柴油机后处理技术的研究现状和发展趋势

・排放・柴油机后处理技术的研究现状和发展趋势武汉理工大学刘向民　中国汽车技术研究中心方茂东(武汉430000)

摘要本文对当前柴油机排放后处理技术进行了综述和分类,分析了国内外已应用的一些后处理装置的主要技术特点及应用情况。最后对未来的柴油机后处理装置提出了自己的观点和建议,并探讨了柴油机环保技术的发展前景。关键词柴油机　后处理技术　燃油品质

StatusandTrendofDieselEngineAfter-TreatmentTechnologyWuhanUniversityofTechnology　LiuXiangmin　ChinaAutomotiveTechnologyResearchCenter　FangMaodong(Wuhan430000)

AbstractCurrenttechnologyaboutdieselengineafter-treamentdevicesisdiscussedindetailinthispa2per.Themaincharacteristicsofeachtechnologyandthestatusofimplementationarealsoinvolved.Attheendofthepaper,theauthorsgivetheirownpointsofviewaboutdieselengineafter-treatmenttechnologyinthefutureandpayattentiontoitsprospect.KeywordsDieselengineAfter-treatmenttechnologyFuelquality

1概述柴油机凭着良好的动力性、经济性以及耐久性而越来越广泛地应用于各种车辆和动力装置。柴油机已由传统的给人以笨重、冒黑烟及噪音大的印象改变为效率高且节能的发动机。然而随着人们环保意识的增强和排放法规的日益严格,其有害排放物已成为其进一步发展的瓶颈。控制NOX和微粒的排放是柴油机排放污染物控制的重点。机内净化一直是人们研究的重点,从增压中冷到EGR,再到高压燃油喷射以及目前先进的共轨燃油系统,可以说,这些措施都在一定程度上降低了柴油机的有害排放物。特别是共轨燃油喷射系统,以其精确的喷油规律和极高的喷油压力,大大优化了燃料的燃烧,提高了柴油机的动力性和经济性。然而大量的研究分析表明仅靠机内净化已不能满足ERUOⅢ以上法规,必须同时采用后处理装置。这主要由于,1)各种排放物之间存在着折衷关系,当排放物的限值越来越低时这种折衷的矛盾显得更为突出,因此不能单纯依靠机内净化解决。2)对于微粒而言机内净化虽然降低了排放总质量,但同时也减小了它的尺寸,即使得微粒越来越细小,因此对人体的危害并未减少。这些不得不让人们求助于排气后处理装置,事实上我们也一直没有忽视采用后处理技术来降低柴油机包括汽油机的有害排放物。柴油机后处理装置从净化原理上可分为四种,即氧化催化器,微粒捕集器,NOX吸附器以及稀NOX催化还原器。2柴油机氧化催化器柴油机氧化催化器主要用来氧化柴油机尾气中的HC与CO,其氧化原理与汽油机三效催化器氧化HC和CO的原理基本一样。柴油机氧化催化器还能氧化掉PM中的一部分可溶性有机物SOF,但同时也将尾气中的部分S02氧化成硫酸盐。所以对于含硫量较高的柴油来说,使用氧化催化器将使微粒物排放中的硫酸盐比例增大,这样就降低了氧化SOF的效果,甚至使PM的排放增加。另外燃料中的硫还会引起催化剂中毒。所以使用高硫柴油会极大地影响氧化催化器的净化效果和降低催化器的寿命。因此,选择合适的催

