陜汽等企業(yè)采用，另外，美國康明斯的全電控發(fā)動機應(yīng)用的也是電控泵噴嘴技術(shù)，目前采用該技術(shù)的發(fā)動機全球保有量已經(jīng)超過40萬臺，行駛里程達3000億km，是久經(jīng)考驗的成熟產(chǎn)品。

 

(2) 高壓共軌技術(shù)(Common Rail)

 

“CRDI”是英文Common Rail Direct Injection的縮寫，意為高壓共軌柴油直噴系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由高壓油泵、噴油管、高壓蓄壓器(共軌)、噴油器、電控單元、傳感器及執(zhí)行器組成。在高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開，由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管，通過控制高壓油泵電磁閥開啟持續(xù)時間從而對公共供油管內(nèi)的燃油壓力實現(xiàn)精確控制；通過控制噴油器電磁閥開啟時刻、持續(xù)時間從而控制噴射提前角、燃油噴射量。高壓油管壓力大小與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化，從而改善發(fā)動機的燃燒工作過程，在有效降低發(fā)動機排放水平的同時，還能夠改善發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性和降低燃燒噪聲。采用該技術(shù)的國外公司有沃爾沃、奔馳、曼，國內(nèi)公司有陜汽、解放、歐曼、紅巖等企業(yè)，國內(nèi)發(fā)動機廠家有濰柴、玉柴、錫柴。高壓共軌技術(shù)成為目前能夠?qū)崿F(xiàn)國Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)應(yīng)用最廣泛。

 

(3) 電控單體泵技術(shù)(EUP)

 

單體泵指一個氣缸一個油泵，這里的油泵指的是高壓油泵，或稱為噴油泵。電控單體泵技術(shù)的主要技術(shù)特征是其油泵與配氣機構(gòu)共用一根凸輪軸，使結(jié)構(gòu)得到最大程度的簡化，并縮短了油泵出油口到噴油器的管路距離。由于油泵提升壓力原理與直列泵類似，所以其噴油規(guī)律為“三角形”的前緩后急的特征，一定程度上有利于燃燒過程的優(yōu)化，最高壓力可達到1800~2000bar。該技術(shù)用在奔馳、珀金斯、依維柯、道依茨，國內(nèi)有道依茨一汽大柴、玉柴等。

 

電控單體泵系統(tǒng)已在歐美成功使用了十多年，被公認為性能優(yōu)越、穩(wěn)定可靠、使用壽命長的電控燃油噴射系統(tǒng)之一。在近幾年內(nèi)，歐洲和北美的重型車生產(chǎn)商仍將會采用電控單體泵系統(tǒng)。對于中國市場來說，單體泵對發(fā)動機的改動非常少，只在油路系統(tǒng)做些變化。而且，單體泵對油品質(zhì)量的忍耐程度比共軌系統(tǒng)好很多。由于一直以來沿襲前蘇聯(lián)的煉油模式，中國柴油除了雜質(zhì)高之外，硫含量也非常大。目前，歐洲可以達到每百萬單位10~15個單位含量的硫(10~15PPM)，在中國平均水平只有300PPM，北京的最好水平也就是50PPM。

 

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 (4) 電控直列泵(EIL) +EGR技術(shù)

 

電控直列泵+EGR技術(shù)全稱為機械式電控直列泵燃油噴射系統(tǒng)和冷卻的電控EGR(廢氣再循環(huán))技術(shù)。該技術(shù)是由發(fā)動機ECU(電控單元)進行控制，通過進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器、水溫傳感器、發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、油門傳感器以及車輛制動信號來感知發(fā)動機的各種狀態(tài)，從而控制EGR控制閥的開度和廢氣再循環(huán)比率，引回部分廢氣與新鮮空氣共同進入發(fā)動機氣缸內(nèi)參與燃燒，既降低氣缸內(nèi)的燃燒溫度，又有效控制高溫富氧條件下NOx的生成，從而降低發(fā)動機廢氣中的NOx含量。

 

