淺談柴油機排放尾氣及控制技術

李志遠 郭朋彥，2 陳 磊 周 鵬 阿俊利

（1.華北水利水電大學機械學院，河南 鄭州 450045；2.華北水利水電大學車輛與新能源技術研究院，河南 鄭州 450045）

淺談柴油機排放尾氣及控制技術

李志遠1郭朋彥1，2陳 磊1周 鵬1阿俊利1

（1.華北水利水電大學機械學院，河南 鄭州 450045；2.華北水利水電大學車輛與新能源技術研究院，河南 鄭州 450045）

本文闡述了柴油機排氣的成分和生成機理，重點對柴油機的氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）排放后處理技術進行簡述。其中，NOx處理技術包括NOx選擇性催化還原和稀薄NOx捕集技術，PM處理技術包括柴油機氧化催化轉化器和柴油機顆粒捕集器。

柴油機排放尾氣；后處理技術；氮氧化物；顆粒物

與汽油機相比，柴油機具有良好的動力性、燃油經濟性和可靠性及較高的熱效率、先進的排放污染物控制技術等優點［1-2］，因此，柴油機在眾多領域得到廣泛應用，特別是近年來，柴油汽車得以迅速發展［3］。但是，柴油機排放較高的NOx和PM，所以降低柴油機NOx和PM的排放量一直是柴油機排放控制的重要課題。

1 柴油機排氣的主要成分及生成機理

1.1 柴油機排氣成分

柴油機排氣中，氮氣約占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 柴油機排氣生成機理

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氣和氧氣反應生成的，主要成份是NO。根據產生的機理不同，將燃燒生成的NO分為熱力型NO（Thermal NO）、瞬發型NO（Prompt NO）和燃料型NO（Fu?el NO）。

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

澤爾多維奇機理中，NO的生成量主要由三個因素決定：氧氣濃度、溫度和反應停留時間。

②瞬發型NO是由費尼莫爾（Fenimore）于1971年通過實驗發現的［6］，其生成機理為：

在燃燒過程中，混合氣較濃時容易生成瞬發型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等中間產物，并逐步生成的。當燃料中含N量較高時，其生成量較大。但柴油機含氮量很少，燃料型NO的生成量也很少。

1.2.2 顆粒物的生成。柴油機顆粒物由碳煙（DS）、硫酸鹽、可溶性有機成分（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生部分氧化和熱裂解，生成各種不飽和烴類，這些烴類不斷脫氫，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以下的團絮狀或鏈狀的聚合物［5］；同時，在碳粒上吸附聚集部分未燃烴、硫酸鹽和水分等，最后形成柴油機顆粒。

1.2.3 一氧化碳、碳氫化合物和硫化物的生成。CO是在空氣量不足的情況下，碳氫燃料未能充分燃燒形成的中間產物。但柴油發動機由于過量系數大和循環溫度低，所以排放的CO量比汽油機低很多［7］。HC的生成機理相對來說比較復雜，主要是在燃料的不完全燃燒、曲軸箱排放和燃油系統的蒸發等條件下生成的。由于柴油機和汽油機主要工作原理不同，柴油機排放的HC量較低。SOX主要來源于含S的燃料和竄漏的潤滑油，其對顆粒物的形成具有較大影響。

2 柴油機后處理技術

柴油機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）的關系［8］，因此柴油機后處理技術可分為NOx和PM的后處理技術。隨著保護環境意識的提高，世界各國將會制定更為苛刻的排放法規，正因如此，國內外的業內人士普遍認為，只有將前處理技術與后處理技術有機結合在一起，才能使柴油機尾氣排放滿足未來的排放法規標準。目前，柴油機尾氣后處理技術研究主要圍繞NOx和PM的消除和有機結合而展開。

2.1 PM處理技術

2.1.1 柴油機氧化催化轉化器（Diesel Oxidation Catalyzator，DOC）。DOC一般安裝在柴油汽車排氣系統中，其主要對PM中的SOF進行氧化，同時也可以降低CO和HC的排放量。因其具有同時降低顆粒及HC和CO的功能，常常在發動機上與EGR結合使用，以全面提高發動機的排放水平。同時，由于柴油機氧化催化器具有良好的氧化性能，也多與SCR（選擇催化還原）系統結合使用，以促進尿素的水解反應和減少NH3的泄漏，另外還可以把部分NO氧化為NO2。因此，只采用DOC不能滿足PM的排放法規，所以必須采用該裝置與其他后處理裝置配合使用。

