尾气处理行业技术路线分析

      一、国Ⅳ阶段：尾气处理（机外净化）必不可少

      与汽油机不同，柴油机的主要污染物为PM 颗粒物和NOx，这两种污染物生成机理不同，且相互制约，即在减少PM 颗粒物的同时又增加了NOx 的排放，而NOx 减少的同时又使得PM 颗粒物的排放升高。正是由于柴油机污染物生成机理相互制约的影响，为使柴油机达到国Ⅳ及更高排放水平，传统的机内净化（优化燃烧）技术已无能为力，必须与机外净化（即加装尾气处理系统）技术相结合来降低污染物排放量。

      柴油车实现国Ⅳ排放标准的技术路线可分为两种：

      1）通过优化燃烧，先降低PM 颗粒物的生成量（机内净化重点解决PM），再加装转化NOx 的尾气后处理装置（机外净化重点解决NOx），即SCR 技术路线；

      2）通过降低燃烧温度，从而降低NOx 的生成量（机内净化重点解决NOx），然后再加装吸收PM 颗粒物的尾气后处理装置（机外净化重点解决PM），即EGR+（DOC/POC/DPF）技术路线。为了满足欧Ⅳ到欧Ⅵ排放法规，欧美中重型商用车及柴油机企业主要采用两条排放控制技术路线：

      其一是“优化燃烧+SCR”技术路线，简称SCR 路线，这一技术路线在欧洲占主流，欧洲长途载货车几乎全部采用这一方案，相关生产企业主要有雷诺、沃尔沃、达夫、依维柯等；其二是“EGR+DOC/POC / DPF”技术路线，其中以“EGR+DOC+DPF”应用最为广泛，简称EGR+路线，这一技术路线在北美市场占主流（欧洲短途运输和城市公交车也主要选择此方案），相关生产企业主要有康明斯、卡特彼勒、纳威司达、斯堪尼亚、曼等。

德国博世推荐的柴油机排放升级技术方案

 降低柴油机排放的后处理技术（机外净化）

       EGR+（DOC/POC/DPF）技术路线

      EGR+技术路线降低污染物的思路：控制气缸内的燃烧温度，抑制NOx 生成量，然后加装尾气处理装置（DOC/POC/DPF）吸收PM 颗粒物（EGR+技术路线也需要升级前端燃油喷射系统，柴油机普遍使用的直列泵已无法达到要求，需要使用高压共轨等电控高压燃油喷射系统）。

      EGR+路线工作原理是：将部分废气经过冷却后，再次引入气缸与新鲜空气混合降低缸内氧气浓度，从而在燃烧过程中有效降低最高温度，可有效降低NOx 排放，缸内较低的氧气浓度又会增加PM 的排放，使发动机排放的废气中PM 增加，于是需要使用DPF 等尾气处理装置来降低PM 排放量。

      氧化催化转化器（DOC）：最经济实惠，但降低PM 能力较低

      氧化催化转化器（DOC）可用于降低柴油车尾气中的HC、CO 和SOF（可溶性有机成分）及部分

      SOOT（碳颗粒）微粒。柴油发动机排出的废气通过DOC 后，HC 和CO 氧化生成无毒的H2O 和CO2。由于可溶性有机物中含有大量的HC，于是DOC 也可吸收可溶性有机微粒。DOC 可以降低20%-50%的PM 排放，及60%以上的HC 和CO 排放。

      HC/CO + O2 → H2O + C O2（氧化HC 和CO）

      NOx + O2 → N O2（氧化氮氧化合物）

      SOF + O2 → C O2+ H2O（氧化可溶性有机物SOF）

      S O2 + O2 → SO3（氧化形成硫酸盐）

      SOOT + O2 → C O2（氧化颗粒物中部分碳颗粒）

      由于燃油中的硫会氧化生成硫酸盐，从而增加了尾气中颗粒物排放量并容易使DOC 堵塞失效，于是DOC 需要含硫量较低的燃油配合。DOC 对处理尾气中的碳颗粒作用不大，同时DOC 中氧化反应可以提高废气温度，提高后续系统处理污染物的效率，于是大多数情况下DOC 是加装在POC 或DPF之前，两者结合使用降低污染物排放量。

      DOC 是柴油机尾气处理中价格最低及维护最为方便的系统，单套系统价格约为800-1000 元，其主要用于降低HC 和CO，降低颗粒物能力较低，需与POC、DPF 结合使用（部分轻型柴油机仅使用EGR+DOC 达到国Ⅳ排放标准）。

      颗粒氧化催化转化器（POC）：性能和价格均处于中等水平

      颗粒氧化催化转化器（POC）可用于降低柴油车尾气中的颗粒物，属于氧化催化转换器范畴，颗粒物转换效率高于DOC，但低于DPF 系统。其原理是使废气通过一个多褶皱而不阻塞的通道，颗粒物被吸附在POC 内，并通过氧化燃烧来清除积累下来的微粒。

      由于POC 要求的工作温度较高，因此需要与DOC 配合使用，欧洲重卡企业曼称之为PM-Kat 系统即为DOC 与POC 集于一体。在前面DOC 催化器的氧化作用下，废气中一氧化氮与氧气结合生成二氧化氮，加上废气中的原有N O2 一起进入POC。在催化剂的作用下，N O2 分子键在较低温时断裂，产生的O 与被捕捉到的C 颗粒燃烧，生成C O2，从而有效去除捕捉下来的颗粒物。

      POC 只能过滤较大颗粒的碳颗粒，对PM2.5 以下的碳颗粒无能为力，降低PM 效率为30%-80%，优于DOC，低于DPF。POC 耐硫性更强，价格低于DPF，高于DOC，价格约为3000-5000 元/套。

      微粒捕集器（DPF）：性能和价格最高，对硫较敏感

      微粒捕集器的壁面是多孔陶瓷，相邻的两个通道中，一个通道的出口侧被堵住，而另一通道的进口侧被堵住，这样尾气从一个通道进来以后，必须穿过多孔陶瓷壁面进入相邻的出口，而微粒就被过滤在通道壁面（参见DPF 微粒捕集器工作示意图）。在捕集了一定量的颗粒物粒子以后，DPF 系统通过燃烧堆积的炭颗粒达到清洗过滤器的效果。为了提高DPF 工作效率，一般也需在前端加装一个DOC。

      DPF 对硫比较敏感，硫会使颗粒捕集系统中毒失效。如果采用此方案，必须使用国Ⅳ标准以上的柴油（燃油中的硫含量低于50ppm，理想情况是15ppm 以下），才能达到国Ⅳ及以上标准的颗粒物排放要求。

      综上所述，国Ⅳ标准柴油机EGR+技术路线有：EGR+DOC、EGR+DOC+DPF、EGR+DOC+POC三种技术路线。