柴油机SCR与EGR+两大排放控制技术路线研发生产和应用成本对比分析(一)

　　当今业内众所周知，为了满足欧Ⅳ～欧Ⅵ排放法规，欧美中重型商用车及柴油机企业主要采用了两条排放控制技术路线：其一是“优化燃烧+SCR(选择性催化还原)”技术路线，简称SCR路线，它是通过优化喷油和燃烧过程，尽量在机内控制微粒PM的产生，而在机外后处理过程中，采用尿素溶液对氮氧化物NOx进行选择性催化还原，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；其二是“EGR+DOC/DPF/POC(废气再循环+柴油氧化催化器/柴油颗粒过滤器/颗粒氧化催化器)”技术路线，其中以“EGR+DPF”应用最广泛，简称EGR+路线，它以废气再循环为基础，在机内抑制NOx的产生，在机外后处理过程中采用柴油氧化催化器、或柴油颗粒过滤器（当今主流）、或颗粒氧化催化器对PM进行氧化催化或过滤捕捉，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）。

　　两种技术路线各有优缺点，笔者在近期发表的“欧Ⅳ及之后中重型柴油机排放控制两大主要技术路线对比评介”一文中有过很详细的介绍，在此不再赘述。下面仅就两种技术路线的研发生产和应用成本进行对比分析。

　　1发动机本身

　　采用SCR技术路线的发动机，相对于原发动机，发动机结构不需要进行任何变化就能达标。而EGR+路线，发动机结构需要进行重新设计，主要因为EGR发动机需要较高的喷油压力，所以需要升级燃油喷射系统，同时EGR发动机需要更高的散热要求，需要增大散热器来满足，从这一角度来看，EGR的成本高于SCR。发动机本身的改变不但增加了前期开发成本，发动机生产过程中，还需要对配套供应链进行重新整合，这也会增加成本。

　　2后处理系统

　　SCR系统除了开发SCR净化技术外，还增加了尿素储藏容器和尿素喷射系统，而EGR系统除了开发EGR净化技术外，还需要增加DOC、DPF或者POC装置，由此可见，两种技术路线的后处理系统开发成本差别不大。对于EGR+DPF系统，为了有效降低背压，有时我们还需要采用DPF主动再生系统，如图表1所示，主动再生系统需要额外增加燃油喷射部分，所以，EGR+主动再生DPF系统的开发成本略高于SCR。

　　SCR系统的发动机体积较小，EGR系统的发动机体积较大，但是SCR发动机对封装要求较高，而EGR发动机要求较低，所以，从这一方面看，两者成本相差不大。

　　3两种路线的升级可行性及成本

　　鉴于目前中国正在实施国Ⅲ、试行国Ⅳ（型式认证），而国Ⅴ标准即将在未来不久于全国实施，因此，面向国Ⅳ水平的发动机不得不朝着与国Ⅴ接轨的方向发展、升级。

　　3.1SCR技术

　　国Ⅲ发动机可作为向欧IV/欧V进一步发展的基础机。在这个过程中，发动机主要系统的以下领域将是重点发展和考虑对象。

　　（1）燃油喷射系统

　　国Ⅲ基础的燃油喷射系统采用电子控制式直接燃油喷射，喷油压力可达到1600bar，这样的喷油系统同样能够满足欧Ⅳ、欧Ⅴ的排放要求。

　　通过喷油提前角的设置和轨压的调节，可以使燃烧标定工作达到低颗粒排放和高效率燃烧水平，峰值燃烧压力将略高于欧Ⅲ运行状况。

　　（2）进气系统

　　进气系统必须应用支持低颗粒排放的先进技术，一般包括四气门技术，低涡流率技术以及国Ⅲ以上涡轮增压技术。

　　（3）尾气后处理系统

　　SCR后处理系统包括了SCR催化剂，有时还结合氧化催化剂（DOC）和氨催化剂（AMOX），以避免操作中多余氨的排放。此外，还需要一个单独的尿素（AdBlue）供给系统和尿素喷射控制系统。

