柴油车排气颗粒物的后处理技术研究

2023-01-19沈先明

科学与信息化 2022年15期

沈先明

合肥和安机械制造有限公司安徽合肥 231200

引言

近些年，为了落实环境保护的目标要求，我国针对排放法规也做出了进一步地完善，提出了更严格的要求。在当前柴油机的使用过程中，一个重点的内容就是减少颗粒物的排放，如果仅仅依靠机内净化技术，难以实现这一目标，因此为了符合当前的排放法规的要求，就要通过后处理技术的科学应用，有效地去除排气颗粒物，从而实现对于柴油机的排放控制。

1 柴油机排气颗粒物

DPM属于较为复杂的聚合体，由流体与固体构成。随着气缸内部的燃烧，就会出现碳微粒，这也是DPM的最初形态，在实现对于烧结物的组成的过程中，也掺入了有机物、无机物等几种物质，共同组成了柴油废气。一般来说，在DPM中，涉及3种物质成分，分别为固体物质、可溶性有机组分、硫酸盐物质。首先对于固体物质来说，也就是干碳微粒，常常也将其叫作黑烟，在整个聚集物之中，这一部分发挥着核心作用。其次，对于可溶性有机组分而言，就是在碳颗粒的表面上，存在重烃的凝结与吸附。按照不同的来源，可以将其进行两个类型的划分，分别为未燃燃料以及未燃润滑油。最后，硫酸盐物质的产生源自于燃料中的硫成分的含量，这一部分也就是硫酸盐水合物。由于差异性的发动机，就会形成不同的DPM组成，而在DPM之中，所混合的具体成分取决于发动机所具有的转速以及负载。针对湿颗粒而言，其中的可溶性有机组分可能会达到60%，而在干颗粒中，主要的组成成分为干碳。在柴油中所包含的硫的含量会直接决定硫化物的含量，相比较普通的颗粒物，在DPM之中具有部分重金属元素的吸附，而且还包含多环芳烃等致癌物质，因此如果这些颗粒被人体吸入，那么就会威胁到人体的健康和安全。其中的多环芳烃作为一种常见的致癌物，在其中包含超过两个的苯环碳氢化合物。随着柴油机的废气产生，也分解了其中的多环芳烃成分，将其分成颗粒、气体两种形态，而且在DPM有机物中，夹带着大部分的混合物，具有一定的有害性。

DPM具有种种危害性，不仅仅会影响环境，带来异样的气味，一个最严重的问题就是能够直接威胁到人的身体健康。在当前城市的发展过程中，面临着严重的空气污染问题，而其中一个最为关键的内容就是颗粒排放。根据相关的卫生研究证实，空气中的颗粒污染直接使得人的各种疾病发病率的提升，在这其中，以柴油机所排放的颗粒物最为典型，在当前的颗粒污染问题中，一个主要的排放源头就是柴油机。

2 柴油车排放颗粒物的后处理技术

2.1 颗粒捕集器

对于颗粒捕集器而言，这一项目内容的研究经历了几十年之久，主要原理就是在发动机排气管之中，进行过滤器的设置，依靠其进行颗粒物的过滤。所选取的过滤材料载体的材质有很多，比如说金属、陶瓷、陶瓷纤维。在过滤器中进行颗粒物的捕集，之后在其中所收集到的颗粒物通过氧化燃烧，并实现捕集器再生。随着研究的推进，提出了多种类型的颗粒捕集器，在其中广泛应用的一种设计方式就是整体壁流式设计。在这一类型的过滤器中，以陶瓷材料作为过滤材料，一般都具有一定的特殊性，比如说堇青石，或者也可以应用陶瓷纤维，具有连续式特点，在标准产品制作时，能够满足多种型号需要。

