关于载货车低成本废气净化技术分析介绍

Delphi公司专门为中国和印度载货车市场开发了一种产品系列。作为废气净化领域的实例，Delphi公司的产品能满足汽车和发动机制造商的不同要求，并能以不同策略降低废气排放。

1 准备实施的废气排放标准

从2006年起，量产载货车采用选择性催化还原（SCR）或废气再循环（EGR）加柴油机氧化催化器（DOC）和颗粒捕集器（DPF）来满足欧4废气排放限值标准。这两种减排方案目前都应用于批量生产，且各具有优缺点。

目前，许多发展中国家都准备实施类似于欧4的废气排放标准，为此燃油品质也必须适应排放要求。例如，在实施相当于欧3废气排放标准时，柴油中的含硫量容许350×10-6，而实施欧4标准时只容许50×10-6。按照排放法规的要求，柴油品质的提升还是相当缓慢，但在中国和印度取得了可喜的进步。从2014年底开始，中国各地区开始供应最大含硫量为50×10-6的柴油，不久的未来将实施相应的废气排放标准。

除此之外，在为降低废气排放选择合适的技术时，还应注意到当地的技术要求和实际的运行条件，因此废气净化技术必须保证一定的运行温度，而这又取决于发动机应优先以中等直至高负荷运行。Delphi公司已考虑到各方面的情况，其废气净化技术用于载货车并能满足中国国4（CN4）和印度4级（BS4）废气排放的要求。

2 局部地区的废气排放法规

中国和印度的废气排放限值法规基本上参考欧洲发展路线制定，从2008年起，在中国人口稠密的大城市就已实施了CN4废气排放标准，大大降低了废气排放限值，而印度从2010年起也在大城市实施了类似的BS4废气排放限值法规。当然，在个别地区实施这种废气排放限值法规，从国家层面上全面减轻了对环境的压力。从2015年1月1日起，CN4废气排放标准在中国全国范围内生效，而印度则规定BS4废气排放标准也将于2015年底在70多个大城市生效，从而CN4和BS4将成为事实上的国家标准。随着新的废气排放标准的生效,容许的最大氮氧化物（NOx）排放从5.0 g/（kW·h）降低到3.5 g/（kW·h），而容许的颗粒物（PM）排放最大为0.02 g/（kW·h），这就必须显著地改善废气净化及其调节技术（图1）。

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图1 中国和印度3.5 t以上载货车和客车当前的废气排放限值

3 车载诊断

如果要持续不断地监测所有重要的废气排放数据，以便确保在汽车的整个使用寿命期间（典型的为200 000~500 000 km）在车载诊断（OBD）范围内满足严厉的废气排放限值要求。与轿车相比，载货车废气排放法规规定必须具有2套故障诊断系统，若诊断功能监测到颗粒物排放值即将超过0.10 g/（kW·h）或NOx排放值即将超过5.0 g/（kW·h），那么控制系统就必须通过点亮警报灯告知驾车人。

如果NOx排放值超过7.0 g/（kW·h）限值时，发动机控制系统就必须设置到“应急行驶模式”以降低扭矩行驶。这些要求仅通过诊断策略、标定算法和验证算法来满足，能精准地发现故障，而不会出现错误诊断现象。

4 未来废气排放限值的降低

中国政府已宣布将进一步降低载货车废气排放限值（图2）。随着在所有重要的大城市实施CN5废气排放标准，NOx排放值最大只容许2.0 g/（kW·h）。除此之外，中国已计划从2016年起实施CN6废气排放标准。同样，印度也顺利地实施了BS5废气排放标准，以满足更为严厉的废气排放限值，印度虽然尚未制定新的限值，但仍约在2020年实施新的废气排放法规。

图2 中国和印度载货车未来的废气排放限值

5 燃油

除了上述因素之外,发动机能否满足当前废气排放限值的要求取决于发动机的基本设计，以及可供使用的燃料，在采用EGR或SCR废气后处理系统的发动机上，柴油中的含硫量起着重要的作用。含硫量高的燃油通过燃烧会产生腐蚀性很强的废气，会使催化转化器涂层中毒并逐渐损坏。在中国进行的调查得知，在人口稠密的市中心将提前使用含硫量低于50×10-6的低硫柴油。在中国所检测的燃油样品几乎三分之一已达到了这样的品质标准，北京甚至三分之一的燃油的含硫量低于10×10-6，但因燃油品质的差异使得市中心之外的空气变得浑浊，市中心以外区域直到2015年仍在出售含硫量高于500×10-6的柴油。与此相反，在印度全国出售的柴油三分之一的含硫量已低于50×10-6[1]。

虽然，可预见的含硫量会降低，但柴油中的其他固体污染物和水分将是减排的关键因素，而用其他不合适的燃料，如煤油或供暖用柴油混和柴油机燃油的现象仍然非常普遍，这种行为充满风险，由于这些燃油与柴油机性能不同，如煤油的润滑性能明显比柴油差，可能会损害喷油系统或燃油滤清器，并引起严重的损坏。

减排的另一个风险是劣质的燃油滤清器，它们不具备所必需的滤清能力。特别是在燃油品质强烈波动的地区，喷油系统必须具有毫无瑕疵的燃油滤清效果，从而不会因燃油污染而引起系统故障。

