柴油機排放處理技術(shù)方法研究

薛 鵬

（同濟大學汽車學院，上海 201804）

1 概述

在傳統(tǒng)燃油車的技術(shù)相對完善的今天，人們發(fā)現(xiàn)與汽油機相比，柴油機有著更好的動力性和燃油經(jīng)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(fā)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(yōu)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(xiàn)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(guān)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(guān)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(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(shù)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(zhuǎn)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(shù)。PM經(jīng)過裝置后進行過濾，然后定時對過濾器內(nèi)收集到的PM進行清除，實現(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，被動再生和主動再生兩種方法就研發(fā)出現(xiàn)。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(shù)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(shù)和非過濾技術(shù)。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(shù)。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(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(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計理念，如日本 NGK公司和美國康寧公司的產(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(lián)合生產(chǎn)產(chǎn)品。

3 選擇還原催化轉(zhuǎn)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(tǒng)，對柴油機不適用，即三元催化轉(zhuǎn)化器?；瘜W方法能實現(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、氧化實現(xiàn)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(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，但是針對性不強，在催化轉(zhuǎn)換器的作用下，強行與尾氣中的NOX進行反應?？墒窃诟谎跞紵牟裼蜋C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(fā)生化學反應。最終的生成產(chǎn)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(shù)。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(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(shù)發(fā)展，為節(jié)能減排起到了戰(zhàn)略性意義。

[1] 陶漢國.柴油機Urea-SCR系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)燃機學報,2000,18：156-160.