柴油機冷、暖起動工況的排放特點

長時間停機后再啟動會導致HC排放增多，而頻繁的熱啟動會引起NOx排放的增多。此外，頻繁啟動條件下，排氣溫度降低，后處理裝置可能因為反應溫度不合適而導致一定程度的失效。波蘭BOSMAL汽車研發(fā)中心對一臺帶有催化轉化器的增壓柴油機進行了冷、暖機起動測試，發(fā)現(xiàn)柴油機冷機起動工況下的 CO、HC 和 PM 排放明顯較高，起動后的3min和30s期間，冷機起動的 HC 和PM 排放量是暖機起動的數(shù)倍，兩種工況下的 CO排放差距幾乎達到2個數(shù)量級。伯明翰大學在一臺帶有 EGR的共軌柴油機上進行了常溫冷機起動和水溫 90℃的暖機起動試驗，結果發(fā)現(xiàn)暖機起動后的10s內NOx排放累積量高于常溫冷機起動工況，而常溫冷機起動的 THC、聚集態(tài)和核態(tài)顆粒物排放遠高于暖機起動工況。同濟大學在一臺電控增壓共軌重型柴油機上進行了冷機和熱機起動工況測試，結果發(fā)現(xiàn)冷機起動過程中粒徑小于 100nm 的顆粒數(shù)量遠大于熱機起動。因此柴油機冷機和暖機起動過程產(chǎn)生的排放不容忽視。

常見的后處理措施

1.氧化催化器

柴油氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）一般用鉑 Pt 或鈀 Pd 作為活性成分，以金屬或陶瓷作為催化劑的載體，當柴油機尾氣通過催化劑時，碳氫化合物（THC）和一氧化碳（CO）等在較低的溫度下可以很快地與尾氣中的氧氣進行化學反應，生成水和CO₂，達到凈化尾氣中 THC 和 CO 的目的。

2.顆粒捕集器

柴油機顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）可有效減少微粒排放（particulate matter，PM），它主要通過過濾等物理方法捕集排氣中的微粒。顆粒捕集器對 PM 的過濾效率高達 90％。由于過濾下來的微粒不斷積存并逐漸堵塞過濾孔，使排氣背壓增加，導致發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性惡化，因此必須及時除去 DPF 中的微粒，這個清除過程稱為再生。目前主要的 DPF 再生方法可分為兩類，即斷續(xù)加熱再生和連續(xù)催化再生。其中，加熱再生方式主要有電加熱和燃燒加熱。電加熱耗電過多，因此使用較為普遍的是燃燒加熱，即在DPF前設置燃燒器，噴入柴油（或其他燃料）和二次空氣進行燃燒。連續(xù)催化再生技術中目前獲得廣泛產(chǎn)品化應用的是由 JM 公司提出的連續(xù)再生捕集器。排氣首先經(jīng)過氧化催化器 DOC，在CO和THC被凈化的同時，NO 被氧化成NO₂。NO₂作為一種活性很強的氧化劑，可在隨后的微粒捕集器中與微粒在 200℃的低溫下進行氧化反應，將微粒氧化為二氧化碳。

3.選擇性催化還原裝置

選擇性催化還原裝置（selective catalytic re－duction，SCR）主要是將尿素與水以適當比例混合，噴入廢氣中，在高溫條件（溫度不低于200℃）和催化劑的共同作用下，將廢氣中的 NOx還原為N₂和水。它的缺點是需要配備尿素和尿素箱，對反應溫度有一定要求，并且尿素噴射量需精確控制，以避免大量氨氣泄漏，污染空氣。

柴油機國六技術路線對比

單一的后處理措施往往無法滿足現(xiàn)有的排放法規(guī)要求，為了改善柴油機冷、暖啟動的排放性能，需要將多種后處理措施進行集成處理。目前，國內發(fā)動機生產(chǎn)商的主流國六技術路線為：冷卻EGR+DOC+DPF+SCR+（ASC），也有部分采用無EGR國六技術路線，即不使用外部冷卻 EGR，僅采用后處理系統(tǒng)中的高效SCR來使NOx排放達標。下表所示為：不帶EGR與帶EGR柴油機國六技術路線對比。無EGR系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性好，NOx轉化效率高達90%，可靠性好，成本低，且冷卻系統(tǒng)相較于國五無需做太大的改動。然而，其布置難度較大。帶有EGR的后處理系統(tǒng)布置難度較小，然而其燃油經(jīng)濟性一般，維護復雜且成本較高。

1.路線一：DOC+DPF+高效SCR（不帶EGR）

不帶EGR的后處理系統(tǒng)技術難度相對更大，對標定精度要求更高且對后處理要求較高，需要和高效集成式（如DOC和DPF一體封裝技術）后處理系統(tǒng)配合。但由于減少了EGR相關組件，整體可靠性更高。從燃油經(jīng)濟性方面考慮，EGR為了抑制氮氧化物而降低空氣的燃燒溫度，燃燒放熱率降低，燃燒不完全程度增加，故不帶EGR的技術路線燃油經(jīng)濟性要不帶有EGR的燃油經(jīng)濟性好。下圖所示為路線一的實行方案。

2.路線二：EGR+DOC+DPF+SCR（帶EGR）路線

該后處理系統(tǒng)先是通過EGR降低原機的NOx排放，再通過DOC +DPF + SCR降低NOx和顆粒物排放。該路線燃油經(jīng)濟性相對于不帶EGR的系統(tǒng)較差，與高效SCR技術路線相比，該路線對SCR轉化率要求不高（90 -92 %），尿素消耗也較低，對發(fā)動機原機排放一致性要求也不高，因此與不同發(fā)動機的匹配具有廣泛性。

總結