關于柴油車后處理凈化技術的研究

劉飛鋒 陳康

摘要： 伴隨著汽車交通行業的發展進步，為了全面減少汽車尾氣排放造成的環境隱患，要結合技術要求、環境保護要點積極推進柴油車后處理凈化技術，依據污染物生成機理和影響要素打造多元科學的凈化處理體系。本文簡要介紹了柴油車后處理凈化技術，并從氧化催化轉化器、NOX機外凈化技術、顆粒物機外凈化技術、四效催化轉化器等方面著重探討了技術的具體內容。

Abstract： With the development and progress of the automobile transportation industry， in order to comprehensively reduce the environmental hazards caused by automobile exhaust emissions， we should actively promote the post-treatment and purification technology of diesel vehicles in combination with the technical requirements and environmental protection points， and build a multi scientific purification system according to the pollutant generation mechanism and influencing factors. This paper briefly introduces the post-treatment and purification technology of diesel vehicle， and emphatically discusses the specific contents of the technology from oxidation catalytic converter， external purification technology， particulate matter external purification technology， four-way catalytic converter and other aspects.

關鍵詞： 柴油機;后處理凈化技術;NOX機外凈化

Key words： diesel engine;post treatment and purification technology;NOX external purification

中圖分類號：[U473.9]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0056-02

0? 引言

為了提升柴油機應用質量和效率，要整合具體方案和技術要點，建構完整的技術處理模式，提高凈化處理的綜合效果，從而實現多元、科學的研究模式，為城市交通健康發展奠定堅實基礎。

1? 柴油車排氣凈化的難點

由于柴油機和汽油機在工作期間所使用的燃料存在較大差異，對此在對柴油機排放物進行凈化處理時，其重點對象、采取凈化技術也和汽油機存在較大差異。結合以往得到的數據可以了解到，柴油機對外排放的顆粒物、NOX的排放也會給人類健康帶來非常大的危害性，因此在對柴油車進行凈化處理時，其焦點內容便是降低NOX和微粒物的排放量。但是從實際控制情況來看，進行柴油車排氣凈化處理時的難點內容如下：第一，通常情況下，NOX有害物的排放需要借助還原反應來實現，但是柴油機在正常工作狀態下，會使用大量空氣系數超過1的混合氣體，排放的廢氣中含氧量較高，很難使用理論空燃比混合氣下工作的三元催化劑來對其進行還原處理，整個處理過程的難度較高。第二，減少柴油機微粒排放量的過程也比較復雜，排放到空氣中的微粒成分和形態比較復雜，其既有氣相微粒，又有固態碳微粒，這樣在對其進行處理時，其整個過程的復雜度也更高。目前雖然會使用到機械內部和外部同時處理的綜合措施，但是柴油機排氣凈化過程無法利用三元催化器來實現，而使用“微粒過濾器+氧化催化反應”也存在許多弊端，也是后續研究中需要重點關注的內容。

2? 柴油車后處理凈化技術具體內容

2.1 氧化催化轉化器

柴油機氧化催化轉化器簡稱為DOC，在實際應用中，要借助催化氧化的處理方式減少柴油機排放氣體中一氧化碳和HC的具體排放量。并且，技術應用中還要借助氧化顆粒中可溶性有機類物質降低顆粒物的具體排放量。例如，Pt、Pd等貴金屬若是催化劑，則要將蜂窩陶瓷作為催化劑的載體。氧化催化轉化器在實際操作工序中，對于一氧化碳的轉化效率能達到90%，減少柴油機排放氣體的臭味，并且能去除90%以上的SOF組分，滿足PM脫除效率的應用要求。

2.2 NOX機外凈化技術

因為柴油機富氧燃燒會造成廢氣中含氧量的增多，因此，在借助氧化還原反應進行處理的過程中，也要關注催化產物的影響。比如，在汽油機上應用三效催化轉化器能將凈化條件中過量空氣系數維持在1，若是空氣含量超出限定要求，則NOX會代替一氧化碳和HC與氧氣反應，基于此，三效催化轉化器盡管能降低NOX含量，但是在柴油機上應用卻存在一定的局限性[3]。

