後處理集成之路面臨幾道坎兒？

自國四排放標準實施以來，後處理系統已成爲柴油車尾氣污染控制的必備裝置。尤其是在國六階段，更爲嚴苛的排放限值要求，給我國柴油車污染物排放控制帶來巨大挑戰。對於後處理系統的性能、耦合，以及後處理與整車的系統集成提出了更高要求。

如今，重型車國六標準日益臨近，後處理系統行業該如何做出應對？後處理系統的集成排布，是否符合行業的發展趨勢？

後處理系統集成一體化是發展趨勢

相較於國四、國五排放標準，國六階段對PM、NOx、CO和HC排放提出了更爲嚴苛的要求，這也導致僅配裝SCR或POC系統的車輛無法達到國六排放標準。爲此，很多供應商針對後處理系統進行了設計優化，並採用了全新結構。

目前來看，國六後處理系統採用的主流技術路線是DOC＋DPF＋SCR＋ASC，即先通過氧化催化器（DOC），降低尾氣中的CO和HC，再利用顆粒捕捉器（DPF）降低尾氣中的顆粒物，最後通過選擇性催化還原器（SCR）降低尾氣中的NOx，而氨逃逸催化器（ASC）一般安裝在SCR後端，在載體內壁使用貴金屬等催化劑塗層，用於還原廢氣中的氨。這一系列操作，可有效減少尾氣中有害排放物的含量。

“開發國六後處理系統時，供應商不僅要結合排放限值的要求，還要考慮如何對增加的配置進行合理佈局。”天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室副主任姚春德指出，隨着排放標準的不斷升級，後處理系統集成一體化的趨勢愈發明顯。

姚春德進一步介紹，後處理系統走向集成化的原因主要有以下三個方面：一是柴油車作爲運輸工具，留給後處理系統的裝置空間有限。因此，爲了節約空間，後處理系統的結構需要根據整車佈置進行改進；二是在尾氣進入後處理系統後，會進行一系列氧化催化還原反應，這個過程對溫度的要求較高，需要部件之間保持緊湊距離。比如，SCR系統的催化還原，需要藉助DPF過濾過程中的餘熱來提高排氣溫度，進而保障系統的正常工作；三是後處理系統的開發需要適應市場需求進行低成本設計，從一定程度上來講，集成式後處理系統更省材料、更節約成本。

對此，多位業內專家也持有相同觀點。在山東省汽車行業協會副會長兼秘書長譚秀卿看來，集成式後處理系統不僅能夠節約空間和成本，還有利於提高裝置的安裝效率，是行業當下以及未來的發展趨勢。

集成式後處理系統尚存技術難點

無疑，從整車佈置空間和低成本要求等層面考慮，集成式後處理系統更具優勢。不過，有業內人士指出，想要實現國六後處理系統集成，需要從總成耐久性、保溫性、總成背壓、NVH性能、集成化佈置、流速均勻性、尿素結晶等多維度綜合考慮。尤其是當後處理系統內部集成更多裝置時，會對產品自身的可靠性、安全性以及後續的維修保養提出更多挑戰。

“按照整車製造商的要求，我們會根據測算數據，對後處理系統進行整體結構設計。”在接受記者採訪時，無錫威孚力達催化淨化器有限責任公司市場營銷部客戶經理徐海兵告訴記者，一般企業開發後處理系統時，主要會聚焦產品能否滿足排放標準，以及關注市場終端對於產品價格的接受程度，而對於產品安全性方面的考量確實有所欠缺。同時，相比分佈式後處理系統，集成式產品的後續維修保養成本更高，一旦某個部件出現問題，很可能需要更換整個系統。

“在後處理系統進行氧化還原的過程中，DPF是最容易出現問題的部件。”姚春德介紹說，在國六階段，車輛對於燃油、潤滑油的清潔度和含硫量要求非常高，如果用戶使用不合規的油品，會導致DPF堵塞，進而影響整個後處理系統的氧化、還原效果。另外，由於在集成式後處理系統中，DPF和其他部件是串聯關係，很容易造成“一堵全堵”的情況出現，所以需要更加精確地控制DPF的過濾量，對於其再生功能及時進行技術性干預。

對此，某品牌後處理系統研發技術人員表示，儘管後處理系統的集成技術相對成熟，但在特殊工況或無法加註符合標準油品的情況下，後處理系統仍有可能出現“一堵全堵”的問題。事實上，在國四、國五階段，類似的故障也比比皆是，這表明在排放標準不斷升級的背景下，後處理廠商需要加強研發創新和技術儲備，並且做好成本控制以及產品的充分驗證。

除了技術難點亟待突破，集成式後處理系統易安裝、易拆卸的特性，也給運輸從業者增添了很多煩惱。記者瞭解到，由於國六後處理系統單價高，其中一些部件以貴金屬作爲催化劑塗層，且提煉難度不大，很容易進行後續加工，這給了不法分子可乘之機。自國六排放標準實施以來，偷竊後處理系統的案件頻發，嚴重損害了卡車司機的利益。