03小　型　内　燃　机　与　摩　托　车No.4(Vol.32)2003化器和提高燃油品质显得尤为重要。氧化催化器的载体主要有陶瓷单体和不锈钢金属两种,降低有害排放物的效果主要取决于所能达到的催化剂涂层技术。催化剂主要是铂、铑、钯等贵金属。催化器的老化主要包括热老化和催化剂中毒,国外研究表明当尾气温度长期处于650℃以上,易引起催化器热老化,但柴油机在正常工作条件下,尾气温度几乎不可能达到650℃,所以毒化是催化器老化的主要形式。易引起催化器中毒的物质有磷、锌、铅和砷等。磷常被作为添加剂加到柴油机的润滑油里。研究证实,若润滑油泄漏到尾气管,可以在几小时内让催化器中毒。JohnsonMatthey公司研究出两种方法可以抑制硫酸盐的生成,同时维持对HC和CO的高活性。一是将Pt/A1203催化剂在1050℃的高温下煅烧6小时以改变铂晶粒的尺寸,将铂晶粒从1.5nm变化到40nm。实验表明,煅烧之后,催化器对HC和CO的转化效率影响很小,但能大幅降低对S02的氧化。二是通过改变催化剂贵金属成分。该公司研究表明,向Pt/Al203中添加一定量的V(钒),可以较好地抑制Pt对S02的氧化同时还能保持对CO的高活性,但稍微降低了HC的氧化。研究人员还发现改变Pt和V的比例,催化器对S02和HC、CO的氧化活性也有变化。氧化催化器在国内外的柴油机上应用较多,其技术也趋于成熟。目前的难点在于如何选取可抑制硫酸盐生成的催化剂。3柴油机微粒捕集器微粒捕集器是国内外近年来研究的热点之一。微粒捕集器的关键技术包括过滤材料和过滤体再生技术。国外在过滤体材料上已有了商业化的产品,但对于捕集器的再生技术仍未取得突破性的进展。结合国内外的研究现状,目前微粒捕集器的难点在于寻求既可靠又实用的再生方法。对过滤材料的要求是,高的过滤效率,低的排气流动阻力和较高的机械强度。其中过滤效率和流动阻力是一对矛盾,高的微粒过滤效率一般会导致高的流动阻力。因此在选择过滤材料时要综合考虑这几方面的性能。目前应用较多的过滤材料主要有壁流式蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纤维、多孔性金属以及碳化硅。其中综合性能最好的是壁流式蜂窝陶瓷,其壁内小孔的尺寸都在微米级,过滤效率可达90%以上,且耐高温,机械强度高。缺点是由于微粒都沉积在孔道内,因此再生过程中受热不均匀,易发生热应力损坏。另外微粒在蜂窝内成板状结构,不利于着火燃烧。随着微粒在过滤体中的沉积,过滤体逐渐被堵塞,

使柴油机排气系统阻力增大,背压升高。当排气背压超过一定值后,柴油机的性能开始明显恶化,因此需要定期清除沉积在过滤体中的微粒,使排气背压降低到原有水平。这就是过滤体的再生。再生技术主要分为两大类,即主动再生和被动再生。主动再生用外界能量来提高捕集器内的温度,使微粒着火燃烧。被动再生一般利用燃油添加剂或者催化剂来降低微粒的着火温度,使微粒能在正常的柴油机排气温度下着火燃烧。目前主动再生方法有喷油助燃再生、电加热再生、微波加热再生、逆向喷气再生等。被动再生有燃油添加剂再生,连续再生以及催化剂辅助再生等。现在倾向于被动再生和被动与主动相结合再生方式。因为被动再生有较好的燃油经济性,较低的成本,整个系统也比主动再生简单。每种再生方法适合于不同行驶特点的车辆。例如被动再生不太适合公交车,因为公交车排气温度比其它柴油车低,易引起再生不可靠。法国PSA标致雪铁龙公司在微粒捕集器方面居全球领先地位。该公司使用的柴油车排放后处理系统中利用燃油添加剂降低微粒的着火温度,并且结合高压共轨喷射系统产生二次喷射来提高尾气温度,使捕集器再生,达到主动与被动再生相结合。在微粒捕集器前装有氧化催化器可有效降低HC、CO,又能产生氧化热。这套系统能有效的净化柴油机尾气,已成功地应用于该公司的多种柴油车上。4NOX吸附器

