隨著非道路機械國四排放的實施日期越來越近，各工程機械廠家也開始陸續(xù)設(shè)計基于國四排放發(fā)動機的工程機械和非道路機械，預(yù)計在11月底舉行的工程機械展上會見到各個廠家也都會展出的國四排放的工程機械。

俗話說外行看熱鬧，內(nèi)行看門道，為了不讓大家對國四排放茫然不解，機械財經(jīng)將介紹國四排放后處理的結(jié)構(gòu)，幫助大家更好的了解每個廠家的整車結(jié)構(gòu)，能在展會上看到更多更深的東西。

同時也希望大家可以了解發(fā)動機的后處理結(jié)構(gòu)，在接下來的國四排放整車設(shè)計過程中能，能夠理解設(shè)計意圖和設(shè)計方向

我們知道，發(fā)動機的尾氣是大氣主要的污染源之一，因為發(fā)動機尾氣中含有碳氫化物HC、碳氧化物氧氮化物CO、氮氧化物NOx和顆粒物(PM)等污染物，這些污染物經(jīng)大氣的光化學(xué)反應(yīng)后，還將產(chǎn)生地表臭氧(O3)和過氧化物。PM、地表臭氧(O3)和過氧化物為致癌物質(zhì)。CO、NOx和HC為致病物質(zhì)，嚴重危害人類的健康和生態(tài)環(huán)境。所以對尾氣的處理迫在眉睫，也成為各個國家治理大氣污染的主要課題。

為此很多國家都制定了嚴格的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，我們經(jīng)常聽到的汽車的國五，國六指的就是發(fā)動機尾氣達到哪個階段的排放標(biāo)準(zhǔn)。等級越高，排放出來的尾氣就越環(huán)保。目前我國的輕型汽車已經(jīng)達到國六A的標(biāo)準(zhǔn)要求，預(yù)計2021年1月1日不再允許銷售國六A以下排放標(biāo)準(zhǔn)的汽車。到2023年執(zhí)行國六B，至此現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)無法再進一步凈化發(fā)動機尾氣了，發(fā)動機尾氣的排放標(biāo)準(zhǔn)也將達到最嚴格。

而對于非道路機械的工程機械等車輛，目前仍處于國三標(biāo)準(zhǔn)，最早的計劃2019年切換成國四排放標(biāo)準(zhǔn)，但是基于技術(shù)，市場，疫情等原因，計劃一推再退，從2019年推遲到2020年，然后又退出到2021年年底，目前標(biāo)準(zhǔn)仍沒有正式發(fā)布。

遲遲等不來的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)并沒有讓整機廠家停止開發(fā)國四標(biāo)準(zhǔn)的整車。大家的環(huán)保意識，合規(guī)意識還是比較強的。

那么今天我們就講講發(fā)動機是如何將尾氣凈化，滿足法規(guī)要求的

首先要達到國四排放的技術(shù)要求，發(fā)動機本身也要有技術(shù)提升，如燃燒室的優(yōu)化和改進，高壓共軌電子控制燃油噴射技術(shù)，進氣增壓中冷技術(shù)，多氣門技術(shù)等，這些技術(shù)都有利于提高燃油的燃燒率，降低尾氣的污染物含量，所以我們將會看到到了國四排放后，一些發(fā)動機廠家的經(jīng)典平臺都被淘汰了，因為這些平臺的發(fā)動機本體已經(jīng)無法再進行技術(shù)升級，即使應(yīng)用了后處理技術(shù)，也無法滿足法規(guī)要求了，最典型的為濰柴立下汗馬功勞的藍擎WP10系列，上柴經(jīng)典產(chǎn)品C系列產(chǎn)品，這些平臺將徹底退出歷史舞臺，非?？上?，這些經(jīng)典的發(fā)動機記載了我國柴油發(fā)動機高速發(fā)展的歷史。

除了發(fā)動機本體需要升級外，要將柴油發(fā)動機尾氣凈化達到國四排放要求，發(fā)動機還要增加尾氣凈化裝置，這就是我們今天主角---發(fā)動機后處理。

目前主流的國四發(fā)動機后處理的技術(shù)路線是氧化型催化轉(zhuǎn)化器DOC （Diesel Oxidation Catalyst）+顆粒捕捉器DPF+可選擇催化還原技術(shù)SCR（Selective Catalytic Reduction）+尿素供給單元。有些發(fā)動機，尤其小排量發(fā)動機會使用廢氣再循環(huán)EGR（Exhaust Gas Re-circulation）技術(shù)，從而簡化了后處理技術(shù)，后處理技術(shù)路線中不再使用SCR。

我們今天只講解主流技術(shù)，即完整的DOC+DPF+SCR+尿素供給單元技術(shù)。

下圖是一個應(yīng)用了完整的DOC+DPF+SCR+尿素供給單元技術(shù)的結(jié)構(gòu)圖，高溫尾氣經(jīng)過渦輪增壓器后首先進入DOC，然后進入DPF，最后經(jīng)過SCR，尿素供給單元將尿素供給到DPF之后，SCR之前。

