汽车后处理系统的发展前景与方向
全球因燃烧矿物燃料而产生的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）以及氮氧化物（NOx）的排放量，几乎50％来自于汽油机和柴油机。在城市的中心，特别是在拥挤的街道上，车辆是造成空气中CO含量的90％-95％、NOx和HC含量的80％-90％以及大部分的微颗粒物的原因，还有各种挥发性有机物成为人类健康的最大威胁。其中，重载柴油机的尾气成分是相当复杂的，据统计分析，其成分中N2占75.2％；CO2占7.1％；O2及其他占16.88％；有害排放占0.82％。在有害排放中，各个成分的变化也是很大的。其中HC大约为200~1000ppm，占有害排放8.54％；CO大约为0.05％~0.5％，占有害排放35.4％；NOx大约为700～2000ppm，占有害排放35.4％，其中NO占到90％以上。其他污染物主要是微粒(PM)，碳烟成分为0.10~0.30g/m3，SO2占0.01％~0.03％，约为30ppm。水蒸气占2.6％左右。
对于大气污染问题，西方工业化国家经过近30多年有步骤、科学治理，已经得到严格控制。汽车排放污染物的浓度已经降到很低，目前正在向超低污染、零污染发展。欧洲已经于2000年实施欧洲Ⅲ号排放标准，2005年开始实施欧洲Ⅳ号排放标准，现在又提出在2009年实施欧洲Ⅴ号排放标准，以柴油机排放为例，欧洲Ⅱ号排放标准要求柴油的含硫量为500PPM，欧洲Ⅳ号标准压缩到50PPM，欧洲Ⅴ号排放标准进一步提高到10PPM。
据统计，2010年，我国汽车NOx的排放量约为600万吨（不包括非道路机械），其中占汽车保有总量不到20%的重型柴油车排放了60%左右的NOx。“十二五”规划要求到“十二五”末，NOx排放量比2010年减少10%。由此可以预见，汽车尾气后处理是一个有着巨大商业利益的市场，中国汽车工业的快速成长和国家实施新的机动车排放污染防治技术政策，2013 年7 月中国将全面实施国四排放法规，这将促进汽车后处理系统的技术水平的提升。意味着对汽车尾气后处理技术和设备需求量的爆发性增长。
有人说，直接发展电动车就行了。事实上中国政府也是这样考虑的。中国正在坚定地推进电动车的研发，以减少二氧化碳的排放。电动车将成为未来的发展趋势。但直至目前，电动车市场取决于电池系统的发展。今天的电动车的电池，仍远远不能驱动电动车长途行驶，也不能给予电动车提供一个合理的价格。估计最少还需要十年的时间，电动车才能实现市场化。而相对于使用电力的混合动力汽车而言，鉴于在生产电的过程中将生成更多的二氧化碳，因此，根据能量守恒定律，使用清洁柴油发动机所产生的二氧化碳，甚至将低于电动汽车。而且，全球各地不断出台越来越严格的排放法规，这也使得发动机的尾气排放大大降低。举例而言，与传统的柴油发动机相比，今天的清洁柴油发动机大幅减少了93％的颗粒物和97％的氮氧化物排放。
长远来看，柴油发动机和电动车是相辅相成的关系。特别是目前的一个现实是：柴油发动机获得全新的科技发展的支持。现代柴油发动机采用的是一种立即有效的科技，相比汽油发动机和传统发动机，现代柴油发动机能够立即帮助减少二氧化碳的排放。而此时电动车还远未进入立即可用的阶段。混合动力汽车，是电动汽车发展过程中的一个里程碑。它能够打破电动汽车只能在城市道路上短程行驶限制。 下一步将是混合动力汽车和范围扩充器：在电动车里安装一颗小的燃烧传统燃料的发动机，这颗发动机能够为电动车的电池充电，柴油发动机可以完美地承担这个角色：当混合动力汽车需要固定的发动机转数及扭矩时，将使用电动发动机，而柴油发动机将以其非常节油环保的特点来承担其他的驾驶工作。这样的混合动力将使得电动车能够实现长途驾驶的需求。电池的体积可以变得更小，且能够随时为之充电。
在我国汽车行业中，柴油机正以其优异的动力性、经济性和可靠性而广泛应用于各种机械装置，尤其是作为车辆、船舶工程机械、农用机械动力等。实行燃油税后，柴油相对于汽油价差逐渐增大，这种价差使柴油对汽油将会有很强的替代可能性。这种替代首先发生在运输车辆，以柴油机代替汽油机，其次是轿车，目前柴油机轿车己在欧洲己经大面积普及。轿车占汽车总量的比重增加，载货汽车中重型车和专用车的比重增加。提高柴油载货车、轻型柴油客车的比重，中型车要全部实现柴油化。