如何降低NOX也是柴油机有害排放物控制的难点与重点。由于柴油机尾气中含有较多的氧气,使得仅用汽油机上的三效催化器不能有效净化柴油机尾气中的NOX。NOX吸附器最初用于GDI汽油机和稀燃汽油机,后来才逐渐研究用于柴油机。具有NOx吸附能力的物质有贵金属和碱金属(或碱土金属)的混合物。吸附器是一个临时存储NOX的装置。发动机正常运转时,将NOX用吸附剂以硝酸盐的形式存储起来,当尾气处于富燃而贫氧条件下,硝酸盐又分解释放出NOX。当吸附达到饱和时,也需要再生吸附器,即调整发动机的工作状况,使其产生一富燃条件,使硝酸盐分解释放出NOX,NOX再与HC和CO

132003年(第32卷)第4期柴油机后处理技术的研究现状和发展趋势在贵金属催化器下被还原为N2。以含碱金属钡的吸附剂为例,在富氧状况下,Pt催化剂使NO氧化成N02,N02进一步与吸附剂中的钡生成硝酸钡而被捕集;在富燃状况下,硝酸钡又分解并释放出NOX,NOX再与HC和CO反应被还原成N2。在贫燃或富燃交替变换的环境下,碱金属钡分别以硝酸钡、氧化钡或碳酸钡的形态存在,起着吸附及释放NOX的作用。再生时也需要一定的温度,这主要取决于所使用的催化剂。催化器采用汽油机上的三效催化器TWC,因此,NOX吸附器也能净化一部分HC和CO。实际使用时需由发动机管理系统控制,以便及时改变发动机工作状况而产生富燃条件。其中的时间间隔和富燃时间尤为重要,富燃时间过长使得燃油消耗牺牲太多,过短则NOX净化率不高。吸附器的吸附能力也是很重要的参数。当吸附器具有较大的吸附容量时,可降少产生富燃的频率,从而降低成本并提高燃油经济性。吸附剂对硫有很强的亲和力,因为S02会和吸附催化剂发生类似NOX的反应而生成硫酸盐。而且硫酸盐一旦形成,特别稳定。国外的研究表明,要使该硫酸盐分解不但需要富燃气氛,而且要超过600℃的温度。因此硫对NOX吸附器的性能影响很大。下图是美国DieselEmissionControl-SulfurEffectsProgram计划中评价的燃油含硫量对NOX转化效率的影响。图1　燃油含硫量对在两种尾气温度(400℃,450℃)下相对NOX转化率的影响该项技术目前在车辆上尚应用不多,主要难点在于如何造成吸附器再生时所需的还原氛围,并克服硫的影响。例如在电控喷油柴油机上,有可能通过燃烧后期向缸内二次喷油的方法产生足够的还原氛围。4稀NOX催化还原器该还原器能直接将柴油机尾气中的NOX还原,它与NOX吸附器的主要区别在于没有吸附存储过程。用这种还原器需要随发动机的工作循环不停地向柴油机尾气中喷入还原剂。与NOX吸附器相比,该方法可靠性高,但需携带存储还原剂的装置。通常向柴油机尾气喷入的还原剂可以是氨水,尿素,丙烯以及合成气体等。由于氨水等毒性较大,现发展为直接向尾气中喷入柴油。。当尾气中含有大量还原性气体时NOX被还原。催化剂有铜离子交换的沸石和贵金属。实验表明当尾气温度低于300℃时铜离子交换的沸石活性较低,并且在高于500℃温度下易发生热老化。贵金属催化剂在300℃以下仍有较高活性,在800℃时也没有热老化发生。缺点是有一部分NOX被转化成N20。喷入还原剂的多少由尾气中的HC和NOX比例决定。

这种方法在国外已研究了很多年,目前在欧洲的部分柴油车上已有小批量使用。5结论1)国内外的研究均已证实,为了满足将来更为严格的排放法规(欧Ⅲ以上),必须结合使用后处理装置。2)燃料中的硫几乎对每种后处理装置都有影响,因此,提高燃料品质对控制柴油机排放显得尤为重要。3)控制微粒和NOX的排放是柴油机排放控制的重