后處理結(jié)構(gòu)圖

為了監(jiān)測后處理的效果，會在DOC之前和SCR之后增加NOx傳感器，還會增加溫度，壓力等傳感器。

發(fā)動機ECU或者尿素供給單元ECU來控制尿素的供給。

尿素在低溫的時候會結(jié)晶，所以往往需要從發(fā)動機水系統(tǒng)中引一條水路過來，對尿素進行加熱。

尿素噴射口在后處理地方會很容易高溫，所以又會從發(fā)動機水系統(tǒng)中引一條水路，對后處理上的尿素噴嘴進行冷卻。

目前，大多數(shù)發(fā)動機廠家都能提供集成度非常高的后處理單元，對于工程機械來說后處理大多時候會布置在發(fā)動機頂部，提高了發(fā)動機布置的緊湊性；重卡類可以將后處理設(shè)計成串聯(lián)的長筒型，布置在原消音器排氣系統(tǒng)的地方。

Cummins的后處理

濰柴裝在整機上發(fā)動機及后處理

卡特彼勒國四排放發(fā)動機

裝在柴油機上的后處理

某后處理廠家的產(chǎn)品

重卡上的后處理

每個單元各司其職，處理尾氣中的不同有害物質(zhì)，又緊密合作，通過有聯(lián)系的化學(xué)反應(yīng)，分布將尾氣中的有害氣體轉(zhuǎn)化成無害氣體。機械財經(jīng)將逐一介紹每個單元的功能和作用

氧化型催化轉(zhuǎn)化器DOC

氧化催化器，即DOC。主要作用是氧化廢氣中的一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC），使其成為無毒無害的氣體，氮氧化物NOx，水和二氧化碳，順便吸收部分顆粒物。

DOC要想獲得高效的氧化反應(yīng)，需要鉑(Pt)、鈀(Pd)等貴金屬作為催化劑，性能較好的DOC，價格也會相應(yīng)提升，催化劑的以涂層的形式在DOC中，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的升級，涂層的成分也會變化。另外，高性能的DOC對于目前排放法規(guī)還未限制的有害成份，如多環(huán)芳烴、乙醛等也有一定的凈化能力，未來還有改進空間。

氧化催化反應(yīng)化學(xué)式如下

可以看到，DOC的作用只是氧化作用，尾氣還要在SCR中繼續(xù)進行還原反應(yīng)。

顆粒捕捉器DPF

顆粒捕捉器，即DPF。主要作用是捕捉90%左右的污染顆粒，即PM。說白了就是一個可以承受高溫的過濾器，過濾器將PM顆粒攔截下來后，為避免大量顆粒堵塞管道，還要進行清理消解，這個消解疏通的過程叫做DPF再生。

再生一般都是利用高溫的尾氣將凝結(jié)在過濾網(wǎng)上的顆粒物燃燒。

DPF再生又分為主動再生和被動再生。

主動再生：指的是利用外界能量來提高捕捉器內(nèi)的溫度,使微粒著火燃燒，如燃燒器噴油加熱再生、電加熱再生、微波加熱再生和紅外線加熱再生，發(fā)動機缸內(nèi)二次噴油等。利用這些輔助手段使DPF捕捉器內(nèi)溫度達到550℃以上,沉積的顆粒物就會氧化燃燒。

被動再生：沒有額外裝置，利用燃油添加劑或者催化劑來降低微粒的著火溫度，使微粒能在正常的柴油機排氣溫度下著火燃燒，添加劑(有鈰,鐵和鍶)要以一定的比例加到燃油中,添加劑過多會影響DOC的壽命,但是如果過少,就會導(dǎo)致再生延遲或再生溫度升高。

可選擇催化還原技術(shù)SCR

選擇性催化還原技術(shù)，即SCR。主要是進一步地將經(jīng)過DOC生成的NOx化物催化還原，生成N2和H2O。原理就是利用還原劑（尿素）還原氮氧化物（NOx），使其轉(zhuǎn)化為無害的氮氣和水。

化學(xué)反應(yīng)如下：

尿素溶液[CO（NH2）2]與尾氣中的氮氧化物（含NO）：2CO（NH2）2+4NO+O2=2CO2+4N2+4H2O．

尿素供給單元

尿素供給單元，顧名思義就是為發(fā)動機后處理提供尿素。尿素泵的動力可以是電動，也可以是利用打氣泵的氣動。

尿素供給單元包含，尿素箱，尿素泵，過濾器，尿素管，尿素噴嘴，以及從發(fā)動機引過來的加熱水管和內(nèi)部管路，液位傳感器，還有比較重要的控制器。

尿素供給單元可以有單獨的控制器，也可以用發(fā)動機的控制器，目前電控系統(tǒng)能自主研發(fā)的發(fā)動機廠家，都將尿素泵的控制系統(tǒng)集成到發(fā)動機的ECU里，由發(fā)動機程序控制，如康明斯，濰柴等發(fā)動機廠家。