　　（4）标定策略和方法

　　对发动机原始排放的标定工作，国Ⅳ与国Ⅲ的标定策略相同，只是国Ⅳ发动机对排放要求更高。但国Ⅳ发动机要增加对后处理SCR系统的标定，该标定是通过调整尿素（AdBlue）喷射控制策略来实现的。同时要在标准要求的所有测试循环状态下进行标定，包括稳态循环和瞬态循环。

　　从国Ⅳ到未来的国Ⅴ（欧Ⅴ），发动机原始排放的标定策略与国Ⅳ相同，只是对后处理SCR系统的标定工作要求更高。

　　3.2EGR+DPF技术

　　（1）燃油喷射系统

　　满足国Ⅲ标准的燃油喷射系统的喷射压力一般不超过1600bar，国Ⅳ标准使用1600bar的喷油系统也有可能达到，而满足未来国Ⅴ标准的燃油系统则需要更高级的电控喷油系统及更高的喷射压力。

　　通过设置喷射正时延时，轨压调整和EGR标定，可以控制燃烧过程以保证较低的NOx排放水平，发动机效率低于采用SCR技术的发动机。与国Ⅲ应用情况相比，峰值燃烧压力将会增加。

　　（2）进气系统

　　满足国Ⅲ标准无需采用EGR废气再循环中冷技术，满足国Ⅳ和国Ⅴ标准需采用带中冷的EGR技术以降低NOx排放。为使排放从国Ⅳ标准进一步提升至国Ⅴ标准，空气系统需要升级，例如用可变喷嘴增压器（VNT）技术甚至二级涡轮增压来尽可能提高废气再循环率和进气压力。

　　（3）尾气后处理系统

　　在大多数欧Ⅳ排放应用中，大多会采用柴油机氧化催化剂（DOC）和通透式颗粒过滤器（DPF）的组合系统。该系统是被动再生，需要定期进行清洁和人工主动再生维护。同时，该系统对燃油中的硫敏感，硫含量不能超过50ppm。当升级到未来的国Ⅴ（欧Ⅴ）后，通透式颗粒过滤器的过滤效率已经不能满足要求，需要过滤效率更高的壁流式颗粒捕捉器系统，该系统同时需要进行主动再生的标定。对油品中的硫含量更为敏感。

　　（4）标定策略及方法

　　满足国Ⅳ和国Ⅴ排放法规的发动机原始排放标定需采用更加先进的标定技术。在国Ⅳ阶段，大部分情况下采用通透式颗粒过滤器系统，因而并不需要对排放系统进行额外的标定工作。而到未来的国Ⅴ阶段，大部分需要采用主动再生的壁流式颗粒捕捉器技术，因而需要对排放系统进行再生标定。再生标定工作可以通过标定发动机ECU或者标定单独的再生控制单元来完成。发动机冷却液的温度控制可以通过喷油系统的ECU来完成，并且可能因EGR的高冷却能力而在国Ⅴ标准实际应用中起到相当显著的作用。

　　3.3技术连续性与可行性

　　图表2列举了SCR技术和EGR+技术在欧Ⅲ、欧Ⅳ和欧Ⅴ之间的技术升级连续性和标定策略，其中七项技术不连续性的进一步解释如下：

　　（1）增加用于降低NOx排放的尾气后处理SCR系统，同时需要引进尿素（AdBlue）供给系统。国Ⅲ无需尾气后处理装置，因而没有旧系统可替换。

　　（2）引进带冷却的废气再循环系统（EGR）。

　　（3）引进降低颗粒物排放的尾气后处理DPF系统。国Ⅲ无需后处理，因而没有旧系统可替换。

　　（4）与国Ⅲ相比，燃油系统具有更高的喷油压力。

　　（5）进气系统需具备提供高EGR率的能力，例如，可变涡轮几何面积（VTG）增压系统。

　　（6）将通透式被动再生的颗粒过滤器系统替换成壁流式主动再生颗粒捕捉系统。

　　（7）引进主动再生DPF的再生标定策略。

　　通过上面阐述这两种技术路径的连续性，可以分析这两种技术的可靠性。相比SCR技术而言，EGR系统将会面临更多的技术不连续性问题。

　　4应用成本对比

　　4.1附加尿素成本

　　采用SCR发动机的重型车大约每行驶5000km需要加一次尿素，尽管尿素本身成本并不高，但是，我国不同于欧洲，欧洲目前已经有6000多个尿素供应点，而我国还没有。所以，在我国国IV实施初期阶段，采用SCR路线的汽车对于用户来说，使用成本会较高，而便利性也会很差。对于中短途运输的重型车以及较大的运输车队这一矛盾还不会很突出，而对于长途运输和个体重型车用户而言，这一问题难以解决。

