高壓共軌技術(shù)結(jié)合HC-SCR控制柴油機(jī)NOx排放的研究

楊亞飛，于春令，魏 聰，趙金祥

寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，浙江 寧波 315211

寧波大學(xué)SRIP科研項目，寧波市服務(wù)型教育重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)（航運(yùn)與港口物流）資助

1 背景介紹

柴油發(fā)動機(jī)具有高效率、大功率、適應(yīng)性好、功率范圍大等優(yōu)點(diǎn)，因此在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用非常廣泛。隨著社會的發(fā)展，私家車變得日益普及，柴油機(jī)憑借其一系列優(yōu)勢，作為汽車發(fā)動機(jī)的應(yīng)用也越來越多。然而，柴油機(jī)尾氣卻一直是制約其發(fā)展的瓶頸，尤其是尾氣中的NOx，不僅是大氣污染的主要?dú)怏w之一，對人體的危害也很大。

由于柴油機(jī)尾氣的危害，世界各國都針對柴油機(jī)尾氣排放制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，目前，美國、日本和歐洲均已形成了嚴(yán)格的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)體系，我國也制定了相應(yīng)的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。

越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)將對柴油機(jī)尾氣處理技術(shù)提出更高的要求，柴油機(jī)尾氣處理技術(shù)的發(fā)展將直接制約國產(chǎn)柴油機(jī)的發(fā)展。歐美已有較為成熟的汽車尾氣處理技術(shù)，但在國內(nèi)的應(yīng)用受到諸多限制，因此，研究符合國V標(biāo)準(zhǔn)要求的NOx處理技術(shù)具有現(xiàn)實意義。

2 國外相關(guān)技術(shù)分析

歐美國家對汽車排放控制起步早，相關(guān)技術(shù)較國內(nèi)成熟。已形成以歐洲為代表的歐洲技術(shù)和以美國為代表的美國技術(shù)。

2.1 歐洲技術(shù)

歐洲技術(shù)是采用高壓共軌技術(shù)結(jié)合選擇性催化還原技術(shù)（SCR）的處理系統(tǒng)。高壓共軌技術(shù)是指在由高壓油泵、壓力傳感器和 ECU 組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，將柴油噴射壓力的產(chǎn)生和柴油噴射過程彼此完全分開的一種供油方式。高壓共軌技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對噴油量和噴油正時的精準(zhǔn)控制，從而優(yōu)化燃燒，減少NOx的生成。同時在汽車上安裝尾氣處理裝置，利用SCR技術(shù)對汽車尾氣進(jìn)行后處理，以減少排放到空氣中的NOx的量[2]。

2.2 美國技術(shù)

美國技術(shù)是采用廢棄再循環(huán)技術(shù)（EGR）+微粒捕捉技術(shù)（DPF）。廢氣再循環(huán)就是將柴油機(jī)排出的一部分廢氣再吸入柴油機(jī)的氣缸參與燃燒的過程。通過稀釋效應(yīng)、熱效應(yīng)，降低NOx的濃度，但占較小的比重。并且，EGR減少了直接排入大氣的廢氣量，因此，即使排氣中的NOx的濃度相同，由于排氣總量的減少，也使得排入大氣的NOx的質(zhì)量成比例的減少。而微粒捕捉技術(shù)主要是減少尾氣中的微粒排放[2]。

2.3 兩種技術(shù)的國內(nèi)適用性分析

表1 我國對汽車尾氣中NOx含量的規(guī)定[1]

歐洲技術(shù)因為需要定期對柴油機(jī)尾氣處理裝置添加還原劑尿素。因此，需要建設(shè)很多添加尿素的基站(俗稱“添藍(lán)”基站)，這將耗費(fèi)巨大的社會資源；同時，由于使用腐蝕性很強(qiáng)的NH3或氨水，對儀器設(shè)備的要求高，造價昂貴。因此，在國內(nèi)的應(yīng)用受到成本的制約。

