歐Ⅳ及之后中重型柴油機排放控制技術對比
主流技術路線之二——EGR+
EGR——廢氣再循環(huán)技術，能夠有效降低發(fā)動機NOx排放，現已成為汽車發(fā)動機必不可少的排放控制措施之一。國外早在20世紀70年代就開始了EGR技術的研究，并率先在汽油機上應用，取得了很好的效果，90年代后EGR技術開始廣泛應用于柴油機。我國目前對EGR技術的應用研究尚處于起步階段。
EGR是一種通過降低缸內最高燃燒溫度以及缸內混合氣中O2的體積分數，破壞NOx的生成環(huán)境，從而降低NOx排放的技術。同時，應用EGR并不會使發(fā)動機的指示指標及HC、CO排放指標有太大的惡化。
1.應用EGR技術亟需解決的幾個問題
(1)若EGR率控制不當，可能造成發(fā)動機HC和CO排放增加，燃油經濟性惡化。低負荷時EGR將影響發(fā)動機工作穩(wěn)定性，高負荷時EGR將影響發(fā)動機的動力性。
(2)由于缸內固體顆粒數量的劇增，EGR還可能造成發(fā)動機活塞環(huán)和氣缸套等部件的磨損加劇，影響發(fā)動機的壽命。
(3)EGR廢氣溫度過高，影響發(fā)動機的充氣效率，若采用EGR冷卻循環(huán)，會增加冷卻系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)的復雜性。
(4)各缸EGR分配均勻性和瞬態(tài)響應性難以兼顧。
NOx是車用發(fā)動機廢氣排放中主要的污染物之一，危害極大，且不易控制。EGR技術是目前最有效實用的發(fā)動機機內控制措施之一，但也會給發(fā)動機帶來一些不良的影響，如可能導致燃油消耗率和PM排放上升。因此，必須對各工況點的EGR率進行優(yōu)化。
在歐美國家，EGR技術已是一種成熟的技術，在車用發(fā)動機上得到廣泛應用。隨著我國排放法規(guī)與世界逐步接軌，我國發(fā)動機企業(yè)應加快、加強對EGR技術的應用研究。
“EGR + ”路線的形成及發(fā)展
1.EGR需要后處理系統(tǒng)以降低PM排放
EGR可有效地降低NOx排放，但隨著EGR率的增加，缸內較低的氧氣濃度將會增加PM的排放，并使發(fā)動機的排氣煙度增加，所以為達到歐Ⅳ及之后排放法規(guī)限值，除EGR率要精確控制外，同時還需配合使用PM后處理器，如柴油顆粒過濾器，又稱柴油顆粒捕捉器(DPF)；顆粒氧化催化器(POC)；柴油氧化催化器(DOC)等。而這種“EGR+PM后處理器”的技術方案通常被統(tǒng)稱為“EGR+”技術路線。
2.PM后處理器的種類
為了滿足日益嚴格的PM排放法規(guī)要求，汽車制造商們開發(fā)出了柴油顆粒捕捉器(DPF)、顆粒氧化催化器(POC，又稱為分流式過濾器)和柴油氧化催化器(DOC)等PM后處理技術。下面就這些技術分別進行介紹。
(1)柴油氧化催化器DOC(Diesel Oxidation Catalysts)
DOC可以降低PM排放25%~50%，降低HC和CO排放60%以上。
實際上，氧化催化器是最原始種類的自動催化器，從20世紀70年代中期開始用于汽油轎車上，直到被三效催化轉化器所取代。時至今日，柴油氧化催化器(DOC)仍然是柴油發(fā)動機的一種重要PM減排技術，因為柴油機尾氣中高的氧氣含量無法使用三效催化轉化器。氧化催化器將碳氫化合物(HC)和一氧化碳(CO)轉換成二氧化碳(CO2)和水，但是對氮氧化物(NOx)排放幾乎沒有影響。DOC也可以通過氧化吸附在碳顆粒上的碳氫化合物來降低柴油顆粒物PM排放的質量(但不是顆粒數量)。PM排放降低的程度主要由顆粒中可溶性有機物(Soluble Organic Fraction-SOF)(圖3)的比例決定。去除這些SOF十分重要，因為顆粒排放中的這部分含有大量的有毒化學成分，專家擔心這些毒物有損健康。
DOC里的載體孔道暢通，則尾氣可以很順暢地通過孔道。也出現過DOC孔道堵塞的特殊情況，但都與發(fā)動機工作不正常有關。在過去十幾年里，世界各地許多車輛都安裝了柴油氧化催化器，它被證明是柴油機PM減排的經濟解決方案。
催化器的免維修性能以及發(fā)動機的壽命是重要的參考指標，對于實行柴油機翻新改造的國家尤為看重。在排氣系統(tǒng)里安裝柴油氧化催化器是非常容易而快捷的，車輛很快就能正常行駛。即使是一個小小的維修間都可以完成安裝柴油氧化催化器的任務，而不需要借助其他特殊的工具或電動設備。通常，所需的安裝時間和更換一個排氣管所需時間差不多，甚至還要更短。
(2)柴油顆粒過濾器DPF(Diesel Particle Filter)
柴油顆粒過濾器DPF是一種陶瓷件，用來從發(fā)動機尾氣中捕捉顆粒物質。在發(fā)動機尾氣處在高溫情況下，這些被捕捉的顆粒在顆粒過濾器中被燃燒掉，生成CO2排放到空氣中。在發(fā)動機排氣溫度低的情況下，需要增加催化器來實現再生。
不過，DPF也潛伏著危險：一方面燃料中的硫會使顆粒過濾系統(tǒng)中毒失效；另一方面，廢氣中含有的灰分會逐漸地堵塞捕集器，增加排氣背壓，使油耗惡化。因此，有時在DPF的上游增加一個氧化催化轉換器(DOC)，其基質用貴金屬如白金涂層，就能夠改進再生過程的效率，還將進一步降低HC的排放。在某些發(fā)動機上也有單獨用DPF或DOC來轉化PM的。
柴油顆粒過濾器DPF的分類有兩種：一是按再生種類，通常分為主動再生過濾器和被動再生過濾器。被動再生DPF工作時不需要任何能量輸入，只需要從發(fā)動機排出來的尾氣所攜帶的熱量即可。主動再生過濾器需要一個附加系統(tǒng)來往尾氣中增加能量以便提高尾氣溫度。被動再生過濾器的應用成本低，但是應用范圍較窄，而主動再生過濾器可以用于所有柴油機上。二是按有無催化分類，通常分為無催化型過濾器和有催化型過濾器，無催化型DPF一般需要采用主動再生技術，而有催化型DPF可以是被動再生，也可以是主動再生。目前市面上應用最多的主要有被動帶催化型顆粒過濾器和主動無催化型顆粒過濾器兩種。
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