柴油機排放處理技術方法研究

薛 鵬

（同濟大學汽車學院，上海 201804）

1 概述

在傳統燃油車的技術相對完善的今天，人們發現與汽油機相比，柴油機有著更好的動力性和燃油經濟性的特點，但柴油機的工作特性也決定其自身的缺點，其中微粒PM的排放尤為突出。燃燒時爆發壓力高，是柴油機動力性好原因，但也同時導致了柴油機噪聲較大，工作粗暴。HC、CO和CO2的排放濃度與汽油機相比是較低的，這是柴油完全燃燒后帶來的優勢；燃燒后NOX的排放，柴油機與汽油機污染物比例基本相當。在排放控制中，汽油機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現尾氣控制，但并不適用柴油機。因此柴油機的排放問題中的關鍵就是如何降低NOX和 PM，但柴油機的 NOX和 PM 排放是一種矛盾的關系，此消彼長，排放控制工作的重點是進行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，機內凈化和后處理凈化。其中，后處理凈化技術就是使燃燒室排出的廢氣在排氣系統中進行凈化處理。

柴油機尾氣污染物主要是PM和NOX。因此，針對這兩種污染物，是柴油機的排氣后處理技術的核心。 柴油機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化器。

2 微粒捕集器（DPF）

柴油機微粒捕集器( Diesel Particulate Filter，DPF)是針對柴油機微粒PM的一種高效后處理技術。PM經過裝置后進行過濾，然后定時對過濾器內收集到的PM進行清除，實現DPF的連續使用，我們稱之為再生。

再生通常采用PM燃燒的方式來實現。PM是柴油燃燒之后的產物，所以只要提供足夠的溫度，PM 是可以繼續燃燒，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，被動再生和主動再生兩種方法就研發出現。被動再生是通過加入催化劑，降低 其反應活化能；主動再生是采用加熱技術提高柴油機排氣溫度或過濾體的溫度。

微粒捕集器的捕集原理：過濾技術和非過濾技術。通過微粒間的碰撞、攔截、擴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。類似于靜電除塵，將尾氣中的顆粒在高壓電暈放電場中荷電的等離子技術，這就是非過濾技術。微粒捕集器結構類型分為以下兩類，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。因為過小的孔隙會影響氣體的流動，產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計理念，如日本 NGK公司和美國康寧公司的產品。

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。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，否則同樣會限制著氣體的流動。因此，線圈式微粒捕集器是該類型主要設計理念，如奔馳汽車公司和曼-胡默爾公司的聯合生產產品。

3 選擇還原催化轉化器（SCR）

柴油機排氣中的HC和CO含量很低，這是因為尾氣中氧的含量很高，所以，在汽油機針對NOX的后處理系統，對柴油機不適用，即三元催化轉化器。化學方法能實現降低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、氧化實現尾氣處理，但是這個過程較為困難并且時間漫長，并沒有得到實際應用。就目前的技術水平來說，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技術是使用還原劑(如氨水、尿素等)，然后噴入排氣管中，但是針對性不強，在催化轉換器的作用下，強行與尾氣中的NOX進行反應。可是在富氧燃燒的柴油機中，很容易還原劑直接被氧化，故性價比不高，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發生化學反應。最終的生成產物是無污染N2和H2O。但是針對性更強，電控化更高，催化劑配方不同，效果自然更加完善。因此，在柴油機上選擇催化還原是具有應用價值的技術。NOX的還原反應在SCR中提高了反應速度，抑制了還原劑的自然氧化，主要反應發生如下：

典型的 SCR系統主要由尿素噴嘴、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，噴射后揮發出NH3。

圖2 車用SCR系統

柴油機以其優良的性能推廣使用，微粒捕集器技術和選擇還原催化轉化器技術是處理柴油機污染物有效方法的佼佼者，如虎添翼地推動了柴油機的技術發展，為節能減排起到了戰略性意義。

[1] 陶漢國.柴油機Urea-SCR系統控制策略研究.武漢理工大學.

[2] 王天友等.燃油催化微粒捕集器微粒捕集與強制再生特性的研究[J].內燃機學報,2007,259（6）527-531.

[3] 資新運,寧智,吳良勤等.泡沫陶瓷過濾機理的研究.內燃機學報,2000,18：156-160.