对于捕集器再生而言，从根本上来看，这一流程属于氧化碳烟与捕集之间的动态平衡。在柴油机中所产生的颗粒物由多种物质混合，具有较为复杂的结构。所以只有在温度达到500℃以上，才能够使得混合物发生燃烧。因此，针对这一燃烧温度要求来看，依靠柴油机的正常排气温度是难以达到标准的。所以，为了满足温度要求，可以通过外加热源的方式，实现排气温度的提高，也可以依靠催化剂，让其能够具有更低的氧化温度。在这一过程中，一个重点需要关注的问题就是在颗粒物燃烧的过程中，随着温度的升高，可能会造成捕集器出现断裂、融化等现象。所以，无论应用哪种点火方式，都要以不会对于捕集器造成损坏为前提，这也是在进行颗粒捕集器研发过程中一个需要重点强调的内容。捕集器再生方法较多，可以将其总结为两大类型，分别为积极以及消极再生方法。

2.1.1 消极再生方法。对于这一方法而言，原理就是通过催化剂，使得碳烟燃点降低，其中以催化过滤器最为常见，随着研究的深入，在此基础上也推出了多种过滤器，比如说CRT过滤器、添加剂过滤器等。这种再生方法能够实现催化转化和捕集器的一体化，不仅整个装置具有较高的简便性，而且无须额外的能量。因此，对于催化过滤器来说，属于当前的一个备受关注的研究问题。催化过滤器其中增加了催化剂的设置，具体的再生原理就是通过捕集器表面的催化剂涂层，利用其中所具有的贵金属的含量，实现对于颗粒物的催化分解，这样就能使得过滤器再生温度降低，下降幅度在大约100℃，这样就能够催化过滤器的再生。当前大部分催化过滤器的载体都采用了蜂窝陶瓷过滤器，以堇青石作为原料，也研发了具体的标准产品。在上方的催化剂涂层也具有多种配方，不仅可以应用贵金属，也可以选择碱土金属。通过陶瓷催化过滤器的应用，能够实现较高的DPM去除率，但是在这一过程中，相对来说也增加了压力降。而连续再生过滤器针对颗粒物排放控制所起到的作用，也实现了商业化发展。这种过滤器就是在捕集器前进行氧化催化剂的增设，这样就能够通过氧化催化剂，实现对于所捕集的颗粒的氧化，从而达成连续再生目标。在这一过程中，为了确保其能够处于良好的运行状态，要进行脱硫燃油的使用。针对采用添加剂的过滤器来说，其中所添加的燃油有催化剂中，以铁、铜、铂等为主要类型。在当前的柴油轿车的过滤器中，以铈这种添加剂最为常见。现阶段，随着各种实验的开展，也对于各种材质过滤器上添加剂的应用所产生的再生效果，展开了进一步评价。

2.1.2 积极再生方法。对于这种再生方法而言，主要就是以电加热系统、燃油燃烧器等设施，实现对于颗粒物的燃烧。相较于上文所提到的消极再生方法，这种积极方法具有较高的复杂性，在维修的过程中较为烦琐，而且还会带来额外的能源消耗。

电加热再生。这种方法就是利用通电加热，通过加热DPF，这样就能够燃烧微粒。一般就是在过滤器中进行电热丝的设置，通过电热丝加热实现这一再生过程。

燃烧器加热再生。这种方式就是在过滤器中，一般是入口处的位置，进行燃烧器的增设，随着二次空气、柴油的喷入，这样就能够促进微粒的燃烧，从而达到再生的目的。在应用这一方法的过程中，要进行额外的燃油提供，而且还对于燃烧器的温度，做出了恒定要求。所以在其中要设置一套自动调节系统，实现对于燃料以及二次空气供给的有效控制[1]。

微波再生。这一再生理念的提出时间较早，就是通过对于捕集器以及表面颗粒所具有的差异性的介电性能，随着微波的辐射，不同的吸收以及能量转化能力都会限制其加热程度。通过对于微波所具有的选择性加热的特点的利用，能够实现能量的集中，让其重点放在烟碳加热之上，这样就能够有效地减少能耗，同时还能够让整个捕集基质材料会直接决定所实现的处理效果。如果对于微波来说，基质材料属于透明的，那么能够实现较为良好的颗粒物的加热效果。如果所采用的材料对于微波具有吸收作用，那么就会造成颗粒物和捕集器共同加热。

