国Ⅳ柴油机排气后处理系统设计

祝龙林李东峰陕西汽车集团有限责任公司 2014-01-06

本文首先介绍了全球排放法规及排放污染物的限值要求，然后分析了国Ⅳ排放采用的技术方案，对采用SCR技术路线达到国Ⅳ排放的排气后处理系统设计提出了要求。

在汽车废气排放中，重型载货汽车柴油机采用的是过量空气燃烧和高压缩比技术，CO和CH排放比汽油机低得多，由于NOx和颗粒物对人体健康伤害极大，因此柴油机排放控制主要控制NOx和颗粒物。柴油机废气净化技术可分为机内净化和机外净化两部分，达到国Ⅳ或者更高排放要求难度越来越大，单靠发动机本身燃烧过程的改进和使用含低硫含量的柴油是很难实现的。因此就需要采用机外进化技术，即后处理技术。

排放升级，特别是后处理系统升级，对整个排气系统设计提出了要求，不同的后处理系统对温度、管路（材料、结构、质量等）、催化剂雾化效果、转化效率及零部件安装等提出要求不同，为了更好地发挥后处理系统的作用，必须对排气系统进行严格设计。

排放法规研究

目前，世界范围内的排放法规主要分为三大体系：欧洲体系、美国体系和日本体系。其中，由于欧洲法规的严格程度、道路交通状况等相对较适合我国实际情况，因此，中国在充分吸收欧洲经验后，在全面采用欧盟（EU）指令、ECE技术内容和部分采用前欧共体（EEC）法规的基础上形成了中国汽车排放法规体系。欧洲排放法规越来越严格，从欧Ⅲ到欧Ⅴ，NOx减少了60%，颗粒物减少了80%。欧Ⅵ排放更加严格，与美国EPA2010排放法规并举，被认为是世界上最为严格的排放法规。欧Ⅵ排放之后，发动机本身污染物排放控制已经达到极限，汽车尾气排放将会考虑减少温室气体CO2的排放。

国Ⅳ排放采用的技术路线

1. 国Ⅳ排放污染物限值

表2所示为国Ⅲ、国Ⅳ排放污染物的限值，可见，国Ⅳ对排放物的要求全面提高，尤其是NOx和颗粒物，NOx减少了近30%，这需要更加严格的后处理系统进行净化处理。

2. 国Ⅳ排放技术方案

实现国Ⅳ排放，主要通过EGR和SCR两种方案来解决。EGR方案通过EGR降低NOx，用DPF捕集颗粒物并通过再生技术除去颗粒，或者采用POC或者DOC技术，工作原理与DPF类似，只是颗粒物转化效率略低一些，因此一般采用DPF与EGR组合的技术方案，有的也采用EGR+DOC+PDF的技术方案，DPF的颗粒物转化率可达80%～90%，单独使用DOC或POC时，颗粒物转化率为50%左右；SCR方案是通过发动机燃烧优化，使颗粒物排放达到法规要求，但增加了NOx的排放，需要在排气系统中安装SCR系统来降低NOx的排放，可使NOx转化率达85%以上，图2所示为两种后处理技术方案的作用机理。

我国大部分石油资源需要从国外进口，资源匮乏，同时炼油技术水平相对落后，很难在短期内提炼出采用EGR路线需要的国Ⅳ标准的燃油（国Ⅳ燃油硫含量要求低于50r/min），因此，EGR技术方案在我国发展进而推广应用受到很大限制，采用SCR技术方案需要的尿素溶液相对来说获取比较容易，且成本较低，它将是国Ⅳ排放采用的主流技术方案。

国Ⅳ排放SCR技术路线排气后处理系统设计

1. SCR系统主要构成及原理

目前，车用SCR系统主要有三大供应商：格兰富、博世和欧博耐尔，格兰富和欧博耐尔采用的是压缩空气辅助的尿素喷射系统；博世推荐使用电子控制单元及喷嘴电磁阀联合控制尿素喷射，该系统主要由尿素供给单元、SCR反应器、尿素箱、尿素喷嘴及传感器等组成。

SCR技术利用氮氧还原原理和NH3的强还原性，将从增压器进入排气管中的废气与定量喷射的尿素水溶液混合，尿素溶液在高温废气作用下发生水解和热解反应，产生还原剂NH3，NH3在催化剂的作用下将NOx还原为N2，有时为了防止多余的NH3逃逸造成二次污染，还需要在SCR催化剂后方设置促使NH3氧化成N2的催化剂，图3为SCR技术反应原理。

2. 主要零部件设计

（1）SCR催化转化器设计

催化转化器的主要作用是催化NOx的还原反应、防止NH3泄露和降低发动机的排气噪声，是SCR催化器和发动机排气消声器的集成体，由壳体、消声管、中间隔板、减振垫层、载体和催化剂等六部分组成，其体积主要由消声器容积和载体体积组成，消声器容积一般通过以下三种方式进行计算：

①美国Nelson消声器公司推荐公式

其中：Vst—发动机排量（L）； n—发动机额定转速（r/min）； i—发动机汽缸数；

τ—发动机冲程数； Q—修正系数，汽车取5～6。

②《柴油机设计手册》推荐计算公式

其中：Vst—发动机排量（L）； n—发动机额定转速（r/min）； i—发动机汽缸数；

K—常数，公路货车K=3500；

③经验计算公式

V=C×Ki×Kτ×Ke×Kε×Vst

其中：Vst—发动机排量（L）； C—常数，大于25 dB，C=7～8；Ki—气缸修正系数；

Kτ—四冲程为1； Ke=0.7πk，πk增压压比； Kn=0.7+10-4 nb，nb为额定转速；

Kt=ε/14，ε为压缩比。

一般来说，这三种计算公式计算结果略有差别，可以分别计算完毕后，再计算平均数取得最终结果。

载体体积，通过经验公式：V=2～2.5Vst，Vst—发动机排量（L），进行计算。

催化转化器通常设计成箱式和筒式两种结构，箱式结构体积小，节省空间；筒式结构便于安装，可根据整车布置需求，合理选择催化转化器的结构形式。

（2）尿素箱设计

尿素箱用于储存尿素溶液，可以选用塑料、不锈钢或者聚乙烯作为材料，由传感器、加热器、通气阀、尿素粗滤器及放液螺塞组成，尿素箱的体积依据国Ⅳ发动机后处理系统尿素消耗量及整车油箱体积确定，国Ⅳ发动机尿素消耗量是燃油消耗量的5%～6%，尿素箱体积要设计成与油箱体积成倍数关系，便于尿素与燃油同时加注，图6为尿素箱的结构图。

（3）排气管设计

排气管是连接在增压器与SCR催化转化器之间的一段管路，一般采用铸铁或者不锈钢材料，由于尿素对普通钢有一定的腐蚀性，再加上高温，低碳钢材料很容易被侵蚀，所以要求排气管喷嘴安装位置上游200mm到催化转化器之间的部分使用304或者439级不锈钢材料，并确保排气管内壁光滑，防止尿素堆积，整个排气管路需要有波纹管、膨胀节或者编制软管过渡，以减少振动。

一般排气管上设计有安装喷嘴的喷嘴座，喷嘴安装有严格的位置要求（见图5），因此喷嘴座的设计要充分考虑到该因素。

排气管管径对发动机排气流量、排温及油耗等都有影响，图6是对一款L6 12L增压中冷电控发动机进行排气管管径对比试验结果曲线。表2为发动机排量与排气管管径的经验关系。