柴油发动机和汽油发动机有何区别？在柴油发动机中，空气燃油混合物的燃烧是由汽缸内的高压缩过程开始的。这些高压缩过程将汽缸内的温度快速升到700—900摄氏度。当柴油燃料和这股高压缩空气混合后，现代化的柴油机工作系统，即将喷射压力保持在1400—2000巴之间，从而在燃烧室内实现极微小的柴油微粒并使之均匀分布。这将导致一个高效且清洁的燃料燃烧的过程：细微的柴油液滴开始蒸发，并由周围的热空气点燃，燃烧过程中的压力将保持在60—90巴之间，柴油发动机的构造设计必须适合这股高压力，使得柴油发动机比同类汽油发动机稍微重一些。与之相比，汽油发动机的气缸内部的压力要低得多：汽油直喷的喷射压力在200巴时就已经足够，汽油在空气中非常容易蒸发，压缩时的温度在300—400摄氏度之间。要点燃汽油和空气的燃烧混合物，火花塞是一个必备零件，且汽油燃烧时的最大压力也只不过在35—60巴之间。
但是，与汽油机相比，柴油机的排放控制又是一个难点。柴油车以NOX 及颗粒物排放较高为主要特点。因此，柴油车尾气排放技术的改进已成为不容忽视的问题。世界各国政府高度关注并纷纷制定了愈来愈严格的柴油机车排放法规。中国已将柴油机升级到国Ⅳ排放标准。达到国Ⅳ排放标准的技术路线主要是EGR 路线（废气再循环系统）和SCR（选择性催化还原技术）路线。EGR 路线是以牺牲发动机的经济性为代价，需同时采用对燃油含硫量非常敏感的DPF（柴油机再生式颗粒过滤系统），并希望燃油的硫含量小于10mg/kg，而且DPF 必须增加复杂的再生技术。目前欧美工业发达的国家正在使用与我们同样的技术来解决柴油机汽车尾气排放问题。我国与其相比发展相对滞后，在国内还没有完整、成熟的柴油车后处理技术。国Ⅳ柴油机排放后处理器的技术还需要完善，为满足排放标准，柴油机先进的燃油喷射系统———高压共轨技术成为业内人士关注的焦点。
传统柴油喷射系统其压力的产生与喷油量跟凸轮与柱塞联系在一起，喷油的压力随着发动机转速与喷油量的增加而增加。这种柴油系统已经无法满足日益严格的排放法规和降低油耗的愿望。共轨系统（Common Rail Systems，简称CRS）将燃油在高压下贮存在蓄压器（高压油轨）中，从本质上克服了传统柴油机喷射系统的缺陷，其特性有：（1）喷油压力的产生不依赖于发动机转速与系统喷油量，可根据发动机不同的工况灵活控制喷射压力和油量，从而实现低转速高喷射压力，达到低速高扭矩，低排放及优化燃油经济性的目的。（2）通过电子控制单元算出理想的喷油量和喷油时间，再由喷油器精确地喷射，甚至多次喷射。（3）更高的系统压力，更好的排放能力，更低的燃油消耗。
共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。它由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化。换句话说，就是发动机上的高压喷射系统，喷射压力不受发动机转速的影响，即使在低转速时也可以产生高喷射压力，从而产生高扭矩，车辆动力也得以更强劲！目前市场的电控高压共轨系统有以下几方面的优点：（1）与同功率的汽油车相比，柴油车油耗节省25%~30% ；（2）动力性强，主要表现在扭矩大，低速状态下加速快，拖拽性能佳等优势； (3)电控单元的精确控制，使喷射柴油细化，燃烧完善，有效抑制颗粒物与NOx生成； (4)可实现喷油的精确控制 ；(5)较好的烟度控制能力及低排放能力 ；(6)CO2排放量比汽油车降低25%-30%左右，HC的排放量也明显降低。
在中国，2020年的二氧化碳年排放量预计将达到782,000,000吨。 相比汽油机，柴油发动机将减少大约25%的二氧化碳排放量。增加柴油发动机的使用，将减少汽油能源的消耗。鉴于柴油发动机相比汽油发动机能够减少25%的二氧化碳排放量，因此，当全国有30％的汽车使用柴油发动机时，预计能够减少54,600,000吨的二氧化碳排放量。从而减少碳足迹并保护环境。
