柴油机颗粒物排放后处理技术

AutoEngineer-41-2009(10)技术聚焦FOCUSFeature柴油机因具有低油耗、高热效率及良好的可靠性等特点，得到了越来越多的应用。目前几乎所有的重型车都使用柴油机，且越来越多的轻型车也开始广泛使用柴油机。如何有效地降低车用柴油发动机尾气污染物，特别是PM排放成为汽车及发动机行业面临的严峻挑战。文章对柴油机PM的组成、生成机理及后处理技术进行深入介绍，希望能够促进柴油机PM后处理技术在中国的广泛应用。1柴油机颗粒物的组成及生成机理柴油机PM主要由3部分成分组成，即固态的未燃碳颗粒聚合物（DS）、可溶有机物（SOF）、无机盐类及其它的一些聚合物。柴油机微粒的主要成分是碳烟。碳烟形成的条件是高温和缺氧。由于柴油机的油气混合并不均匀，尽管总体上是富氧燃烧，但局部的缺氧还是导致了碳烟的形成[1]。一般认为碳烟形成的过程是：烃类燃料中的烃分子在高温缺氧的条件下热裂解，形成部分乙烯和聚乙烯；乙烯和聚乙烯在不断的脱氢后，聚合成为以碳为主的，直径为2nm左右的碳烟核心；气体中的烃在这个碳烟核心表面的凝聚，以及碳烟核心之间的凝聚，使得碳烟核心的表面增大，成为直径为20～30nm左右的碳烟基元。至此，碳烟的质量已经基本确定。最后，碳烟基元堆积成微粒。碳烟PM的形成过程，如图1所示。烃类燃料高温脱氢凝聚阶段热裂解乙烯聚乙烯碳烟核心2nm碳烟基元20~30nm碳烟PM图1碳烟PM的形成过程柴油机微粒中的硫化物主要来源于柴油中硫的氧化，因此，降低燃油中的硫含量是非常重要的。根据英国Ricardo研究所的研究[2]，柴油机微粒中的有机HC成分主要来源于润滑油，这个来源约占微粒有机成分的74%。在我国，由于化工炼油工业和内燃机制造工业相对落后，柴油机排气中有较多硫化物成分，而且相当部分润滑油也形成未燃烃类燃料排出发动余乐聂彦鑫（武汉理工大学汽车工程学院）摘要：柴油机已在全球范围得到广泛应用，柴油机排放的颗粒物（PM）对环境具有十分恶劣的影响，降低其颗粒物排放是目前的研究热点。文章介绍了车辆排气中颗粒物的组成和生成机理，阐述了目前正在应用及研究的6种颗粒物排放后处理技术。指出我国硫含量过高限制了许多种类的颗粒物排放后处理技术的运用，因此我国应采用各种可靠性较高的主动再生柴油机颗粒捕集器。关键词：柴油机；颗粒物；后处理技术；再生After-treatmentofDieselEnginePMEmissionsAbstract:Dieselengineshavebeenwidelyusedallaroundtheworld.ThePMemissionsofdieselengineshaveawickedaffectonenvironment.ReductiononPMistheresearchhighlightnowadays.Thispaperintroducesthecompositionandformationmechanismofvehicle,andthenillustratesPMemissionsafter-treatmenttechnologieswhichhavebeenusedorstillunderresearch.ThepaperpointsoutthefactthatsulfurcontentinChinesemarketistoohigh,whichhaslimitedtheimplementationofalotparticulatematteremissionspost-processingtechnology.Therefore,Chinashouldadoptdieselparticulatetrapwithhighreliabilityactiveregeneration.Keywords:Dieselengine;PM;After-treatmenttechnology;Regeneration柴油机颗粒物排放后处理技术AutoEngineer-42-2009年10月技术聚焦FOCUS技术看点机。