柴油机排放问题

为控制汽车污染，绝大多数国家都已制定了汽车排放法规，分阶段执行欧Ⅱ、欧Ⅲ、欧Ⅳ、欧Ⅴ或相当于欧洲标准的更严格的排放控制标准，并加强对在用车辆治理和新车排放的管制。这其中尤以柴油机车辆排放的废气备受关注，包括CO、HC、PM及NOX。这些污染物不仅破坏我们的生存环境，更会严重危害我们的健康。

与汽油机相比，柴油机功率强劲、功率覆盖范围广，可靠性好、使用寿命长，续行能力强，热效率高、燃烧经济性好，排放低、温室气体排放少（CO2的排量比汽油机低30%～40%），CO、HC的排放量只有汽油机的1/10，NOX的排放与汽油机相当，而PM排放量比汽油机高，是其30～50倍。可以看出柴油机的主要污染物是NOX和PM，并且两者存在有折衷（trade-off）的关系。

黑烟（SOOT）/碳烟微粒 （PM微粒，俗称排气黑烟）是一种聚合体。PM主要包括碳烟（Soot）、可溶性有机成分（SOF）以及硫酸盐（Sulfate）等，还有少量的氧、氢、灰分和一系列多环芳香烃化合物。黑烟有臭味并形成烟雾。碳烟C（dry soot）占PM组成的50%～80%，它是在燃烧温度大于1 500K，过量空气系数小于0.6和柴油机燃烧时燃料与空气混合不均匀，造成局部过浓与高温缺氧，燃油裂解炭化，又碰到了冷的气缸壁而温度降低，烟粒子则不能燃烧完全并凝聚变大形成黑烟排出。燃料S对PM排放是不利的，其原因除了燃烧过程中能生成硫酸盐的固体颗粒以外（燃料中的S在燃烧后形成SOx，如（SO2和SO3），还因燃烧产物氧化硫能促使碳烟的生成，并使催化层的贵金属中毒而失去活性。

为在发动机内降低各种污染成份，工程师先后采用了冷EGR（冷却后废气再循环）降低NOx。采用了电控高压喷射技术，包括共轨、泵喷嘴来降低PM、NOx，其它还有PVC、TDI、VGT、HCCI和可变气门行程（如图1）等各种柴油机机内净化措施，这些措施可以满足欧Ⅲ排放要求，但不足以满足欧Ⅳ、欧Ⅴ及未来更严格的排放法规的要求。

图1  满足未来排放标准的柴油机技术

微粒捕集器（DPF）系统原理及再生控制元件

微粒捕集器系统主要由氧化催化器（DOC）、捕集器滤芯、喷油器、温度传感器、压差传感器和电子控制单元（ECU）及进排气管、腔体与连接管路、导线等组成，有的还包括燃油添加剂自动加注系统。

氧化催化器的作用与原理一是将HC、CO和SOF氧化成H2O、CO2等无害成份；二是捕集器需要再生时，通过在其前端喷入柴油（HC化合物）或采用电加热或采用柴油燃烧器，并利用发动机排气中氧气氧化来提升捕集器入口温度，达到再生温度而将PM燃烧掉。

壁流式捕集器滤芯的作用原理是拦截发动机排气中的碳烟微粒（PM）及其它无机颗粒物而让气体成份通过。拦截效率可达85%以上。

喷油器是由ECU控制向DOC前端定时喷入一定量的燃油。电控发动机无需此装置，可以通过发动机执行后喷（Post Injection）程序来实现。

温度传感器一般有两个，一个位于DOC入口端，另一个位于捕集器滤芯入口端。第一个的作用是检测发动机排气温度，以判断再生时机；第二个的作用是检测并控制捕集器滤芯的再生入口温度。

压差传感器用于检测发动排气背压与PM加载水平，并向ECU反馈再生请求信号。

电子控制单元ECU是处理并控制捕集器再生的核心部件。

微粒捕集器再生方式及控制策略

微粒捕集器再生方式主要分为两类，一类是主动再生（Active Regeneration），另一类是被动再生（Passive Regeneration）。前者又可分为发动机后喷提温再生、DOC前二次喷油提温再生、电加热方式再生、柴油燃烧器提温再生和用添加剂降低再生温度再生；后者又可分为通过增加催化剂涂层降低再生温度连续再生、利用NO2氧化碳烟连续再生。

