輕型柴油車國六尾氣處理技術(shù)比較

劉宇 張海沖

摘要：隨著全球?qū)Νh(huán)境污染問題的日益重視，對于汽車尾氣排放水平要求越來越嚴(yán)苛，特別是NOx（氮氧化合物）目前國內(nèi)部分城市已提前實(shí)施國六排放標(biāo)準(zhǔn)，輕型柴油車為滿足尾氣處理要求，各大車企應(yīng)用了不同的尾氣處理技術(shù)。本文對國內(nèi)外已有的幾種尾氣凈化技術(shù)進(jìn)行比較，并對未來的柴油車尾氣凈化技術(shù)進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：輕型柴油車;國六排放;尾氣處理技術(shù)

中圖分類號：X734.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）20-0053-02

0? 引言

如何有效地協(xié)同凈化輕型柴油車尾氣中的NOX污染物，增加SCR裝置是尾氣污染處理的方向。然而由于國六排放法規(guī)要求嚴(yán)格，僅增加SCR裝置體積需更大，布置空間不足無法在輕型柴油車上應(yīng)用，為解決此問題，必須增加另一種體積小的裝置或在原有技術(shù)路線上進(jìn)行升級以達(dá)到柴油車應(yīng)用目的。本文將比較現(xiàn)有的國六車NOx凈化技術(shù)，以期對汽車行業(yè)尾氣治理提供借鑒和參考。

1? 法規(guī)要求

國家環(huán)保部2016年12月31日發(fā)布輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）GB18352.6-2016，替代了GB18352.5-2013，并將于2020年7月1日起實(shí)施，其中國六法規(guī)分為國六a階段和國六b階段，尾氣限值最大變化在于NOX，兩個階段分別對NOx實(shí)施了70%和39%加嚴(yán)（如表1所示），同時增加了RDE要求。

原國五階段NOX污染物由發(fā)動機(jī)EGR技術(shù)機(jī)內(nèi)凈化解決，尾氣限值加嚴(yán)后行業(yè)內(nèi)輕型柴油發(fā)動機(jī)EGR路線無法做到國六水平，倒逼行業(yè)做升級技術(shù)。

2? NOX尾氣處理技術(shù)原理比較

目前NOX尾氣處理技術(shù)有兩種，一種是LNT路線（也稱NSC），另一種是SDPF（也稱SCRF）路線，兩條路線共同之處是都附帶有SCR裝置，均為在SCR裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行NOX轉(zhuǎn)化能力的補(bǔ)充。2014年歐洲實(shí)施歐六法規(guī)以來，LNT在歐洲是主流路線，技術(shù)成熟，如圖1所示。目前在國內(nèi)主流主機(jī)廠由于開發(fā)較早借鑒了歐洲技術(shù)路線采用LNT方案，其他主機(jī)廠以SDPF路線為主，不過近期行業(yè)正在向SDPF路線傾斜，下面將會著重闡述兩種路線的幾大優(yōu)劣勢，以及行業(yè)內(nèi)技術(shù)路線趨勢變化的原因。

首先需要了解下兩種路線的原理，LNT路線在原理上分為兩個階段，①捕集階段：（1-2min）稀燃狀態(tài)（氧氣多），在Pt的催化作用下，NO 與O2反應(yīng)生成NO2，并以硝酸鹽的形式吸附在催化器表面;②還原階段：（2-5s） 濃燃條件下，HC 和CO 把硝酸鹽分解釋放出的NOX，在Rh作用下與CO，HC和H2反應(yīng)生成N2，CO2和H2O，并使堿金屬再生。如圖2所示。

SDPF路線原理為在DPF（顆粒捕集器）上涂有SCR涂層催化劑，涂層材料為銅基分子篩，無貴金屬，在原有DPF捕集碳顆粒的基礎(chǔ)上增加了NOX轉(zhuǎn)化能力，相當(dāng)于第一級SCR，系統(tǒng)通過在尾氣中噴射尿素，NOx在催化劑的催化作用下與分解出的NH4進(jìn)行反應(yīng)生成N2和H2O，達(dá)到凈化目的。如圖3所示。