因此,后处理技术在我国有着更为重要的意义。2柴油机颗粒物排气后处理技术2.1柴油机氧化催化器（DOC）DOC以铂（Pt）和钯（Pd）等贵金属作为催化剂，主要降低微粒排放中的SOF的含量，从而降低PM的排放。氧化催化器的系统结构及实物，如图2所示[3]。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，可以同时有效减少排气中的HC和CO。DOC能够氧化排气中的30%～80%的气态HC和40%～70%的CO，以及除去微粒物总量的30%～50%，这主要是氧化了50%～80%吸附在碳粒表面的可溶性有机成分获得的结果[4]。DOC对于纯碳粒几乎不起作用。$0)$$040'B


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%0$ጇፒࠄྭڏ图2DOC系统结构及实物图氧化催化器同时对于目前排放法规还未限制的有害成分（如多环芳香烃、乙醛等）都能净化。研究表明DOC可以使有毒的部分减少68%，多环芳香碳氢化合物排放减少56%，乙醛减少70%。自1995年以后，全世界至少有50万辆卡车和公共汽车加装了DOC系统。DOC在氧化掉PM中的一部分SOF的同时也将尾气中的部分SO2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，还会降低催化器的寿命。因此，选择合适的催化器和使用低硫化燃油就显得尤为重要。氧化催化器存在的主要问题是高温老化和催化器中毒。高温老化主要是由于贵金属在高温下发生了烧结而导致了催化剂活性点减少、性能下降；催化器中毒主要是由于排气中的硫酸盐及颗粒等成分覆盖了载体表面活性点而导致了催化性能的下降。催化器的高温老化是不可逆的，而催化剂中毒后可以部分恢复活性。另外燃油中的硫含量过高，会导致排气经过DOC时硫酸盐成分的增加，有可能导致微粒排放量的升高，因而DOC必须与低硫柴油一起使用。单独使用DOC时，会造成NOx中NO2比例的增加，而NO2的毒性是NO毒性的4倍。除了降低燃油中的硫含量，通过改变载体的材料构成，也可以提高DOC的抗硫老化性能。例如通过选择低的SO2吸附载体材料和在多加一层无贵金属负载的SO2阻隔层的方法，在不影响HC和CO转化率的同时，降低了DOC中硫酸盐的生成量，提高了催化剂的抗硫中毒性能。2.2柴油机微粒捕集器（DPF）DPF是柴油机微粒排放后处理的主要方式，它由收集排气微粒的滤芯和各类周期性的把滤芯中积存的微粒烧掉或氧化掉的再生系统所组成。该技术的应用方法是先用DPF捕集废气中的PM，然后通过对收集的PM的氧化来使DPF再生。该方法可以从柴油机排气中去除碳烟颗粒，其效率远超过90%。微粒捕集器的关键技术不是PM的捕集，而是过滤材料和过滤体的再生。因为，微粒收集器采用的是毛孔吸附法，吸附后的微粒粘在载体毛孔通道上，堵塞排气通道，对柴油机排气产生阻力，将会直接影响到柴油机的经济性和动力性。因此，收集器的载体在使用一段时间后必须对其进行清理再生。DPF再生的方法有2种：1）通过在燃油中加入添加剂或在过滤材料表面涂催化层来降低PM的燃点，使得PM能在较低的温度下燃烧，一般称被动再生；2）利用外界能量来提高DPF内的温度，使PM着火燃烧，称为主动再生。也可以把2种方案组合起来使用，以确保过滤器得到可靠地再生，维护PM过滤系统在寿命周期内的正常功能。目前，主动再生方法有喷油助燃再生、电加热再生、微波加热再生及反吹再生等；被动再生有燃油添加剂再生、连续再生以及催化剂再生等。2种方法都有其优势，如主动再生对汽车工况没有要求，效率高，可靠性好；而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。二者都需要优化控制再生策略，如果控制的不好，那么AutoEngineer-43-第10期技术聚焦FOCUSFeature载体的温度会过高，这样会降低DPF的寿命。