2.2.1 NOX吸附催化還原法

主要是將發動機周期性稀燃和富燃工作作為基礎標準，建立匹配的NOX凈化處理模式，采取的吸附器也是臨時性NOX存儲結構，一般會選擇具有吸附NOX能力的貴金屬、堿金屬等。需要注意的是，溫度、燃油中硫元素、水等情況都會對NOX吸附催化還原產生影響。首先，溫度若是較高，則熱力老化現象嚴重;若是溫度較低，則一氧化氮很難轉變為二氧化氮，并且，捕集的NOX也會出現熱解釋放的問題。其次，燃油中硫元素會間接生成硫酸鋇，或者是增加了氨氣的排放量。最后，水分子會對Al2O3的活性產生影響。

2.2.2 NOX選擇性催化還原法

NOX選擇性催化還原法最初被廣泛應用在固定式污染源處理工作中，能有效降低NOX的具體含量，避免排放量超標造成環境破壞問題。較為常見的技術類型包括SNCR、NSCR、SCR技術，應用最廣的就是SCR處理技術。將氨氣或者是碳氫化合物作為還原劑，在催化劑的作用下，就能利用化學反應將NOX轉變為氮氣和水。另外，SCR轉化器的催化作用本身就具備一定的選擇性目的，NOX還原反應實現了加速，則還原劑的氧化反應就會受限，所以，要想發揮技術優勢，就要避免氨氣在氧化作用下形成一氧化氮[4]。

2.3 顆粒物機外凈化技術

較為常見的顆粒物脫除工序包括機內控制技術體系、后處理技術體系，能有效減少細顆粒物的含量，避免機內技術處理工序中的不當問題。在顆粒物機外凈化技術應用過程中，微粒補集器是非常關鍵的技術單元，配合等離子體凈化處理、靜電分類處理就能進一步實現顆粒物的脫除控制目標。利用排氣尾部添加微粒捕捉器的方式能有效提升后處理效果，借助攔截操作、碰撞操作、擴散操作等有效維持捕集效果[5]。目前，柴油機微粒捕集器主要是采取過濾處理的方式，將排氣中微粒捕捉后，匹配整體式陶瓷結構、金屬絲網結構、紡織纖維圈結構等有效提升微粒處理效果，能將有害物微粒減少70%到90%。

2.3.1 基本材料

在柴油機排氣后處理裝置應用的過程中，主要的材料還涉及壁流式蜂窩陶瓷過濾體、泡沫陶瓷過濾體等。例如，壁流式蜂窩陶瓷過濾體在過濾器的入口位置要設置對應的燃燒器，借助噴油器向燃燒器中噴入燃油，供入二次空氣的同時，借助火花塞維持點燃狀態，并且將滯留在濾芯上的微粒予以處理。

2.3.2 過濾機理

第一，擴散。指的是在排氣氣流處理的過程中，微粒受到氣體分子熱運動的作用，就會出現運動狀態，配合流場中捕集處理方式，能實現匯集處理工序，實現排氣中微粒分布的濃度梯度，從而維持擴散輸運的股反省，保證運動捕集的最優化。另外，微粒的尺寸和排氣的溫度呈反比例關系，也就是說，微粒的尺寸越小，對應的排氣溫度越高，則運動越來越劇烈，對應的擴散沉積現象也就越明顯。

第二，攔截。在微粒接近過濾表面時，微粒若是和過濾表面的距離≤微粒半徑，則微粒就能實現捕集。

第三，重力沉降，在柴油機緩慢運行的廢氣流經捕集設備的過程中，因為速度較慢，所以廢氣留存的時間較短，直徑較大的粒子會在重力作用下出現脫離流線的情況，直接沉淀在捕集單元位置，此時，重力沉降就發揮了分離作用，有效利用沉降實現捕集。