对于颗粒过滤器而言，能够实现良好的颗粒物去除的效果，但是在中重型的柴油车排气中，具有更高的适用性。这主要是由于当前的捕集器要想实现再生，温度要超过300℃，因此只有中重型的柴油车，能够符合这一排气的温度要求。

2.2 催化净化器

直至今日，针对柴油机的颗粒物催化、净化这一方面的很多技术，都实现了商业化的发展。具体功能就是依靠对于颗粒物中所具有的可溶性有机组分控制，实现对于颗粒物排放量的有效限制。随着研究的深入，也促进了催化剂配方的优化和完善，能够实现对于硫酸盐颗粒物减少的效果[2]。

2.2.1 氧化催化剂。在20世纪的70年代，在柴油车上就有了氧化催化转化器安装的概念。通过氧化催化剂在柴油机中的应用，就是为了实现对于颗粒物排放数量的控制，具体的原理等同于汽油机，一般采用整体蜂窝状堇青作为载体，在最大程度上，确保废气和氧化剂能够充分接触。通过氧化催化剂，能够对于其中所具有的碳氢化合物、一氧化碳、SOF，让其获得进一步氧化，从而变成水和二氧化碳。在柴油机上，虽然具有比较低的排气温度，增加了碳烟氧化的难度，但是通过氧化催化剂的使用，能够实现对于SOF之中所具有的大多数的碳氢化合物的转化，这样就能够从整体上减少微粒排放，具有较为良好的颗粒物的去除效果。而且还能够有效地降低气相中部分气体的排放量，让柴油机在排气的过程中，不再具有较为浓郁的臭味。对于这种方法而言，具有一定的缺陷。如果温度大于催化剂的限定范围的最大值，那么大概率会产生逆向反应，从而造成二氧化硫的氧化，让其变为三氧化硫，在经过和水的结合以后，就会产生硫酸。

2.2.2 四效催化剂。通过四效催化剂的运用，能够对于柴油机排气中所包含的颗粒物以及有害气体成分一并去除，属于一种较为理想的净化方法，属于在柴油机上所应用的汽车三效催化剂的概念。但是从实际角度上来看，要想基于氧化氛围之下实现还原，具有较大的难度，而且在具体的排气过程中，气体比例也会对于二者反应，造成不良影响，所以依然有待继续深入的研发[3]。

2.3 低温等离子催化转化法

对于污染控制工程来说，低温等离子技术具有较为较广泛的应用，而在柴油机的废气控制方面，依然属于一种新型方法，引发了很多研究人员的关注。通过低温等离子技术，能够实现对于颗粒的有效去除。现阶段，针对该项技术展开了相关的多项研究。如果具有较低的排气浓度，随着电晕放电，就会形成等离子体，在这一过程中，以氧化反应作为主导，所以如果单一的采用等离子体技术，可能在具体的去除方面，无法实现相应的效果。因此，为了有效解决这一问题，就进行了一体化系统的提出，通过该系统，对于等离子体来说，在面对催化剂时，具有更强的选择性，也能够实现更高的去除率。在传统的低温等离子体的技术中心，主要的不足和缺陷就是要想实现DPM氧化，以气相反应作为重点，所以如果处于较低的能量条件之下，难以实现对于DPM的完全氧化以及气体的有效去除。根据最新的研究结果证实，通过在NTP反应器中，进行泡沫、陶瓷粒等填充材料的添加，也能够有效地进行污染物质的捕集和吸附。在这种状态之下，就能够对于多相化学反应的实现，打造良好的条件，而且还能够让等离子体具有更长的停留时间，所以即便在较低的温度条件之下，面对较小的能量，依然可以完全实现DPM的氧化，同时还能够对于其中的细微颗粒物实现有效去除[4]。这种方法所需要的反应温度比较低，所以对于这种技术来说，在轻型的柴油车的颗粒物去除中，具有较高的适用性。