关于柴油车后处理净化技术的研究

刘飞锋 陈康

摘要： 伴随着汽车交通行业的发展进步，为了全面减少汽车尾气排放造成的环境隐患，要结合技术要求、环境保护要点积极推进柴油车后处理净化技术，依据污染物生成机理和影响要素打造多元科学的净化处理体系。本文简要介绍了柴油车后处理净化技术，并从氧化催化转化器、NOX机外净化技术、颗粒物机外净化技术、四效催化转化器等方面着重探讨了技术的具体内容。

Abstract： With the development and progress of the automobile transportation industry， in order to comprehensively reduce the environmental hazards caused by automobile exhaust emissions， we should actively promote the post-treatment and purification technology of diesel vehicles in combination with the technical requirements and environmental protection points， and build a multi scientific purification system according to the pollutant generation mechanism and influencing factors. This paper briefly introduces the post-treatment and purification technology of diesel vehicle， and emphatically discusses the specific contents of the technology from oxidation catalytic converter， external purification technology， particulate matter external purification technology， four-way catalytic converter and other aspects.

关键词： 柴油机;后处理净化技术;NOX机外净化

Key words： diesel engine;post treatment and purification technology;NOX external purification

中圖分类号：[U473.9]                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）23-0056-02

0  引言

为了提升柴油机应用质量和效率，要整合具体方案和技术要点，建构完整的技术处理模式，提高净化处理的综合效果，从而实现多元、科学的研究模式，为城市交通健康发展奠定坚实基础。

1  柴油车排气净化的难点

由于柴油机和汽油机在工作期间所使用的燃料存在较大差异，对此在对柴油机排放物进行净化处理时，其重点对象、采取净化技术也和汽油机存在较大差异。结合以往得到的数据可以了解到，柴油机对外排放的颗粒物、NOX的排放也会给人类健康带来非常大的危害性，因此在对柴油车进行净化处理时，其焦点内容便是降低NOX和微粒物的排放量。但是从实际控制情况来看，进行柴油车排气净化处理时的难点内容如下：第一，通常情况下，NOX有害物的排放需要借助还原反应来实现，但是柴油机在正常工作状态下，会使用大量空气系数超过1的混合气体，排放的废气中含氧量较高，很难使用理论空燃比混合气下工作的三元催化剂来对其进行还原处理，整个处理过程的难度较高。第二，减少柴油机微粒排放量的过程也比较复杂，排放到空气中的微粒成分和形态比较复杂，其既有气相微粒，又有固态碳微粒，这样在对其进行处理时，其整个过程的复杂度也更高。目前虽然会使用到机械内部和外部同时处理的综合措施，但是柴油机排气净化过程无法利用三元催化器来实现，而使用“微粒过滤器+氧化催化反应”也存在许多弊端，也是后续研究中需要重点关注的内容。

2  柴油车后处理净化技术具体内容

2.1 氧化催化转化器

柴油机氧化催化转化器简称为DOC，在实际应用中，要借助催化氧化的处理方式减少柴油机排放气体中一氧化碳和HC的具体排放量。并且，技术应用中还要借助氧化颗粒中可溶性有机类物质降低颗粒物的具体排放量。例如，Pt、Pd等贵金属若是催化剂，则要将蜂窝陶瓷作为催化剂的载体。氧化催化转化器在实际操作工序中，对于一氧化碳的转化效率能达到90%，减少柴油机排放气体的臭味，并且能去除90%以上的SOF组分，满足PM脱除效率的应用要求。

2.2 NOX机外净化技术

因为柴油机富氧燃烧会造成废气中含氧量的增多，因此，在借助氧化还原反应进行处理的过程中，也要关注催化产物的影响。比如，在汽油机上应用三效催化转化器能将净化条件中过量空气系数维持在1，若是空气含量超出限定要求，则NOX会代替一氧化碳和HC与氧气反应，基于此，三效催化转化器尽管能降低NOX含量，但是在柴油机上应用却存在一定的局限性[3]。

2.2.1 NOX吸附催化还原法

主要是将发动机周期性稀燃和富燃工作作为基础标准，建立匹配的NOX净化处理模式，采取的吸附器也是临时性NOX存储结构，一般会选择具有吸附NOX能力的贵金属、碱金属等。需要注意的是，温度、燃油中硫元素、水等情况都会对NOX吸附催化还原产生影响。首先，温度若是较高，则热力老化现象严重;若是温度较低，则一氧化氮很难转变为二氧化氮，并且，捕集的NOX也会出现热解释放的问题。其次，燃油中硫元素会间接生成硫酸钡，或者是增加了氨气的排放量。最后，水分子会对Al2O3的活性产生影响。

2.2.2 NOX选择性催化还原法

NOX选择性催化还原法最初被广泛应用在固定式污染源处理工作中，能有效降低NOX的具体含量，避免排放量超标造成环境破坏问题。较为常见的技术类型包括SNCR、NSCR、SCR技术，应用最广的就是SCR处理技术。将氨气或者是碳氢化合物作为还原剂，在催化剂的作用下，就能利用化学反应将NOX转变为氮气和水。另外，SCR转化器的催化作用本身就具备一定的选择性目的，NOX还原反应实现了加速，则还原剂的氧化反应就会受限，所以，要想发挥技术优势，就要避免氨气在氧化作用下形成一氧化氮[4]。

