学习目标

1.了解柴油机实现国Ⅳ排放的两条技术路线

2.了解SCR系统的工作原理

3.掌握颗粒捕捉器DPF、部分颗粒氧化净化器P0C和氧化催化器D0C的作用，以及三者之间差异

基础知识

一、柴油机主要污染物质

发动机的主要污染物质包括：碳氢化合物HC、一氧化碳C0、氮氧化物N0_X和颗粒物PM。柴油机与汽油机相比，颗粒物和氮氧化物排放量较高（图13-1）。

图13-1 汽油机与柴油机排放污染物对比

1.HC

HC的生成取决于发动机的设计和运行因素。发动机运行中，混合气过浓或过稀、燃烧条件差、窜机油或温度过低等都会产生HC。柴油机排出HC主要是未燃烧的燃料、分解的燃料分子和少量的氧化反应的中间产物。HC的某些烃类光化学反应活性很强，可与空气中的N0₂结合，在阳光下形成以0₃（臭氧）为主的光化学烟雾，刺激人的眼睛和呼吸器官，造成呼吸困难。

2.C0

C0主要是由于燃料燃烧时，0₂相对不足，燃料中的C不能完全燃烧所致，多由于混合气不均匀燃烧、缸内温度低生成的。C0被吸入人体，很容易与血红蛋白结合，导致缺氧使人窒息，严重时危及生命安全。

3.N0_X

N0_X是由空气中N₂和0₂在燃烧室的高温、富氧条件下反应生成的。N0_X主要以N0的形式出现，还有少量的N0₂。N0_X可以与某些烃类发生化学反应，生成光化学烟雾。

4.PM

PM是由于柴油机燃烧时，燃料与空气混合不均匀，造成局部过浓，在高温缺氧情况下产生的。PM中含有可致癌的物质，容易被人体吸入并沉积在肺内。

二、柴油机排放限值

当前在中国，压燃式发动机与汽车已经实施国Ⅳ标准。表13-1为各阶段国标排放限值。

表13-1 柴油机国标排放限值

柴油机排放控制的重点PM和N0_X。为了满足国Ⅳ及以上排放要求，控制PM和N0_X的排放，国Ⅳ柴油机上均加装了后处理系统。

三、柴油机实现国Ⅳ排放的技术路线

实现国Ⅳ排放，可供选择的技术路线有两条。路线一：电控柴油机+EGR（机内净化）+颗粒捕捉器（后处理）。路线二：电控柴油机+SCR（后处理）。

1.电控柴油机+EGR（机内净化）+颗粒捕捉器DPF（或P0C、D0C）技术路线

N0_X生成条件是高温、富氧的反应条件，而PM则生成于不完全燃烧，这使得两者控制成为一对矛盾。

EGR系统适时将适量的废气导入到气缸内，降低缸内最高温度、抑制N0_X的生成量。缸内温度的降低，使得颗粒物（PM）的生成量较高，为此在排气管上增设DPF（颗粒捕捉器），将PM过滤掉。

2.电控柴油机+SCR技术路线

通过优化燃烧（优化燃烧技术包括优化增压控制，采用多次喷射、超高压喷射等）降低PM排放；为控制N0_X排放，采用向排气管中喷入尿素的方法来将N0_X还原为无害的氮气和水。此路线在国内中重型柴油机上，普遍被采用。

四、SCR技术

1.SCR系统组成

SCR系统组成如图13-2所示。它由储存尿素的尿素箱、为尿素建压的尿素泵、负责将尿素喷入排气管的喷嘴、对进行N0_X还原反应的后处理器总成等组成。在尿素箱上有检测尿素液位和温度的传感器，当尿素箱温度低于一定值时，ECU会控制接通加热水路、为尿素箱加热，以防止尿素水溶液冻结（尿素水溶液冰点为-11.5℃）。安装在后处理器总成上的N0_X传感器，负责监测排气中的N0_X浓度。

图13-2 SCR系统组成

图13-3 B0SCHEDC17系统的尿素喷射控制

2.SCR系统工作原理

SCR系统控制原理如图13-3所示。当排气温度超过200℃时，电控单元依据转速及其他传感器信号计算出当前工况的尿素喷射量，控制将一定量的尿素喷入SCR催化器（后处理器）入口前端。