3? NOX尾氣處理技術(shù)優(yōu)劣勢比較

LNT路線：優(yōu)勢在于體積小，整車易布置，NOX轉(zhuǎn)化效率高;劣勢也很明顯LNT對硫元素較敏感極易產(chǎn)生硫酸鹽，因此會進(jìn)行去硫（DeSOx）操作，去硫階段發(fā)動機(jī)尾氣溫度需要進(jìn)行控制，一般將超800℃，持續(xù)時間10min，對發(fā)動機(jī)本體的熱負(fù)荷考核較大，對硬件的要求較高，稍有控制不好，LNT將會快速發(fā)生劣化耐久性將大打折扣（如圖4所示），因此對LNT路線整車的標(biāo)定難度極大，歐洲雖已應(yīng)用成熟，但國內(nèi)標(biāo)定公司在2018年前還未完全掌握此技術(shù)，國內(nèi)博世公司也在學(xué)習(xí)，技術(shù)并不成熟。同時因脫硫過程會經(jīng)歷高溫，國內(nèi)常規(guī)柴油機(jī)硬件水平還不能推廣應(yīng)用，為此選擇LNT路線的廠家發(fā)動機(jī)硬件成本也會上升，同時LNT本身成本相比SDPF更高。

SDPF路線：劣勢在于DPF需要選擇高孔隙率載體（>60%），常規(guī)DPF無法滿足，目前國內(nèi)外僅日本NGK，美國康寧兩家公司才能達(dá)到成熟應(yīng)用，因工藝技術(shù)難度高，國內(nèi)廠家該類產(chǎn)品仍處于研究階段沒有應(yīng)用案例，因此成本較高，但相比LNT成本也是有優(yōu)勢的;同時因?yàn)橐诟呖紫堵瘦d體吸附銅基分子篩，SDPF整體背壓也較大;受涂層溫度所限，需要保證SDPF內(nèi)部溫度低于850℃，因此最大碳載量需要降低，由此車輛的再生里程也會受到較大影響;對于排放性能來說，冷啟動階段轉(zhuǎn)化效率不高，不過可以通過提高排溫進(jìn)行彌補(bǔ);最大的優(yōu)勢在于始終可以在適當(dāng)?shù)臏囟葏^(qū)間正常工作，且標(biāo)定難度不高，目前國內(nèi)主流標(biāo)定公司均可對其進(jìn)行標(biāo)定。

國內(nèi)最大的標(biāo)定公司博世，對LNT和SDPF路線都進(jìn)行過標(biāo)定，且項(xiàng)目都已順利投產(chǎn)，兩到三年的開發(fā)周期，博世公司汲取了足夠的經(jīng)驗(yàn)，不過在對比兩條技術(shù)路線后，博世提供的數(shù)據(jù)也展示了LNT路線的主要缺點(diǎn)：復(fù)雜的標(biāo)定控制和催化劑的劣化問題。

4? 尾氣處理路線關(guān)注要點(diǎn)

由于LNT路線帶來的技術(shù)難度和催化劑老化問題，行業(yè)內(nèi)尾氣處理路線在向SDPF路線轉(zhuǎn)變，但不管是LNT還是SDPF路線對于主機(jī)廠來說開發(fā)過程需要關(guān)注的重點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

①最重要的LNT涂層劣化問題，由于LNT的特性，極易出現(xiàn)硫中毒，同時如果整車出現(xiàn)頻繁的去硫操作對發(fā)動機(jī)的硬件是極大考驗(yàn);

②LNT路線也需重點(diǎn)關(guān)注機(jī)油稀釋，因?yàn)轭l繁的NOx吸附和釋放過程需要尾氣溫度和lambda控制，對機(jī)油會造成影響;

③SDPF需重點(diǎn)關(guān)注DPF涂覆后的一致性，目前各大主機(jī)廠國六產(chǎn)品均已投放市場，有部分車企出現(xiàn)了SDPF流阻散差問題，原因在于高孔隙率DPF載體孔隙無法做到很好的均勻性，涂覆后流阻會進(jìn)一步加大，整車上將表現(xiàn)出頻繁再生的問題，目前通過標(biāo)定技術(shù)可以進(jìn)行彌補(bǔ)解決。

5? 結(jié)論

盡管當(dāng)前國內(nèi)LNT和SDPF路線均已應(yīng)用，但相比各自優(yōu)劣勢，結(jié)合國內(nèi)主流標(biāo)定公司建議，LNT路線在未來輕型國六柴油機(jī)車上將會慢慢減少應(yīng)用，與LNT路線相比，SDPF更具有應(yīng)用價值，成本低，技術(shù)難度相比更低，標(biāo)定難度小是其最大優(yōu)勢，預(yù)測會在未來的正式國六b（W/RDE）項(xiàng)目上成為行業(yè)內(nèi)應(yīng)用發(fā)展的重要方向。

參考文獻(xiàn)：

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