6 AdBlue催化还原剂的供应

SCR废气净化受系统制约的缺点是要使用AdBlue催化还原剂，并且必须定期加注。无论是中国还是印度，目前尚不能确保能供应覆盖全国AdBlue〖JP1〗催化还原剂，而且达到全国供应的时间点也无法具体预测。但是，中国政府要采取统一行动，在全国范围内为通过CN4标准认证的载货车供应AdBlue催化还原剂。因此，决定使用EGR还是SCR在很大程度上取决于是否能保障供应AdBlue催化还原剂，但是也受到这两种方案的系统和运行成本，以及在给定的环境条件下的效率和国家的供应措施的影响。

7 成本

采用新的废气净化系统会增加开发和生产的成本，会导致与用户要求的目标冲突，会使载货车运营总成本（所有权总成本）上升。图3示出了在中国市场上采用EGR和SCR的载货车总运营成本的对比，其比较的基础是装备EGR的汽车燃油耗为百公里油耗19 L，而装备SCR的汽车燃油耗低5%，系统成本为1 000欧元，AdBlue催化还原剂成本为0.33欧元，消耗量为3%，燃油价格为0.66欧元。

图3 中国市场上采用EGR和SCR的载货车的总成本比较

另外，2种技术方案主张者之间会存在争论，而实际在汽车整个使用寿命期内两者的总运营成本相差非常小，如果AdBlue催化还原剂成本与燃油成本相比有很大变化的话，那么这两条非常相似的曲线会分开角度会大些。

8 行驶循环

局部行驶状况和运行条件对选择合适的废气净化系统具有重要的影响，例如高效的废气后处理系统必须保证最低的废气温度，这只有通过发动机长时间处于中等和高负荷运行时才能保障，但是在诸如北京、上海和孟买这样的人口快速增长的大都市，由于城市交通拥堵经常发生，所以要达到这样的行驶状况几乎是不可能的。因此这种情况适合优先采用EGR系统来降低NOx，因为它对温度的敏感性要比SCR系统小，也可以采用特殊加热策略的SCR系统作为替代方案。

9 废气排放调节的技术方案

EGR和SCR是2种实用有效的达到欧4和类似废气排放限值的解决方案。在上述中国和印度的交通状况下，冷却EGR有更多优点。图4示出了满足CN4和BS4废气排放标准的EGR和SCR系统。

图4 满足CN4和BS4废气排放标准的EGR和SCR系统

其中，有1种解决方案是利用共轨喷油系统的可能性，用更高的喷油压力尽可能避免燃烧室中的原始排放。在这样的前提下，EGR系统后面不串联颗粒捕集器。为了达到这样的目的，就必须在整个发动机使用寿命期间非常精确地监控和调节NOx和碳烟排放及发动机机油耗。

最佳碳烟调节的前提条件是有专门的燃烧室形状，并且喷油压力至少高达180 MPa或更高,同时在最大扭矩时的空燃比为22～24。为了达到这样的空燃比，空气就必须以高的压力进入燃烧室，这样又会导致非常高的气缸压力，在中重型载货车发动机上约为18 MPa。如果燃烧过程被优化到产生尽可能少的碳烟，那么就必须提高EGR率，以便保持尽可能少形成NOx，典型的EGR率为10%~20%，必要的时候需要应用小的涡轮或节流阀，有时也可采用止回阀，以便阻止EGR废气回流。

为了减少机油耗，结构设计必须尽可能减少曲轴箱通风，防止气体流入燃烧室，通过仔细选择涡轮增压器和气门上的机油密封圈、最佳的刮油环，以及气缸壁面与活塞之间缩小的间隙尺寸等方法能够有效的降低机油耗。

10 共轨喷油系统

Delphi公司用于排量10 L、功率300 kW的中重型载货车的共轨喷油系统，其模块化结构能非常灵活地变化（图5），能够为满足各种不同发动机结构、行驶状况和局部框架条件的不同需求提供量身定做的解决方案。

图5 Delphi公司用于中重型载货车的喷油压力高达200 MPa的共轨喷油系统

共轨喷油系统的特点是燃油经过2次滤清，一次在燃油泵前，另一次在燃油泵中。因为集成在燃油泵中的滤清器已处于压力冲击的环境中，因而能使用非常细密的滤清元件，确保了极佳的滤清效果。在这种型式中可取消附加的初级输油泵。

11 结论

类似于欧4标准的废气排放限值即将在一些发展中国家实施，但必须考虑到这些国家的市场面临的特殊情况。对运营成本、清洁燃油和AdBlue催化还原剂的供给并结合局部的行驶状况进行了考量，多方面的试验已证实，SCR的应用受到限制，只能有限地作为最佳的解决方案，而采用不使用颗粒捕集器的EGR系统可能是满足中国CN 4和印度BS 4废气排放标准要求的最佳解决方案。

Delphi公司灵活的共轨喷油系统适于应用EGR与简单的废气后处理策略相结合，并获得非常低的燃油耗，但是Delphi公司的共轨喷油系统连同软件策略也能用于SCR系统，而局部的框架条件能支持应用这种类型的废气后处理系统，甚至Delphi公司能根据用户的意愿开发特殊的符合用户要求的解决方案，为此无论是中国还是印度都必须提供必要的开发和生产数量，首批量订单将在不久后开始启动。