邓家奇，周家旺，高聪聪

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）



车用柴油机欧Ⅴ、欧Ⅵ排放控制技术路线研究

邓家奇，周家旺，高聪聪

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

摘 要：欧Ⅴ欧Ⅵ规定的PM和NOx的排放限值较欧Ⅳ更低，为了满足欧Ⅴ欧Ⅵ的要求，本文介绍了3条主流技术路线，并对这3条技术路线进行了对比分析。

关键词：柴油机；排放；欧Ⅴ；欧Ⅵ

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.005

CLC NO.: U463.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-14-03

引言

表1 柴油机排放控制常用的技术措施

欧Ⅵ排放标准已经生效，在欧Ⅳ欧Ⅴ的基础上对NOx和PM排放限值提出了更加苛刻的要求，这对柴油机开发及排气后处理技术来说无疑是一个重大的挑战，也迫使各汽车制造厂商采用更加先进的技术来控制污染物的生成和排放，目前常用的技术措施如表1所示。

由于NOx与PM排放间存在着trade-off关系，除非采用新的燃烧方式，传统燃烧方式无法使NOx和PM排放同时降低。唯一可行的方法就是尽可能在发动机内减少一种物质生成，另一种物质则通过后处理来完成。

1、排放法规概述

现行的排放法规体系主要有美国，欧盟，日本3种体系，不同体系的限值要求和测试方法也不尽相同，上述的三种排放法规体系以欧盟的排放法规最具通用性，世界上很多国家都是以该法规为主，结合自己国家的国情加以引用和实施，但在实施时间上不同于欧盟[2]。

1.1 欧盟排放标准和限值

表2为欧洲重型车用柴油机的排放限值，从世界范围内排放法规的演变历程来看，每一次排放标准的升级都伴随着排放限值的进一步减小，最新的排放限值都已经非常低，几乎达到零排放。

表2 欧洲重型车用柴油机的排放限值（欧洲稳态及瞬态测试循环）

1.2 欧Ⅴ、欧Ⅵ排放标准的一些新变化

从欧IV到欧V法规，NOx的排放限值从3.50g/( kW•h)下降到2.00g/(kW•h)，降幅约为43%，而从欧V到欧VI法规，不仅NOx的排放限值下降了80%，PM的排放限值也下降了50%，已经逐步接近零排放。

从欧Ⅴ和欧Ⅵ法规开始，柴油车微粒排放还增加了对微粒数量（PN）的检测，法规规定的微粒排放数量限值是5×1011g/km，而通常没有加装过滤器的柴油机微粒排放数量在1×1013g/km，即要达到排放标准在数量上应该有95%的微粒要被过滤。因此，要达到新的微粒排放标准，微粒捕集器已经成为必不可少的后处理装置。欧VI法规，还增加了对NH3的限制。在柴油机ESC(欧洲稳态测试循环)和ETC（欧洲瞬态循环测试）试验循环中，NH3的浓度峰值不得超过10×10-6。此外，欧VI还要求建立非使用状态下的排放限值及引入全球统一车载诊断装置，即发动机排放超过限值就报警。

欧Ⅵ排放法规除排放限值降低外，还在原有ESC、ETC 和ELR试验循环的基础上建立了WHDC和ETC测试结果之间的关系，把WHSC和WHTC引入到欧Ⅵ重型柴油机排放测试循环中。针对不同车种或不同控制阶段，应用不同试验方法。WHSC和WHTC组合就是全球统一测试循环(WHDC)，该循环综合多个国家和地区典型的道路条件。

2、满足欧Ⅴ，欧Ⅵ排放的技术路线

与不同阶段排放法规相适应的技术如表3所示，一般满足更高一级排放法规的柴油机都是在前一级的基础上加以改进升级。为了满足欧Ⅴ排放标准，欧美中重型商用车及柴油机企业主要采用两条排放控制技术路线：一、“优化燃烧+SCR”技术路线，简称SCR路线，这条路线在欧洲占主流，也称为“欧洲路线”，二、“EGR+DOC/DPF/POC”路线，其中以EGR+DPF应用最为广泛，简称EGR+路线[3]，这条路线在北美市场应用较多，也称为“北美路线”。

