发动机排气后处理技术

一、排气后处理的原因与意义随着我国工业快速崛起与经济迅猛发展，我国人民的生活水平不断提高，对于生活品质的要求也越来越高，汽车作为一种非常便捷的交通工具也越来越普及，汽车工业也得到了飞速的发展。然而，汽车的普及与汽车工业的快速发展给人们生活带来便利的同时也产生了能源与环境问题。近年来，节能、能源与环境相容问题成为备受关注的重大科学问题。而汽车发动机作为汽车动力的问题的根本所在，因此改善汽车性能的关键在于开发汽车发动机节能减排技术。因而，随着对内燃机低排放的要求不断严格，能兼顾动力性、经济性、排放性的内燃机越来越复杂，成本急剧上升。因此，世界各国都先后开发排气后处理技术，在不影响或者少影响内燃机其他性能的同时，降低最终向大气环境的排放。如何解决好发展过程中的能源与环境问题成为当前汽车工业面临的两项难题。一直以来汽车发动机以石油作为主要的燃料来源，但是，石油资源具有不可再生性，连续开采已使得石油资源日益枯竭。尾气排放带来的环境污染问题也是汽车工业急需解决的问题，制定并实施汽车尾气排放标准是一项较为有效的控制措施。在能源与环保的双重压力下，我国汽车发动机行业引进了许多先进的技术。就汽车发动机而言，汽车发动机排气后处理技术等先后应用到实际的生产生活中，其技术可以有效改善汽车发动机的尾气的排放与污染，降低废气污染的排放。进入二十一世纪，世界汽车发动机技术的研究重点与目标趋向于节能和二氧化碳减排取代排放控制的方面上。因此发动机排气后处理技术正处于上升趋势，而且国际上发动机排气后处理技术近年来已经有了很大的提高，其基础理论与机制有了巨大的进步，因此研制、设计、和试验汽车发动机系统的技术得到了很大的革新。二、排气后处理技术的原理与分类在讨论汽车发动机排气后处理技术之前，我们应该首先讨论一下汽车发动机所排放的尾气与其对于人体与社会的危害。首先汽车发动机的尾气的主要危害物有一氧化碳、碳氢化合物与氮氧化合物等众多有毒有害的气体。它们产生的原因多是有由于燃油的不充分的燃烧所引起的，并且在高温的情况下，更容易产生更多的上述的有害气体，这些有害气体会对环境造成极大的污染，对人体造成呼吸系统、血液、神经系统的人体重要的系统形成极大的损伤。而发动机的排气后处理技术就是用来减缓与解决上述的问题的。按目前主要的方法，汽车发动机排气后处理技术按照汽车发动机的燃油的种类，可以分为汽油机排气后处理技术与柴油机排气后处理技术。下面首先介绍汽油机排气后处理技术，汽油机排气后处理技术主要包括热反应器、催化转化器、HC捕集器，其中催化转化器又可以分为氧化性、还原性、氧化还原（三效）型以及稀燃型，目前单纯还原型的催化剂已很少用。下面对汽油机排气后处理技术的各个部分进行较为详细的介绍：首先是热反应器：处理对象为CO和HC。随着三效催化器的普及，20世纪90年代开始生产的新车已不采用热反应器。由于摩托车的排气后处理装置要求结构简单和成本低廉，并且摩托车的主要排放污染物是CO和HC，因而热反应器在摩托车上仍得到较多的应用。其次是氧化催化器：处理对象为CO和HC，对NOx基本无净化效果。目前用于摩托车。接下来是三效催化剂：同时净化CO、HC和NOx。当混合气浓度正好是化学计量比时，CO和HC与NOx三种有害成分互为氧化剂和还原剂，生成无害的CO₂、H₂O和N2。它已成为汽油机最主要的排气净化技术。最后是稀燃催化器：稀燃汽油机大部分工况都在过稀状态下工作，一般三效催化器无法使用。随着稀燃缸内直喷汽油机在20世纪90年代后期开始产品化，稀燃催化器得到了实际应用。但它对燃油硫含量要求很严；同时，稀燃发动机需要每隔一定时间多喷油过浓燃烧并推迟点火时间，以产生大量未燃HC，使催化剂再生。随着排放法规加严，再生的频度也不断提高，使原本由稀燃和缸内直喷技术得到的节油效果不断降低，由此导致稀燃GDI发动机应用受到阻碍。第二种发动机排气后处理技术是柴油机排气后处理技术。后处理技术正式用于柴油机是从欧Ⅳ排放阶段开始的，主要技术路线有SCR和DPF两种，因各国法规、油品和关注的性能指标（如油耗、PM、NOx）等具体情况不同，采取的技术路线也不同。采用SCR（SelectiveCatalyticReduction,选择性催化还原）技术路线时，通过机内净化技术PM可降至法规要求，但NOx排放会显著增高，依靠高效的SCR后处理系统将NOx降至法规标准水平。另外，SCR系统对柴油含硫量的要求较低且可显著节省燃油费用。采用DPF（DieselParticulateFilter，颗粒物滤清器）技术路线时，通过机内用冷却EGR降低NOx，这时PM会有明显升高，然后用DPF降低PM排放。DPF系统的复杂程度和成本低于SCR技术路线。三、发动机排气后处理技术的发展与趋势目前发动机的排气后处理技术已经取得了巨大的进步与发展。在最成功的排气后处理装置是汽油机用的三效催化转化器（Three-WayCataliticConverter，TWC）。它能在化学计量比为1下使车用汽油机的CO、HC和氮氧化物排放量削减80%~90%。旨在降低柴油机PM排放的颗粒物捕集器（DieselParticulateTrap，DPT）或者颗粒物滤清器（DieselParticulateFilter，DPF）可降低车用柴油机PM排放量50%~80%。就柴油机与汽油机的排气后处理技术而言，对于排气后处理技术的发展趋势，各国在后处理措施的选择上有所不同，但面对越来越严格的排放法规，各国的技术路线有着殊途同归的趋势。更进一步的说，发动机的燃烧控制技术、燃油品质提高技术、排气后处理技术这三种技术是发动机的三个相辅相成的技术。一方面发动机新型燃油喷射技术与燃烧控制技术，可以灵活方便的为排气后处理技术提供何时的温度与祖坟环境，另一方面，燃油品质的提高，特别是柴油硫含量的逐渐减少，在使燃烧本身产生较少污染的同时也提高了发动机后处理技术的耐久性与可靠性。因而柴油机排气污染问题的解决，也必须依靠以上三个方面技术的发展。因此，我们应该以整体的意识来认识与研究汽车发动机的各种技术，只有将这些技术巧妙的配合起来，才能使汽车发动机达到其最佳的性能与较低的污染。