對此，徐海兵表示：“從研發角度來看，廠商可以在設計產品時，提供多種防丟失措施。除了可以通過加固硬件防範，還可以在後處理系統上安裝觸摸式傳感器。一旦有異常觸碰，傳感器便可及時將信息傳送到系統平臺，觸發被動報警。這樣一來，後處理系統丟失率將會大大降低。”

在姚春德看來，想要從根本上防範後處理系統被盜，相關企業需要不斷提升技術水平、突破技術瓶頸，進一步減少催化劑中的貴金屬含量，或者使用鈣鈦礦等價值不高的替代資源。另外，從節能減排的角度來看，柴油＋甲醇的技術路線可能更符合中國國情，也可以直接避免因爲需要安裝後處理系統而帶來的問題。

未來市場增量可觀 技術、成本是核心競爭力

隨着國六排放標準的逐步實施，後處理市場將迎來新的發展機遇。不過，機遇往往伴隨着挑戰，這塊“大蛋糕”已經成爲零部件企業的必爭之地。

據瞭解，康明斯、銀輪股份、威孚高科、貴研鉑業、艾可藍等國內外企業均已積極佈局，完成了相關的技術儲備，以搶佔國六後處理市場份額；自主零部件企業正向市場領軍企業發起衝擊。不過，與外資企業相比，自主企業在後處理產能、技術研發等方面仍有差距。

“由於技術領先和品牌影響力大，跨國零部件公司在國內柴油車後處理領域佔有較大的份額。而在燃氣車領域，國內後處理廠商與跨國公司的市場份額比例各半。”徐海兵告訴記者，現在博世、康明斯等跨國公司創新性地推出了U型後處理系統。相比而言，U型後處理系統更具技術先進性，不僅能夠有效應對排放升級，還具有出入口布置靈活、安裝方式多樣化，且更容易快速與整車集成等優勢。

“基於U型後處理系統的優勢，不少整車企業已開始要求國內後處理廠商跟進開發。”徐海兵表示，在激烈的市場競爭中，國內自主企業需要靜下心來攻堅克難，做好產品的自主研發以及成本控制，進一步解決後處理系統集成過程中存在的問題，只有不斷地自我完善，才能形成核心競爭力。

詳解後處理技術升級之路

隨着排放標準的快速升級，後處理技術路線也在不斷變革完善。那麼，經過多年發展，柴油車後處理系統到底有了哪些變化？本文將對此進行詳細梳理。

國三國四階段：EGR、SCR初露頭角

從排放升級的進程來看，國一到國三階段，降低尾氣排放污染物的關鍵在於優化燃油噴射系統；而國三到國四階段，EGR、SCR系統開始出現在大衆視野，並逐漸成爲排放升級的必備配置。

相較於國三排放標準，國四階段對於各項指標的限制要求均大幅加嚴。由於單純通過優化噴射、改進燃燒技術等手段，已經很難滿足排放標準的要求，因此在國四階段，除發動機本體進行改造升級外，後處理系統也開始普遍應用於柴油車上。

升級國四排放標準主要有兩條技術路徑，一種是EGR路線（EGR＋DOC/POC），原理是通過控制發動機內部燃燒時的溫度，從而抑制NOx的生成，然後在尾氣後處理過程中吸收PM。另一種是SCR路線，它通過使柴油機完成最大限度的燃燒而減少PM的生成，再將尾氣還原成無污染氣體，這種路線需要添加催化劑，就是業內所熟知的車用尿素。

在輕卡市場中，考慮到成本和裝置空間等因素，應用EGR路線的車型佔大多數。而在中重型柴油車領域，SCR則是主要技術路線，且被認爲是未來國內柴油機排放升級的技術方向。

在國四階段，相比並行的EGR路線，SCR技術在燃油消耗、減排穩定性、未來技術提升空間等方面均有一定優勢。不過，由於SCR技術在國內市場初露頭角，該系統轉化效率只能達到70％～80％，而且由傳感器故障和尿素結晶導致的系統堵塞問題，也曾一度讓用戶和廠家吃了不少苦。

國五階段：SCR批量應用

國五時代到來後，SCR技術依然是主流路線。由於該技術在國四階段已趨於成熟，升級國五排放標準只需調整技術參數，對發動機改動不大，相對開發成本較低，市場認可度進一步提升。

與此同時，部分廠家也開始探索EGR技術路線（EGR＋DOC＋DPF）。據瞭解，NOx在高溫富氧情況下容易生成，EGR技術就是將排出的部分廢氣冷卻後，重新引入進氣系統參與燃燒，來降低峰值燃燒溫度，以此來抑制燃燒時NOx的生成。

EGR＋DOC＋DPF的技術路線既可以滿足國五階段對於氮氧化物的限值要求，也可避免SCR系統尿素結晶帶來的苦惱，同時能節省添加車用尿素的成本。不過，EGR技術路線需要改變發動機結構，而且DPF單次購買價格高，在長時間使用之後還會產生堵塞現象，需要主動再生定期清洗，所以國五階段並沒有大規模推廣。

國六階段：有無EGR的技術之爭

進入國六階段，由於氮氧化物和顆粒物排放限值分別加嚴了77％和67％，同時新增顆粒數量（PN）限值，還規定CO、HC、NH3等排放限值，因此DPF和DOC成爲了必備裝置，發動機和尾氣後處理系統面臨更高的技術升級挑戰。

