柴油发动机尾气后处理技术的发展

摘要：本文主要介绍了柴油机尾气后处理技术的发展情况，研究他们的优势和不足。首先总结了柴油机污染物的生成机理，然后介绍了当前主流的尾气后处理技术。

关键词：柴油发动机尾气后处理技术；技术发展

柴油发动机的动力很强，同时具有很好的燃油经济性，得到了广泛的应用。当前重型货车、城市大巴、工业设备等都是由柴油提供动力的。和汽油机相比，柴油机的热效率更高，燃油消耗率低。随着国际社会对环境保护的日益重视，很多国家都开始履行联合国关于气候框架协定降低CO2的承诺，这也让柴油机相比汽油机的优势更加明显。但是相比之下，柴油机在工作时会释放出很多微粒，严重影响环境和人们的健康。根据当前的研究进展，排气后处理技术被认为是解决柴油机污染的最有效的方法。

一、柴油机排放的污染物和生成机理

1.1 柴油机排放的污染物

柴油机排放的废气中，主要的有害成分有：一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）、碳氢化合物（HC）、二氧化硫（SO2）、碳烟、油雾和金属微粒PM。和同功率的汽油机相比，柴油机在HC和CO的排放量上要少很多，但是柴油机会排放出更多的碳烟和微粒PM，这些PM的大小都处于亚微米级，能够完全地被人吸收到体内，严重危害人类的呼吸道和心脏。

1.2 污染物的生成方式

一氧化碳（CO）的产生是因为局部缺氧，导致燃料没有完全燃烧；氮氧化合物（NOx）是由于空气在燃料室的高温环境中，氧气和氮气发生化学反应形成的，氮氧化合物的生成量主要和反应时间、氧气浓度、燃料室的温度有关；碳氢化合物（HC）是因为燃料不完全燃烧和气缸壁淬冷作用使火焰消失导致的；二氧化硫（SO2）是因为燃料中的硫元素、硫化物在燃烧时产生的；碳煙也是不完全燃烧的产物。

二、柴油发动机常用的尾气后处理技术

2.1 降低NOx排放的还原催化剂

柴油机进行的是富氧燃烧，排气中也会含有大量的氧，因此HC和CO的含量是非常低的，因此柴油机中并不会使用汽油机常用的三元催化转化技术。但是柴油机中含有大量的NOx，在非催化条件下氮氧化物的分解速度是非常慢的，为了能够减少柴油机的氮氧化物排放，通常都会在排气中加入还原剂，让氮氧化物还原分解。

还原氮氧化物有三种方式，分别是有选择性非催化还原（SNCR）、非选择性催化还原（NSCR）和选择性催化还原（SCR），这些方法中研究的最广泛的就是选择性催化还原SCR。在柴油机中用氨或氨水、尿素作为还原剂，组成一个有选择性的催化还原系统，能够还原其中绝大多数的NOx，同时也能在一定程度上减少HC的排放。与氨或氨水相比，尿素的易携带性更强，并且尿素并没有氨和氨水的刺激气味，因此，SCR中最常用的还原剂是尿素，在经过催化后，会进行以下反应：

4NO +4NH3 + O2 → 4N2 +6H2O

6NO +4NH3 → 5N2 + 6H2O

2NO2 +4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O

6NO2 +8NH3 → 7N2 + 12H2O

但是，在SCR中使用尿素也存在一定的问题，主要在于处理城市基本建设和制备尿素水是存在矛盾的，这也导致使用尿素的SCR技术的实用性受到了很大影响。

在柴油机上使用NOx吸收式还原催化技术的原理和直喷式汽油机是一样的，在稀混合气燃烧室吸收NOx，当浓度高于理论空燃比时，就是其脱离还原。这种技术面临的困难在于会产生过浓的碳烟，并且会增加HC的排放比例，还会提高柴油机的油耗。

2.2 柴油机废气氧化催化器

通过使用柴油机废气氧化催化器，排气当中的CO和HC有所降低，但是它的主要功能在于能够降低排气当中的SOF颗粒物含量，从而降低总的颗粒排放。同时，通过使用DOC拍其中的HC和CO也能有效降低。使用DOC对微粒的捕捉效果虽然比微粒捕捉器差很多，但是由于碳氢化合物的点火温度很低，只有170 ℃，这就使得DOC并不需要再增加再生系统，使用它会有比较低的费用。另一方面，DOC的催化效率、转化率是十分依赖排气温度和柴油当中的硫含量的，排气温度过高又能够促进SOF的氧化，但这会产生更多的SOx，燃料中的S元素也会转化成硫酸盐，从而增加排气中的微粒含量，因此，单凭DOC并不能很好的控制尾气排放。

2.3 微粒捕捉器

前文提到了柴油机的微粒捕捉器，这个装置是柴油机微粒排放后处理的主要方式。装置的主要组成包括：收集排气中微粒的滤芯、能够把滤芯中微粒周期性的燃烧掉或氧化掉的再生系统。该装置的关键技术就是过滤材料和过滤体的再生。

对于过滤材料，要求必须要有具备较高的微粒过滤效率、较低的排气流动阻力，并且必须具备足够高的机械强度，在这三个要求当中，高过滤效率和流动阻力是存在矛盾的，因此在选择材料时，必须要对这两方面的性能综合考虑。在国外，经过研究已经出现了一些商业化的产品，国内在这方面还存在着一定差距，还需要继续进行资金投入。另外，材料的研发工作还需要有较高的工艺水平作为保障，而国内在这方面也是有所欠缺的。当前，能够满足上述需求的过滤材料有两种，金属丝网和陶瓷，这其中被多数研究接受的是陶瓷材料，因此陶瓷材料能够提供较大的过滤面积，同时耐高温、寿命长、价格低廉。国外的研究热点是纤维氧化硅，通常将纤维氧化硅做成片状滤芯，有效降低了大尺寸过滤器的制作难度，同时也提高了在进行再生时的抗热冲击性。

微粒捕捉器的滤芯制作相对容易，但是再生系统设计则存在困难。如果能实现再生系统，微粒捕捉器就能够具备足够的实用性，当前的再生系统，通常使用的都是燃烧法，通过提高微粒捕捉器的内部温度，点燃滤芯中的微粒，或者在其中加入催化剂，降低微粒的点或温度，让微粒能够在排气温度下就充分燃烧分解。

2.4 低温等离子技术

低温等离子技术已经在当前的工业生产和实际生活当中得到了广泛的使用，这两年也逐渐被应用到环境污染的处理上，已经有许多成熟的商品和技术商业化，在有效降低了柴油机的尾气污染的同时，也取得了较好的经济效益。当前被认为使用物理方法处理污染物中发展前景最好的技术之一。国内外取得一定成果的是利用脉冲电晕脱出发动机尾气中的CO、HC和NOx。

三、结束语

排气后处理将仍然是解决柴油机排放问题最后前途的方法，这种方法在有效解决柴油机排放问题的同时，并不会制约柴油机的技术发展。柴油机的主要排放物是NOx和PM排放，通过发展NOx还原催化和微粒捕捉技术，能够满足未来对排放的要求。虽然这些技术在当前都还存在一些问题，但随着燃烧技术和柴油配方的优化，柴油能够实现低硫化，从而在未来实现柴油机的低排放。

参考文献：

[1]温显利. 柴油发动机尾气控制浅论[J]. 科技信息，2013（13）：108.

（作者单位：徐工挖掘机械有限公司）

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