美國路線中由于廢氣再循環(huán)技術(shù)對車用柴油的含S量要求比較高，而國內(nèi)車用柴油標(biāo)準(zhǔn)一直滯后于汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)[3]，因此，在國內(nèi)的應(yīng)用不易實現(xiàn)。

2.4 國III標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)尾氣處理技術(shù)介紹

國內(nèi)車用柴油機(jī)針對國III排放標(biāo)準(zhǔn)所采取的技術(shù)方案主要有4種：電控泵噴嘴技術(shù)（EUI）、高壓共軌技術(shù)、電控單體泵技術(shù)（EUP）和電控直列泵+電控冷EGR技術(shù)[2]。研究表明，我國現(xiàn)階段對以上車用柴油機(jī)的排放控制技術(shù)都有所應(yīng)用，其中市場表現(xiàn)最好的技術(shù)為電控直列泵+EGR技術(shù)，但這些技術(shù)對于國IV以及要求更高的國V標(biāo)準(zhǔn)來講，潛力有限[2]。而高壓共軌技術(shù)結(jié)合以HC作為還原劑的SCR技術(shù)被認(rèn)為是在國內(nèi)最有應(yīng)用前景的處理方案。

2014-2016年，門診中成藥銷售金額分別為348.04、305.17和288.23萬元，分別占門診藥品銷售總金額的42.28%、36.22%和36.98%。中成藥均為口服或外用品種，口服中成藥的金額占比最高，未使用中藥注射劑。2014-2016年不同給藥途徑中成藥銷售金額見表1。

3 高壓共軌技術(shù)結(jié)合HC-SCR技術(shù)的原理介紹

3.1 高壓共軌技術(shù)介紹

高壓共軌技術(shù)由于實現(xiàn)了噴油壓力和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的相對獨(dú)立，使高壓油管內(nèi)壓力大小與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān),可以大幅度降低柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化對柴油機(jī)供油壓力的影響。因此，通過對公共供油管內(nèi)油壓的精確控制，高壓共軌噴射系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)柴油機(jī)由于壓力變化而產(chǎn)生的二次噴油現(xiàn)象，降低了不穩(wěn)定噴射，噴油不均，間歇性不噴射等現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)率，達(dá)到優(yōu)化燃燒的目的，由此減少了因不完全燃燒產(chǎn)生的尾氣中碳?xì)浠衔锏扔泻ξ镔|(zhì)的排放量以及燃油的消耗量，減少尾氣中NOx的生成，同時還能節(jié)省燃油，增加經(jīng)濟(jì)性[4]。

3.2 HC-SCR技術(shù)介紹

HC-SCR技術(shù)是指以HC為還原劑的選擇性催化還原技術(shù)，即HC在催化劑的作用下將NOx還原成N2。HC-SCR技術(shù)的HC的來源有兩個：一是柴油機(jī)尾氣中未燃燒完全的HC，另一個是燃料柴油，可通過向排氣管中直接噴射柴油實現(xiàn)[5]。通過向尾氣中噴射燃油可使NOx的最大轉(zhuǎn)化效率增加到30%左右[5]。H. Klein等對主動稀NOx系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究,對裝有不同催化劑的HCSCR系統(tǒng)在不同溫度范圍內(nèi)的性能進(jìn)行了優(yōu)化，最后得到影響稀NOx系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素是反應(yīng)溫度和尾氣在催化器中的流動速度及HC的種類，技術(shù)的進(jìn)一步的研究集中在增加催化劑的運(yùn)行溫度范圍及轉(zhuǎn)化效率上[6]。

3.3 高壓共軌技術(shù)結(jié)合HC-SCR技術(shù)方案設(shè)計

3.3.1 原理分析

高壓共軌技術(shù)能夠?qū)娪土亢蛧娪驼龝r進(jìn)行精準(zhǔn)控制，能夠優(yōu)化燃燒，減少NOx的生成量，同時高壓共軌系統(tǒng)還可以獲取燃燒室生成的NOx的量和殘余的HC的量，作為HC-SCR的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

