淺談柴油機(jī)排放尾氣及控制技術(shù)

李志遠(yuǎn) 郭朋彥，2 陳 磊 周 鵬 阿俊利

（1.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.華北水利水電大學(xué)車(chē)輛與新能源技術(shù)研究院，河南 鄭州 450045）

淺談柴油機(jī)排放尾氣及控制技術(shù)

李志遠(yuǎn)1郭朋彥1，2陳 磊1周 鵬1阿俊利1

（1.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.華北水利水電大學(xué)車(chē)輛與新能源技術(shù)研究院，河南 鄭州 450045）

本文闡述了柴油機(jī)排氣的成分和生成機(jī)理，重點(diǎn)對(duì)柴油機(jī)的氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）排放后處理技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)述。其中，NOx處理技術(shù)包括NOx選擇性催化還原和稀薄NOx捕集技術(shù)，PM處理技術(shù)包括柴油機(jī)氧化催化轉(zhuǎn)化器和柴油機(jī)顆粒捕集器。

柴油機(jī)排放尾氣；后處理技術(shù)；氮氧化物；顆粒物

與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)具有良好的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和可靠性及較高的熱效率、先進(jìn)的排放污染物控制技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，因此，柴油機(jī)在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是近年來(lái)，柴油汽車(chē)得以迅速發(fā)展［3］。但是，柴油機(jī)排放較高的NOx和PM，所以降低柴油機(jī)NOx和PM的排放量一直是柴油機(jī)排放控制的重要課題。

1 柴油機(jī)排氣的主要成分及生成機(jī)理

1.1 柴油機(jī)排氣成分

柴油機(jī)排氣中，氮?dú)饧s占75.2%，二氧化氮約占7.1%，氧氣及其他成分約占16.89%，有害排放物約占0.81%［4］。有害排放物主要包括 NOx（35.4%），CO（35.3%），PM和SOX（20.76%），HC（8.54%）。

1.2 柴油機(jī)排氣生成機(jī)理

1.2.1 氮氧化物的生成。NOx是在高燃燒溫度條件下空氣中的氮?dú)夂脱鯕夥磻?yīng)生成的，主要成份是NO。根據(jù)產(chǎn)生的機(jī)理不同，將燃燒生成的NO分為熱力型NO（Thermal NO）、瞬發(fā)型NO（Prompt NO）和燃料型NO（Fu?el NO）。

①熱力型NO的生成機(jī)理由前蘇聯(lián)科學(xué)家澤耳多維奇（Zeldovich）在1964年提出［5］，其機(jī)理如下：

澤爾多維奇機(jī)理中，NO的生成量主要由三個(gè)因素決定：氧氣濃度、溫度和反應(yīng)停留時(shí)間。

②瞬發(fā)型NO是由費(fèi)尼莫爾（Fenimore）于1971年通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的［6］，其生成機(jī)理為：

在燃燒過(guò)程中，混合氣較濃時(shí)容易生成瞬發(fā)型NO，但其生成量占總的NOx比例很小。

③燃料型NO是由燃料中含氮的化合物分解后生成HCN和NH2等中間產(chǎn)物，并逐步生成的。當(dāng)燃料中含N量較高時(shí)，其生成量較大。但柴油機(jī)含氮量很少，燃料型NO的生成量也很少。

1.2.2 顆粒物的生成。柴油機(jī)顆粒物由碳煙（DS）、硫酸鹽、可溶性有機(jī)成分（SOF）和含金屬元素的灰分等組成。顆粒物是氣相的燃油分子在高溫缺氧的條件下發(fā)生部分氧化和熱裂解，生成各種不飽和烴類(lèi)，這些烴類(lèi)不斷脫氫，逐漸聚合成直徑為2nm左右的碳煙晶核，并且氣相烴和其他物質(zhì)不斷凝聚在碳煙晶核的表面，以及晶核間的碰撞聚合使碳核不斷增大，從而形成直徑為20～30nm的碳煙基元，最終形成直徑1μm以下的團(tuán)絮狀或鏈狀的聚合物［5］；同時(shí)，在碳粒上吸附聚集部分未燃烴、硫酸鹽和水分等，最后形成柴油機(jī)顆粒。

1.2.3 一氧化碳、碳?xì)浠衔锖土蚧锏纳?。CO是在空氣量不足的情況下，碳?xì)淙剂衔茨艹浞秩紵纬傻闹虚g產(chǎn)物。但柴油發(fā)動(dòng)機(jī)由于過(guò)量系數(shù)大和循環(huán)溫度低，所以排放的CO量比汽油機(jī)低很多［7］。HC的生成機(jī)理相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，主要是在燃料的不完全燃燒、曲軸箱排放和燃油系統(tǒng)的蒸發(fā)等條件下生成的。由于柴油機(jī)和汽油機(jī)主要工作原理不同，柴油機(jī)排放的HC量較低。SOX主要來(lái)源于含S的燃料和竄漏的潤(rùn)滑油，其對(duì)顆粒物的形成具有較大影響。

