柴油機(jī)排放處理技術(shù)方法研究

薛 鵬

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804）

1 概述

在傳統(tǒng)燃油車的技術(shù)相對(duì)完善的今天，人們發(fā)現(xiàn)與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)有著更好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，但柴油機(jī)的工作特性也決定其自身的缺點(diǎn)，其中微粒PM的排放尤為突出。燃燒時(shí)爆發(fā)壓力高，是柴油機(jī)動(dòng)力性好原因，但也同時(shí)導(dǎo)致了柴油機(jī)噪聲較大，工作粗暴。HC、CO和CO2的排放濃度與汽油機(jī)相比是較低的，這是柴油完全燃燒后帶來的優(yōu)勢(shì)；燃燒后NOX的排放，柴油機(jī)與汽油機(jī)污染物比例基本相當(dāng)。在排放控制中，汽油機(jī)一般處于理論空燃比周圍且排氣溫度高，可以采用三元催化實(shí)現(xiàn)尾氣控制，但并不適用柴油機(jī)。因此柴油機(jī)的排放問題中的關(guān)鍵就是如何降低NOX和 PM，但柴油機(jī)的 NOX和 PM 排放是一種矛盾的關(guān)系，此消彼長(zhǎng)，排放控制工作的重點(diǎn)是進(jìn)行NOX與PM的折中。

控制汽車排放污染的途徑一共有三種，分別是前處理凈化，機(jī)內(nèi)凈化和后處理凈化。其中，后處理凈化技術(shù)就是使燃燒室排出的廢氣在排氣系統(tǒng)中進(jìn)行凈化處理。

柴油機(jī)尾氣污染物主要是PM和NOX。因此，針對(duì)這兩種污染物，是柴油機(jī)的排氣后處理技術(shù)的核心。 柴油機(jī)的排氣后處理器主要有：1）可降低PM排放的微粒捕集器；2）可降低NOX排放的選擇性還原催化轉(zhuǎn)化器。

2 微粒捕集器（DPF）

柴油機(jī)微粒捕集器( Diesel Particulate Filter，DPF)是針對(duì)柴油機(jī)微粒PM的一種高效后處理技術(shù)。PM經(jīng)過裝置后進(jìn)行過濾，然后定時(shí)對(duì)過濾器內(nèi)收集到的PM進(jìn)行清除，實(shí)現(xiàn)DPF的連續(xù)使用，我們稱之為再生。

再生通常采用PM燃燒的方式來實(shí)現(xiàn)。PM是柴油燃燒之后的產(chǎn)物，所以只要提供足夠的溫度，PM 是可以繼續(xù)燃燒，最后變化為CO2和H2O的。PM的起燃溫度一般情況下，需在550℃以上，650℃以下，這就高于了正常排氣溫度。因此，使PM能夠燃燒，被動(dòng)再生和主動(dòng)再生兩種方法就研發(fā)出現(xiàn)。被動(dòng)再生是通過加入催化劑，降低 其反應(yīng)活化能；主動(dòng)再生是采用加熱技術(shù)提高柴油機(jī)排氣溫度或過濾體的溫度。

微粒捕集器的捕集原理：過濾技術(shù)和非過濾技術(shù)。通過微粒間的碰撞、攔截、擴(kuò)散或重力沉降等原理吸附在捕集器單元中，這就是過濾技術(shù)。類似于靜電除塵，將尾氣中的顆粒在高壓電暈放電場(chǎng)中荷電的等離子技術(shù)，這就是非過濾技術(shù)。微粒捕集器結(jié)構(gòu)類型分為以下兩類，如下圖。

圖1 表面型DPF和體積型DPF作用簡(jiǎn)圖

1）表面型微粒捕集器：這種微粒捕集器是將顆粒物吸附在過濾材料的表面。其典型材料是具有透氣的陶瓷，通過材料之間的孔隙完成顆粒物的過濾（圖 1a）。孔隙一般大于微粒。因?yàn)檫^小的孔隙會(huì)影響氣體的流動(dòng)，產(chǎn)生過大氣體阻力反而不利于顆粒物的吸附。因此，蜂窩狀陶瓷微粒捕集器是該類型主要設(shè)計(jì)理念，如日本 NGK公司和美國(guó)康寧公司的產(chǎn)品。