下面介绍几种再生技术。2.2.1催化再生催化再生技术是利用化学催化的方法降低微粒的反应活化能，使其能在柴油机正常排气温度下进行燃烧，实现微粒过滤器的再生。在再生过程中，过滤体所受到的热负荷较小，因此提高了过滤体的寿命及工作可靠性。催化再生技术主要有2种：1）将催化剂提前浸渍在过滤体上，以降低过滤体上微粒的活化能，但由于固体微粒与催化剂的接触反应极不均匀，因此很难完全再生。另外，由于柴油机排气中的微粒含量很大，随着时间的进行，催化剂的作用会逐渐减弱或完全消失，即催化剂中毒，从而影响到过滤体的有效再生和对其它有害气体的催化净化效果；2）采用燃油添加剂，即在燃油中加入金属有机物，燃烧后生成的金属氧化物对微粒起催化作用，使微粒着火温度降低，从而在较低的排气温度下，不需外部能源，过滤体能自行再生。但是，燃料添加剂的燃烧产物金属氧化物随排气流经过滤器时，有一部分会沉积下来，积累在过滤体上的添加剂金属燃烧产物会堵塞过滤体孔隙，缩短过滤器使用寿命。若沉积物过多，背压上升，就会影响柴油机的动力性和经济性，这个问题目前只能通过定期更换过滤体来解决。由于我国柴油中的硫含量在1000×10-6以上，远高于金属催化剂所要求的硫含量（低于50×10-6）标准，因此催化技术在我国的应用还需要一段时间。2.2.2喷油助燃再生喷油助燃再生技术是通过一套专门的系统，适时地向过滤体上游空间喷入一定量的燃油和供给一定的空气，由点火系统将喷入的燃油点燃，使过滤体的温度上升，微粒着火燃烧，以实现过滤体的再生。再生系统很复杂，造价昂贵，而且容易出故障。为保证过滤体的成功再生，要求再生燃烧器具有点火可靠、燃烧完全及火焰分布均匀等特点。如点火失败，将使燃料沉积在过滤体上，引起二次沉积和污染，并且容易引起爆燃。燃烧不完全会使再生时排气冒烟，也会导致二次污染。2.2.3电加热再生电加热再生技术与喷油助燃再生技术相类似，但它是以电能代替喷油燃烧热能加热空气或废气来实现对过滤体的再生。这种再生技术对电功率要求比较高，一般需要1.5～3kW。为了有效地利用电能，一般都采用废气旁通装置。电加热再生是利用具有高导电性能的结晶SiC作为过滤材料，当需要再生时，将过滤体作为电加热元件直接对其通电加热，使沉积其上的碳烟微粒升温燃烧，实现过滤体自身的再生。因此这种再生技术系统比较简单，可控性好，并且在柴油机任何工况下都能对过滤体进行可靠地再生。电加热再生对车用电源的要求很高，在使用过程中需要解决耗电量高的问题，结晶SiC的制造工艺复杂且成本高。2.2.4反吹再生为了提高柴油机微粒过滤及再生系统的可靠性和使用寿命，将微粒的燃烧与过滤体分离开是一个有效的途径。近年来，提出了一种新的有别于一般再生过程的再生技术，即反吹再生技术。该再生过程的最大特点是能将过滤体与微粒燃烧分开，因此该系统不存在过滤体由于微粒燃烧发热而产生爆裂和烧熔等问题，另外也解决了不燃物质在过滤器内累积的问题。当过滤体需要再生时，压缩空气从过滤体出口处高速喷入，将微粒从过滤体表面清除，并落入微粒漏斗。收集在漏斗内的微粒由漏斗内的销装电加热器连续烧掉。2.2.5微波加热再生微波加热再生则是利用微波所独具的选择加热及体积加热特性，对沉积在过滤体上的对微波具有极强吸收能力的微粒以及过滤体本身进行加热，使微粒迅速燃烧。微波再生时在过滤体内部形成空间分布的热源，对过滤体进行体积加热。这种体积加热方式可以使沉积在过滤体内部的微粒就地吸热、着火及燃烧，过滤体内的温度梯度小，因而减少了热应力引起过滤体破坏的可能，无疑这些对过滤体的安全有效再生是十分有利的。2.2.6连续再生连续再生微粒捕集系统CRT（ContinuousRegenerationTraps）原理特点是在DPF或开放式的微粒氧化器POC（ParticulateOxidationCatalyst）前有1个特殊的氧化催化器，将排气中的NO转化成NO2，以提高排气中NO2的浓度。利用活性很大的NO2中的一个O来氧化PM中的碳烟，以达到再生的目