2 柴油機(jī)后處理技術(shù)

柴油機(jī)排氣中主要有害成分是NOx和PM，但二者之間存在相互制約（trade off）的關(guān)系［8］，因此柴油機(jī)后處理技術(shù)可分為NOx和PM的后處理技術(shù)。隨著保護(hù)環(huán)境意識(shí)的提高，世界各國(guó)將會(huì)制定更為苛刻的排放法規(guī)，正因如此，國(guó)內(nèi)外的業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，只有將前處理技術(shù)與后處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，才能使柴油機(jī)尾氣排放滿(mǎn)足未來(lái)的排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。目前，柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)研究主要圍繞NOx和PM的消除和有機(jī)結(jié)合而展開(kāi)。

2.1 PM處理技術(shù)

2.1.1 柴油機(jī)氧化催化轉(zhuǎn)化器（Diesel Oxidation Catalyzator，DOC）。DOC一般安裝在柴油汽車(chē)排氣系統(tǒng)中，其主要對(duì)PM中的SOF進(jìn)行氧化，同時(shí)也可以降低CO和HC的排放量。因其具有同時(shí)降低顆粒及HC和CO的功能，常常在發(fā)動(dòng)機(jī)上與EGR結(jié)合使用，以全面提高發(fā)動(dòng)機(jī)的排放水平。同時(shí)，由于柴油機(jī)氧化催化器具有良好的氧化性能，也多與SCR（選擇催化還原）系統(tǒng)結(jié)合使用，以促進(jìn)尿素的水解反應(yīng)和減少NH3的泄漏，另外還可以把部分NO氧化為NO2。因此，只采用DOC不能滿(mǎn)足PM的排放法規(guī)，所以必須采用該裝置與其他后處理裝置配合使用。

2.1.2 柴油機(jī)顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）。目前，DPF是控制PM排放最有效的技術(shù)，其主要降低PM排放的質(zhì)量和數(shù)目。研究DPF的關(guān)鍵技術(shù)主要有過(guò)濾體材料和過(guò)濾體再生。當(dāng)前，過(guò)濾體材料研究已經(jīng)成熟，但過(guò)濾體再生技術(shù)研究卻相對(duì)滯后。

再生技術(shù)分為主動(dòng)再生和被動(dòng)化再生兩類(lèi)，主動(dòng)再生是由外界提供熱量，提高濾芯的溫度，使沉積在濾芯中的PM燃燒，恢復(fù)濾芯的潔凈狀態(tài)。熱量由燃燒器、電阻加熱器和DOC等產(chǎn)生。主動(dòng)再生依賴(lài)于汽車(chē)制造技術(shù)的提高。被動(dòng)再生主要通過(guò)利用催化作用降低PM的起燃溫度，在正常排氣溫度下使PM氧化再生，使DPF在柴油機(jī)使用條件下有足夠的再生效率。目前，國(guó)內(nèi)主要集中在被動(dòng)再生中尾氣催化劑開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的研究上［4］。

2.2 NOx處理技術(shù)

2.2.1 NOx選擇性催化還原（Selective Catalytic Re?duction，SCR）。SCR技術(shù)是以尾氣中的有機(jī)物為還原劑或添加還原劑，在富氧濃度條件下，通過(guò)催化劑的催化作用選擇性地將柴油機(jī)排氣中有害成分NOx轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退?，從而降低NOx的排放量。SCR系統(tǒng)的主要部分是還原劑和催化劑。還原劑類(lèi)型有許多種，如NH3、烴類(lèi)或醇類(lèi)。催化劑主要有三類(lèi)：貴金屬催化劑如Pt、Rh和Pd等為活性組分，氧化鋁或整體式陶瓷（堇青石）作為載體；金屬氧化物催化劑如V2O5-WO3/TiO2，V2O5-MoO3/TiO2等；沸石類(lèi)型的催化劑有如含Cu、Pt、Co或Fe的人造沸石等。目前，NH3-SCR作為降低NOx最廣泛使用的技術(shù)之一［6］，其原理是以V2O5-WO3/TiO2為催化劑，在氧氣過(guò)量的條件下，NH3選擇性地將NOx還原為N3。SCR技術(shù)一個(gè)最為顯著的優(yōu)點(diǎn)就是其所使用的催化劑對(duì)硫不敏感［9］。

