當今業(yè)內眾所周知，為了滿(mǎn)足歐Ⅳ～歐Ⅵ排放法規，歐美中重型商用車(chē)及柴油機企業(yè)主要采用了兩條排放控制技術(shù)路線(xiàn)：其一是“優(yōu)化燃燒+SCR(選擇性催化還原)”技術(shù)路線(xiàn)，簡(jiǎn)稱(chēng)SCR路線(xiàn)，它是通過(guò)優(yōu)化噴油和燃燒過(guò)程，盡量在機內控制微粒PM的產(chǎn)生，而在機外后處理過(guò)程中，采用尿素溶液對氮氧化物NOx進(jìn)行選擇性催化還原，這一技術(shù)路線(xiàn)在歐洲占主流，歐洲長(cháng)途載貨車(chē)幾乎全部采用這一方案；其二是“EGR+DOC/DPF/POC(廢氣再循環(huán)+柴油氧化催化器/柴油顆粒過(guò)濾器/顆粒氧化催化器)”技術(shù)路線(xiàn)，其中以“EGR+DPF”應用最廣泛，簡(jiǎn)稱(chēng)EGR+路線(xiàn)，它以廢氣再循環(huán)為基礎，在機內抑制NOx的產(chǎn)生，在機外后處理過(guò)程中采用柴油氧化催化器、或柴油顆粒過(guò)濾器（當今主流）、或顆粒氧化催化器對PM進(jìn)行氧化催化或過(guò)濾捕捉，這一技術(shù)路線(xiàn)在北美市場(chǎng)占主流（歐洲短途運輸和城市公交車(chē)也主要選擇此方案）。

　　兩種技術(shù)路線(xiàn)各有優(yōu)缺點(diǎn)，筆者在近期發(fā)表的“歐Ⅳ及之后中重型柴油機排放控制兩大主要技術(shù)路線(xiàn)對比評介”一文中有過(guò)很詳細的介紹，在此不再贅述。下面僅就兩種技術(shù)路線(xiàn)的研發(fā)生產(chǎn)和應用成本進(jìn)行對比分析。

　　1發(fā)動(dòng)機本身

　　采用SCR技術(shù)路線(xiàn)的發(fā)動(dòng)機，相對于原發(fā)動(dòng)機，發(fā)動(dòng)機結構不需要進(jìn)行任何變化就能達標。而EGR+路線(xiàn)，發(fā)動(dòng)機結構需要進(jìn)行重新設計，主要因為EGR發(fā)動(dòng)機需要較高的噴油壓力，所以需要升級燃油噴射系統，同時(shí)EGR發(fā)動(dòng)機需要更高的散熱要求，需要增大散熱器來(lái)滿(mǎn)足，從這一角度來(lái)看，EGR的成本高于SCR。發(fā)動(dòng)機本身的改變不但增加了前期開(kāi)發(fā)成本，發(fā)動(dòng)機生產(chǎn)過(guò)程中，還需要對配套供應鏈進(jìn)行重新整合，這也會(huì )增加成本。

　　2后處理系統

　　SCR系統除了開(kāi)發(fā)SCR凈化技術(shù)外，還增加了尿素儲藏容器和尿素噴射系統，而EGR系統除了開(kāi)發(fā)EGR凈化技術(shù)外，還需要增加DOC、DPF或者POC裝置，由此可見(jiàn)，兩種技術(shù)路線(xiàn)的后處理系統開(kāi)發(fā)成本差別不大。對于EGR+DPF系統，為了有效降低背壓，有時(shí)我們還需要采用DPF主動(dòng)再生系統，如圖表1所示，主動(dòng)再生系統需要額外增加燃油噴射部分，所以，EGR+主動(dòng)再生DPF系統的開(kāi)發(fā)成本略高于SCR。

　　SCR系統的發(fā)動(dòng)機體積較小，EGR系統的發(fā)動(dòng)機體積較大，但是SCR發(fā)動(dòng)機對封裝要求較高，而EGR發(fā)動(dòng)機要求較低，所以，從這一方面看，兩者成本相差不大。

　　3兩種路線(xiàn)的升級可行性及成本

　　鑒于目前中國正在實(shí)施國Ⅲ、試行國Ⅳ（型式認證），而國Ⅴ標準即將在未來(lái)不久于全國實(shí)施，因此，面向國Ⅳ水平的發(fā)動(dòng)機不得不朝著(zhù)與國Ⅴ接軌的方向發(fā)展、升級。