目前，國內(nèi)中國重汽宣稱擁有國家工信部與環(huán)保部認可的電控直列泵+EGR技術(shù)的國Ⅲ發(fā)動機。進入2009年，一汽錫柴、玉柴、上柴、濰柴、康明斯等也都提供電控直列泵+EGR發(fā)動機，但都沒有得到環(huán)保部的認可。

 

大量國內(nèi)外實踐經(jīng)驗和理論研究都表明：電控泵噴嘴系統(tǒng)、電控高壓共軌系統(tǒng)、電控單體泵系統(tǒng)、電控直列泵系統(tǒng)等都有滿足目前國Ⅲ和將來國Ⅳ排放要求的能力。這四種系統(tǒng)因各自的結(jié)構(gòu)特點在技術(shù)上各有各的特點。就國內(nèi)發(fā)動機市場發(fā)展來說，是因地制宜，要從成本、性能、匹配、售后服務(wù)等各方面綜合來分析，選擇適合自己、適合國情的發(fā)動機排放路線。

 

 2. 國外主流廠家電噴技術(shù)路線

 

表3是歐美主流廠家發(fā)動機國Ⅲ所采用的技術(shù)路線，從中可以看出，電控高壓共軌為主流技術(shù)，其次為泵噴嘴。多種技術(shù)并行的有PACCAR公司，采用電控高壓共軌與單體泵，康明斯采用電控高壓共軌與泵噴嘴，梅塞德斯奔馳采用泵噴嘴與單體泵。

 

3. 2009年國Ⅲ排放之爭

 

自重汽2008年7月1日推出EGR國Ⅲ車型后，便遭到同行的懷疑，戲稱為“假國Ⅲ”。但由于重汽的EGR國Ⅲ車型由于價格便宜，市場表現(xiàn)良好。中國汽車工業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)表明，重汽在去年至今連續(xù)十幾個月都蟬聯(lián)重卡市場銷量冠軍，并且在2009年17月市場份額上升到32%。

 

但又聽說為了應(yīng)對重汽的挑戰(zhàn)，早在今年初濰柴、玉柴、錫柴、東風(fēng)康明斯等紛紛推出EGR發(fā)動機。今年一季度裝配東風(fēng)康明斯EGR發(fā)動機的東風(fēng)商用車、裝配玉柴EGR發(fā)動機的東風(fēng)柳汽、裝配錫柴EGR機型的一汽解放J5等各家重卡產(chǎn)品已經(jīng)在終端市場上批量投放和運營，其技術(shù)路線主要為內(nèi)置式廢氣再循環(huán)路線，而內(nèi)置式EGR則被重汽稱為“假EGR”。自去年7月1日開始的真假國Ⅲ之爭，演變到今年的真假EGR之爭，市場出現(xiàn)戲劇性的變化。

 

目前國內(nèi)EGR主要有兩種：外置式EGR與內(nèi)置式EGR。各主流發(fā)動機廠EGR發(fā)動機及其技術(shù)路線見表4。

 

(1)外置EGR路線。以電子機械泵和冷卻式廢氣再循環(huán)技術(shù)為典型特征，以重汽、大柴道依茨為代表，通過在發(fā)動機殼外安裝電控EGR閥和電控單元，根據(jù)瞬時工況和廢氣控制電磁閥開度，以達到國Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)。

 

(2)內(nèi)置EGR路線。該技術(shù)經(jīng)過精確測算，通過控制發(fā)動機凸輪軸的機械運行，使氣缸排氣門在進氣時保持3％6%的開度，從而達到溢出廢氣與進氣按不同比例混合的效果，使發(fā)動機排放實現(xiàn)國Ⅲ。代表性企業(yè)包括一汽錫柴、玉柴和東風(fēng)康明斯。

 

目前，一汽集團中等功率柴油機采用外置EGR技術(shù)，主要由旗下的大柴道依茨合資公司生產(chǎn)；大功率柴油機則走內(nèi)置EGR路線，由無錫柴油機廠負責(zé)。濰柴既開發(fā)出外置式EGR發(fā)動機，也有內(nèi)置EGR發(fā)動機產(chǎn)品。

