柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)研究

摘 要：隨著傳統(tǒng)化石燃料價格的上長以及國家汽車排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，僅僅通過改進(jìn)發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)來達(dá)到節(jié)能減排的目的是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此，近些年來就提出利用尾氣后處理技術(shù)對發(fā)動機(jī)尾氣進(jìn)行處理，以減少尾中有害氣體的排放，進(jìn)而使尾氣各組分含量能達(dá)到國家排放法規(guī)的要求。本文首先介紹當(dāng)前尾氣后處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及在技術(shù)層面存在的不足；最后，展望柴油尾氣后處理技術(shù)在今后的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；尾氣后處理技術(shù)；排氣

1 柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

減少尾氣有害物排放的關(guān)鍵技術(shù)仍然是機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，即改進(jìn)混合氣的形成過程、優(yōu)化發(fā)動機(jī)的燃燒過程、電控技術(shù)等，但是，隨著國家排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，單純的依靠機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)已經(jīng)很難在滿足排放法規(guī)的需要，因此，就需要從尾氣處理方面著手，也就是尾氣后處理技術(shù)進(jìn)一步對柴油機(jī)尾氣進(jìn)行處理，以達(dá)到減少有害物排放的要求。當(dāng)前，在柴油機(jī)尾氣處理方面被廣泛應(yīng)用的技術(shù)主要包括氧化催化器、微粒捕集器以及氮氧化物還原技術(shù)等，下面就簡單介紹這些技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

1.1氧化催化器（DOC）

柴油機(jī)氧化催化技術(shù)已經(jīng)非常成熟，目前，國內(nèi)外各大汽車生產(chǎn)廠商所采用的氧化催化劑主要為鉑、鈀等貴金屬催化劑。柴油機(jī)氧化催化器的主要作用就是對發(fā)動機(jī)尾氣中的一氧化碳、未燃碳?xì)洹⒍趸虻冗M(jìn)行氧化處理，它可以明顯降低柴油機(jī)尾氣中的一氧化碳和未燃碳?xì)?，同時還可以氧化尾氣中的可溶性有機(jī)鹽以及炭煙進(jìn)而減少顆粒物的排放。

1.2微粒捕集器（DPF）

柴油機(jī)微粒捕集器的主要作用就是尾氣中的顆粒物進(jìn)行過濾處理，當(dāng)前，微粒捕集器的捕集方式主要是過濾捕集法，市場上通用的過濾材料主要有陶瓷蜂窩載體、陶瓷纖維編織物、金屬纖維編織物以及金屬蜂窩載體等。柴油機(jī)尾氣經(jīng)排氣管進(jìn)入微粒捕集器多孔結(jié)構(gòu)過濾體內(nèi)，細(xì)密的過濾體將尾氣中的顆粒物進(jìn)行過濾，對顆粒物的過濾效率可高達(dá)90%左右。

當(dāng)微粒捕集器內(nèi)積累的顆粒物達(dá)到一定限值時就會嚴(yán)重阻礙尾氣的流通，同時還會影響顆粒物的捕集，因此就需要定期對過濾的顆粒物進(jìn)行處理，這個過程就稱為微粒捕集器的再生過程。目前微粒捕集器的再生方法主要分為兩種，一種是斷續(xù)加熱再生另一種是連續(xù)催化再生。下面就簡單介紹一下這兩種再生方法：

（1）斷續(xù)加熱再生

斷續(xù)加熱再生是柴油機(jī)微粒捕集器在工作一段時間后，累積的顆粒物達(dá)到飽和狀態(tài)后采用解熱的方式清除，這種再生方法又稱為主動再生。目前柴油機(jī)尾氣后處理裝置中使用最為普遍的加熱方式是電加熱和燃燒加熱。電加熱方式主要是通過在微粒捕集器前面安裝一個電加熱器，或者將電加熱器安裝在微粒捕集器內(nèi)，當(dāng)微粒捕集器內(nèi)累積的顆粒物達(dá)到限值時，就通過電加熱器進(jìn)行加熱，使溫度達(dá)到微粒的起燃溫度，進(jìn)而對微粒捕集器進(jìn)行清理；燃燒加熱方式主要是在微粒捕集器前的排氣管內(nèi)安管一個噴油嘴，當(dāng)微粒捕集器內(nèi)壓力達(dá)到限值時，就通過噴油嘴向排氣管內(nèi)噴射柴油，進(jìn)行燃燒以達(dá)到清除微粒的目的。經(jīng)過相關(guān)研究表明，燃燒加熱方式清除微粒使微粒捕集器再生的效果要比電加熱方式的要好，因此，目前國內(nèi)柴油車中微粒捕集器使用的再生方法一般都是燃燒加熱再生。