　　3.1SCR技術(shù)

　　國Ⅲ發(fā)動(dòng)機可作為向歐IV/歐V進(jìn)一步發(fā)展的基礎機。在這個(gè)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機主要系統的以下領(lǐng)域將是重點(diǎn)發(fā)展和考慮對象。

　?。?）燃油噴射系統

　　國Ⅲ基礎的燃油噴射系統采用電子控制式直接燃油噴射，噴油壓力可達到1600bar，這樣的噴油系統同樣能夠滿(mǎn)足歐Ⅳ、歐Ⅴ的排放要求。

　　通過(guò)噴油提前角的設置和軌壓的調節，可以使燃燒標定工作達到低顆粒排放和高效率燃燒水平，峰值燃燒壓力將略高于歐Ⅲ運行狀況。

　?。?）進(jìn)氣系統

　　進(jìn)氣系統必須應用支持低顆粒排放的先進(jìn)技術(shù)，一般包括四氣門(mén)技術(shù)，低渦流率技術(shù)以及國Ⅲ以上渦輪增壓技術(shù)。

　?。?）尾氣后處理系統

　　SCR后處理系統包括了SCR催化劑，有時(shí)還結合氧化催化劑（DOC）和氨催化劑（AMOX），以避免操作中多余氨的排放。此外，還需要一個(gè)單獨的尿素（AdBlue）供給系統和尿素噴射控制系統。

　?。?）標定策略和方法

　　對發(fā)動(dòng)機原始排放的標定工作，國Ⅳ與國Ⅲ的標定策略相同，只是國Ⅳ發(fā)動(dòng)機對排放要求更高。但國Ⅳ發(fā)動(dòng)機要增加對后處理SCR系統的標定，該標定是通過(guò)調整尿素（AdBlue）噴射控制策略來(lái)實(shí)現的。同時(shí)要在標準要求的所有測試循環(huán)狀態(tài)下進(jìn)行標定，包括穩態(tài)循環(huán)和瞬態(tài)循環(huán)。

　　從國Ⅳ到未來(lái)的國Ⅴ（歐Ⅴ），發(fā)動(dòng)機原始排放的標定策略與國Ⅳ相同，只是對后處理SCR系統的標定工作要求更高。

　　3.2EGR+DPF技術(shù)

　?。?）燃油噴射系統

　　滿(mǎn)足國Ⅲ標準的燃油噴射系統的噴射壓力一般不超過(guò)1600bar，國Ⅳ標準使用1600bar的噴油系統也有可能達到，而滿(mǎn)足未來(lái)國Ⅴ標準的燃油系統則需要更高級的電控噴油系統及更高的噴射壓力。

　　通過(guò)設置噴射正時(shí)延時(shí)，軌壓調整和EGR標定，可以控制燃燒過(guò)程以保證較低的NOx排放水平，發(fā)動(dòng)機效率低于采用SCR技術(shù)的發(fā)動(dòng)機。與國Ⅲ應用情況相比，峰值燃燒壓力將會(huì )增加。

　?。?）進(jìn)氣系統

　　滿(mǎn)足國Ⅲ標準無(wú)需采用EGR廢氣再循環(huán)中冷技術(shù)，滿(mǎn)足國Ⅳ和國Ⅴ標準需采用帶中冷的EGR技術(shù)以降低NOx排放。為使排放從國Ⅳ標準進(jìn)一步提升至國Ⅴ標準，空氣系統需要升級，例如用可變噴嘴增壓器（VNT）技術(shù)甚至二級渦輪增壓來(lái)盡可能提高廢氣再循環(huán)率和進(jìn)氣壓力。

　?。?）尾氣后處理系統

　　在大多數歐Ⅳ排放應用中，大多會(huì )采用柴油機氧化催化劑（DOC）和通透式顆粒過(guò)濾器（DPF）的組合系統。該系統是被動(dòng)再生，需要定期進(jìn)行清潔和人工主動(dòng)再生維護。同時(shí)，該系統對燃油中的硫敏感，硫含量不能超過(guò)50ppm。當升級到未來(lái)的國Ⅴ（歐Ⅴ）后，通透式顆粒過(guò)濾器的過(guò)濾效率已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求，需要過(guò)濾效率更高的壁流式顆粒捕捉器系統，該系統同時(shí)需要進(jìn)行主動(dòng)再生的標定。對油品中的硫含量更為敏感。