 

現(xiàn)在市場上用戶對國Ⅲ排放路線的認識更加理性。 經(jīng)過近一年的熟悉，他們也漸漸的理解共軌國Ⅲ的優(yōu)勢：油耗低、故障率低。所以在公路用車如牽引車開始接受共軌發(fā)動機，而在工程用車如自卸車等選擇價格更便宜的EGR發(fā)動機。

 

C、國Ⅳ排放技術(shù)發(fā)展

 

1. 國Ⅳ排放技術(shù)情況

 

國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)是國家第四階段機動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，是控制和減少汽車排放污染物到規(guī)定數(shù)值以下的標(biāo)準(zhǔn)。

 

國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)之前，柴油機排放可以通過機內(nèi)凈化技術(shù)來解決污染物的排放控制，達到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，而從國Ⅳ開始，除了改進燃油噴射系統(tǒng)、優(yōu)化燃燒過程等機內(nèi)凈化措施外，還必須增加裝置才能使排放達標(biāo)。

 

歐美主要采用了兩條機外后處理技術(shù)路線：

 

其一是SCR(選擇性催化還原)技術(shù)路線(見圖2)，它是通過優(yōu)化噴油和燃燒過程，盡量在機內(nèi)控制微粒的產(chǎn)生，在機外后處理過程，采用尿素溶液對NOx進行選擇性催化還原。這一技術(shù)路線在歐洲占主流，歐洲長途載貨車通常采用SCR技術(shù)，而短途運輸或者城市公交車則選擇EGR+DPF技術(shù)。采用該技術(shù)路線的主要有康明斯、馬克、底特律柴油發(fā)動機、戴姆勒克萊斯勒、沃爾沃、達夫、依維柯。

 

其二是EGR+DPF/DOC(廢氣再循環(huán)+微粒捕集器/氧化催化轉(zhuǎn)換器)技術(shù)路線(見圖3)，它以廢氣再循環(huán)為基礎(chǔ)，在機內(nèi)抑制NOx的產(chǎn)生，在機外后處理過程中采用微粒捕集器對微粒進行捕捉。這一技術(shù)路線在北美市場占主流，目前采用該技術(shù)路線的主要有康明斯、卡特彼勒、萬國、斯堪尼亞、曼等。

 

兩種技術(shù)路線各有優(yōu)缺點(見表5)，采用SCR方案，對發(fā)動機不須做進一步的強化處理。燃油中的硫含量對于系統(tǒng)的影響較小，可回避燃油含硫量高的難題，而硫含量高是國產(chǎn)柴油近幾年難以克服的技術(shù)問題。采用SCR方案可通過調(diào)整噴油特性而節(jié)省燃油消耗約5％，但需在加油站設(shè)立相關(guān)的尿素溶液補充設(shè)備，整車也需增加一套尿素貯存和轉(zhuǎn)化裝置而使成本增加。采用EGR+ DPF/DOC方案需對原發(fā)動機進行強化，提高噴油壓力和增壓中冷能力。其次，需提高微粒捕集器的再生能力，還有對燃油含硫量要求較嚴(yán)，且燃油消耗較高，但不增加額外的裝置，用戶只要定期更換微粒捕集器。

 

在歐洲主要以SCR技術(shù)占主流，而在北美卻以EGR+DPF為主流，這主要因為美國燃油價格較歐洲低，車主對燃油經(jīng)濟性不敏感，卻需要考慮施用尿素帶來的成本增加。其次，US2007標(biāo)準(zhǔn)對新車提出15萬km無維修要求，而SCR技術(shù)則需要大約5000km就要添加一次尿素。第三，采用SCR技術(shù)還需要向美國EPA申請?zhí)貏e許可。

 

目前對于國內(nèi)到底該用那種方案，雖然還很難確定，但取得的共識和歐洲市場基本相同，對于用于中長途的牽引車，SCR技術(shù)更加適合，對于中短途的車輛及排量較小的輕、微卡EGR+DPF技術(shù)較為合適。這主要是因為：

