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2020年中国汽车尾气排放技术发展趋势分析:国六排放升级推动汽车尾气催化器需求[图]

2020年06月15日 13:28:05字号:T|T

    随着排放标准的提高,后处理技术的要求更加严格,我国国五之前柴油车排放限值较低,国六首次采用燃料中立原则,对柴油车与汽油车采用了相同的限值要求,因此柴油车升级难度高于汽油车。针对愈加严格的排放标准,尾气后处理设备需升级加装 DPF,并需要叠加 EGR、DOC、DPF、SCR、ASC 等多个催化装置。

    国四升级国五属于小幅提升标准,在国五汽油车排放标准下,CO、HC 化合物排放标准与国四标准一致,NO x 化合物由国四排放标准的 0.08g/km 加严到 0.06g/km,缸内直喷汽油发动机 PM 值限值为0.0045g/km。另外,国五排放标准中将非甲烷基碳氢化合物(NMHC)单独列了出来,并且限值为 0.068g/km。

    同时,排放合格里程数提升到 16 万公里,相比较国四排放标准的 10 万公里,提升了 60%。国五柴油车排放标准中,CO、HC 化合物和 NMHC 排放标准依然和国四标准一致,氮氧化物 NO x 较国四标准下降 28%。

    我国国五以前柴油车排放限值较低,国六首次采用燃料中立原则,对汽柴油车采用了相同的限值要求,柴油车升级难度高于汽油车。对于汽油车,国6a限值相比国五除CO 要求外基本一致,仅新增了对N2O和PN排放的要求,可以通过增加尾气处理部件实现;对于柴油车,国 6a 限值相比国五显著加严,尾气处理则需要全面升级。而对于所有车型国6b相对于国6a的CO、PM、THC、NMHC以及NOx限值分别下降了30%、33%、50%、50%、42%。

    排放标准的逐步提高,汽车尾气后处理技术要求更为严格。目前控制汽车尾气排放的主要措施包括机前措施、机内措施和机后措施三种 。机前措施是通过燃油添加剂减少有害成分以提升燃油品质,机内措施主要是改良发动机、提高燃烧效率以达到机内净化的效果。在几近苛刻的国 V 排放法规面前,仅仅依靠机前措施和机内措施是远远不够的,而且机前和机内措施技术难度高,减排效果有限,必须使用汽车尾气后处理技术来控制排放。

    机后措施采用包括空气喷射、氧化型反应器、三效催化器等措施对排放尾气进行净化处理,是目前最主流也是最行之有效的尾气处理方法。汽车尾气催化器主要由催化剂载体、涂层、催化剂助剂、活性成分四大部分组成。尾气催化系统的工艺路线发生变化,蜂窝陶瓷、沸石分子筛、贵金属等用量均增加。

    一、国六柴油机尾气处理

    柴油机污染物排放国四、国五标准主要针对NOx和PM。目前国际上柴油机尾气污染治理(机外)主要技术路线是:SCR 路线、DOC+DPF 路线以及 DOC+POC 路线。国六排放标准对颗粒物浓度 六排放标准对颗粒物浓度PM的要求更严格,尾气后处理设备必须加装 DPF,针对其 ,针对其他指标加严,必须改进喷射系统、他指标加严,必须改进喷射系统、叠加 EGR、DOC、DPF、SCR、ASC等多个催化装置。

各排放阶段后处理技术

后处理技术装备
国四/国五
优点
缺点
DOC+SCR
国四(中重卡)国五(中重卡)国五(轻卡)
NOx 转化率高,燃烧效率高,动力性更好(最高达10%),油耗低(3%-7%)
成本高,需要添加尿素,需要对加油站进行大规模升级改造,系统零部件较多
DOC+POC
国四(轻卡)
成本较低,体积较小,更适合配套轻型柴油机使用
转化率一般,且有出现间歇性黑烟的倾向,对硫敏感,易堵塞
DOC+DPF(主动式)
国五(轻卡)
PM 转化率高,不需要额外加入介质,使用成本低
需要额外燃油再生,成本高,燃油经济性差,易堵塞,系统标定复杂,对硫敏感
DOC+DPF(被动式)
国五(少量轻卡)
PM 转化率高,不需要额外加入介质,使用成本低,不需要额外燃油再生
成本较高,燃油经济性差,对硫非常敏感,易堵塞,系统标定复杂
DOC+SCR+DPF+EGR
国六
降低油耗,提高燃料消耗率,有限减少氮氧化物
末端混合气温度会升高,增加了爆震的可能性

数据来源:公开资料整理

    由于柴油排气中含氧量较高,可通过氧化催化器进行处理,消耗微粒中的可溶性有机成分 SOF 来降低微粒排放,同时让碳氢化合物 HC 和一氧化碳 CO 在催化剂作用下与氧气结合,生成无害的二氧化碳和水。DOC 一般以金属或陶瓷作为催化剂的载体,涂层中主要活性成分是铂系、钯系等贵重金属与稀有金属。当柴油机的尾气通过催化剂时,HC(碳氢化合物化)CO(一氧化碳)等在较低的温度下可以很快地与尾气中的氧气进行化学反应,生成无污染的H2O 和 CO2,从而达到净化尾气中 HC、CO 的目的。DOC 柴油机氧化催化器工作温度在 200~350℃,可以降低微粒中 SOF 达到 40%~90%以上,降低微粒排放,也可使一氧化碳 CO 降低 30%左右,碳氢化合物 HC 降低 50%左右,此外同时可降低芳烃和醛类的排放,使得柴油机尾气臭味减少。