（2）斷續(xù)催化再生

邊捕集微粒邊對捕集器進(jìn)行再生的方式就稱為斷續(xù)催化再生，這種再生方式也稱為被動再生。目前應(yīng)用比較廣泛的斷續(xù)催化再生系統(tǒng)有以下三種：第一種是由JM公司提出的連續(xù)再生捕集器，該系統(tǒng)以在氧化催化器中生成的二氧化氮為氧化劑，將捕集器中的微粒進(jìn)行氧化，并且二氧化氮與微粒在200℃左右就可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)，因此，應(yīng)用比較廣泛；第二種是催化過濾器，通過在捕集器載體的表面添加催化劑，可以降低微粒與氧氣反應(yīng)的溫度，進(jìn)而清除微粒；第三種是在柴油中添加催化劑，柴油燃燒后的廢氣中就會含有催化劑成分，催化劑可以使尾氣中微粒的起燃溫度降低至300℃左右，在發(fā)動機(jī)工作的大部分工況中都可以工作，對微粒捕集器內(nèi)的微粒進(jìn)行氧化清除。

1.3氮氧化物還原催化器

氮氧化物催化器是柴油機(jī)為后處理系統(tǒng)的核心，并且對柴油機(jī)進(jìn)行氮氧化物的還原要比在汽油機(jī)上面的難度高，找原因主要有以下兩個方面：第一、因為柴油機(jī)是質(zhì)調(diào)節(jié)方式，噴入氣缸的為稀混合氣，燃燒后的排氣中氧含量相對較高，所以在氧化氛圍內(nèi)對氮氧化物的還原就比較困難；第二、還原催化劑的工作溫度比氧化催化劑的工作溫度要高，但是，柴油機(jī)的排氣溫度明顯低于汽油機(jī)。

目前，柴油機(jī)氮氧化物的還原方法主要有六中方法，分別是選擇性非催化還原、選擇性催化還原、非選擇性催化還原、吸附還原、NOX直接分解技術(shù)以及等離子體放電技術(shù)。在這幾種氮氧化物還原方法中應(yīng)用最為廣泛的就是以尿素為還原劑的選擇性催化還原技術(shù)。下面就簡單介紹一下尿素-SCR催化劑。

（1）尿素-SCR催化劑

尿素-SCR催化劑以尿素為還原劑，V2O5為催化劑對氮氧化物進(jìn)行選擇性還原。參與還原反應(yīng)的物質(zhì)實際上是NH3，主要的反應(yīng)機(jī)理為：

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O（1）

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O（2）

2NH3+NO+NO2=2N2+3H2O（3）

由于氮氧化物中有90%左右為NO，還原反應(yīng)的主要途徑為式（1），因此式（1）又被稱為“標(biāo)準(zhǔn)SCR”反應(yīng)；式（2）還原的主要是NO2，因此，式（2）也被稱為“NO2-SCR”反應(yīng)；在較低的溫度下式（3）的反應(yīng)速度最快，因此又被稱作“快速SCR”反應(yīng)。NOX還原反應(yīng)選用V2O5為催化劑，該催化劑具有催化效率高、選擇性好、反應(yīng)溫度窗口高以及抗硫中毒性能好等優(yōu)點。

尿素-SCR催化劑對NOX轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到80%左右，反應(yīng)溫度較低，所選用的催化劑成本低，選擇性好、催化效率高，尿素價格低廉，來源廣對環(huán)境污染小。因此尿素-SCR催化劑被廣泛應(yīng)用到柴油車尾氣后處理系統(tǒng)中。

2柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)存在的不足

2.1氧化催化器

氧化催化器技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)非常成熟了，但是該技術(shù)仍舊存在一些不足，例如所選用的氧化催化劑為Pt、Pd等貴金屬元素，成本較高，同時抗硫中毒能力相對較差，因此就需要進(jìn)一步的研究和試驗選擇成本低廉、性能優(yōu)異的其它氧化催化劑。

2.2微粒捕集器

盡管現(xiàn)在研發(fā)了微粒捕集器再生技術(shù)，但是微粒捕集器的使用壽命仍然對顆粒物的捕集有非常大的影響作用，并且顆粒物對人體和大氣環(huán)境有非常大的危害，所以應(yīng)該開發(fā)對顆粒物處理效果更好的技術(shù)方法。

2.3NOX還原催化器

尿素-SCR催化劑是目前使用最為廣泛的NOX處理技術(shù)，但是尿素在工作過程中存在以下不足：在排氣溫度低于300℃時反應(yīng)活性顯著降低；在環(huán)境溫度低于-11℃時尿素水會出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，需要添加額外的尿素箱保溫裝置；同時，在噴嘴處經(jīng)常會出現(xiàn)尿素結(jié)晶析出等問題。

3 結(jié)論

本文分析了目前國內(nèi)外在柴油機(jī)尾氣后處理方面的技術(shù)現(xiàn)狀，并總結(jié)了現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，今后，在尾氣后處理技術(shù)研究方面應(yīng)該著手解決這些問題，提高尾氣后處理技術(shù)水平，減少汽車尾氣有害物的排放，是汽車排放能夠滿足國家排放法規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

彭明國（1993.04-），河南洛陽人，碩士研究生在讀，現(xiàn)就讀于山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，研究方向為：發(fā)動機(jī)燃燒及排放過程控制