 

第一、采用SCR系統(tǒng)的發(fā)動機無論大小，都需要安裝一套尿素定量控制和噴射系統(tǒng)，成本隨排量變化不大。而EGR技術(shù)所使用的微粒捕捉器，會因排量不同而產(chǎn)生巨大成本差異。所以小型柴油機使用EGR技術(shù)，制造成本要遠低于大型柴油機。

 

第二、由于SCR技術(shù)僅在一定的工作溫度范圍內(nèi)才能有效果，所以更適合長時間大負荷工作的重型柴油機。EGR+DPF成本增加較小，所以對于工況復(fù)雜、價格敏感的自卸車、中短途載貨車比較適合。

 

第三、成本因素。對于長途物流來說，燃油經(jīng)濟性是最關(guān)鍵的因素，較低的油耗會使用戶愿意克服尿素添加所帶來的不利因素，從而選擇SCR技術(shù)。DPF要求定期進行清洗，長途物流難以保證。

 

2. 國Ⅳ排放實施時間分析

 

根據(jù)之前國家有關(guān)規(guī)定，重卡柴油機國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)將在2010年1月1日實行，根據(jù)國Ⅲ的實行情況，以及國外國Ⅲ到國Ⅳ需要5年的切換時間，因此除北京、上海、深圳等地區(qū)外，全國大部分地區(qū)的國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的實行可能會延期2年左右，即型式核準(zhǔn)會在2012年1月1日實行，新車銷售、上牌將會在2013年1月1日執(zhí)行。表6是針對國內(nèi)國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)實行原時間及預(yù)測時間表。

 

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3. 國內(nèi)市場國Ⅳ技術(shù)路線選擇

 

雖然國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行會有延期，但是北京、上海、深圳等地區(qū)將會率先實行國Ⅳ排放，為了未雨綢繆，國內(nèi)主流重卡發(fā)動機廠家也早就開始了國Ⅳ發(fā)動機的研發(fā)以及技術(shù)路線的選擇，表7是國內(nèi)主流廠家國Ⅳ機型及所采用的技術(shù)路線。從表7可以看出，國Ⅳ排放，國內(nèi)主流廠家比較認可SCR技術(shù)路線，一汽兩種路線并舉，重汽仍然青睞EGR+DPF。

 

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D、我國重型車滿足歐Ⅳ/Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)路線選擇

 

世界各國越來越關(guān)注汽車尾氣的排放了，從日益嚴(yán)格的法規(guī)可以證實這一點：歐洲法規(guī)規(guī)定，自2006年1月起，柴油發(fā)動機載貨車排放需達到歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，2009年1月達到歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)；美國即將實施的法規(guī)比歐Ⅳ和歐Ⅴ還要嚴(yán)格；日本也緊隨其后。為了早日與世界接軌，我國正積極地實施更為嚴(yán)格的排放法規(guī)，特別是制定了中重型柴油車的排放標(biāo)準(zhǔn)，其實施步驟是：2007年初引進歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，2010年引進歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，至于歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)何時引進還未確定。

 

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一、更加嚴(yán)格的歐Ⅳ/Ⅴ排放法規(guī)

 

從歐Ⅱ到歐Ⅲ，對發(fā)動機進行了改進，比如加強中冷對進氣進行冷卻，將機械噴射系統(tǒng)換為電控高壓噴射系統(tǒng)等。這樣不但降低了燃油消耗量，而且氮氧化物和顆粒物都有所下降，氮氧化物從7g/kWh降低到5g/kWh，顆粒物從0.15g/kWh降低到0.1g/kWh。歐Ⅳ/Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)對氮氧化物和顆粒物提出了更高的要求，下圖是歐0到歐Ⅴ氮氧化物和顆粒物的排放限值，它們是逐級減少的，從歐Ⅲ到歐Ⅳ，顆粒物排放限值從0.1g/kWh降低到0.02g/kWh，NOx排放限值從5g/kWh降低到3.5g/kWh。歐Ⅳ和歐Ⅴ的顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)是一樣的，但是NOx從3.5g/kWh降低到2.0g/kWh。在歐Ⅲ的基礎(chǔ)上僅僅對發(fā)動機內(nèi)部參數(shù)進行優(yōu)化雖然可以繼續(xù)降低排放，但是不足以滿足歐Ⅳ/Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)，還需要增加其他的技術(shù)。

