浅谈车用柴油机排气后处理技术

摘 要 随着排放法规的日益严格，单靠柴油机燃烧过程的改善、各种优化策略的应用，已经很难达到排放要求，为此各类排气后处理技术应声而起。本文从柴油机排气中的微粒和NOx两个方面简要介绍了国内外柴油机排气后处理最新技术及其应用现状，阐述了它们各自的特点、综合应用以及有待改进的方面。

关键词 柴油机 排气后处理 微粒 NOx

中图分类号：TK421.5 文献标识码：A

以改善燃烧为主的机内净化技术尽管对降低排气污染起到了很大的作用，但效果有限，且不同程度地对汽车的动力性和经济性带来负面效应。进入21世纪，随着排放法规的日益严格及世界各国对环境问题的重视，单靠优化和改善燃烧过程已远远不能满足排放要求，为此人们开始考虑包括催化转化器，微粒捕集器等在内的各种机外净化技术。

1 车用柴油机排放污染物的性质

与汽油机相比，柴油机的排放污染物主要以微粒和NOx为主，它的NOx排放量和汽油机处于同一个数量级，而微粒排放是汽油机的30～50倍。因此柴油机排气控制主要是针对PM和NOx进行。

1.1 柴油机微粒排放特点

柴油机微粒由四部分组成：燃烧过程中残留的碳烟颗粒、由润滑油来的金属粉尘质点、由润滑油和柴油来的硫酸盐及冷凝的未然碳氢。其中，绝大部分为可溶性有机成分。固体碳烟颗粒生成的条件是高温缺氧。尽管柴油机总是富氧燃烧，但燃油与空气的混合极不均匀，局部缺氧导致碳烟的生成，未燃燃料浓度越高，温度越高，碳烟的生成速度也越高，柴油机微粒排放增加；另一方面，温度越高，氧浓度越高，柴油机微粒的氧化越显著，最终生成量就会减少。因此可以认为最终的柴油机微粒排放量是由其生成和氧化过程的竞争决定的。

1.2 柴油机NOx排放特点

柴油机NOx是在燃烧产生的高温环境下，由空气中的N2和O2的化合作用产生的，与所用的碳氢燃料组成无关。影响NOx生成率的主要因素为温度、当量比、在高温区停留的时间。其生成机理是：当温度高于1800K（冻结温度），当量比小于1，造成富氧环境时，燃烧产物在膨胀冲程停留的时间越长，生成的越多。不难发现，NOx高温富氧的生成条件与微粒的高温缺氧正好相反。

2 柴油机微粒后处理技术

2.1 柴油机氧化催化器（DOC）

柴油机排气温度较低，不采用特殊措施不可能把碳粒烧尽。但应用DOC，在催化剂的帮助下，可以把PM中的SOF大部分氧化，使SOF下降40%-90%，同时可使CO排放减少30%，HC排放减少50%，醛类排放减少50%-100%，并可减少柴油机排气臭味。

DOC的结构与常见的汽油机用三效催化器相似，在蜂窝多孔陶瓷载体上先涂上一层活性涂层，然后再涂上催化剂，催化剂的主要活性成分为Pb或Pb/Rh组合。柴油机使用DOC时，要求应用低硫柴油，否则由于大量生成硫酸盐，达不到降低PM的要求，有时甚至出现反效果，使PM排放反而增加。此外，低硫柴油也是防止催化剂中毒的需要。

2.2 连续再生捕集器（CRT）

连续再生捕集器是近年来开发的微粒后处理系统，它的布置与断续再生捕集器相似，但在氧化催化器中应用了专门的催化剂，使排气中的NOx大部分氧化成NO2，NO2对滤清器中的积碳的氧化性很强，可在较低温度下对积碳氧化。但它要求应用含硫量很低的柴油，例如柴油含硫量从30€？0-6降至3€？0-6，则平衡点温度即可下降15-28℃，降至270-310℃左右，上述平衡点温度是指滤清器中微粒的积存量和微粒氧化量相等时的温度，它与排气流量、微粒成分、NOx含量，硫含量，碳粒负载率以及其它很多发动机或燃料参数有关。此外，NOx即是微粒的氧化剂，也是SO2的氧化剂，含硫量多了，会产生硫酸盐，因此CRT系统中催化剂的配方是很关键的问题。

3 SCR催化转化系统

由于柴油机是富氧燃烧，排气中氧的含量很高，HC和CO的含量较低，因此降低汽油机中的三元催化转化器技术对柴油机不太适用，而NOx在非催化的条件下的分解N2和O2的速度相当慢。因而就目前的技术水平，在降低柴油机排气中的NOx的方法只能是向排气中加入还原剂，对NOx进行还原分解。各种还原方法中选择性催化还原（SCR）在柴油机上的研究最为广泛。

以氨或氨水、尿素作为还原剂的选择性催化还原系统，可以降低柴油机排气中绝大部分的NOx，也能降低部分HC。与氨或氨水相比，尿素更易于携带，而且它不具有氨或氨水的刺激味。因此，以尿素为还原剂的SCR被认为最具有应用前景。

用尿素还原NOx在固定式装置已有成熟的使用经验，但要用到重型车用柴油机上还存在很多问题。例如在车上对SCR催化转化器的体积有严格限制，而且发动机排气温度的不断变化、催化器内空速的不断变化对转化率有严重影响。

4 结论与展望

随着排放法规日益严格，借助发动机改造和提高柴油品质已很难满足现行柴油机排放标准。而且发动机改进技术受到PM和NOx控制之间存在所谓trade-off效应的制约；柴油的品质提高一方面受到石油冶炼技术的制约，另一方面并不彻底解决PM和NOx控制问题。所以排气后处理是满足日益严格的排放要求的必然选择。目前，PM催化氧化和过滤技术相对成熟，已配备在不少柴油车上，但在延长过滤器寿命和改进再生效果方面还有许多工作要做。

参考文献

[1] 杨极，程钊.柴油发动机尾气排放后处理技术的研究进展[J].内燃机，2007（4）.

[2] 王丹.柴油机微粒捕集器及其再生技术研究[D].吉林大学，2013.

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