关键字：尾气处理、机外净化、节能减排
1 颗粒物的过滤净化技术
控制柴油机颗粒物排放的技术措施主要有颗粒物的氧化催化技术(DOC)、连续再生捕集技术(CRT)、颗粒物的捕集技术(DPF)。
1.1 氧化催化技术：是在蜂窝陶瓷载体上涂金属催化剂(如Pt)，降低柴油机尾气中的HC、CO和SOF的化学反应活化能，使这些物质能与尾气中的氧气在较低的温度下进行氧化反应并最终转化为CO2和H2O。
1.2 连续再生捕集技术：它由一个壁流式陶瓷过滤器和一个置于过滤器上游的氧化型催化转化器构成。当柴油机排气流过氧化型催化剂时，在200℃一600℃温度条件下，CO和HC几乎全部被氧化成CO2和H2O，NO被转化成NO2。NO2对被捕集的PM有很强的氧化能力，利用产生的NO2作为氧化剂除去微粒捕集器中的微粒并生成 CO2，而NO2又被还原为NO，达到去除微粒的目的。
1.3 颗粒物的捕集技术：它主要是通过扩散、沉积和撞击机理来过滤捕集柴油机排气中微粒的。排气流经捕集器时，其中微粒被捕集在过滤体的滤芯内，剩下较清洁的排气排入大气中。目前应用较多的是壁流式蜂窝陶瓷过滤器，主要用于工程机械和城市公共汽车，操作简单、过滤效率高。
2 氮氧化物的净化技术
2.1 三元催化转换技术：三元催化器，是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。由于这种催化器可同时将废气中的三种主要有害物质转化为无害物质，故称三元。工作原理是：当高温的汽车尾气通过净化装置时，催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中CO在高温下氧化二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水(H2O)和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。
2.2 等离子体辅助催化还原NOx技术：它由低温等离子体与催化剂系统组合而成。排气在低温等离子区内被分解，同时产生大量的激发态分子和离子并进入催化剂区，在催化剂的催化作用下，这些激发态分子和离子与NOx发生化学反应，将NOx还原成N2。单纯应用等离子体反应只能促使NO氧化成NO2，并不能减少NOx的含量，必须加入适当的还原剂(如丙烯)使NO2还原成N2。
2.3 稀混合气NOx捕集技术：它所用NOx存储催化剂是以三元催化剂为基础，开始以稀燃汽油机为对象进行研制和开发的，其活性成分是贵金属和碱土金属(如Na+、K+、Ba2+等)或稀土金属(如La2O3)，反应原理如图1。当发动机在稀燃状态下工作时，排气处于氧化环境中，在氧化元件金属催化作用下，发动机排气中的NO与O2反应生成NO2。以硝酸盐MNO3(M代表吸附材料)的形式存储在存储元件表面；当发动机在低氧下运转时，MNO3分解出NOx，在催化剂上与CO、HC和H2反应生成N2、CO2和H2O，同时使得碱土金属得以再生。
2.4 选择性催化还原技术：它是指利用氨水、尿素或烃类为还原剂，在氧浓度高出NOx浓度两个数量级以上的条件下，高选择性地优先把NOX还原为N2。催化的作用是降低分解反应的活化能，使其反应温度降低至合适的温度区间。选择性催化还原转化器也被称为降氮氧化物(DeNOx)催化转化器。采用尿素一SCR净化方案的发动机，其燃油消耗可节省 5％～7％，扣除因使用尿素而增加的费用，还有节油2％～3％的优势 。
(1)、尿素一SCR 系统的组成见图 2。主要包括以下三个部分 ：
1)催化转换器，安置在排气气流中，它的外表与消声器很像。催化转换器中包含的化学混合物，在氨出现时帮助其将NOx转变成无害的化学物质 。
