日本柴油车以最新技术适应新长期排放法规
杨妙梁来源：《上海汽车》（2005年第12期）
[摘要] 日本新近实施的新长期排放法规对柴油车的NO
x
和PM的排放提出了严
苛的要求。为适应新法规的要求，日本汽车企业进行了一系列的改进，包括日产柴油机公司研发的尿素SCR系统、日野DPF系统以及电子控制超高压燃油喷射装置系统等等。日本商用车柴油机的最新排放技术也为我国商用车制造行业提供了参考。
[主题词] 排放法规；柴油车；新技术
日本实施的柴油车排放法规可以说是世界上最严格的排放法规之一，其中2005年
10月施行的新长期排放法规规定，氮氧化合物(NO
x
)将比现行的新短期排放法规降低
40%，微粒排放物(PM)降低85%(参见图1)。与未实施的排放法规时代相比，NO
x
降低88%，PM降低97%。
迄今采用的降低排放的主要措施是在发动机方面提高燃油的喷射压力，改进燃烧室形状(活塞凹腔形状)，采用废气再循环(EGR)等。为了适应新短期排放法规，又增加了氧化催化转换器以降低PM的排放。为了适应更加严格的新长期排放法规必须采用尿素
SCR(Selective Catalytic Reduction)即选择还原型NO
x 催化转换器以降低NO
x
排放，并
日产日本且采用柴油微粒捕集器(DPF，Diesel Particulate Filter)以减少PM排放。就是说，除了改进发动机燃烧工
况和性能，也必须采用旨在减少NO，与PM的后处理装置。
从第38届东京国际车展上可以看到商用车环保技术分两大流派。一是以日产柴油机公司为代表的尿素SCR系统；另一流派是以日野汽车公司为代表，不使用选择还原型
NO
催化转换器而使用DPF系统，即柴油微粒捕集器系统。在NOx与PM的后处理装置中，x
只选用其中之一的后处理装置。下面分别介绍每一种后处理装置。
1 日产柴油机公司的尿素SCR系统
柴油机由于在排放气体中含有未充分燃烧而剩余的氧气，所以不能使用汽油机中具
是解决柴油机排放中的难有良好效果的三效催化转化器，因而柴油机排放中含有的NO
x
题。由于排放气体中的HC或CO，在与NO
反应之前先与氧气发生反应，实践证明，在
x
发生反应，还原为氮气的可能物质只有氨。在氨作为还氧气存在状态下有选择地与NO
x
原剂进行NO
的还原反应中，即使柴油机运转处于氧气过剩状态下，也能够以必需的氧
x
的化学还原反应，而不受过剩氧气的影响。
气量实现NO
x
氨或者应用氨的水溶液还原脱硝技术在日本早已开发成功，并从上世纪70年代开始应用于定置式工业锅炉的脱硝用途。由于氨难以管理和贮存，使用尿素水溶液方法代替氨是可行方法。事实上，尿素SCR在上世纪80年代已经在工业设备中获得应用，90年代以欧洲为中心也在卡车或大客车上开始进行示范性监
测试验。
应用尿素进行净化处理的基本化学过程如下：先从尿素转变为氨，再利用氨还原NOx，但要注意当尿素水的喷射过剩时，会使氨溢出；而在催化剂一侧当氨过度不足时则起补充作用，所以不要对氨水进行严格控制。此外，在尿素水喷射过程中，对于限制值多少还留有余地，这些都是应用氨水的优点。
图2表示尿素SCR系统的构成，图3表示SCR系统在车辆上的布置。在适用新长期排放法规的思路上有两种方法，一种是利用超高压燃油喷射彻底改善燃烧以降低PM，增加的NOx采用尿素SCR催化转换器等后处理装置处理，见图4。另外一种方法是采用大量废气再循环以降低NO
x
，增加的PM则用柴油微粒捕集器进行处理。
不管哪种方法，目的在于满足新长期排放法规。但是NO
x
与PM之间存在“二律背
反”：为了使PM减少，改善燃烧，NO
x 会增加；如果减少NO
x
，则PM增加，燃油经济性
恶化。
为此，日产柴油机公司主张选择采用不使燃油经济性恶化且改进燃烧的方法，即采
用尿素SCR催化转换器处理增加的NO
x
。以日产柴油机公司为适应长期排放法规的基准
车为例，如果采用大量EGR降低NO
x
