摘要：本文主要介绍了目前国内柴油发动机排气污染物的法规限值，减少排放污染物的主要技术路线，特别是重点分析了排放后处理路线的原理和优缺点，为柴油机排放开发提供了技术建议。
关键词：柴油机；后处理；尾气净化
1.引言
随着柴油机排放要求的加严及排放控制技术的进步，有害污染物排放的控制手段越来越多，不仅包含机内净化，也越来越多依赖于机外净化；燃油品质对后处理技术路线的选择具有重要影响。
2.有害物排放法规分析
中国参照欧盟相应的标准发布了GB 17691-2005：《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值与测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》，进一步明确了对发动机有害物排放的要求，其中中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段ESC与ETC限值如下：
从上表可知，到欧Ⅴ阶段，NOx排放限值下降至2g/kWh，PM排放限值下降至0.03g/kWh（ETC限值），到欧Ⅵ阶段，NOx排放限值下降至0.4g/kWh，PM排放限值下降至0.01g/kWh，基本接近于零排放。单纯通过机内排放控制已经无法满足要求，必须同时采用机外控制。
3.排放控制技术的发展趋势
随着排放法规的推进，排放控制技术也从机内控制转变为机内加机外控制，甚至需要采用多种组合式的机外控制策略。排放控制技术随排放法规推移的基本示意图如下：
由上图可知，在欧Ⅲ阶段还可以采用机械泵，不需要采用后处理器，逐渐引入电控高压喷射技术。欧Ⅳ、欧Ⅴ阶段必须要采用EGR或后处理等排放控制措施。到欧Ⅵ阶段，采用传统燃烧方式可以达标，也可能会应用到更先进的燃烧方式。
4.柴油发动机后处理技术路线浅析
机外净化即尾气后处理。当排放达到欧Ⅳ及以上时，单纯依靠机内净化已经很难满足排放要求，因此开始引入后处理技术。柴油机属于过氧燃烧，排气中氧含量较高，HC和C0的含量低，其主要有害物是NOx和微粒，且在处理NOx和PM的同时也能处理一部分HC和CO，因此柴油机机外净化的重点是降低NOx和减少微粒。柴油机后处理技术主要有氧化催化器（DOC）、颗粒过滤器（DPF）、选择性催化还原（SCR）、NOx 捕集器等。
1）氧化型催化器（DOC）
DOC主要作用是降低PM排放中的SOF成分，同时也能显著降低HC、CO，一般的氧化催化器可以除去90％的SOF（可溶有机物），从而使PM排放减少20％～40％，其对HC和CO的处理效率可以分别达到90％、70％。当前的DOC技术中，分为强氧化型和弱氧化型，强氧化型一般采用铂（Pt）、钯（Pd）等贵金属作为催化剂；弱氧化型一般采用高科技高分子材料。
DOC技术脱除碳颗粒物的效果比较差，并且催化剂有将排气中的SO2催化转化为SO3，而生成硫酸盐颗粒的趋向，尤其是温度较高时硫酸盐生成速率增大，从而使颗粒物排放总量减少甚微。并且硫化物的存在还易使催化剂中毒劣化。所以柴油机颗粒催化氧化技术一般适用于含硫量较低的柴油燃料。
2）颗粒过滤器（DPF）
颗粒过滤器为将尾气中的颗粒物排放中的碳粒收集起来并处理掉的装置，其能显著降低颗粒物排放，其对颗粒物中的碳粒的处理可以达到70%—90％的降低。其工作原理是：先由过滤器捕集颗粒物，然后再将过滤器中捕集的颗粒物氧化燃烧以完成捕集器的再生。在收集到一定数量的微粒后会导致过滤器背压上升、过滤效率下降，柴油机运行的经济性和动力性恶化。因此必须在一定条件下对DPF进行再生，除去DPF中的微粒，DPF的再生包括主动再生和被动再生。主动再生是利用各种外部能源再生，包括电加热再生、微波再生、喷油助燃再生等。通过这些手段提高过滤器温度，使碳烟可以燃烧从而转变为CO2除去。再生不依赖于排气携带的热量，而且可以人工控制，所以主动再生有很宽的应用范围。但是主动再生系统增加了能量消耗，其控制组件比较大，因而不是首选的再生技术。被动再生采用催化再生技术，利用催化剂降低微粒的活化反应能，使微粒的自燃温度降到350℃左右，使微粒可以在柴油机较大范围的运行工况达到再生。用于被动再生的催化添加剂有很多，如Ce，Pt，Mn，Fe，Cu等。近年来，作为一种有代表性的方案，在柴油中加入铈（Ce）添加剂，使得燃烧产生的微粒中含有Ce的化合物，由此将微粒的自燃温度降到300℃以下，可以在柴油机绝大部分工况下自动进行再生。但这种方法尚存在一些问题，在添加剂用量较大时，金属Ce（其他金属添加剂也同样）的氧化物会残留在微粒过滤器内造成慢性堵塞等，而且可能会产生对人体有害的排放物。
3）选择性催化还原（SCR）
SCR技术是通过选择性催化还原技术将排气中的NOx还原，从而降低NOx排放。该技术最初应用于火力发电厂的脱销。它是以氨或氨水、尿素作为还原剂的选择性催化还原系统，可以有效地降低柴油机排放中的NOx，一般可达到60％一90％，而且还能部分降低排气中HC的浓度。其理论依据是将尿素与水以适当比例混合，喷入废气中，能将废气中的NOx还原成N2和H2O。在高温环境中（温度高于300℃），再加上催化剂的作用，NOx能迅速与氨气NH3反应，生成氮气N2和水H2O。而柴油机的排气温度一般在300～500℃范围内，满足了NOx还原所需的温度条件。
因SCR技术降低NOx排放的效果非常显著，对机内NOx排放要求不高，因而可以通过适当优化供油时刻获得较好的燃油经济性，弥补了使用尿素的成本，甚至还会更经济。同时，SCR技术对燃油中S含量相对不敏感。因此，SCR技术在重型柴油机上有较好的应用前景。
4）NOx 捕集器（LNT）
LNT即Lean NOx Trap，其对NOx的净化效率可达80%。其基于发动机周期性的稀燃和富燃工作的一种NOx净化技术，在稀燃过程中将NOx吸附起来，在短暂的富燃过程中NOx释放并被HC还原。该技术因不需要额外添加剂，具备一定的市场空间。
基于以上分析，达标欧Ⅴ排放的技术路线如下，其中方案一CO2排放量相对更低（油耗更优），油品适应性更强，也是目前市场主流的技术路线：
5.综述及展望
根据以上分析，需要达标欧Ⅴ及以上排放法规，必须选择合适的后处理技术路线。同时因为燃油品质对排放及后处理选择有一定的的影响，因此在欧Ⅴ及以上排放法规阶段，燃油品质已经成为不可忽略的因素之一。
在传统燃烧方式前提下，达标欧Ⅵ不仅需要针对发动机本体进行大量的优化，还需要多种后处理器的组合，一方面成本增加明显，发动机布置难度加大，另一方面因排气后处理机构的增多造成的背压加大，对发动机经济性的影响也将比较明显。
参考文献：
[1]GB 17691-2005：车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值与测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）【S】，2005
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[3]李东旭，翁瑞.柴油车尾气颗粒物净化用SiC过滤材料的研究与应用【J】环境工程学报，2007
[4]黄文伟，孟凡生.柴油发动机尾气后处理技术的发展【J】内燃机，2010
论文作者:孙崑鹏
论文发表刊物:《基层建设》2017年第7期
论文发表时间:2017/7/13
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