　　EGR发动机就完全没有上述问题，EGR发动机不需要添加尿素的基础设施，不需要定期添加尿素，EGR发动机和SCR发动机的价格也不会有明显的差异。从这一方面来看，EGR发动机的使用成本低于SCR。

　　4.2燃油经济性

　　欧洲汽车工业协会（ACEA）曾经宣称“SCR技术是唯一能够同时解决满足排放要求和燃油经济性要求的技术”。

　　从技术角度分析，相对于国Ⅲ发动机，SCR国Ⅳ发动机可节约燃油5%，同时消耗尿素4%-6%；而EGR+DPF国Ⅳ发动机需多消耗2%的燃油。到国Ⅴ阶段，SCR发动机尿素消耗增加到5%-7%，但是燃油消耗可进一步下降到6%的降幅。而到国Ⅴ阶段，EGR技术路线的尾气后处理装置需要进行主动再生，燃油消耗将进一步增加，预计比国Ⅲ发动机增加7%。

　　（1）欧洲汽车工业协会（ACEA）的研究结果

　　ACEA曾经就使用不同技术的欧Ⅳ/欧Ⅴ发动机的经济性进行过研究，研究结果显示，一台总重40吨的重型汽车采用SCR后处理技术的欧Ⅳ发动机，每100km平均消耗柴油29.8L，尿素1.5L。与此相对，一台40吨重型汽车采用EGR+DPF技术的欧Ⅳ发动机，每100km平均消耗柴油32.6L，没有尿素消耗。

　　（2）沃尔沃的试验结果

　　如图表3，据沃尔沃试验表明，要减少每份NOx(如1g/hp-hr)，SCR后处理的发动机要使用大约1.5%燃油量的尿素；例如，对于一个采用SCR系统的发动机，要把NOx由6g降低到1g(6-1=5g减少量)，需要喷大约7.5%燃油重量(5g×1.5%/克=7.5%)的尿素。在美国，尿素价格预计和柴油相同；因而，在上面例子中，发动机燃油经济性必须至少改善7.5%才能避免使用成本的负面效应；SCR系统在柴油价格远远高于尿素价格的市场上，有很大优势(在北美以外国家，如欧洲)，但在北美优势不明显。

　　                                                                 图表3：2种方案与欧Ⅲ发动机相比使用成本变化（尿素按0.45欧元/L计算）

　　（3）康明斯的试验结果

　　从美国康明斯的试验结果来看，采用EGR技术在满足较低排放标准时，油耗增加幅度较小，将SCR发动机消耗的尿素折合成4%-6%的油耗增加，此时，EGR发动机燃油经济性相对好一些。两种技术的平台研发成本相当，EGR开发成本略高，加上换油周期短，二者的成本相差不大。但是，当满足欧Ⅴ（EPA2007）以上排放标准时，EGR油耗增加成本要明显高于SCR尿素消耗，EGR的成本高于SCR。虽然如此，康明斯的经验表明，对于在使用超低硫清洁燃油的情况下，选用EGR系统对于长途运输汽车来说是个最好的尾气处理解决办法。其原因是由EGR技术的特点决定的：

　　a）由于NOx排放量随负荷增大而增大，因此废气回流量随负荷增大而增大。

　　b）暖机过程中，冷却水温度和进气温度均较低，NOx排放不高。为防止废气回流破坏燃烧的稳定性，一般在发动机冷却水温低于50℃时不进行EGR。

　　c）怠速和小负荷时，NOx排放不高，也不进行EGR。

　　d）接近全负荷时，为了保证发动机的足够动力性能，即使NOx排放很高，也不允许EGR。

　　对于长途运输汽车而言，发动机的负荷始终处于稳定和非全负荷状态，EGR技术可以完全满足排放要求，且不用携带尿素。

　　（未完待续）