 

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二、滿足歐Ⅳ/Ⅴ排放法規(guī)的技術(shù)方案

 

要使得NOx和顆粒物的排放達到法規(guī)的要求，現(xiàn)有兩種方案可以選擇：一是EGR（廢氣再循環(huán)）＋DPF（柴油微粒過濾器）系統(tǒng)，通過EGR降低NOx，用DPF捕集顆粒物并通過再生技術(shù)除去顆粒；或者采用EGR＋POC（顆粒物氧化催化劑），其工作原理和EGR＋DPF相似，只是顆粒物轉(zhuǎn)化效率較低。二是改變發(fā)動機技術(shù)，使顆粒物排放達到法規(guī)要求，但是同時會增加NOx的排放，所以在排氣管中安裝SCR（選擇性還原催化器）系統(tǒng)來降低NOx的排放。

 

1、EGR＋DPF系統(tǒng)

 

對于廢氣再循環(huán)來說，一部分廢氣取自排氣歧管，在EGR冷卻器中冷卻后再混入進氣中。EGR總的廢氣流量由EGR閥門控制。將廢氣與進氣混合可以降低缸內(nèi)氧氣濃度，從而在燃燒過程中降低氣體的最高溫度同時降低氮氧化物的排放。但是同時由于燃燒以及改良的缸內(nèi)氣體交換和顆粒物后處理裝置的造成背壓等因素使得油耗將會增加。

 

但是，氣缸內(nèi)的氧氣濃度的降低會增加顆粒物的排放，所以需要加裝一個吸收顆粒物的裝置。柴油微粒過濾器（DieselParticulateFilter，DPF）就是這樣一種裝置，它通過過濾或/和化學(xué)反應(yīng)來降低排氣中顆粒物。圖3就是一種高效率、壁面流動式過濾器，它可以減少90%的柴油微粒排放。DPF的基質(zhì)由多孔材料組成，有的是陶瓷，有的是金屬。它由很多管道組成，這些管道的入口和出口之一是封閉的，如圖所示，廢氣從左邊進入，因為出口是封閉的，所以廢氣只能通過蜂窩狀的管壁進入相鄰的只有出口開放的管道。當(dāng)穿過管壁的時候顆粒物會從排氣氣流中分離出來并在管壁上堆積，過濾效率在80%～90%之間，根據(jù)過濾器的材料和系統(tǒng)布局不同而不同。這些沉積在過濾器壁上的顆粒物要定期的清除掉，不然過濾器就會被堵塞，這就是過濾器的再生。

 

如果發(fā)動機在大負荷下運轉(zhuǎn)，那么廢氣的溫度足以燃燒掉這些顆粒物，在DPF的上游安裝一個氧化催化劑，它可以氧化柴油排氣中的大部分HC、CO和顆粒中的可溶有機成分SOF，但是發(fā)動機在低負荷下運轉(zhuǎn)時，廢氣的溫度是不足以啟動再生過程的，所以需要其他的輔助裝置使得過濾器再生，主要的方法有：燃燒器再生、電熱再生、催化劑再生等等。最近美國和歐洲正在應(yīng)用的連續(xù)再生過濾器（CRT，Continuous Regenetatig Trap）可以很好的解決再生問題。

 