2.3.3 捕集器再生技術

伴隨著科學技術的不斷發展和進步，捕集處理方式能在提升過濾效率的同時，減少排氣阻力。而對于再生技術體系，分為主動再生系統和被動再生系統，并且利用電加熱再生、燃燒器加熱再生、反吹式再生以及連續催化再生等方式建立相應的再生處理模式。

2.4 四效催化轉化器

四效催化轉化技術是基于后處理裝置，對一氧化碳、碳氫化合物、NOX以及PM進行同時脫除處理，目前相關研究主要集中在催化轉化器的優化組合以及催化劑融合開發方面。例如，美國Ceryx公司研發的QuadCAT四元催化轉化器、英國Johnson Matthey公司研發的SCRT四元催化轉化器技術等。配合商業化應用要求，積極完善高活性多組分四效處理模式，有效構建多元應用平臺，維持催化效果。

2.5 等離子技術

在處理柴油機廢氣時，等離子技術也是經常使用到的處理方法，也是目前用來降低NOX排放量的常用技術。在具體實踐中，等離子技術會和催化劑技術關聯在一起進行使用，即利用等離子技術來提高催化還原反應的工作效率。在對其等離子提升NOX轉化效率的實驗中，共使用到有催化劑的等離子裝置和沒有催化劑的等離子裝置來建立對照實驗，根據得到的實驗結果顯示，沒有添加催化劑的等離子裝置并不能降低NOX的排放量，需要催化劑來作為輔助條件，從而提升了NOX的轉化效率，滿足系統穩定運行的基礎要求。但是等離子技術應用過程還存在著許多復雜性問題，也是日后應用時需要重點考量的內容。

2.6 聯合凈化技術

現代柴油車的排放控制，需要機內技術與后處理技術結合使用。在聯合凈化技術的應用中，可分為以下兩種處理方案：①DOC+DPF+LNT+SCR的技術方案，這種技術方案的系統集成主要應用與輕型柴油車領域，其中LNT與 SCR技術的組合是研究的熱點。其中DOC和DPF緊湊的布置在最前端，這樣可以充分的利用發動機排氣口的高溫來促進DPF的被動再生。LNT則用來降低排放中的NOX，在發動機開始燃燒時，對于吸附的NOX進行還原，期間也會生成了少量的NH3，通過管道存儲到SCR催化劑中進行處理，從而還原成無害的氮氣。如果發動機處于稀燃的狀態，那么此時產生的NH3也會將LNT泄露出來的NOX還原成N2。②DOC+DPF+尿素SCR的技術方案，此類處理方案主要適用于中重型柴油車，在具體應用中，此方案能夠細分為DPF在上游和SCR在上游兩種類型，這樣在應用中也可以減少壓力損失，同時也可以減少后處理系統的尺寸，并且SCR系統起燃性較好，可以滿足不同情況下的應用需求。

3? 結束語

總而言之，柴油車后處理凈化技術的研究是基于技術體系升級層面，要在補充機內凈化技術不足的同時，打造更加全面合理的機外凈化處理方式，從而減少一氧化碳、碳氫化合物等物質對大氣產生的影響，落實節能環保的管理方案，為城市交通事業健康綠色可持續發展提供保障。

參考文獻：

[1]邵靜，KENT KAMMER HANSEN.基于電化學凈化原理的一體式柴油車尾氣后處理技術的研究[C].中國化學會第30屆學術年會論文集，2016.

[2]單文坡，余運波，張燕，等.中國重型柴油車后處理技術研究進展[J].環境科學研究，2019，32（10）：1672-1677.

[3]帥石金，劉世宇，馬驍，等.重型柴油車滿足近零排放法規的技術分析[J].汽車安全與節能學報，2019，10（1）：16-31.

[4]劉振.試析柴油機后處理技術發展現狀[J].汽車博覽，2020（1）：16-17.

[5]單文坡，劉福東，賀泓.柴油車尾氣中氮氧化物的催化凈化[J].科學通報，2018，59（26）：2540-2549.