DOC與DPF結(jié)合在柴油機(jī)后處理上的應(yīng)用研究

摘 要：通過(guò)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后處理器內(nèi)的氧化催化器（DOC）與顆粒過(guò)濾器（DPF）的結(jié)構(gòu)和工作原理的描述，分析研究了DOC與DPF相結(jié)合在柴油機(jī)的尾氣處理上的優(yōu)缺點(diǎn)，為DOC+DPF技術(shù)在柴油機(jī)尾氣處理方面的應(yīng)用提供了有效的支撐。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；后處理器；DOC與DPF；尾氣處理

1 引言

柴油機(jī)有著動(dòng)力性好，又十分經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，目前被大量大小型交通工具采用。但最近幾年來(lái)國(guó)家出臺(tái)了越來(lái)越嚴(yán)格的尾氣排放法規(guī)，柴油機(jī)的尾氣處理成為各個(gè)車(chē)輛生產(chǎn)商面臨的難題。柴油機(jī)的尾氣處理目前有兩個(gè)控制方向：一方面是加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃油的燃燒效率，降低尾氣中的有害氣體成分，目前社會(huì)上的改進(jìn)方法有廢氣再循環(huán)（ECR）和控制燃燒位置（CSS）等技術(shù)；另一個(gè)方面就是提高尾氣處理器的處理效果，尾氣處理技術(shù)目前有選擇性催化還原（SCR），氧化催化（DOC），顆粒捕捉器（DPF）等技術(shù)。本文通過(guò)對(duì)DOC與DPF技術(shù)的大量研究和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)DOC與DPF技術(shù)相結(jié)合，不僅可以很大程度上完成尾氣中有害物質(zhì)的清除，還可以解決單獨(dú)使用DOC技術(shù)或DPF技術(shù)在安裝和結(jié)構(gòu)上的技術(shù)難題。

2 DOC與DPF的工作原理與特點(diǎn)分析

2.1 DOC工作原理與特點(diǎn)分析

柴油機(jī)的尾氣處理中使用DOC的主要作用是催化氧化尾氣中的有害物質(zhì)。DOC一般以金屬或陶瓷作為催化劑的載體，涂層中主要活性成分是鉑系、鈀系等貴重金屬與稀土金屬。當(dāng)柴油機(jī)的尾氣通過(guò)催化劑時(shí)，HC化合物和CO等在較低的溫度下可以很快地與尾氣中的氧氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成無(wú)污染的H2O和CO2，達(dá)到凈化尾氣中HC、CO的目的。DOC技術(shù)要取得良好的凈化效果，需要解決幾個(gè)技術(shù)難題。一是柴油機(jī)的排氣溫度偏低，對(duì)催化劑要求較高，必須使催化劑在低溫下仍然有很好的催化活性；二是柴油中的硫含量必須較低，因?yàn)榱驎?huì)使催化劑中毒劣化；三是廢氣中的一些較大顆粒很難被催化氧化，會(huì)堵塞催化劑載體的孔道。

2.2 DPF的工作原理和特點(diǎn)分析

DPF技術(shù)又稱為柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器（Diesel Particulate Filter）技術(shù)，是比較好的降低排氣中的煙塵顆粒（PM）的方法，現(xiàn)在市面上的壁流式蜂窩陶瓷顆粒捕捉器對(duì)PM的過(guò)濾效率高達(dá)90%。

DPF技術(shù)過(guò)濾PM的原理包括：1）慣性顆粒碰撞原理，即在顆粒的不規(guī)則流動(dòng)過(guò)程中，較大的顆粒因?yàn)閼T性與DPF載體碰撞，被載體吸附，沉積在催化劑載體上；2）攔截原理，即當(dāng)柴油機(jī)的廢氣通過(guò)DPF時(shí)，大于過(guò)濾材料孔徑的顆粒會(huì)直接被截留，或者略小于孔徑的顆粒因?yàn)橄嗷フ持贿^(guò)濾材料截留；3）擴(kuò)散原理，根據(jù)布朗運(yùn)動(dòng)的原理，柴油機(jī)排氣中細(xì)小顆粒隨著氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出布朗運(yùn)動(dòng)，當(dāng)柴油機(jī)廢氣通過(guò)DPF的捕捉通道時(shí)，捕捉器的纖維狀單元將使小顆粒匯聚成大顆粒，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒的捕捉；4）重力沉降原理，較大的顆粒經(jīng)過(guò)DPF時(shí)，在重力作用下，自然沉積在DPF載體上。

從DPF的原理可以看出，該捕捉過(guò)程屬于物理過(guò)程。隨著工作時(shí)間的加長(zhǎng)，載體上堆積的顆粒會(huì)越來(lái)越多，不僅影響捕捉器的捕捉效果，還會(huì)增加排氣的背壓，使發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃油燃燒不完全，所以如何及時(shí)處理催化器載體上的累積顆粒，是DPF技術(shù)的關(guān)鍵。

3 DOC輔助DPF技術(shù)在柴油機(jī)后處理上的應(yīng)用

3.1 DOC輔助PDF技術(shù)的原理

從上文可知，由于DOC與DPF技術(shù)在去除廢氣中的有害物中各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，如何避免它們的缺點(diǎn)，利用它們的優(yōu)點(diǎn)呢？本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的具體情況，認(rèn)為DOC與DPF結(jié)合，即DOC輔助DPF再生技術(shù)可以避開(kāi)它們的缺點(diǎn)，并綜合它們的優(yōu)點(diǎn)。DOC輔助DPF再生法的工作過(guò)程如圖1所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作狀態(tài)下，DPF正常捕捉顆粒，隨著時(shí)間的推移，顆粒的累積導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓升高。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，控制系統(tǒng)將啟動(dòng)再生程序。控制系統(tǒng)檢測(cè)DOC前的排氣溫度，當(dāng)溫度達(dá)到起燃溫度時(shí)，噴油器從DOC上游噴入柴油，與發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣混合霧化，然后經(jīng)DOC氧化產(chǎn)生大量熱量，提高了排氣溫度。當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)定值時(shí)，點(diǎn)燃DPF載體上吸附的PM，完成積累顆粒的清除工作。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)背壓減小，噴嘴停止噴油。