以达到新短期限制值，燃油经济性则下降4%，相对于新长期法规值则下降7%；反之，采用尿素SCR则提高6%。与大量采用EGR方法相比，燃油经济性能提高13%，优点显而易见。
为了改进燃烧，必须有超高压的燃油喷射压力，为此，日产柴油机公司采用了泵喷嘴。尽管采用泵喷嘴能获得很高的喷油压力，但是在低速运转时存在喷油压力下降的问题。通过改进和缩短喷油器并列的电磁阀的通路，新型泵喷嘴能够保证从低速开始实现高喷油压力。
车辆在城市道路行驶时尿素SCR转换器温度在150℃左右，而尿素SCR催化转换器为了发挥作用需要有300℃的高温，因此在尿素SCR转换器前设置氧化催化转换器，以维持尿素SCR转换器的温度。
尿素水箱容量为33L，使用量根据运转条件多少有些不同，约相当于柴油燃料用量的5%左右。尿素水价格大体与柴油价格相同，除了燃油费用外，还有5%左右的设备成本费。
此外，尿素水是使用冻结温度低、浓度为32.5%的尿素水，由于在零下11℃以下会冻结，因此按照不同地区或许需要采取某种保温措施。为了防止将普通水误认为尿素水，采用浓度检测传感器进行检测。此外，除在发现误用普通水或性能差的尿素水发出报警信号外，还应该有相应解决办法。为解决尿素水的供应问题，日本全国约有800个卡车站兼汽油加注站中作为供应点，在约200多个日产柴油机销售店也设置相应供应点。
2 日野DPF系统
日野DPF系统已经用于已上市且符合新短期排放法规的超低PM排放柴油机上。日野DPF系统的构成见图5，其基本思路是通过组合式EGR，在不降低燃油经济性的同时，
；通过增加EGR冷却器与配管的容量，可以增加进行大量废气再循环，大幅度降低NO
x
EGR量。采用可变容量式涡轮增压器以有效控制排气压力；采用高压共轨式喷油系统以改善燃烧；未能净化处理的PM则由柴油微粒捕集器截获。日野汽车公司把研制的柴油微粒捕集器命名为DPR(Diesel Particulate Active Reduction System)。
DPF本体采用以堇青石为主要成分、陶瓷制造的具有精细微孔的滤清器，其最大问
需要500℃高温，因此，需题是捕获的PM碳烟微粒会堵塞滤孔。碳烟微粒燃烧生成CO
2
要在燃烧终了立即喷油，以使排气温度上升。随着设置在DPF之前的氧化催化转换器活性化温度达到260℃，排气门开启，进行喷油；后喷射的燃油由氧化转换器进行氧化而温度升高，当温度达到碳烟微粒氧化所必需的500℃高温时，碳烟微粒开始氧化。采用此方法，即使在城市道路行驶等工况排放温度低的行驶条件下也可以实现DPF的再生处理。
所谓组合式EGR系统，是电子控制脉冲式EGR系统与高效率冷却式EGR系统的组合构造。脉冲式EGR
系统的基本原理如下：在高增压柴油机中进行废气再循环，由于进气歧管内压力升高，使废气再循环特别困难。于是在进气冲程中，当进气门开启时，排气门重新开启，形成其他气缸的排气压力脉冲，使排放气体又进入气缸内，实现废气再循环。例如，在第一气缸的进气冲程中，第三气缸则处于排气冲程。脉冲式EGR具有发动机转速越高，废气再循环越增强的趋势。电子控制可以分为外部EGR与内部EGR，能同时降低NO
排放与冷却损失。
x
高效率的冷却式EGR通过EGR气体的冷却，降低燃烧温度，同时采用增加EGR率的排放。
方法来降低NO
x
3 其他实例
三菱汽车公司推荐装有尿素SCR系统的商用车；五十铃汽车公司在国际车展上或在新型排放技术的展示会上，积极展示尿素SCR系统。五十铃是最热心开发该种后处理装置的汽车公司，在第38届东京国际汽
车展上又展出3款大容量冷却EGR与DPF组合的、满足日本车新长期排放法规的发动机，此类车的后续生产还需要进行可行性分析。
4 新的尝试
日本国土交通局的新一代低公害车开发项目中包括超洁净柴油机，采取了电子控制超高增压涡轮增压器，它不仅能显著降低NO
和PM排放，而且燃油经济性提高10%。电
x
子控制超高压燃油喷射装置的系统构成如图6所示。与原来的涡轮增压器相比，增压压