满足汽油机车辆排放法规要求的污染物后处理技术

总结适用于轻型汽油车的尾气污染物后处理控制技术，为汽车行业技术人员了解该领域的发展现状提供帮助。

一、法规的升级

我国是参照欧盟体系建立的机动车污染物排放法规，欧洲排放法规具有明显的阶段升级特点，基本上每五年升级一次。从1993年全面实施欧I排放标准，到2015年开始实施欧Ⅵ号标准，法规不断加严污染物排放限值的同时，也增加了受控污染物的种类，初始阶段仅限制HC、CO，目前则要求控制HC、CO、NOx、PM四种污染物；在测量要求上，从稳态工况控制，提升到瞬态和车辆冷启动及全工况的控制；对排放特性的耐久性要求也从无到有，最终目标是使车辆在寿命期内排放都不超标，从欧V标准开始，污染物控制装置耐久行驶的要求已经提高到160，000km。

从2000年开始我国参照欧盟的机动车污染物控制法规逐步建立了机动车污染防控体系，与无铅汽油和电喷发动机的推广同期开展了机动车的污染物排放控制，在过去十几年中，我国的机动车污染防控法规采取“小步快跑”的方式实现了四次升级，有效地控制了机动车污染物排放总量，在我国车辆销售井喷前，实现了污染物的先期控制。最重要的成果是基本做到了尽管车辆的总量不断增加，但是主要污染物排放总量的水平基本保持不变或只是略有增加。我国的法规升级进程如表1所示。

二、汽油机的尾气排放控制方法

汽车尾气污染控制是一个系统工程，可以通过使用高品质燃油，安装汽车催化剂、吸收剂、捕集器等后处理装置，以及改进发动机管理系统等手段达到降低污染物排放的目的。

1.采用更好的油品

燃油和机油的质量对污染物控制系统性能的影响体现在两个方面。首先，氧传感器、NOx传感器、催化剂都对油品质量很敏感。油品质量足够好，先进的电控系统和后处理装置才能使用，例如采用颗粒捕获器时就需要使用低硫燃油。其次，不论在用车还是新车，好的油品质量会提高污染控制系统的表现。以汽油为例，由于铅会造成催化剂和氧传感器中毒，我国是在无铅汽油推广后，才得以大量推广使用三元催化剂和汽油机电喷系统。在某些驾驶工况下，燃油添加剂中的磷、硅等组分及其副产物会沉积在排气系统，如氧传感器和催化剂表面，减少燃油中铅、磷等碱金属的含量能大大提高三元催化剂的使用寿命。

2.载体技术

载体是用来涂敷催化剂的陶瓷或金属制品，涂覆后封装在催化器内。催化器体积确定后，采用目数更高和壁厚更薄的载体能实现更大的催化剂表面积，提升其催化转化效率和耐久性。薄壁载体能明显减少催化器的热容量，降低排气系统背压。采用高目数薄壁载体能使车辆在性能不变的前提下，匹配一个更小的催化剂，使其更容易布置，离发动机更近，整车的布局更加紧凑。

近年来，陶瓷和金属载体技术有巨大进步。1974年陶瓷载体刚面世时，载体横截面的孔密度是200cpsi（每平方英寸200个孔，每平方厘米31个孔），壁厚大约是12mil（0.305mm）。到20世纪70年代末，孔密度已经增加到300-400cpsi，壁厚减少了50%，达到6miI（0.15mm）。现如今400cpst、600cpst、900cpst，甚至1200cpsi载体已经批量供应，载体壁厚逐渐减少到2mil（0.05mm）。

3.紧耦合催化器和涂覆技术

对汽油车来说，车辆排放最差的时刻总是发生在冷机启动和怠速工况下，主要原因是此时燃烧室温度较低，燃油不完全燃烧生成大量的未燃HC。在紧挨着发动机排气歧管的位置布置一个附加的小催化器，使热气流尽快加热该催化器，使催化剂迅速达到活性温度。紧耦合催化器能明显降低车辆冷启动时的排放，催化剂起燃时间能够从原来的一两分钟，减小到几十秒。改进后的载体技术，配合高热稳定性的催化剂技术及储氧材料，利用紧耦合催化剂能达到欧Ⅳ、欧V、欧Ⅵ的排放法规要求。

催化剂领域的另一个进步是区域涂敷技术。以前的催化剂是在整块载体上涂敷完全同种的活性催化剂，而区域涂敷技术是在载体的不同区域涂敷不同种类的活性物质，这种把“好钢用到刀刃上”的方法能优化催化剂性能，合理利用材料，在降低总成本的同时保持处理污染物的能力。

4.三元催化剂技术

汽油发动机用三元催化剂来控制HC、CO、NOx的排放。催化剂涂层烧结在陶瓷或金属的载体上，主要成分是氧化铝、氧化铈，以及铂、钯、铑等贵金属成分。三元催化剂只有在闭环控制系统中才能发挥作用，发动机电控系统用氧传感器来获得混合汽“浓”或“稀”的信号，将空燃比维持在1左右的狭窄窗口内。催化剂只有在该状态时工作效率才会最高，把CO和HC氧化成H2O和CO2，同时将NOx还原为N2。

快速起燃催化剂，能使催化转化器快速进入工作状态。不论在法规测试条件下，还是现实生活中，冷启动时车辆排放污染最严重。通过改变载体的热容量，改进贵金属催化剂的类型和组分，能明显改善催化剂快速起燃效果，降低催化剂运行所需的尾气温度。