HC-SCR技術(shù)需要兩個主要數(shù)據(jù)：一是尾氣中NOx的含量，作為計算需要添加HC量的依據(jù)，即噴射燃油量。二是噴油正時，要在適當(dāng)?shù)臅r間將燃油噴射到尾氣處理裝置中。

對于需要噴射的HC，可以由高壓共軌系統(tǒng)對柴油機(jī)尾氣處理裝置進(jìn)行二次噴油，這可以通過由共軌管引出一個獨(dú)立的噴油管實現(xiàn)。而二次噴油正時的控制，實際上是在尾氣冷卻到合適溫度的時間控制，可以通過在尾氣處理裝置中設(shè)置溫度傳感器來實現(xiàn)。

3.3.2 系統(tǒng)可行性分析

國IV標(biāo)準(zhǔn)實施后，單純的使用機(jī)內(nèi)處理技術(shù)和后處理技術(shù)都不能滿足嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，歐美技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用有諸多限制，高壓共軌技術(shù)結(jié)合HC-SCR技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用將有以下優(yōu)勢：

1）高壓共軌技術(shù)相對成熟，國內(nèi)大多柴油機(jī)廠商均有使用，有很強(qiáng)的技術(shù)儲備，應(yīng)用難度較??；

2）HC-SCR系統(tǒng)對S不敏感，對于國內(nèi)車用柴油標(biāo)準(zhǔn)滯后的狀況，具有很大優(yōu)勢；

3）該方案不用建設(shè)“添藍(lán)”基站，不用定期添加尿素，因此省去建設(shè)基站的成本外，還降低了后期的維護(hù)成本。

同時，該技術(shù)的實施應(yīng)用需綜合考慮以下幾點(diǎn)：

1）由于需要添加尾氣處理裝置，需對汽車排氣系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，會增加成本；

2）HC-SCR技術(shù)不夠成熟，合適的催化劑仍舊是研究的難點(diǎn)；

3）向排氣裝置中噴射燃油會降低柴油車的經(jīng)濟(jì)性能。

4 結(jié)論

國IV及更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)的逐步實施將使柴油機(jī)的發(fā)展面臨困境，柴油機(jī)尾氣處理仍將是全世界的一項重大研究課題。我國在柴油機(jī)尾氣處理方面起步較晚，技術(shù)相對落后，相關(guān)政策不配套，導(dǎo)致國內(nèi)柴油機(jī)尾氣處理面臨和國外不同的難題。高壓共軌技術(shù)結(jié)合HC-SCR技術(shù)針對國內(nèi)的具體情況具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，雖然HC-SCR技術(shù)還不夠成熟，但是可以預(yù)見，隨著研究的深入，相關(guān)技術(shù)難題會逐步解決。因此，我們有理由相信，高壓共軌技術(shù)結(jié)合HC-SCR技術(shù)在國內(nèi)有著廣闊的發(fā)展空間。

[1]GB 17691-2005 車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）.

[2]胡昊.我國車用柴油機(jī)適應(yīng)性排放標(biāo)準(zhǔn)升級的對策研究[D].長安大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009，5：62-65.

[3]王璞.國III標(biāo)準(zhǔn)又要“遲到”了[J].中國汽車報，2012，8（3155）.

[4]劉旭剛，張國彬，等.柴油發(fā)動機(jī)高壓共軌技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展[J].汽車運(yùn)用，2007(11).

[5]蘇慶運(yùn)，朱國朝，劉衛(wèi)國，等.柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)的進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].汽車工程，2001.

[6]楊華，王學(xué)中，周澤興.HC-SCR技術(shù)應(yīng)用于稀薄燃燒條件下NOx凈化研究進(jìn)展[J].化學(xué)研究與應(yīng)用，2004，6.