    选择性催化还原剂采用氨类物质(氨气、氨水和尿素)或各种碳氢化合物(柴油和乙醇),催化剂采用一些金属结合物或人造沸石等。其反应原理是尿素在高温作用下产生氨气,然后氨气与氮氧化物发生还原反应,生成水和氮气。这个反应需要向排气中喷入柴油机排气处理液(尿素溶液),排气处理液由精准的加料装置喷射到催化器上游的排气中,喷射的尿素溶液数量由发动机电脑进行控制。关键组件:尿素喷射控制系统、喷嘴、计量泵、尿素箱、催化剂等。

    EGR废气再循环技术,减少氮氧化物的排放废气再循环技术,减少氮氧化物的排放。EGR 是将柴油机或汽油机产生的废气的一小部分再送回气缸。再循环废气由于具有惰性将会延缓燃烧过程,也就是说燃烧速度将会放慢从而导致燃烧室中的压力形成过程放慢,这就是氮氧化合物会减少的主要原因。另外,提高废气再循环率会使总的废气流量减少,因此废气排放中总的污染物输出量将会相对减少。EGR 系统的任务就是使废气的再循环量在每一个工作点都达到最佳状况,从而使燃烧过程始终处于最理想的情况,最终保证排放物中的污染成份最低。EGR 系统的主要元件是数控式EGR阀,数控式 EGR 阀安装在右排气歧管上,其作用是独立地对再循环到发动机的废气量进行准确的控制,而不管歧管真空度的大小。

    从结构上划分,有内部从结构上划分,有内部 EGR和外部 EGR两种系统,区别在于废气是否通过进气系统 两种系统,区别在于废气是否通过进气系统进入缸内。内部 EGR 技术结构简单,不需要外部设备,通常有两种方法:废气残余法以及废气再吸法。外部 EGR 技术是在排气系统上接入废气再循环管路,将废气引出再导入到进气系统中,让废气在进入气缸之前与新鲜空气充分混合。外部 EGR和内部EGR 相比,结构上要复杂的多,通常带有 EGR 阀,EGR 冷却器,还有一些特殊管路及附带的控制单元,因此外部 EGR 可以实现对废气的诸多参数的精确控制,从而最大程度的实现EGR的作用。根据管路连接的不同,外部 EGR 包含多种技术路线,比如一体增压式EGR系统、进气节流式EGR 系统等。

    二、国六汽油机尾气处理

    国六汽油机尾气后处理技术相对国五发生变化。汽油机尾气排放的污染物主要为HC、CO 和 NO x,CO 超过汽车排放总量的 80%,HC超过 70%。针对PM及PN 控制技术:改进喷射系统、升级三元催化剂,新增颗粒捕集器(新增颗粒捕集器(GPF))。目前,我国主要使用三元催化器作为汽油机尾气后处理系统。

    三元催化器及其催化剂

    大多为铂(Pt)、钯(Pd)、铑、(Rn)等稀有金属制成,价格昂贵。在上述三种有害气体中,HC 和 CO 的还原性比较强,而NO x 有一定的氧化性。针对三种有害气体的特性,在三元催化器中的催化剂的作用下,三种有害气体可发生氧化还原反应,使HC 和CO 氧化为H2O和CO 2,使NO x 还原为N2和O2。因此,三元催化器可同时净化 90%的CO、HC 及70%的NO x。

    气体机尾气后处理技术,采用不同催化剂配比可以更好处理污染物。气体机按照混合气中空气与燃料之间的质量比例,分为理论空燃比气体机(每克气体燃料完全燃烧对应最少空气质量)以及稀薄燃烧气体机(每克气体燃料完全燃烧对应的空气质量超过理论最小值)。上述两类发动机尾气中 CO 和 PM 的含量相近,而理论空燃比气体机燃烧温度较高,因此尾气中 NOx 含量较高,HC 含量较低;稀薄燃烧气体机燃烧温度较低,因此尾气中 NOx 含量较低,HC 含量较高。针对理论空燃比气体机和稀薄燃烧气体机尾气中 NOx 和 HC 含量不同的情况,一般使用不同的催化剂配比,以更好地处理 NOx和其他污染物。 当前气体机三元催化环节使用的贵金属价格较高,目前贵金属价格处在高位,因而迫切需要降低贵金属使用量,提升催化效率。

    智研咨询发布的《2020-2026年中国汽车三元催化器行业市场发展规模及投资前景趋势报告》数据显示:排放升级以后,重卡尾气处理单车价值量从原本的5500元提升至16000~19000 元左右,轻卡的单车价值量从3500元左右提升至 9000~10500元左右。公司目前在轻卡EGR 领域拥有较高市占率,并积极发展重卡领域业务。升级国六排放标准,带给公司较大成长机会。

中重卡及轻卡销量(万辆)

数据来源:公开资料整理

国六重卡单价值量

数据来源:公开资料整理

国五重卡单价值量

数据来源:公开资料整理

国六轻卡单车价值量(元)

数据来源:公开资料整理

国五轻卡单车价值量

数据来源:公开资料整理

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