高耐热催化剂，使高温环境下的催化转化器更耐久稳定，催化剂的使用寿命因此延长，催化转化器也能被安装到距离发动机更近的位置。对贵金属催化剂，通过添加稳定剂及其他稀土材料，使催化剂在1000℃下依然维持高的比表面积。改进的储氧材料在保持涂层表面积的同时，增大了三元催化剂的特定空燃比工作“窗口”，同时与氧传感器配合以反馈催化剂的“健康”状况，用于在线诊断系统OBD。“紧耦合”催化剂安装在排气歧管的出气口，使催化剂能够快速进入工作状态。

电加热三元催化剂系统，用一个小的催化剂布置在主催化剂前，其载体通常由金属制成。电流通过时，载体迅速发热，使催化剂几秒钟就达到了工作温度。

5.汽油机颗粒物的控制技术

颗粒物是造成雾霾的主要原因，从环保部门将细颗粒物PM2.5列入空气质量指标以来，在空气污染严重的城市，PM“爆表”的情况时有发生。

根据世界卫生组织公布的研究结果，空气中越细小的颗粒物对人体具有越大的危害。城区中机动车排放的颗粒物可占颗粒物总量的一半，“冒黑烟”柴油车的颗粒物排放更加严重，但由于国内市区道路基本限行货车且汽油车的保有量巨大，基本上汽油车排放的是超细颗粒物，因此，从国V标准开始，法规要求在申报时对车辆的颗粒物进行测量，而从欧Ⅵ开始，颗粒物数量也被列入限制范围。

控制颗粒物排放最有效的后处理装置是壁流式颗粒捕获器，尾气可从捕获器的一端流入通道，但通道在另一端封闭，尾气只好通过壁面进入相邻的孔道流出，颗粒物被壁面过滤沉积下来。捕获器可以由陶瓷，如堇青石、碳化硅，或钛酸铝材料制成。

最新的研究成果表明，极细颗粒物对健康的影响更加显著，因此，最新的欧盟排放法规（例如欧Ⅴ和欧Ⅵ）对极细颗粒设定了颗粒物重量和数量两方面的要求以保证对颗粒物的控制效果。堇青石壁流式捕获器能去除几乎所有的碳烟和金属颗粒，最小过滤直径甚至小于100nm。按质量分数计算，其过滤效率大于95%；按颗粒数量计算，其过滤效率大于99%，在很宽的发动机运行工况范围，过滤器都能达到该指标。

6.NOx控制技术

稀薄燃烧是指发动机在空燃比大于1的偏稀工况下工作，能有效降低CO2的排放和减少燃油消耗。为满足更严格的油耗法规，稀薄燃烧汽油机的应用日益广泛。由于发动机运转在偏稀条件下燃烧十分充分，HC和CO的排放很少，但NOx的排放量大。NOx是酸雨的主要成分之一，会刺激呼吸系统，生成光化学烟雾。随着稀燃直喷汽油发动机（Lean GDl）以及柴油发动机在乘用车上的广泛使用，对NOx控制日趋严格。

NOx捕获催化剂（简称LNT）是轻型车控制NOx排放的有效手段之一。在稀燃条件下，一种典型的做法是在发动机紧耦合位置布置一个氧化型或一个三元催化剂来加速NO转化为NO2的效率，NO2进入LNT后会与催化剂反应生成硝酸盐存贮下来。发动机稀燃运行工况下，这种材料能够形成足够稳定的硝酸盐，由强碱、碱土金属和其他稀土族元素构成。当介质达到最大存贮容量后，需要再生过程来恢复NOx存储能力。碱金属和碱土金属元素化合物都与硫有非常强的亲和力，如果燃油中有硫，LNT将不可避免地与硫发生反应且性能不可恢复，造成LNT吸收能力和转化效率下降。

还原时发动机运行在偏浓状态，LNT存贮的NOx在偏浓氛围中会被释放出来。偏浓运行过程时间极短，可通过调整发动机进气节流、EGR、推迟喷油点火角等实现。释放出的NOx会与CO在铑催化剂复合涂层催化下发生还原反应被还原成N2，该过程与三元催化剂发生的反应相同。

对于排量在2.0～2.5L的发动机，LNT催化剂更适用。同时，混动发动机能够减少低负荷时NOx的排放，使LNT只用于处理高温时的NOx排放（大于350℃）。改进型LNT的配方改善了贵金属的分布，使用更低的成本达到更好地排放。

7.稀燃DeNOx催化剂

稀燃DeNOx催化剂，也称为HC-SOR催化剂，即使总体来说尾气是偏稀状态，催化剂也能够制造出一种偏浓的小环境，利用尾气中的HC来还原NOx为N2。HC可以是来自尾气中或者是喷入尾气中的，如向尾气中喷入少量燃油。这种催化剂不需要额外的还原剂（例如尿素），但是目前这套系统无法达到与SCR系统一样的转化效率。

一项研究评估了不同的柴油硫含量对DeNOx催化剂的性能影响。这个研究采用了两种不同硫含量的燃油，油品其它参数完全相同。当硫含量从49ppm（重量百分率，1PPm=1ug/mL）降低到6PPm时，DeNOx催化剂对NOx的转化效率从14%增至26%。

最前沿的概念之一是把HC-trap和LNT结合起来。这种方法是把沸石基HC存储剂先涂敷在蜂窝载体上，然后把LNT材料涂在顶层。HC吸收剂能够减少冷启动时HC的排放并且能够吸收偏稀状态的HC排放，在高温偏浓阶段，会形成H2和CO帮助LNT再生。

随着我国对大气污染防治的日益重视，机动车污染防治法规将持续升级。针对汽油车的尾气后处理系统已经做好了技术准备，将会随着法规的升级逐步投入使用。

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