通过进一步的技术提升，这两条技术路线都可以满足欧Ⅴ的排放要求。但由于欧Ⅵ规定的排放限值相对欧Ⅳ、欧Ⅴ有大幅降低，需要对现有的这两条路线进行改进才有望满足欧Ⅵ的标准，技术路线主要有3条：SCR路线，“EGR+”路线和EGR+SCR路线。

表3 与不同阶段排放法规匹配的技术措施

2.1 SCR路线

SCR技术路线的一个完整废气后处理系统主要由DOC，DPF，SCR等组成。它是通过优化喷油和缸内燃烧过程，尽量在机内控制PM的产生，而在机外后处理过程中通过SCR系统对NOx进行选择性催化还原，并通过DOC和DPF进一步降低CO，HC和PM的排放[4]。

SCR技术的技术连续性较好，不仅可以达到欧Ⅳ限值,而且只要增加还原剂的剂量, 还可解决欧Ⅴ的限值问题。但是在欧Ⅵ阶段由于NOx和PM排放限值都大幅降低，单独采用SCR系统达到欧Ⅵ的排放限值就必须把SCR系统的NOx转化率提高到90%以上，目前提高SCR催化转化率有两种方法：一、继续对原有的系统进行进一步优化设计如采用固体氨盐取代传统的尿素水溶液[5]，在SCR前加装预氧化装置提高尾气中的NO2含量[6]，采用带有NOx传感器的闭环控制系统等都能提高NOx的转化率[7]。二、提高NOx转化率的方法是采用催化剂复合装置如：LNT+DPF+SCR，DOC+SCRF+SCR等。

2.1.1 LNT+DPF+SCR

LNT在正常情况下工作效率高达90% 以上，不需额外的还原剂及其储存装置，单独采用LNT也能满足欧Ⅳ欧Ⅴ的标准限值，但其低温活性差，对硫（S）极其敏感，消耗贵金属，增加油耗，控制十分复杂。SCR的优势是省油耗，不消耗贵金属，对S不敏感；但缺点也很明显，比如需要额外的尿素储存装置，喷氨控制十分复杂，存在氨泄露等。因此，在尾气后处理技术中出现了一种新型的催化剂复合装置LNT – SCR，能较好地综合两者的优缺点。由于SCR有较好的低温还原能力，因此低温时单独工作，而高温时SCR 和LNT同时工作[8]，两者的配合在大多数工况都能达到很高的NOx转化率。

2.1.2 DOC+SCRF+SCR

SCRF是一种新型后处理装置，其工作原理是将新型SCR催化剂如铜沸石（Cu/ZSM-5）涂覆到具有高孔隙率的壁流式DPF基底表面。因此，在过滤体的壁面既能将沉积的碳烟催化氧化，同时在还原剂NH3作用下还能高效率催化还原NOx。相对于传统的组合式后处理系统而言，该新型后处理器在实现高效率降低柴油机NOx和PM排放的基础上，同时实现了后处理装置的小型化、轻量化、低成本化[9]。研究发现采用这种DOC+SCRF+SCR的装置较传统的DOC+SCR方式可以实现更高的NOx 转化率和很高的PM净化率，是满足欧Ⅵ排放的途径之一[10]。

2.2 “EGR+”路线

该路线通过废气再循环在机内抑制NOx的生成，在机外后处理系统中通过DOC，DPF等来对微粒进行净化。目前车上使用的EGR多采用的是带有冷却器的冷EGR系统，冷EGR系统能进一步降低缸内燃烧温度，有利于降低NOx的生成。

采用该路线需要对发动机进行强化，提高喷射压力和增压中冷能力。带冷却器的冷却EGR和带中冷器的废气涡轮增压系统结合起来就可以达到欧Ⅳ标准，为达到更严格的欧Ⅴ，欧Ⅵ标准要求，可增大废气再循环率，或者降低废气及充入气缸空气的温度，单级废气再循环加二级涡轮增压中冷器和二级冷却废气再循环加上单级涡轮增压都可达到此目的。