但是這些有貴金屬涂層的顆粒物后處理系統(tǒng)的缺點是：如果廢氣中有硫的話會將硫轉(zhuǎn)化為硫酸鹽。只有燃油中的硫含量低于20ppm時（假設(shè)不包括燃油中所含的硫的情況下，發(fā)動機排放的微粒物不超過0.01g/kWh）才可能達到歐Ⅳ/Ⅴ要求的顆粒物排放，所以如果采用此方案，不能使用歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)（燃油中硫含量最高為350ppm）或者油品更差的燃油，因為這樣不僅達不到顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)，而且可能使系統(tǒng)受到損害。例如：發(fā)動機可能會受EGR系統(tǒng)產(chǎn)生的硫酸的腐蝕；DPF再生會被硫酸鹽鈍化，并且過濾器會被堵塞并不可恢復(fù)。因此車輛使用的燃油最低也要達到歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。
使用EGR系統(tǒng)的另一個問題是：從EGR冷卻系傳出的熱量會轉(zhuǎn)移到發(fā)動機的水循環(huán)系統(tǒng)，如果車輛的水冷器要符合歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，其水冷能力就要增加30%，要符合歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)就要增加50%。但是對于中國的卡車來說，車輛上的空間是有限的，要安裝一個增大了冷卻器確實存在困難。

 

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2、SCR系統(tǒng)

 

為了降低排氣中的顆粒物可以對發(fā)動機進行優(yōu)化，比如高壓噴射、噴射正時提前以及加大渦輪增壓器的增壓壓力比等，這樣可以使顆粒物符合歐Ⅳ/Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)，但是會增加氮氧化物的排放，應(yīng)用SCR（Se lective Catalytic Reduction，SCR）技術(shù)就可以解決此問題。

 

選擇性還原催化器是指安裝在柴油汽車排氣系統(tǒng)中，將柴油機排氣中的NOx催化還原成N2和O2的催化轉(zhuǎn)化裝置。SCR系統(tǒng)通過還原劑把氮氧化物轉(zhuǎn)化為N2和O2，一般是選擇尿素水溶液作為還原劑。尿素水溶液噴射到催化劑逆流方向的排氣管中，在廢氣溫度和氣流作用下氣化分解為CO2和氨水，氨水作為還原劑將NOx還原為無污染的氮氣和水。

 

尿素溶液必須根據(jù)發(fā)動機工作狀況定量噴射，所以定量噴射單元的邏輯電路是與發(fā)動機控制單元相連接的。SCR的工作效率取決于氣體的溫度，如果在200℃和500℃的溫度范圍內(nèi)工作，其效率是85%，實際車輛的操作條件都可以達到這個要求。歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)要求轉(zhuǎn)化率是50%，歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)是70%，所以SCR系統(tǒng)完全滿足要求。

 

SCR系統(tǒng)需要的尿素水溶液是32.5%的高純尿素溶液，它必須儲藏在車上的獨立的儲藏罐中，且要滿足嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以保證SCR系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。AdBlue品牌就能保證其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，它是一種人工合成的無毒、無味的液體，并且對水的污染是最低級別，使用它是簡單且安全的。目前在歐洲已經(jīng)有1500家左右的加注站了，并且仍然在增加，它的價格僅是柴油的一半左右。其消耗量也是很低的，滿足歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的消耗量大約是燃油消耗的3.5%，滿足歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)大約是燃油消耗的5%。

 

SCR系統(tǒng)的一大優(yōu)勢是對燃油中硫含量的要求不高，即使使用歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的燃油也可以滿足歐Ⅳ/Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)。也就是說即使不能及時的在全國提供歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的燃油，裝載了SCR系統(tǒng)的車輛也可以在全國范圍內(nèi)行駛。并且此系統(tǒng)可以很合適的裝在一輛卡車上，而不像EGR系統(tǒng)那樣需要更大的冷卻裝置。

 

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3、EGR＋DPF系統(tǒng)和SCR系統(tǒng)的比較

 