2.1.2 柴油機顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）。目前，DPF是控制PM排放最有效的技術，其主要降低PM排放的質量和數目。研究DPF的關鍵技術主要有過濾體材料和過濾體再生。當前，過濾體材料研究已經成熟，但過濾體再生技術研究卻相對滯后。

再生技術分為主動再生和被動化再生兩類，主動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，恢復濾芯的潔凈狀態。熱量由燃燒器、電阻加熱器和DOC等產生。主動再生依賴于汽車制造技術的提高。被動再生主要通過利用催化作用降低PM的起燃溫度，在正常排氣溫度下使PM氧化再生，使DPF在柴油機使用條件下有足夠的再生效率。目前，國內主要集中在被動再生中尾氣催化劑開發與應用的研究上［4］。

2.2 NOx處理技術

2.2.1 NOx選擇性催化還原（Selective Catalytic Re?duction，SCR）。SCR技術是以尾氣中的有機物為還原劑或添加還原劑，在富氧濃度條件下，通過催化劑的催化作用選擇性地將柴油機排氣中有害成分NOx轉化為氮氣和水，從而降低NOx的排放量。SCR系統的主要部分是還原劑和催化劑。還原劑類型有許多種，如NH3、烴類或醇類。催化劑主要有三類：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最廣泛使用的技術之一［6］，其原理是以V2O5-WO3/TiO2為催化劑，在氧氣過量的條件下，NH3選擇性地將NOx還原為N3。SCR技術一個最為顯著的優點就是其所使用的催化劑對硫不敏感［9］。

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

3 結語

因柴油機具有動力性強、經濟性好和熱效率高等優點被廣泛應用于各種機械裝置，因此降低柴油機有害氣體的排放技術具有良好的發展前景。但是，就目前來看，這些技術還存在許多問題和難點。

①隨著人類環保意識的提高及日益嚴峻的排放法規，單一的后處理凈化裝置已無法滿足環保的要求。因此，將DOC、DPF、SCR和LNT等后處理技術進行有機組合，是未來控制柴油機排放有害氣體的發展重點。

②我國所生產柴油含硫量相對歐美等國比較高，易使后處理技術在不同程度上受到燃油中硫含量的影響，如催化劑中毒等問題。因此，提高燃油品質或尋找替代燃料是當前的熱點和難點。

③目前，柴油機排放控制技術是以機內凈化和后處理技術為主。因此，在嚴格的排放法規和環境因素的控制下，需要將機內凈化與排氣后處理技術相結合，從而獲得更加有效的控制效果。因此，多種控制技術相結合的控制路線是未來排放控制技術的發展趨勢。

［1］唐大學.柴油機廢氣排放控制技術新進展［J］.內燃機，2012（5）：1-4，10.

［2］潘芝桂，邵毅明，吳岳偉.柴油機排放控制技術研究現狀與發展趨勢［J］.內燃機，2010（3）：1-4，10.

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

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

［5］周龍保.內燃機學［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［6］陶建忠.利用選擇性催化還原反應（SCR）降低車用柴油機氮氧化物的技術研究［D］.濟南：山東大學，2008.

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

［8］鄧家奇，周家旺，高聰聰.車用柴油機歐Ⅴ、歐Ⅵ排放控制技術路線研究［J］.汽車實用技術，2016（2）：14-16.

［9］樓狄明，張正興，譚丕強，等.車用柴油機選擇性催化還原技術研究進展［J］.環境科學與技術，2009（12）：103-108.

［10］樓狄明，馬濱，譚丕強，等.后處理技術降低柴油機NOx排放的研究進展［J］.小型內燃機與摩托車，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

河南省創新型科技團隊（C20150017）；河南省工程技術研究中心（豫科2016-221號-高新35）；鄭州市重點實驗室（鄭科技［2014］3號-10）。

李志遠（1988-），男，研究生，研究方向：車輛、發動機測試。