2）體積型微粒捕集器：這種微粒捕集器是將顆粒物吸附在過濾材料的體內(nèi)。其典型材料是陶瓷或纖維，然后繞制而成的（圖 1b）。尾氣中的顆粒在這種類型的微粒捕集器濾芯中改變著流速及流向，但是其流速不能較快，纖維之間的距離也是不能小于微粒的直徑，否則同樣會(huì)限制著氣體的流動(dòng)。因此，線圈式微粒捕集器是該類型主要設(shè)計(jì)理念，如奔馳汽車公司和曼-胡默爾公司的聯(lián)合生產(chǎn)產(chǎn)品。

3 選擇還原催化轉(zhuǎn)化器（SCR）

柴油機(jī)排氣中的HC和CO含量很低，這是因?yàn)槲矚庵醒醯暮亢芨?，所以，在汽油機(jī)針對(duì)NOX的后處理系統(tǒng)，對(duì)柴油機(jī)不適用，即三元催化轉(zhuǎn)化器?；瘜W(xué)方法能實(shí)現(xiàn)降低NOX的方法有：1）NOX的分解；2）NOX的氧化；3）NOX的還原。理論上 NOX可以通過分解、氧化實(shí)現(xiàn)尾氣處理，但是這個(gè)過程較為困難并且時(shí)間漫長(zhǎng)，并沒有得到實(shí)際應(yīng)用。就目前的技術(shù)水平來說，在排氣管中，加入還原劑是最佳的解決方案，通過還原NOX的方法有以下幾類[1]：

（1）非選擇催化還原(NSCR)

NSCR技術(shù)是使用還原劑(如氨水、尿素等)，然后噴入排氣管中，但是針對(duì)性不強(qiáng)，在催化轉(zhuǎn)換器的作用下，強(qiáng)行與尾氣中的NOX進(jìn)行反應(yīng)?？墒窃诟谎跞紵牟裼蜋C(jī)中，很容易還原劑直接被氧化，故性價(jià)比不高，消耗量極大。

（2）選擇催化還原(SCR)

SCR的原理與NSCR相似，同樣利用還原劑NH3。將其加入到高溫廢氣中，與NOX發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。最終的生成產(chǎn)物是無(wú)污染N2和H2O。但是針對(duì)性更強(qiáng)，電控化更高，催化劑配方不同，效果自然更加完善。因此，在柴油機(jī)上選擇催化還原是具有應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)。NOX的還原反應(yīng)在SCR中提高了反應(yīng)速度，抑制了還原劑的自然氧化，主要反應(yīng)發(fā)生如下：

典型的 SCR系統(tǒng)主要由尿素噴嘴、SCR催化劑、尿素劑量電子控制單元(DCU)、SCR電子控制單元(ECU)等組成，如下圖所示。其中，尿素溶液是NH3的載體，噴射后揮發(fā)出NH3。

圖2 車用SCR系統(tǒng)

柴油機(jī)以其優(yōu)良的性能推廣使用，微粒捕集器技術(shù)和選擇還原催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)是處理柴油機(jī)污染物有效方法的佼佼者，如虎添翼地推動(dòng)了柴油機(jī)的技術(shù)發(fā)展，為節(jié)能減排起到了戰(zhàn)略性意義。

[1] 陶漢國(guó).柴油機(jī)Urea-SCR系統(tǒng)控制策略研究.武漢理工大學(xué).

[2] 王天友等.燃油催化微粒捕集器微粒捕集與強(qiáng)制再生特性的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2007,259（6）527-531.

[3] 資新運(yùn),寧智,吳良勤等.泡沫陶瓷過濾機(jī)理的研究.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2000,18：156-160.