2.3 颗粒物机外净化技术

较为常见的颗粒物脱除工序包括机内控制技术体系、后处理技术体系，能有效减少细颗粒物的含量，避免机内技术处理工序中的不当问题。在颗粒物机外净化技术应用过程中，微粒补集器是非常关键的技术单元，配合等离子体净化处理、静电分类处理就能进一步实现颗粒物的脱除控制目标。利用排气尾部添加微粒捕捉器的方式能有效提升后处理效果，借助拦截操作、碰撞操作、扩散操作等有效维持捕集效果[5]。目前，柴油机微粒捕集器主要是采取过滤处理的方式，将排气中微粒捕捉后，匹配整体式陶瓷结构、金属丝网结构、纺织纤维圈结构等有效提升微粒处理效果，能将有害物微粒减少70%到90%。

2.3.1 基本材料

在柴油机排气后处理装置应用的过程中，主要的材料还涉及壁流式蜂窝陶瓷过滤体、泡沫陶瓷过滤体等。例如，壁流式蜂窝陶瓷过滤体在过滤器的入口位置要设置对应的燃烧器，借助喷油器向燃烧器中喷入燃油，供入二次空气的同时，借助火花塞维持点燃状态，并且将滞留在滤芯上的微粒予以处理。

2.3.2 过滤机理

第一，扩散。指的是在排气气流处理的过程中，微粒受到气体分子热运动的作用，就会出现运动状态，配合流场中捕集处理方式，能实现汇集处理工序，实现排气中微粒分布的浓度梯度，从而维持扩散输运的股反省，保证运动捕集的最优化。另外，微粒的尺寸和排气的温度呈反比例关系，也就是说，微粒的尺寸越小，对应的排气温度越高，则运动越来越剧烈，对应的扩散沉积现象也就越明显。

第二，拦截。在微粒接近过滤表面时，微粒若是和过滤表面的距离≤微粒半径，则微粒就能实现捕集。

第三，重力沉降，在柴油机缓慢运行的废气流经捕集设备的过程中，因为速度较慢，所以废气留存的时间较短，直径较大的粒子会在重力作用下出现脱离流线的情况，直接沉淀在捕集单元位置，此时，重力沉降就发挥了分离作用，有效利用沉降实现捕集。

2.3.3 捕集器再生技术

伴随着科学技术的不断发展和进步，捕集处理方式能在提升过滤效率的同时，减少排气阻力。而对于再生技术体系，分为主动再生系统和被动再生系统，并且利用电加热再生、燃烧器加热再生、反吹式再生以及连续催化再生等方式建立相应的再生处理模式。

2.4 四效催化转化器

四效催化转化技术是基于后处理装置，对一氧化碳、碳氢化合物、NOX以及PM进行同时脱除处理，目前相关研究主要集中在催化转化器的优化组合以及催化剂融合开发方面。例如，美国Ceryx公司研发的QuadCAT四元催化转化器、英国Johnson Matthey公司研发的SCRT四元催化转化器技术等。配合商业化应用要求，积极完善高活性多组分四效处理模式，有效构建多元应用平台，维持催化效果。

2.5 等离子技术

在处理柴油机废气时，等离子技术也是经常使用到的处理方法，也是目前用来降低NOX排放量的常用技术。在具体实践中，等离子技术会和催化剂技术关联在一起进行使用，即利用等离子技术来提高催化还原反应的工作效率。在对其等离子提升NOX转化效率的实验中，共使用到有催化剂的等离子装置和没有催化剂的等离子装置来建立对照实验，根据得到的实验结果显示，没有添加催化剂的等离子装置并不能降低NOX的排放量，需要催化剂来作为辅助条件，从而提升了NOX的转化效率，满足系统稳定运行的基础要求。但是等离子技术应用过程还存在着许多复杂性问题，也是日后应用时需要重点考量的内容。

2.6 联合净化技术

现代柴油车的排放控制，需要机内技术与后处理技术结合使用。在联合净化技术的应用中，可分为以下两种处理方案：①DOC+DPF+LNT+SCR的技术方案，这种技术方案的系统集成主要应用与轻型柴油车领域，其中LNT与 SCR技术的组合是研究的热点。其中DOC和DPF紧凑的布置在最前端，这样可以充分的利用发动机排气口的高温来促进DPF的被动再生。LNT则用来降低排放中的NOX，在发动机开始燃烧时，对于吸附的NOX进行还原，期间也会生成了少量的NH3，通过管道存储到SCR催化剂中进行处理，从而还原成无害的氮气。如果发动機处于稀燃的状态，那么此时产生的NH3也会将LNT泄露出来的NOX还原成N2。②DOC+DPF+尿素SCR的技术方案，此类处理方案主要适用于中重型柴油车，在具体应用中，此方案能够细分为DPF在上游和SCR在上游两种类型，这样在应用中也可以减少压力损失，同时也可以减少后处理系统的尺寸，并且SCR系统起燃性较好，可以满足不同情况下的应用需求。

3  结束语

总而言之，柴油车后处理净化技术的研究是基于技术体系升级层面，要在补充机内净化技术不足的同时，打造更加全面合理的机外净化处理方式，从而减少一氧化碳、碳氢化合物等物质对大气产生的影响，落实节能环保的管理方案，为城市交通事业健康绿色可持续发展提供保障。

参考文献：

[1]邵静，KENT KAMMER HANSEN.基于电化学净化原理的一体式柴油车尾气后处理技术的研究[C].中国化学会第30届学术年会论文集，2016.

[2]单文坡，余运波，张燕，等.中国重型柴油车后处理技术研究进展[J].环境科学研究，2019，32（10）：1672-1677.

[3]帅石金，刘世宇，马骁，等.重型柴油车满足近零排放法规的技术分析[J].汽车安全与节能学报，2019，10（1）：16-31.

[4]刘振.试析柴油机后处理技术发展现状[J].汽车博览，2020（1）：16-17.

[5]单文坡，刘福东，贺泓.柴油车尾气中氮氧化物的催化净化[J].科学通报，2018，59（26）：2540-2549.