柴油国六后处理知识科普

柴油国六后处理知识科普随着国标GB17691-2018的发布，全国各地正式进入国六倒计时阶段，同时为了打赢蓝天白云保卫战，部分地区更是提前执行国六排放标准。对于柴油车而言，要想满足号称史上最严苛排放标准的国六，都必须在后处理上进行大规模的技术升级，那么满足国六排放的后处理系统到底是什么，都包含哪些内容？后处理系统定义GB17691-2018中对后处理系统的定义为：催化器（氧化型催化器、三元催化器，以及任何气体催化器）、颗粒捕集器，除氮氧系统、组合式降氮氧系统的颗粒捕集器，以及其它各种安装在发动机下游的削减污染物的装置。国六排放技术路线及系统架构国六排放常见的解决方式有含EGR的技术路线，以及不含EGR的技术路线，而不含EGR系统的技术路线对于SCR系统的要求以及尿素消耗会更高，并且国内使用非EGR路线（Hi-SCR)的厂家屈指可数，目前国内主流的技术方案都是采用EGR+DOC+DPF+SCR+ASC系统。一、EGR+DPM+DOC+DPF+SCR+ASC系统国六除了对NOx和PM排放进行了更严格的规定，还规定了CO、HC、NH3等排放限值，同时也会增加对PM排放的监控。NOx和PM的生成条件本身就是矛盾的，通过EGR系统减少NOx值的同时PM颗粒物的排放就会增加，为了处理PM颗粒物的排放，上述系统在后处理中增加了DPF（颗粒物捕捉器）用来处理捕捉PM。但是DPF在捕捉到一定量的PM时（即碳载量），便需要提升排放温度来再生DPF，于是便多出了DPM（博世HCI喷射系统），用于再生时给排气管喷射一定量的燃油，提升DPF的再生温度。二、EGR+HCI（燃油计量喷射系统）+DOC+（c）DPF+SCR+ASC系统该技术路线同上述基本相同，往发动机内部引入低温EGR，减少气体的体积膨胀，这样就可以将更多的废气引入到气缸中，从而限制排放，也有国六会监测EGR的废气温度。用于DPF再生的HCI燃油喷射系统功能相似于博世DPM系统，实现尾气的升温用于DPF再生。cDPF在我们常说的DPF的基础上增加了内壁涂覆催化剂涂层，充当了DOC的角色，促使部分的CO、HC氧化还原。三、DOC+DPF(后喷）+Hi-SCR系统取消了EGR，代替的是高效SCR技术。取消EGR，通过调节节气门和EWG（电控废气控制阀）而改善进气量，使气缸进气充分，让燃油在气缸高温富氧条件下可以充分燃烧，将PM颗粒物完全去除。但对应的就会产生更多的NOX，而高效SCR就需要更高性能的还原尾气。这里有个不同点，排气管上没有安装再生燃油喷射装置，因为这里是通过喷油器的后喷实现再生的。喷油器在排气行程喷油将燃油顺着尾气送到DOC中燃烧，同样可以满足提升再生温度的要求，但是这样随着排气排出，燃油可能会附着在排气管内壁，有一定的燃油损失，也可能会产生黑烟，相比之下DPM燃油喷射系统的效率会更高。四、无（低）EGR+DOC+DPF+SCR+ASC系统在国五当前就有厂家采用EGR的降氮氧原排的技术路线，国六也存在少数使用高效SCR策略，即通过降低EGR率或者不采用EGR技术，保证燃油在气缸中完全燃烧，这样可以有效去除PM颗粒物，提高发动机动力。但对应的会增加氮氧原排，再通过一种高效的SCR还原技术来反应掉这部分氮氧（所谓的高效SCR即通过适当的增加尿素喷射压力，提高催化还原性能的一种技术）。那很多人就会有疑问，Hi-SCR技术取消EGR设计，让燃油充分燃烧，发动机的动力性更强，燃油经济性也会更好，而且只采用Hi-SCR也可以节省EGR和DPF的研发生产成本，为什么不广泛采用这种技术路线呢？这是因为这样虽然没有PM产生，但所产生的氮氧化物浓度较高，需要相对较高的还原效率来实现，催化还原的技术上比较难实现。而且随着反应箱使用年限增加，还原效率会越来越低，很难保证排放要求，这也就是为什么没有广泛采用这种技术路线的原因。五、EGR+NSC+（c）DPF+SCR该系统的布置与上其他布置完全不同，取消了DOC，增加了一个新的NSC系统，那么NSC系统究竟是干什么的？NSC（NoxStorageCatalyst）也叫NOX捕捉捕集器，它的功能同DOC较类似，主要是氧化CH、CO等，同时增加了催化剂以降低NOX。