尿素箱一般都是非金屬材質(zhì)，體積要和柴油箱容積成一定比例，根據(jù)油耗和尿素消耗大致計算下，保證在油用光的時候正好尿素也用個差不多。

后處理控制系統(tǒng)

發(fā)動機后處理需要時刻監(jiān)測，才能根據(jù)監(jiān)測到的信號來控制尿素的噴射量，控制DEF是否需要再生，這樣才能保證尾氣成分滿足法規(guī)要求。

處理的信號傳導(dǎo)發(fā)動機ECU中，也有部分信號要在駕駛室中顯示。

如監(jiān)測DPF的壓力，當(dāng)發(fā)動機控制單元監(jiān)測到DPF內(nèi)部壓力達到一定值時，廢氣便很難排出，極大地限制了發(fā)動機的動力性和燃油經(jīng)濟性，此時發(fā)動機控制單元控制自行進行炭煙顆粒的清潔還原工作，將集聚在DPF內(nèi)部的炭煙顆粒通過高溫燃燒掉，實現(xiàn)DPF的再生

SCR的監(jiān)控會和尿素供給單元的監(jiān)控一起協(xié)作。尿素噴射量與催化劑的轉(zhuǎn)換效率有關(guān)，發(fā)動機的ECU通過接收傳感器輸入的催化劑溫度與廢氣流量信號，查找相應(yīng)的MAP，得出對應(yīng)運行工況下的催化劑轉(zhuǎn)換效率，ECU根據(jù)轉(zhuǎn)換效率和NOx的排放計算出需求的尿素量。

后處理中的維護保養(yǎng)主要是針對尿素相關(guān)的工作以及DPF的保養(yǎng)工作

1，尿素泵的保養(yǎng)。由于車輛停止工作后尿素泵和管路中有殘留液體存在，所以車輛關(guān)閉點火開關(guān)后都需執(zhí)行清空工作防止結(jié)晶或凍結(jié)。尿素管在設(shè)計的過程中也要考慮尿素管要連續(xù)向下，防止尿素在管路中殘留2，尿素噴嘴的保養(yǎng)。如果車用尿素溶液質(zhì)量不過關(guān)，那么劣質(zhì)車用尿素溶液含有的一些不溶的雜質(zhì)、物質(zhì)，堆積起來就可能會堵塞、破壞尿素噴嘴。另外導(dǎo)致尿素噴嘴堵塞的原因也可能是車用尿素反應(yīng)殘留一下沉積物導(dǎo)致的，所以我們平時需要保養(yǎng)好尿素噴嘴，經(jīng)常清洗尿素噴嘴，可采用熱水侵泡等辦法。

需要說明的是噴嘴由304不銹鋼制成，帶有陶瓷內(nèi)核。所以當(dāng)維修噴嘴時應(yīng)小心，不要使它掉落，否則可能損壞陶瓷涂層。

3，尿素箱的保養(yǎng)。尿素箱一般底部都有放尿素的口，應(yīng)該定期，如一年，打開尿素箱底部進行清洗，放出箱內(nèi)沉淀；還要不定期檢查如發(fā)現(xiàn)通氣閥或加液口處出現(xiàn)白色結(jié)晶，可用清水沖洗，也可用濕布擦拭，通氣閥如發(fā)現(xiàn)堵塞，也可用清水清洗或更換；另外2年到3年更換箱內(nèi)濾網(wǎng)，并不定期檢查插件及管路接頭是否良好。

4，DPF保養(yǎng)。主要是DPF再生。目前基本不需要人工處理，發(fā)動機會自動檢測DPF壓力，待需要再生時候，駕駛室內(nèi)的報警會亮起，有時車輛會在高速行駛時候再生完成，有時會要求司機停車，按駕駛室內(nèi)的再生按鈕，實現(xiàn)自動再生。

非道路國四即將到來，雖然目前非道路國四的排放標(biāo)準(zhǔn)還沒有發(fā)布，標(biāo)準(zhǔn)也正處于意見征求稿階段，但是，機械財經(jīng)估計最遲也不會到2022年4月份了，所以留給發(fā)動機廠家和整機廠的時間已經(jīng)不多了。不過，因為該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)多次進行了意見征求，有了多次推遲，所以發(fā)動機和整機廠家都已經(jīng)早早地有了準(zhǔn)備。

在11月底的上海工程機械展上，估計會有很多廠家展出自己的國四排放的工程機械展，零部件廠家也會展出后處理相關(guān)產(chǎn)品。工程機械領(lǐng)域的從業(yè)者應(yīng)該多多關(guān)注這個方向，在展會上了解相關(guān)產(chǎn)品的供貨商。如發(fā)動機，后處理，尿素箱，尿素管，水管，控制器等廠家。