目前，主流國六技術路線爲：冷卻EGR＋DOC＋DPF＋SCR＋（ASC），也有部分採用無EGR國六技術路線（DOC＋DPF＋SCR＋ASC），即不使用外部冷卻EGR，僅採用後處理系統中的高效SCR來使NOx排放達標。

以EGR＋DOC＋DPF＋SCR爲代表的是最爲普遍的技術路線，其中又分爲高、中、低EGR三種模式。

在動力性方面，低EGR對動力影響不大，但高EGR卻對動力性有較大影響。由於缸內廢氣增多，形成的可燃混合氣體就會減少，混合氣體燃燒速度降低，燃燒反應速度減弱，同時缸內壓力降低，最終會影響發動機的爆發力。

不過，EGR路線也有它的優勢，與高效SCR技術路線相比，EGR＋DOC＋DPF＋SCR路線對SCR轉化率要求不高（90％～92％），尿素消耗也相對較低，同時EGR還能降低缸內燃燒溫度，使其不具備產生氮氧化物的條件，從而降低排放。

無EGR路線技術難度相對更大，對標定精度和後處理要求更高，需要和高效集成式（如Hi—eSCR系統、DOC和DPF一體封裝技術）後處理系統配合。另外，無EGR技術路線由於減少EGR相關組件，整體可靠性更高。同時，無EGR技術路線在動力性和經濟性上也更有優勢。

延伸閱讀——柴油機後處理系統基礎知識

目前，柴油車後處理系統的主要部件有：用於控制CO和HC排放的柴油機氧化催化劑（DOC）、用於控制PM排放的柴油顆粒捕集器（DPF）以及用於控制NOx排放的選擇性催化還原技術（SCR）。

一、DOC

DOC通常以陶瓷蜂窩爲基礎負載催化劑，爲通流式催化轉化器。催化劑的活性組分一般採用貴金屬鉑（Pt）或鈀（Pb）。DOC通常安裝在柴油車後處理系統的最前端，利用貴金屬組分的催化氧化作用，有效去除尾氣中的CO、HC等還原性氣態污染物，以及PM中的可溶性有機物（SOF）；同時，DOC還可以將尾氣中的NO部分氧化爲NO2，爲後續的DPF再生和SCR反應提供促進作用。

目前關於DOC的相關研究，除了關注對CO、HC、SOF的低溫起燃能力和對NO的氧化能力等催化劑活性外，催化劑的熱穩定性和抗硫中毒能力也非常重要。貴金屬組分在高溫條件下容易發生燒結，造成活性位點損失、性能降低，其失活過程是不可逆的，燃油中含硫量過高，會導致DOC發生硫中毒，並且由於DOC的催化氧化作用，造成尾氣中硫酸鹽成分增加，導致PM排放升高。

二、DPF

DPF是當前降低柴油車PM排放最爲有效的技術，能夠實現90％以上的顆粒物捕集。目前，最常用的是壁流式陶瓷蜂窩捕集器，利用相鄰捕集器孔道前後交替封堵，使尾氣從壁面穿過，從而實現PM的截留捕集。DPF的相關研究主要集中在過濾材料和過濾體再生兩項關鍵技術上。

目前，市場上常用的DPF主要以堇青石、碳化硅和鈦酸鋁爲過濾體材料，根據各種材料的特性而應用於不同環境。爲了達到背壓與捕集效率的平衡，DPF載體的設計開發非常重要，非對稱結構和高孔隙率是重要研究內容。

DPF的再生方式主要包括主動再生和被動再生。其中，主動再生採用噴油助燃等方式提供能量，使DPF內部溫度達到PM氧化燃燒所需的溫度而實現再生；被動再生利用在過濾體表面塗覆催化劑來降低PM燃燒溫度，並藉助DOC將NO氧化爲NO2，通過NO2氧化所捕集的PM提高燃燒效率。利用催化劑塗層來實現被動再生的DPF也被稱爲CDPF，其催化劑的開發是重要研究熱點，爲了使柴油車在所有工況下都可實現DPF的可靠再生，通常需要將主動再生和被動再生結合使用。

三、SCR

SCR是在催化劑的作用下利用還原劑選擇性地將NOx還原爲N2，從而有效去除NOx。SCR技術根據還原劑的不同，又可分爲氨選擇性催化還原NOx（NH3-SCR）和碳氫化合物選擇性催化還原NOx（HC-SCR）。

SCR系統由尿素供給單元（SM）、尿素噴射單元（DM）、尿素液位溫度質量傳感器、尿素箱、後處理控制單元（ECU）及相應管路和線束構成。尿素NH2CONH2與H2O在高溫下分解成NH3和CO2，其工作原理是將還原劑噴入排氣管，排氣中的氮氧化合物與NH3反應被還原成氮氣和水。

四、ASC

ASC的作用主要是消除過量或逃逸的NH3，將NH3氧化爲N2、N2O、NOx；同時，再催化NOx、NH3反應爲N2。