2)尿素，它以水溶液的形式储存在一个容积18.9～113.6L的储液罐中 ，它的尺寸应尽量大，以减少驾驶员添加液体的次数，但同时又要满足车辆底盘布置和质量方面的约束。为了防止温度降低时尿素结晶，储液罐和尿素喷射系统有防冻保护。
3) 尿素喷射和控制系统，尿素的喷射量必须仔细控制，这样施用的氨才能与发动机实时产生的NOx量精密地匹配。喷射和控制系统主要由各类传感器、供给模块、尿素计量和喷射装置、电控单元、空气供给装置等组成。
(2)尿素一SCR催化还原的基本原理
在热的尾气中添加含有32.5％尿素的水基溶液，溶液存储于附加的储存箱内，通过计量阀被连续喷射到SCR还原催化转换器之前的尾气中。选择性还原催化器是指安装在柴油汽车排气系统中，将柴油机排气中的NOx催化还原成N2和O2催化转化装置。尿素溶液通过一个加热的管道从尿素储液罐中被吸取，然后用压缩空气将尿素溶液均匀地吹入尾气中，尿素溶液被气化并释放出氨。然后催化器中使NOx加速转化成纯净的氮气和水。在喷射之前，有尿素的溶液先通过一个格栅进行充分雾化 ，在炙热的尾气作用下，尿素被转化为氨气，再与催化转换器中的 NOx发生反应，生成氮和水。
(3) SCR系统的工作过程
当车辆的钥匙开关打到ON挡的时候， ECU开始通电，同时尿素计量泵开始转动，从尿素储存罐中抽吸尿素溶液，前期计量泵以最大工作压力进行工作，快速建压，当泵腔中的压力达到5bar后，计量泵将由ECU进行闭环控制，保持泵腔的压力，用于尿素喷嘴的冷却和喷射。当转速和排气温度达到预先标定好条件后，尿素喷嘴才会喷射尿素溶液。尿素溶液被喷射到排气管中，与柴油机排气进行均匀混合并进行化学反应，净化排气。尿素溶液在气温低于-11℃时会结冰，故系统配置有化冰功能，化冰的热源来源于柴油机的冷却水。
(4) SCR中的化学反应
尿素还原NO过程中发生的化学反应主要为(3-1)～(3-5)。在SCR反应过程中，由于柴油机排气中90%以上的NOx是以NO的形式存在因此，反应(5)是主要反应。此外，还可能发生以下副反应(3-6)～(3-10)。
尿素热解 ： (NH2)2CO→HNCO+NH3 (3-1)
水 解 ：NCO+H2O→CO2+NH3 (3-2)氧化转换： 4NH3+4NO+O2 →4N2+6H2O (3-3)
4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O (3-4)
4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O (3-5)
副反应： 8NH3+5O2→4N2O+6H2O (3-6)
4NH3+5O2→4NO+6H2O (3-7)
4NH3+5O2→2N2+10H2O (3-8)
SO2+O2→SO3 (3-9)
SO3+H2O+NH3→NH4HSO4 (3-10)
反应(3-6)在温度高于350℃才开始，高于4500℃比较明显；在钒基催化剂条件下，仅会发生少量NH3氧化为NO和N2的副反应(3-7) 。此外，废气中通常还会含有SO2，在V2O5基催化剂的作用下SO2会被氧化成SO3，反应(3-9)，而生成的SO3会与H2O和泄漏的NH3生成NH4HSO4等，反应(3-10)。
参考文献：
1、崔胜民．新能源汽车技术．北京大学出版社． 2009
2、肖广飞．膜法富氧技术在内燃机上应用的研究进展．农业机械学报．2007，2
3、.H2O和S02在NH3选择性催化还原NO过程中的影响，内燃机工程 2008，29(3)．
4、李胜利，程国宏.高压脉冲等离子体催化还原NO的研究.环境科学技术．2005，
论文作者:熊现美
论文发表刊物:《科技中国》2017年9期
论文发表时间:2018/2/9
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