柴油机排放处理技术方法研究

2018-06-01薛鹏

汽车实用技术 2018年10期

薛鹏

（同济大学汽车学院，上海 201804）

1 概述

在传统燃油车的技术相对完善的今天，人们发现与汽油机相比，柴油机有着更好的动力性和燃油经济性的特点，但柴油机的工作特性也决定其自身的缺点，其中微粒PM的排放尤为突出。燃烧时爆发压力高，是柴油机动力性好原因，但也同时导致了柴油机噪声较大，工作粗暴。HC、CO和CO2的排放浓度与汽油机相比是较低的，这是柴油完全燃烧后带来的优势；燃烧后NOX的排放，柴油机与汽油机污染物比例基本相当。在排放控制中，汽油机一般处于理论空燃比周围且排气温度高，可以采用三元催化实现尾气控制，但并不适用柴油机。因此柴油机的排放问题中的关键就是如何降低NOX和 PM，但柴油机的 NOX和 PM 排放是一种矛盾的关系，此消彼长，排放控制工作的重点是进行NOX与PM的折中。

控制汽车排放污染的途径一共有三种，分别是前处理净化，机内净化和后处理净化。其中，后处理净化技术就是使燃烧室排出的废气在排气系统中进行净化处理。

柴油机尾气污染物主要是PM和NOX。因此，针对这两种污染物，是柴油机的排气后处理技术的核心。柴油机的排气后处理器主要有：1）可降低PM排放的微粒捕集器；2）可降低NOX排放的选择性还原催化转化器。

2 微粒捕集器（DPF）

柴油机微粒捕集器( Diesel Particulate Filter，DPF)是针对柴油机微粒PM的一种高效后处理技术。PM经过装置后进行过滤，然后定时对过滤器内收集到的PM进行清除，实现DPF的连续使用，我们称之为再生。

再生通常采用PM燃烧的方式来实现。PM是柴油燃烧之后的产物，所以只要提供足够的温度，PM 是可以继续燃烧，最后变化为CO2和H2O的。PM的起燃温度一般情况下，需在550℃以上，650℃以下，这就高于了正常排气温度。因此，使PM能够燃烧，被动再生和主动再生两种方法就研发出现。被动再生是通过加入催化剂，降低其反应活化能；主动再生是采用加热技术提高柴油机排气温度或过滤体的温度。

微粒捕集器的捕集原理：过滤技术和非过滤技术。通过微粒间的碰撞、拦截、扩散或重力沉降等原理吸附在捕集器单元中，这就是过滤技术。类似于静电除尘，将尾气中的颗粒在高压电晕放电场中荷电的等离子技术，这就是非过滤技术。微粒捕集器结构类型分为以下两类，如下图。

图1 表面型DPF和体积型DPF作用简图

1）表面型微粒捕集器：这种微粒捕集器是将颗粒物吸附在过滤材料的表面。其典型材料是具有透气的陶瓷，通过材料之间的孔隙完成颗粒物的过滤（图 1a）。孔隙一般大于微粒。因为过小的孔隙会影响气体的流动，产生过大气体阻力反而不利于颗粒物的吸附。因此，蜂窝状陶瓷微粒捕集器是该类型主要设计理念，如日本 NGK公司和美国康宁公司的产品。

2）体积型微粒捕集器：这种微粒捕集器是将颗粒物吸附在过滤材料的体内。其典型材料是陶瓷或纤维，然后绕制而成的（图 1b）。尾气中的颗粒在这种类型的微粒捕集器滤芯中改变着流速及流向，但是其流速不能较快，纤维之间的距离也是不能小于微粒的直径，否则同样会限制着气体的流动。因此，线圈式微粒捕集器是该类型主要设计理念，如奔驰汽车公司和曼-胡默尔公司的联合生产产品。

3 选择还原催化转化器（SCR）

柴油机排气中的HC和CO含量很低，这是因为尾气中氧的含量很高，所以，在汽油机针对NOX的后处理系统，对柴油机不适用，即三元催化转化器。化学方法能实现降低NOX的方法有：1）NOX的分解；2）NOX的氧化；3）NOX的还原。理论上 NOX可以通过分解、氧化实现尾气处理，但是这个过程较为困难并且时间漫长，并没有得到实际应用。就目前的技术水平来说，在排气管中，加入还原剂是最佳的解决方案，通过还原NOX的方法有以下几类[1]：

（1）非选择催化还原(NSCR)

NSCR技术是使用还原剂(如氨水、尿素等)，然后喷入排气管中，但是针对性不强，在催化转换器的作用下，强行与尾气中的NOX进行反应。可是在富氧燃烧的柴油机中，很容易还原剂直接被氧化，故性价比不高，消耗量极大。

（2）选择催化还原(SCR)

SCR的原理与NSCR相似，同样利用还原剂NH3。将其加入到高温废气中，与NOX发生化学反应。最终的生成产物是无污染N2和H2O。但是针对性更强，电控化更高，催化剂配方不同，效果自然更加完善。因此，在柴油机上选择催化还原是具有应用价值的技术。NOX的还原反应在SCR中提高了反应速度，抑制了还原剂的自然氧化，主要反应发生如下：