目前NSC主要适用于轻卡，大车一般还是采用DOC来氧化碳氢等。NSC的工作原理依次是以下3个阶段：（1）氨存储氨存储发生在尾气氧含量较大的环境下（即λ＞1），在Pt等贵金属催化剂的作用下，NOX与Ba（CO3）2反应生成Ba（NO3）2，将NOX储存在Ba（CO3）2中。（2）DeNOX转化氨存储就类似DPF，持续存储，一段时间后当Ba（NO3）2存储量达到上限，同样需要通过再生来转化掉存储的氨（Ba（NO3）2），通过喷油器的后喷喷油的不完全燃烧生成CO，形成氧含量较少（即λ＜1）的环境，再和存储的Ba（NO3）2还原生成CO2和N2。（3）DeSOX转化尾气中同时含有少量的DeSOX，DeSOX的转化一般发生在再生结束后，反应也需要高温以及氧含量少的环境条件，趁着再生的高温将硫化物还原，一般持续5分钟左右。跟Ba（NO3）2的再生不同，它的含量较少，所以不需要很高的再生频率。后处理系统各部件的作用通常为了降低气态污染物和颗粒污染物的排放，一般会从采用双管齐下的方式：一是从根源上减少污染物的产生、二是尽可能的将产生的污染物通过化学反应消除掉，后处理系统属于后者，这也是后处理系统的作用所在。DOC（柴油氧化催化器）DOC全称Dieseloxidationcatalyst，是整个后处理过程的第一步，通常为三段式排气管中的第一段，一般以贵金属或陶瓷作为催化剂载体。DOC的主要作用是氧化废气中的CO、HC，将其转化为无毒无害的C02和H2O。同时也可以吸收可溶性有机成分及部分碳颗粒，降低部分PM的排放。并将NO氧化为NO2（NO2也是下级反应的源气体）。DOC氧化过程原理图DPF（柴油颗粒捕捉器）DPF全称为DieselParticulateFilter，后处理过程的第二部，也是三段式排气管中的第二段，主要作用是捕捉PM颗粒，对PM的削减能力在90%左右。当DPF装置捕捉足够多的颗粒物后，为了避免堵塞，会对捕捉的颗粒物进行消解，这个过程叫做DPF再生，再生过程分为主动和被动两种形式，在此不进行详细说明。DPF工作原理示意图SCR（选择性催化还原）SCR全称SelectiveCatalyticReduction，选择性催化还原系统的缩写，也是排气管中的最后一段，以尿素为还原剂，通过使用催化剂与NOx发生化学反应，将NOx转换为N2和H2O。SCR还原反应示意图ASC（氨气扑捉器）ASC全称AmmoniaSlipCatalyst，是氨气捕捉器的缩写，一般安在排气装置的最末端，也就是SCR装置后面，通过催化氧化作用降低排气中未参与尾气催化而泄露出的氨气。说白了就是抓走那些未参与化学反应的氨气，国五之前对尿素系统喷射的尿素是没有要求的，国六标准则对其有了限值，所以ASC属于国六标准下催生的新型装置。NOX传感器由电子控制单元和感应单元两部分组成，在后处理系统中共有2个NOX传感器，前NOX传感器用于检测发动机尾气中的NOX浓度和氧气的浓度，并将相应的信号传输给ECU，用于控制尿素喷射量和DPF再生；后NOX传感器用于OBD监控，监控NOX排放的情况，其遵从J1939协议，通过CAN传输的。排气温度传感器用于测量催化器上不同位置的排气温度，包括DOC的进气温度（通常称为T4温度）、DPF的进气温度（通常称为T5温度）、SCR的进气温度（通常称为T6温度）、催化器排气尾管的温度（通常称为T7温度）。同时将相应的信号传输给ECU，ECU根据传感器反馈的数据执行相应的再生策略及尿素喷射策略。其供电电压为5V，测温范围在-40℃到900℃之间。PM传感器由电子控制单元和感应单元两部分组成，用于检测发动机尾气中的PM（颗粒物），并将相应的信号传输给ECU来进行OBD和PM的监控，其中信号是通过CAN传输的。压差传感器用于检测催化器中DPF进气口端与出气口之间的排气背压，并将相应的信号传输给ECU来进行DPF的功能性控制及OBD的监控，其供电电压为5V，工作环境温度为-40~130℃。环境温度传感器用于测量环境温度的，当环境温度低于设定值，系统将自动对尿素管路进行加热，防止尿素在尿素管路中的结冰。其工作范围在-40℃～80℃之间。若整车上已经安装环境温度传感器，后处理系统可以与其共用，不必再安装单独的环境温度传感器。尿素的供给与喷射单元主要