若采用主动再生方式，需由精心设计的ECU来控制再生过程。ECU通过各种传感器监测并处理主要输入和输出参数变量来控制再生过程，以确保合适的碳烟氧化速率，降低热再生风险并选择合理的燃油经济性。好的再生特征：快而彻底、热量分布均匀；对于动力系统闭环控制主动再生系统，为保证可靠再生，控制瞬态是关键，一般要通过台架试验和道路试验来标定获取DPF再生控制逻辑MAP图，并利用集成电路固化在ECU中。控制不当的微粒捕集器再生则会导致捕集器滤芯体的损坏。

燃油添加剂对于捕集器再生不是必需的，但使用添加剂对降低微粒捕集器再生温度、提高耐温可靠性、缩短再生时间及保证再生效率等方面有明显的好处。

微粒捕集器（DPF）产品的应用

1.电加热燃烧再生方式微粒捕集器

该系统结构与技术原理如图2所示。电加热再生方式的微粒捕集器主要由进排气管、氧化催化器DOC、电加热器、耐高温金属烧结毡滤芯JDPE或SiC滤芯、温度传感器T-Sensor、压差传感器DPS、背压报警指示系统、再生电源与控制系统等组成。

图2  电加热燃烧再生方式微粒捕集器系统结构与技术原理

围绕发动机和此系统匹配开发的技术包括：a.根据原发动机所排HC、CO量多少来匹配氧化催化器DOC贵金属Pt/Pd成份比例、用量和外形尺寸；b. 根据其原机所排PM量多少和拟配车型安装空间来设计微粒捕集滤芯与外形尺寸；c.高可靠性、耐恶劣环境和振动的管路子系统的设计与匹配；d.再生电源与电气控制子系统与保护的设计与匹配；e.补气气源和补气压力与流量控制子系统的设计与匹配；f.主体系统体积小、重量轻、抗耐恶劣环境和振动，减轻汽车自重，气流阻力小，提高汽车动力性和经济性的主体系统综合优化设计；g.具有一定降噪声作用的系统设计；h.系统性能使发动机满足GB17691-2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》第Ⅳ阶段标准要求；i.系统性能满足GB20890-2007《重型汽车排气污染物排放控制系统耐久性要求及试验方法》标准要求。

2.喷油催化燃烧再生方式微粒捕集器

该系统结构与技术原理如图3所示。喷油催化燃烧再生方式微粒捕集器主要由进排气管、氧化催化器DOC、SiC耐高温壁流过滤式陶瓷、温度传感器T-Sensor、压差传感器DPS、背压报警指示系统、电子控制单元ECU等组成。采用弥散型进气口使气流扩散分布。

图3  喷油催化燃烧再生方式微粒捕集器系统结构与技术原理

围绕发动机和此系统匹配开发的技术包括：a.根据原机所排HC、CO量多少来匹配氧化催化器DOC贵金属Pt/Pd成份比例、用量和外形尺寸；b. 根据原机所排PM量多少和拟配车型安装空间来设计微粒捕集滤芯与外形尺寸；c.高可靠性、耐恶劣环境和振动的管路子系统的设计与匹配；d.通过发动机台架试验与道路试验对捕集器ECU进行设计与匹配标定；e.具有良好的降噪声作用的系统设计；f.系统性能使发动机满足GB18253.3-2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》第Ⅳ阶段标准要求。

目前，广域空燃比下的“氧化催化器+柴油机微粒捕集器+主动再生”是公认最有效的后处理技术，它着眼于对已形成的微粒进行处理。原机排放浓度愈低，微粒捕集器的功能愈容易实现，其有效性受微粒大小的影响不大。此技术已成为解决柴油机气体排放和微粒排放的最有效手段。

我们通过参加国际大城市机动车排放治理会议和与国外技术专家交流及实际调研了解到目前美国、欧洲、韩国及日本等国，都对其主要城市内的柴油车辆和机械装置进行了治理改造，效果十分显著。

在用车汽车排放治理是一项十分复杂的系统工程。要保证治理过程中所采取措施科学且合理，就要结合特定的发动机及运行状况，区别不同区域，先进行系统调研并评价，再选择合适的技术方案和产品进行实施。我们愿与大家一起共同投入清洁我们的空气行动中来！