　?。?）標定策略及方法

　　滿(mǎn)足國Ⅳ和國Ⅴ排放法規的發(fā)動(dòng)機原始排放標定需采用更加先進(jìn)的標定技術(shù)。在國Ⅳ階段，大部分情況下采用通透式顆粒過(guò)濾器系統，因而并不需要對排放系統進(jìn)行額外的標定工作。而到未來(lái)的國Ⅴ階段，大部分需要采用主動(dòng)再生的壁流式顆粒捕捉器技術(shù)，因而需要對排放系統進(jìn)行再生標定。再生標定工作可以通過(guò)標定發(fā)動(dòng)機ECU或者標定單獨的再生控制單元來(lái)完成。發(fā)動(dòng)機冷卻液的溫度控制可以通過(guò)噴油系統的ECU來(lái)完成，并且可能因EGR的高冷卻能力而在國Ⅴ標準實(shí)際應用中起到相當顯著(zhù)的作用。

　　3.3技術(shù)連續性與可行性

　　圖表2列舉了SCR技術(shù)和EGR+技術(shù)在歐Ⅲ、歐Ⅳ和歐Ⅴ之間的技術(shù)升級連續性和標定策略，其中七項技術(shù)不連續性的進(jìn)一步解釋如下：

　?。?）增加用于降低NOx排放的尾氣后處理SCR系統，同時(shí)需要引進(jìn)尿素（AdBlue）供給系統。國Ⅲ無(wú)需尾氣后處理裝置，因而沒(méi)有舊系統可替換。

　?。?）引進(jìn)帶冷卻的廢氣再循環(huán)系統（EGR）。

　?。?）引進(jìn)降低顆粒物排放的尾氣后處理DPF系統。國Ⅲ無(wú)需后處理，因而沒(méi)有舊系統可替換。

　?。?）與國Ⅲ相比，燃油系統具有更高的噴油壓力。

　?。?）進(jìn)氣系統需具備提供高EGR率的能力，例如，可變渦輪幾何面積（VTG）增壓系統。

　?。?）將通透式被動(dòng)再生的顆粒過(guò)濾器系統替換成壁流式主動(dòng)再生顆粒捕捉系統。

　?。?）引進(jìn)主動(dòng)再生DPF的再生標定策略。

　　通過(guò)上面闡述這兩種技術(shù)路徑的連續性，可以分析這兩種技術(shù)的可靠性。相比SCR技術(shù)而言，EGR系統將會(huì )面臨更多的技術(shù)不連續性問(wèn)題。

　　4應用成本對比

　　4.1附加尿素成本

　　采用SCR發(fā)動(dòng)機的重型車(chē)大約每行駛5000km需要加一次尿素，盡管尿素本身成本并不高，但是，我國不同于歐洲，歐洲目前已經(jīng)有6000多個(gè)尿素供應點(diǎn)，而我國還沒(méi)有。所以，在我國國IV實(shí)施初期階段，采用SCR路線(xiàn)的汽車(chē)對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，使用成本會(huì )較高，而便利性也會(huì )很差。對于中短途運輸的重型車(chē)以及較大的運輸車(chē)隊這一矛盾還不會(huì )很突出，而對于長(cháng)途運輸和個(gè)體重型車(chē)用戶(hù)而言，這一問(wèn)題難以解決。

　　EGR發(fā)動(dòng)機就完全沒(méi)有上述問(wèn)題，EGR發(fā)動(dòng)機不需要添加尿素的基礎設施，不需要定期添加尿素，EGR發(fā)動(dòng)機和SCR發(fā)動(dòng)機的價(jià)格也不會(huì )有明顯的差異。從這一方面來(lái)看，EGR發(fā)動(dòng)機的使用成本低于SCR。

　　4.2燃油經(jīng)濟性

　　歐洲汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì )（ACEA）曾經(jīng)宣稱(chēng)“SCR技術(shù)是唯一能夠同時(shí)解決滿(mǎn)足排放要求和燃油經(jīng)濟性要求的技術(shù)”。