EGR＋DPF系統(tǒng)需要高質(zhì)量超低硫燃油，其含硫量要小于20ppm，而且在新的排放標(biāo)準(zhǔn)出臺前1年燃油供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施就要準(zhǔn)備就緒，石油行業(yè)也需要更多的時間來進行調(diào)整，在歐洲，石油行業(yè)的改造過程大約用了10年?？梢娨獙嵤┐朔桨傅某杀竞芨撸視r間較長。相比之下，SCR系統(tǒng)對燃油質(zhì)量的要求就相對較低，硫含量在200ppm左右就可以了，也就是說在只能提供歐Ⅲ燃油的情況下就可以提前引進歐Ⅳ車輛了。它需要的是像AdBlue這樣的附加觸媒。AdBlue是一種尿素水溶液，它無毒、無味、無危險，操作方便、安全。并且在歐洲已經(jīng)得到了應(yīng)用，根據(jù)歐洲市場的經(jīng)驗來看，我國在2010年前在全國推廣AdBlue技術(shù)是可行的，這就需要汽車行業(yè)和政府的大力支持。

 

另外，燃油消耗率也是要考慮的一個因素。在歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)上看，SCR系統(tǒng)較EGR＋DPF系統(tǒng)節(jié)省3%～5%的燃油，在歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)上看，SCR系統(tǒng)較EGR＋DPF系統(tǒng)節(jié)省10%的燃油。雖然SCR系統(tǒng)需要消耗AdBlue，但是其消耗量僅為柴油消耗量的3.5%（從成本來講是柴油消耗的1.7%），而EGR＋DPF系統(tǒng)會多消耗7%的柴油，可見SCR系統(tǒng)在燃油消耗上的優(yōu)勢高于EGR＋DPF系統(tǒng)。

 

三、我國重型車滿足歐Ⅳ/Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)路線選擇

 

我國最終會選擇哪種方案這就要看到2010年中國市場能夠提供超低燃油還是AdBlue。我國更適合采用SCR技術(shù)方案，因為尿素水溶液的提供還是較容易的，而超低燃油對于中國來說確實存在很大的困難，目前我國的燃油標(biāo)準(zhǔn)還未達到歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)（硫含量為350ppm），到2010年達到30ppm是不大可能的。如果我國采用了SCR技術(shù)，那么達到超低燃油的柴油脫硫工作就可以延遲到引進歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)時再進行，這就為石油行業(yè)提供了更多的時間進行調(diào)整。

 

SCR系統(tǒng)更適合中國市場還有以下幾個原因：

 

（1）能夠節(jié)省燃油消耗。如前所述，SCR系統(tǒng)的燃油消耗相對于EGR＋DPF系統(tǒng)稍低一些，它的AdBlue的消耗量也可在燃油消耗上得到補償。

 

（2）現(xiàn)在采用了此技術(shù)，在很長時間內(nèi)都可以滿足排放法規(guī)定的要求，一直到歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的引進。

 

（3）此系統(tǒng)不同于EGR＋DPF系統(tǒng)，要增加冷卻器的體積，它只需一個附加的貯藏罐，這對于車輛駕駛室的設(shè)計影響不大。

 

（4）發(fā)動機復(fù)雜性低。此系統(tǒng)可以同時滿足歐Ⅳ和歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)，可以在部分地區(qū)提前引進，只需設(shè)立尿素加注站。

 

四、結(jié)束語

 

綜上所述，SCR系統(tǒng)更適合中國。但是要使此技術(shù)在我國得到應(yīng)用，還存在很多問題：首先是技術(shù)問題，需要對歐Ⅲ發(fā)動機機內(nèi)燃燒技術(shù)進行改進，再加上后處理裝置，技術(shù)復(fù)雜，系統(tǒng)零部件多。為了符合新標(biāo)準(zhǔn)要求，可能要借鑒國外的成熟技術(shù)。再者就是成本問題，SCR技術(shù)其實比DPF技術(shù)更復(fù)雜，成本也相對較高；發(fā)動機基本上都是采用高壓共軌技術(shù)，此技術(shù)的成本約為發(fā)動機成本的一半，對發(fā)動機企業(yè)來講，壓力很大；雖然SCR系統(tǒng)相對于EGR系統(tǒng)來說硫含量低至200ppm，但是中國的油品還未達到這個要求。還有尿素加注站的問題，需要國家的規(guī)劃和大力支持。