2.3 EGR+SCR路线

单独采用SCR或EGR路线满足欧Ⅵ标准，都面临着技术升级难度大，可靠性不高等问题，因此目前绝大多数发动机制造企业开发的欧Ⅵ发动机都采用的是将SCR与EGR相结合的技术路线。欧洲的斯坦尼亚，奔驰，国内的潍柴，玉柴等柴油机生产和研发企业新推出的欧Ⅵ发动机都采用的是这条路线，这条路线综合了以上两条路线的优点，能大幅降低NOx的排放，再结合DOC，DPF能满足欧Ⅵ排放要求，但采用这种系统不仅重量大，安装空间大，结构复杂，而且成本较高。

3、技术路线对比

SCR路线和EGR路线在发动机喷射压力要求、增压系统、发动机强度，冷却系统及配套措施方面都有较大的区别，具体对比见表4，SCR+EGR路线则兼具两者的优缺点。

在使用工况方面，由于SCR技术仅在一定的工作温度范围内才有效果，所以更适合长时间大负荷工作的重型柴油机，而在城市工况下的轿车柴油机，长期工作在低负荷区域，尾气温度不能达到要求，所以只适合使用EGR技术。

从技术连续性上来看，SCR路线技术连续性好，在燃油喷射系统、发动机本体和标定措施上从欧Ⅲ到欧Ⅴ都是连续的，仅在尾气后处理系统上从欧Ⅲ到欧Ⅳ是不连续的；而EGR路线在燃油喷射系统、发动机本体、尾气后处理系统和标定措施上都存在技术的不连续，这将增加企业改进技术的投入，这将对EGR路线的推广产生一定的负面效应。

表4 SCR路线与EGR路线的对比

4、结语

为了应对更加严格的欧排放标准，可以采用3条技术路线，这3条路线都能将NOx和PM排放降低到标准规定的限值内，但依然有很多技术难题有待解决，比如如何在尽量宽的温度范围内保持高的NOx还原率，如何简化这些技术的控制系统和策略等，这些都有待今后在这些方面做深入的研究才能解决。

参考文献

[1] 潘芝桂,邵毅明,吴岳伟.柴油机排放控制技术研究现状与发展趋势[J].内燃机, 2010（06):1-4.

[2] 陈超,李浩,邓成林等．柴油车排放法规最新动态[J]．内燃机与动力装置，2010，(6)：7-10．

[3] 任洪娟,马其华 柴油机欧Ⅳ、Ⅴ排放控制技术路线研究[C]. Conference on Environmental Pollution and Public Health(2012).

[4] 胡昊 我国车用柴油机适应排放标准升级的对策研究[D].长安大学.2009.6.

[5] Hongsuk Kim Cheon Yoon et al. A Study on the Solid Ammonium SCR System for Control of Diesel NOx Emissions[C].SAE Paper, 2014-01-1535.

[6] Xiaobo Song, Jeffrey Naber et al. Nonuniformity and NO2/NOx Ratio Effects on the SCR Performance under Transient Engine Conditions.SAE Paper 2014-01-1556.

[7] Zakwan Skaf Timur Aliyev Leo et al. The State of the Art in Selective Catalytic Reduction Control[C]. SAE Paper ,2014-01-1533.

[8] 楼狄明,马滨等.后处理技术降低柴油机NOx排放的研究进展[J].小型内燃机与摩托车， 2010(4):3-39.

[9] 陈朝辉，张韦 新型后处理器SCRF催化去除柴油机PM和NOx的模拟计算与分析

[10] Mojghan Naseri, Raymond Conway, et al. Development of Emission Control Systems to Enable High NOx Conversion on Heavy Duty Diesel Engines SAE Paper 2014-01-1525.

Research on the Technical Route of EuroⅤ、Ⅵ Emission Control of Vehicle Diesel Engine

Deng Jiaqi, Zhou Jiawang, Gao Congcong
（Chang’an University, School of Automobile, Shaanxi Xi’an 710064）

Abstract：Euro V, VI provisions of PM and NOx emission limit values lower than the Euro IV. In order to meet the requirements of Euro V, VI, this paper introduces the three mainstream technology route, and carries on the contrast analysis to the three technical route.

Keywords:Diesel Engine; Emission; EuroⅤ; Euro Ⅵ

作者简介：邓家奇，就读于长安大学汽车学院。

中图分类号：U463.9

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)02-14-03