　　從技術(shù)角度分析，相對于國Ⅲ發(fā)動(dòng)機，SCR國Ⅳ發(fā)動(dòng)機可節約燃油5%，同時(shí)消耗尿素4%-6%；而EGR+DPF國Ⅳ發(fā)動(dòng)機需多消耗2%的燃油。到國Ⅴ階段，SCR發(fā)動(dòng)機尿素消耗增加到5%-7%，但是燃油消耗可進(jìn)一步下降到6%的降幅。而到國Ⅴ階段，EGR技術(shù)路線(xiàn)的尾氣后處理裝置需要進(jìn)行主動(dòng)再生，燃油消耗將進(jìn)一步增加，預計比國Ⅲ發(fā)動(dòng)機增加7%。

　?。?）歐洲汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì )（ACEA）的研究結果

　　ACEA曾經(jīng)就使用不同技術(shù)的歐Ⅳ/歐Ⅴ發(fā)動(dòng)機的經(jīng)濟性進(jìn)行過(guò)研究，研究結果顯示，一臺總重40噸的重型汽車(chē)采用SCR后處理技術(shù)的歐Ⅳ發(fā)動(dòng)機，每100km平均消耗柴油29.8L，尿素1.5L。與此相對，一臺40噸重型汽車(chē)采用EGR+DPF技術(shù)的歐Ⅳ發(fā)動(dòng)機，每100km平均消耗柴油32.6L，沒(méi)有尿素消耗。

　?。?）沃爾沃的試驗結果

　　如圖表3，據沃爾沃試驗表明，要減少每份NOx(如1g/hp-hr)，SCR后處理的發(fā)動(dòng)機要使用大約1.5%燃油量的尿素；例如，對于一個(gè)采用SCR系統的發(fā)動(dòng)機，要把NOx由6g降低到1g(6-1=5g減少量)，需要噴大約7.5%燃油重量(5g×1.5%/克=7.5%)的尿素。在美國，尿素價(jià)格預計和柴油相同；因而，在上面例子中，發(fā)動(dòng)機燃油經(jīng)濟性必須至少改善7.5%才能避免使用成本的負面效應；SCR系統在柴油價(jià)格遠遠高于尿素價(jià)格的市場(chǎng)上，有很大優(yōu)勢(在北美以外國家，如歐洲)，但在北美優(yōu)勢不明顯。

　　                                                                 圖表3：2種方案與歐Ⅲ發(fā)動(dòng)機相比使用成本變化（尿素按0.45歐元/L計算）

　?。?）康明斯的試驗結果

　　從美國康明斯的試驗結果來(lái)看，采用EGR技術(shù)在滿(mǎn)足較低排放標準時(shí)，油耗增加幅度較小，將SCR發(fā)動(dòng)機消耗的尿素折合成4%-6%的油耗增加，此時(shí)，EGR發(fā)動(dòng)機燃油經(jīng)濟性相對好一些。兩種技術(shù)的平臺研發(fā)成本相當，EGR開(kāi)發(fā)成本略高，加上換油周期短，二者的成本相差不大。但是，當滿(mǎn)足歐Ⅴ（EPA2007）以上排放標準時(shí)，EGR油耗增加成本要明顯高于SCR尿素消耗，EGR的成本高于SCR。雖然如此，康明斯的經(jīng)驗表明，對于在使用超低硫清潔燃油的情況下，選用EGR系統對于長(cháng)途運輸汽車(chē)來(lái)說(shuō)是個(gè)最好的尾氣處理解決辦法。其原因是由EGR技術(shù)的特點(diǎn)決定的：

　　a）由于NOx排放量隨負荷增大而增大，因此廢氣回流量隨負荷增大而增大。

　　b）暖機過(guò)程中，冷卻水溫度和進(jìn)氣溫度均較低，NOx排放不高。為防止廢氣回流破壞燃燒的穩定性，一般在發(fā)動(dòng)機冷卻水溫低于50℃時(shí)不進(jìn)行EGR。

　　c）怠速和小負荷時(shí)，NOx排放不高，也不進(jìn)行EGR。

　　d）接近全負荷時(shí)，為了保證發(fā)動(dòng)機的足夠動(dòng)力性能，即使NOx排放很高，也不允許EGR。

　　對于長(cháng)途運輸汽車(chē)而言，發(fā)動(dòng)機的負荷始終處于穩定和非全負荷狀態(tài)，EGR技術(shù)可以完全滿(mǎn)足排放要求，且不用攜帶尿素。

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