在排气管的混合区，尿素遇高温分解成NH₃和H₂0，与排气充分混合后进入SCR反应装置。在催化反应区，在催化剂作用下，NH₃和N0_X反应生成N₂和H₂0，排到大气中（图13-4）。整个处理过程的反应式如下。(www.daowen.com)

尿素水解为氨气：（尿素喷射系统）

C0（NH₂）2+H₂0→2NH₃+C0₂ （要求温度200℃以上）

SCR后处理反应：（在催化剂作用下）

N0+N0₂+2NH₃→2N₂+3H₂0

4N0+0₂+4NH₃→4N₂+6H₂0

2N0₂+0₂+4NH₃→3N₂+6H₂0

图13-4 SCR催化器（后处理器）结构

①—扩散区 ②—催化器砖（反应区） ③—消声部分

3.SCR的类别

（1）独立控制与集中控制 独立控制方式的SCR系统，尿素喷射控制由单独的控制单元DCU（康明斯ISF3.3发动机）或智能尿素泵（康明斯ISM发动机）完成，发动机ECU只负责为DCU或智能尿素泵提供发动机工况信息。

集中控制方式的SCR系统，没有单独的尿素喷射控制模块，发动机ECU负责尿素喷射控制。潍柴WP12E4共轨柴油机所采用的EDC17电控系统就是这种类型。

（2）气助式SCR与非气助式SCR 气助式SCR系统，有压缩空气参与，尿素喷嘴喷出的是尿素与空气的混合物。这种SCR系统关闭时（如关闭点火开关），利用压缩空气很容易将残留到管路和尿素泵内的尿素排空。

非气助式SCR系统，没有压缩空气参与，系统排空时，用尿素泵将残留在喷嘴管路中的尿素倒吸回尿素箱。

五、颗粒捕捉技术

1.颗粒捕捉器DPF（DieSelParticulateFilter）

如图13-5所示颗粒捕捉器DPF（DieSelParticulateFilter）是一种安装在柴油发动机排放系统中的陶瓷过滤器，它可以在纳米微粒排放物质进入大气之前将其捕捉。滤孔开度均可小于40～80μm，过滤效率可高达95%～99.5%。

DPF安装在柴油机排气管上，排气通过时，PM被滤芯吸附过滤。但随着工作时间的增加，滤芯内部PM增加，导致排气背压升高，将影响柴油机的动力性的经济性。清除滤芯上的PM被称作DPF的再生。DPF面临的最大挑战就是再生问题，使得它在国内应用受到限制。

2.部分颗粒氧化净化器P0C（Particle0Xidati0nCatalySiS）

如图13-6所示P0C为带催化剂涂层的通透式部分DPF，成本较低。其主要特点有开放式蜂窝结构、免维护、效率较低（上限50%）、与氧化型催化转化器集成一体。缺点是对PM的过滤效果较低，适用于柴油机国Ⅳ排放标准使用。

3.氧化催化器D0C（DieSel0Xidati0ncatalyStS）

氧化催化器D0C主要是通过催化剂作用下的氧化反应除去微粒物中的可挥发有机物（S0F），减少PM排放，同时可除去排气中的HC，C0等污染物。其结构与汽油机三元催化转换器（TWC）相似如图13-7所示。

图13-5 连续再生式DPF

图13-6 DPF与P0C结构差异

氧化催化器通常是以陶瓷蜂窝体或者金属蜂窝体为载体，其上负载氧化物涂层和活性金属成分。常用的活性金属组分有贵金属Pt（铂）、Pd（钯）等。氧化催化剂对微粒物的净化性能受柴油品质，特别是硫含量的影响较大。

D0C要严格控制工作温度在200～300℃。工作温度小于150℃时，催化剂基本不起作用；大于350℃后，会导致大量硫酸盐生成。

图13-7 D0C结构

六、EGR技术

EGR是一项通过降低缸内最高温度，降低N0_X生成的机内净化技术。ECU通过控制EGR阀，将一定量废气导入到气缸内，降低气缸内的燃烧温度和稀释氧气，抑制N0_X的生成量如图13-8所示。

图13-8 EGR系统组成

你学会了吗？

1.柴油机实现国Ⅳ排放的两条技术路线是什么？

2.DPF、P0C、D0C的作用是什么，三者之间有何差异？