2.2.2 稀薄 NOx捕集技術(shù)（Lean NOxTrap，LNT）。LNT技術(shù)首先用于直噴式汽油機(jī)和稀燃汽油機(jī)，后來(lái)才逐漸用于柴油機(jī)研究。其工作原理是通過(guò)柴油機(jī)稀燃時(shí)，排氣中的NO通過(guò)貴金屬Pt、Rh等催化劑被氧化成NO2，而后通過(guò)具有吸附NOx能力的堿金屬或堿土金屬化合物構(gòu)成的吸附劑以硝酸鹽的形式存儲(chǔ)起來(lái)；當(dāng)柴油機(jī)進(jìn)行燃料重整，達(dá)到富燃條件時(shí)，硝酸鹽分解并釋放出NOx，NOx通過(guò)貴金屬Pt、Rh等催化劑的催化作用，與尾氣中的HC、CO和H2等反應(yīng)被還原成N2［10］。由于燃油中含有的硫?qū)NT的效率影響很大，且Pt、Rh等貴金屬催化劑價(jià)格也比較高，限制了LNT在重型柴油車(chē)上的推廣應(yīng)用，使其主要應(yīng)用于輕型車(chē)。

3 結(jié)語(yǔ)

因柴油機(jī)具有動(dòng)力性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好和熱效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械裝置，因此降低柴油機(jī)有害氣體的排放技術(shù)具有良好的發(fā)展前景。但是，就目前來(lái)看，這些技術(shù)還存在許多問(wèn)題和難點(diǎn)。

①隨著人類(lèi)環(huán)保意識(shí)的提高及日益嚴(yán)峻的排放法規(guī)，單一的后處理凈化裝置已無(wú)法滿(mǎn)足環(huán)保的要求。因此，將DOC、DPF、SCR和LNT等后處理技術(shù)進(jìn)行有機(jī)組合，是未來(lái)控制柴油機(jī)排放有害氣體的發(fā)展重點(diǎn)。

②我國(guó)所生產(chǎn)柴油含硫量相對(duì)歐美等國(guó)比較高，易使后處理技術(shù)在不同程度上受到燃油中硫含量的影響，如催化劑中毒等問(wèn)題。因此，提高燃油品質(zhì)或?qū)ふ姨娲剂鲜钱?dāng)前的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

③目前，柴油機(jī)排放控制技術(shù)是以機(jī)內(nèi)凈化和后處理技術(shù)為主。因此，在嚴(yán)格的排放法規(guī)和環(huán)境因素的控制下，需要將機(jī)內(nèi)凈化與排氣后處理技術(shù)相結(jié)合，從而獲得更加有效的控制效果。因此，多種控制技術(shù)相結(jié)合的控制路線(xiàn)是未來(lái)排放控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

［1］唐大學(xué).柴油機(jī)廢氣排放控制技術(shù)新進(jìn)展［J］.內(nèi)燃機(jī)，2012（5）：1-4，10.

［2］潘芝桂，邵毅明，吳岳偉.柴油機(jī)排放控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.內(nèi)燃機(jī)，2010（3）：1-4，10.

［3］馬喬林.轎車(chē)用直噴式柴油機(jī)的研究現(xiàn)狀及前景展望［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)，2009（4）：93-96.

［4］李翔，楊冬霞，常仕英，等.輕型柴油機(jī)尾氣排放后處理技術(shù)進(jìn)展［J］.貴金屬，2015（2）：70-76.

［5］周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［6］陶建忠.利用選擇性催化還原反應(yīng)（SCR）降低車(chē)用柴油機(jī)氮氧化物的技術(shù)研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2008.

［7］郝兵，肖云祥，李俊.柴油機(jī)排放污染物的生成機(jī)理及凈化研究［J］.科技資訊，2014（6）：138-139.

［8］鄧家奇，周家旺，高聰聰.車(chē)用柴油機(jī)歐Ⅴ、歐Ⅵ排放控制技術(shù)路線(xiàn)研究［J］.汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2016（2）：14-16.

［9］樓狄明，張正興，譚丕強(qiáng)，等.車(chē)用柴油機(jī)選擇性催化還原技術(shù)研究進(jìn)展［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009（12）：103-108.

［10］樓狄明，馬濱，譚丕強(qiáng)，等.后處理技術(shù)降低柴油機(jī)NOx排放的研究進(jìn)展［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)，2010（2）：70-74.

Discussion on Exhaust Gas and Control Technology of Diesel Engine

Li Zhiyuan1Guo Pengyan1,2Chen Lei1Zhou Peng1A Junli1
（1.College of Mechanical Engineering,North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045；2.Institute of Vehicles and New Energy Technology，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

This paper described the composition and formation mechanism of diesel engine exhaust emis?sions.Especially the nitrogen oxide（NOx） and the particulate matter（PM） of aftertreatment technology were summarized.Among them,NOxprocessing technology including NOxselective catalytic reduction and thin NOxcapture technology,PM processing technology including diesel oxidation catalyst and diesel particulate trap

diesel engine exhaust emissions；aftertreatment technology；NOx；PM

U464.172

A

1003-5168（2017）12-0089-03

2017-11-01

河南省創(chuàng)新型科技團(tuán)隊(duì)（C20150017）；河南省工程技術(shù)研究中心（豫科2016-221號(hào)-高新35）；鄭州市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（鄭科技［2014］3號(hào)-10）。

李志遠(yuǎn)（1988-），男，研究生，研究方向：車(chē)輛、發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試。