在重型车实现国Ⅳ排放的选择上，企业大多倾向SCR技术，SCR是一款基于汽车柴油发动机尾气再处理系统的总称，也叫柴油机选择性催化还原系统（Selective Catalytic Reduction，简称SCR）是用于去除柴油发动机排放中的氮氧化物。在高温环境下，尿素喷射单元向排气管中喷射尿素水溶液，尿素在高温下水解放出氨气，氨气在SCR催化器中与尾气中的氮氧化物发生氧化还原反应，重新生成氮气和水，从而达到降低柴油发动机氮氧化物排放的目的，其反应方程式为：NOX+CO(NH2)2 =>N2+H2O，根据ONOX SCR化学反应原理，对柴油发动机尾气中的NOX进行分解，使NOX转化为无害的N2和H2O，从而实现减排、环保的目的。
不过目前SCR系统仍有不尽如人意的地方，尿素结晶就是其一。尿素结晶问题已制约了SCR技术的推广和应用。采用SCR技术路线的国Ⅳ柴油发动机，如果没有尿素溶液对尾气中的NOx进行催化还原，那么，发动机排放不仅达不到国Ⅳ，甚至还不如国Ⅱ。装有SCR 的高压共轨技术的柴油机车，同时使用32.5%的尿素液作为还原剂。尿素液作为SCR系统的必备消耗品，尿素溶液的品质直接关系到整车的排放和SCR系统的寿命。
另外，目前国内生产的SCR催化器载体质量有待验证，国外主要是康宁\NGK两家。康宁以美国生产、运到中国仓储的方式供货，NGK虽实现了国内生产，但产能有限。相对于EGR技术路线，使用SCR技术的发动机燃烧效率更高，排气背压更小，燃油经济性更高，更符合我国节能减排的大趋势。而且，选用SCR技术进行升级对原有发动机的改动相对较小，在核心零部件方面对国外技术的依存度也更低。
即便如此，国内生产的DPF及再生控制系统也要和发动机ECU的匹配标定，由于发动机ECU来自国外垄断企业，合作标定问题不好解决，发动机电控单元（ECU）是EMS的核心。ECU本质上是用于汽车发动机核心控制的嵌入式电脑系统，由电路板硬件、底层软件、上层算法软件和标定数据组成。电控单元就像发动机的大脑，它收集发动机的运行工况参数，结合已存储的特性图谱进行计算处理，并把信号传递给执行器，实现发动机的运行控制、故障诊断等功能。ECU最大的技术难度体现在（1）首次开发投入大，周期长；（2）在初步开发后还需要大量的人力物力进行模拟和实际验证；（3）新车匹配需要有自主技术。因此，建议国内主机厂开发自己的ECU。目前国内主流的发动机电控单元部件均依赖于国外品牌，这些品牌中，有的既做发动机控制产品，又做后处理产品。按照国际公约和行业规矩，它们应该开放其发动机扭矩、转速和排气温度等基本信息，但其却采取不开放策略。国外供应商由于不开放发动机信息，国内企业可供配套的产品销量将大幅缩水。国内后处理企业受到打压，这对民族产业的发展不利。
此外，国内还需要研制出相对独立控制的DPF系统。DPF是指柴油机再生式颗粒过滤系统。本系统主要表现为：废气通过颗粒捕集器载体时，粒径大于某尺寸的颗粒被滤下并吸附在载体表面上而不直接排出。当载体表面聚积一定量的颗粒同时满足再生条件时，将对其燃烧去除颗粒。轻型柴油车排放升级多采用催化性DPF，这种过滤器的控制单元一般集成在发动机的ECU中，由于使用后喷射辅助再生，标定匹配工作量巨大，DPF功能的标定（包括台架和整车标定）需要18～24个月，目前还需委托国外公司完成。
最后，要使的SCR技术满足国Ⅳ标准，油品、尿素加注等基础设施的建设仍有待完善。柴油是向用油机具提供一种能源和动力，使其产生热并推动机具做功，通过产品的品号、色泽、密度、辛烷值、十六烷值、硫含量等形式产品体现。消费者对核心产品的要求将围绕这些要求展开。需要柴油的含硫量低于350ppm。而在欧洲满足欧Ⅳ标准的柴油含硫量不得高于50ppm。我国柴油质量与国外发达国家的质量水平相比存在较大的差距。如果不迎头赶上，我们的成品油销售就会逐渐被市场所淘汰。美国润英联公司在中国进行的柴油质量调查报告显示，2010年，我国只有在北京、上海等城市和少数发达地区能取得含硫量在350ppm以下的柴油，而在绝大多数地区，柴油含硫量都在500~1500ppm。全世界柴油产量和消费量超过汽油，柴汽比略大于1。随着公路客货运输车辆柴油机化，对柴油的需求增长速度将高于汽油。进一步降低柴油硫含量己成为柴油技术发展的共同趋势。
