柴油車尾氣氮氧化物控制技術現狀

郭秀榮 徐岳峰

摘?要：隨著我國機動車數量大幅增長，機動車尾氣污染物排放量也隨之增加。氮氧化物（NOX）是機動車排放四項污染物之一，會給人類健康和自然環境帶來嚴重的影響，降低柴油車尾氣NOX排放的方法主要有機內凈化和后處理技術，機內凈化技術主要從進氣、燃燒、噴油以及廢氣再循環等方面進行改善排放;尾氣NOX后處理技術主要有稀燃NOX捕集技術、選擇性催化還原技術及低溫等離子體技術，其中選擇性催化還原技術應用較多，低溫等離子體技術處于試驗階段，目前尚未成熟。

關鍵詞：柴油車;尾氣;氮氧化物;控制技術

1 概述

隨著中國社會生產力的發展、科學技術的進步以及產業結構的調整，我國的交通事業日漸完善，機動車數量大幅增長，據2018年《中國機動車環境管理年報》統計，全國機動車保有量達到3.1億輛，其中汽車2.17億輛。而機動車排放的廢氣同樣與日俱增，機動車尾氣控制和治理機動車尾氣迫在眉睫。而柴油車在機動車氮氧化物排放量分擔率占比上大幅領先于汽油機。

國Ⅱ和Ⅴ標準的柴油車NOX排放量分擔比例較小，這是由于國Ⅱ和國Ⅴ標準的柴油車數量較少，僅占柴油車保有量的7.3%;國Ⅲ標準的柴油車NOX排放量分擔比例最大，高達63.2%，國Ⅳ標準的柴油車NOX排放量則占26.6%[1]。

氮氧化物（NOX）是機動車排放四項污染物之一，會給人類健康和自然環境帶來嚴重的影響。綜合已知的降低尾氣排放的方法，可以將其大致分為兩類：一種是在燃油燃燒時降低排放的機內凈化技術，另一種是柴油機尾氣后處理技術。

2 機內凈化技術

機內凈化技術主要從進氣、燃燒、噴油以及廢氣再循環等方面進行研究。通過機內凈化技術的發展降低了柴油機排放物，緩解了后處理技術的壓力。

2.1 渦輪增壓中冷技術

通過渦輪增壓使進入柴油機汽缸內的空氣密度增大，實現高的空氣燃油比率，達到超低NOX排放和高熱效率。然而增壓導致空氣密度提高必然提高空氣的溫度，不僅影響充氣效率還會導致爆燃。此外，據實驗數據統計，較低的空氣溫度有利于柴油機功率增加以及降低排放廢氣中的氮氧化物，所以在增壓器和柴油機進氣管之間必須增加中冷技術（中冷器）。

2.2 改進燃油系統

使用新型的燃燒技術，例如均質燃燒、低溫燃燒和高預混燃燒;以及改進燃油噴射技術，要實現低排放，需要滿足以下要求：提高噴油壓力，提高燃油的霧化程度;優化噴油規律，實現的每循環多次噴射。

2.3 廢氣再循環

柴油機燃燒后排放的氣體含氧量極低，將其與進來的氣體混合后實現氣體中的氧氣濃度降低，這時的柴油機燃燒溫度降低，從而抑制了氮氧化物的產生。

3 柴油機尾氣后處理技術

柴油機尾氣后處理技術主要包括：顆粒捕集器（DPF）、氧化催化轉化器（DOC）、NOX凈化技術。

3.1 稀燃NOX捕集技術（Lean NOXTrap，LNT）

LNT也稱NOX存儲還原技術（NOXstorageandreduction，NSR）是利用發動機在稀燃排氣條件下NOX吸附，富燃排氣條件下將NOX還原為N2的周期性尾氣后處理技術[1，2]。LNT技術的NOX去除率能達到90%以上，并且不需要像SCR系統添加額外的尿素溶液存儲控制設備和相應的設備建設[2]。LNT技術簡單的系統結構不僅使得柴油車在空間占用上進行了縮減、成本降低，而且不容易發生故障。

3.2 選擇性催化還原技術（Selective Catalytic Reduction）

氨氣選擇性催化還原技術（NH3-Selective Catalytic Reduction，NH3-SCR）是由美國Engelhard公司首次提出，日本于20世紀70年代率先實現工業化，隨后逐步在歐美國家廣泛應用。其工作過程是向尾氣中噴入還原劑氨或者尿素，在催化劑作用下，將尾氣中的NOX還原成無毒害的N2和H2O，實現氮氧化物的去除[3]。

目前商用的催化劑是V2O5-WO3/TiO2系列，適合其工作的溫度窗口狹小，當氣體溫度到達300℃-400℃時，SCR系統才能實現最大效率的NOX去除。在相對較低的溫度范圍內，V2O5-基催化劑的水中毒和硫中毒問題一直未得到有效的解決[4]。

3.3 低溫等離子體技術（Non-thermalplasma，NTP）

近年來，低溫等離子體技術因其產生的激發態粒子、高能電子、自由基和離子等活性粒子能與有害氣體分子發生物理化學反應而逐漸受到相關學者的注意。其特點是具有物理效應、化學效應和生物效應，并且有消耗能量少、凈化效率高、沒有二次污染等明顯的優點。但是低溫等離子體技術在柴油車尾氣凈化中仍然處于試驗階段，目前尚未成熟。

4 結論

降低柴油車尾氣NOX排放的方法機內凈化技術和尾氣后處理技術。機內凈化技術主要從進氣、燃燒、噴油以及廢氣再循環等方面進行改善排放;尾氣NOX后處理技術主要有稀燃NOX捕集技術、選擇性催化還原技術及低溫等離子體技術，選擇性催化還原技術應用較多，低溫等離子體技術處于試驗階段，目前尚未成熟。

參考文獻：

[1]劉磊.EGR與LNT協同控制稀燃汽油機NO_x排放試驗及仿真研究[D].天津：天津大學，2016.

[2]趙海寧.吸附還原催化系統降低稀燃汽油機NOx排放仿真研究[D].天津：天津大學，2010.

[3]Shi C，Ji Y，Graham UM，et al.NOx Storage and Reduction Properties of Model Ceria-based Lean NOx Trap Catalysts[J].Applied Catalysis B：Environmental，2012，119-120：183-196.

[4]Feng guo Jian-Yu-Mo-Chu-Guangwen-Xu.Interaction between support and V2O5 in the selective catalytic reduction of NO by NH3[J].Catalysis Science & Technology，2014，4（7）：2147-2155.