3.2 DOC輔助PDF技術(shù)的應(yīng)用分析

根據(jù)DOC輔助DPF再生法的工作流程可以看出，此技術(shù)關(guān)鍵組成部分是DOC，DOC性能的優(yōu)劣是影響再生是否順利的關(guān)鍵。首先最重要的是DOC本身的催化性能。性能良好的DOC催化劑涂層具有較低的起燃溫度，即使在排氣溫度不高的工況下，也可以很快起燃。一則可以達(dá)到很高的HC和CO的轉(zhuǎn)化效率；二來(lái)可以大大提高排氣溫度，提高自身氧化和對(duì)DPF再生的性能；第三可以將尾氣中的NO有效轉(zhuǎn)化為NO2，有利于DPF中干碳煙的再生。

其次是噴油時(shí)機(jī)和噴油量的選擇。為了使DOC更好地將尾氣中的霧化柴油氧化，需要提高排氣的溫度，使它達(dá)到DOC的起燃溫度，而噴油嘴的噴油量決定了排氣溫度所能達(dá)到的最高值。為了使DPF里的顆粒較快地完全燃燒，DOC后的氣體需要保持高溫，這就需要較多的噴油量。但若溫度過(guò)高，又會(huì)損壞DPF載體，所以噴油量的多少和噴油的時(shí)機(jī)是再生法的關(guān)鍵。

另外，DPF為連續(xù)再生，即在DPF捕捉顆粒的同時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而減慢DPF中的顆粒物的累積速度。連續(xù)再生過(guò)程中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)為：

2NO2+C=2NO+CO2

C+O2=CO2

2C+O2=2CO

DPF再生特性好的后處理器不僅可以運(yùn)轉(zhuǎn)更加良好，而且能降低尾氣處理系統(tǒng)的老化速度。

3.3 DOC輔助PDF技術(shù)的老化原因分析

柴油機(jī)的尾氣處理系統(tǒng)中的DOC和DPF在長(zhǎng)時(shí)間使用后不可避免會(huì)產(chǎn)生老化。導(dǎo)致老化的因素也是各種各樣的。其中引起DOC老化的因素主要有四個(gè)方面：一是高溫老化，因?yàn)镈OC的催化劑有其適用的溫度范圍，溫度太高會(huì)使貴金屬燒結(jié)，出現(xiàn)高溫失活現(xiàn)象；二是化學(xué)中毒，DOC中的催化劑與尾氣中的某些物質(zhì)（如：S、P、Zn）反應(yīng)，使催化劑失活；三是結(jié)焦和堵塞，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中較大的顆粒粘結(jié)在催化劑表面，使催化劑接觸不到尾氣，無(wú)法起到催化作用；四是振動(dòng)損壞，車(chē)輛長(zhǎng)期行走在復(fù)雜路況中使車(chē)輛不規(guī)律振動(dòng)，DOC受車(chē)輛振動(dòng)的影響，造成了催化劑載體的破壞。DPF老化的原因也主要有四個(gè)方面：一是高溫?zé)郏贒PF再生時(shí)，碳顆粒在DPF表面燃燒，釋放出大量的熱，使DPF載體溫度急劇升高，使DPF材料燒熔；二是熱應(yīng)力損壞，車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中，路況不斷變化，尾氣溫度也不斷變化，使DPF自身的溫度非常不穩(wěn)定。前端與后端溫度，中間與外圍溫度經(jīng)常存在動(dòng)態(tài)差異，因而使DPF承受不斷變化的熱應(yīng)力，導(dǎo)致DPF破裂；三是不可燃物的堵塞，柴油中的S和P燃燒后的硫酸鹽和磷酸鹽都是不可再燃燒的，最終沉積在DPF中，造成其失去過(guò)濾效率；四是振動(dòng)損壞，與DOC相似，車(chē)輛行駛過(guò)程中的振動(dòng)造成DPF損壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)DOC輔助PDF技術(shù)的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)以及應(yīng)用做了詳細(xì)的分析，并對(duì)DOC輔助DPF方法老化損壞的原因做了分析，以供柴油機(jī)后處理器生產(chǎn)者設(shè)計(jì)時(shí)參考和使用。

目前DOC與DPF結(jié)合去除汽車(chē)尾氣中的顆粒以及HC化合物等有害氣體的方法在一些小型商務(wù)車(chē)上使用，效果十分良好。鑒于中國(guó)的經(jīng)濟(jì)狀況和柴油品質(zhì)較低等問(wèn)題，它的推廣還面臨著各種各樣的技術(shù)瓶頸，后繼的研究者要攻克相關(guān)技術(shù)難題，以便使這種技術(shù)能大規(guī)模使用，為我國(guó)的節(jié)能減排事業(yè)作出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]譚丕強(qiáng)，胡志遠(yuǎn)，樓狄明，等.微粒捕集器再生技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2005，159（5）：6-9.

[2]李新，資新運(yùn)，姚廣濤，等.柴油機(jī)排氣微粒捕集器燃燒器再生技術(shù)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2008，26（6）：538-542.