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汽车排气污染是目前全世界关注的热点问题

时间: 2020-04-06
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虽然应用广泛的柴油机油耗低,可靠性好,但其排放的PM却给环境带来不小的危害,甚至于影响人们的健康而且,随着人们对环境保护的日益重视,柴油车尾气排放问题己经引起人们的重视。因此,必须采取相应的措施对柴油机排放的微粒加以控制。然而,柴油车所用的燃料和燃烧原理及特性与汽油车不同,决定了控制其排放污染物有一定的难度。因此,与汽油车相比,柴油车的CO和HC排放量要少得多,NO的排放量与汽油车在同一数量级,而PM的排放量则是汽油车的30~80倍[1。所以如果要对柴油车尾气排放加以控制的话,重点工作就要放在PM和N上。目前,虽然柴油车制造厂采取了一系列机内净化技术措施,但是NO和PM的排放问题无法得到彻底解决。因此,必须采取机外净化措施,也就是采用更为有效的柴油车排气后处理措施【如],以满足日益严厉的柴油车排放法规和标准。发展机外控制技术已经成为世界一些发达国家研究的热点,因为排气后处理技术是直接对有害排放污染物进行治理,其效果更加明显有效。
 
柴油机机外净化技术一般分为两类,分别是排气后NO处理技术和排气后PM处理技术。除此之外,近来人们还进行探索开发能够同时处理NO和PM的技术。
 
排气后NO处理技术
排气后NO处理技术主要包括:选择性催化还原NO技术(SCR)、等离子辅助催化还原技术、氧化催化转化器稀NO技术非选择性催化还原NO(NSCR系统)、NO吸附催化剂技术等[11]。SCR系统已经在诸如电厂、船舶等大型柴油机上实用化,用于降低NO的排放,转化效率高达90%【1。在国外,已有SCR运用实例,如戴姆勒一克莱斯勒公司为了使配备柴油机的商用车符合欧IV及欧V排放标准,采用了使用尿素的SCR法,已于2005年上半年在卡车及大巴中采用SCR法,并在2006年10月符合欧Iv标准前,开始阶段性地支持欧IV标准。该公司今后还将继续开发SCR技术,以尽早达到欧V标准的要求。但该技术的缺点在于尿素需要定时填充来维持正常工作,且选择催化转化器的体积大、成本高,需要动态计量控制还原剂,在低负荷时由于废气温度较低,催化效率下降。另外,需要高流量的氨气才能使NO转化效率最高。此外,目前等离子体技术研究的重点已用于NO处理,在稀燃排气中等离子放电主要是氧化反应,单独用等离子体对NO还原没有效果,但当将等离子体与催化剂结合,等离子体增强了催化剂的选择性,对柴油机排气中的NO和碳颗粒都有很好的净化效果。另一优点是对燃料含硫量几乎没有要求,可以在相对低的温度下运行。Delphi和Caterpillar等公司已经利用等离子体和催化剂系统开发出NO和碳颗粒后处理系统,可用于柴油小轿车、重型车上。其它几种排气后NO处理技术因硫的容忍性差或最大NO转换率太低等原因而需要进一步的改进。
 

油机微粒过滤器的再生
DPF作为2种物理性降低微粒的方法,捕集的微粒会积存在过滤器内部。滤芯长时间使用后会导致柴油机背压增加,当超过一定限值时f通常为20kPa)会导致发动机动力性和经济性恶化,并且会影响捕集效率,必须及时除去滤芯中的微粒才能柴油机正常工作,这就是DPF的再生。近20年来国内外对DPF的再生系统进行了大量细致的研究,提出了许多再生技术,部分己经获得成功应用。

逆向喷吹再生
在逆向喷吹再生系统中[2,过滤器的后方装有压缩空气喷射器。再生时,高压空气脉动地吹向陶瓷载体,被吹掉的微粒聚集到陶瓷载体以外的地方(膨胀室),由电热装置引燃烧掉或由一真空容器将其除去。它不会引起再生高温对陶瓷载体的烧损,同时也解决了不燃物质在过滤器内累积的问题。为提高再生效果,整个系统要求严格密封。而高压空气的速度、气流分布等也决定了再生效果的好坏。
 
POC(颗粒氧化催化转化器)
最近出现的POC(颗粒氧化催化转化器)是一种全新的柴油机后处理设计理念,在欧洲是为欧Ⅳ、欧V阶段设计的,它可以捕捉并氧化部分颗粒物叭。其结构是使废气通过一个多褶皱而不堵塞的通道,它可以降低颗粒物中可挥发的有机成分,对颗粒物的转化效率可达到60%以上。除此之外,POC与其它后处理系统配合使用,可将90%以上的CO和HC转化成H2O和CO2。
 
虽然POC对颗粒物的转化效率较低,可以达到60%以上,没有颗粒捕捉器(DPF)的转化效率高(可达90%以上1,但与颗粒捕捉器相比,具有成本低、无需复杂的标定过程、开发周期短、可靠性好等优点。目前,POC作为降低颗粒数或者颗粒质量目标而优化设计的新型催化器,已被证明在轻型车与重型车上使用有效。POC催化器在工作原理上最大程度地避免了高硫含量环境对催化器的不利影响。耐久性道路试验数据表明,POC的催化效能在高硫含量的环境中没有明显的恶化,不同的涂层和贵金属的选择使用是增强抗硫能力的关键。从经济成本和使用效果来看,POC催化器是帮助国内轻型车达到国Ⅲ、国Ⅳ标准的非常好的技术产品。

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同时处理NOx和PM的技术
柴油机排气中的有害排放物NO和微粒PM对于人类具有很大的危害性,必须采取相应的措施对其加以控制。微粒的生成条件是高温缺氧,NO的生成条件是高温富氧,二者的生成规律不同而又相互矛盾,此即NO和微粒的折衷曲线[23,24】。针对这一缺点,开发了PM过滤及NO还原技术、四效催化技术、多段处理去除PM和NO、双床催化技术等希望能像汽油车三效催化剂一样,以微粒和NO为氧化剂和还原剂,同时去除CO、HC、PM和NO,从而找到一种较为理想的柴油车尾气净化催化方法。

PM过滤及N还原技术
丰田GENESIS研究所最近开发了一种柴油发动机PM过滤及NO还原处理技术(DieselParticleandNitrogenoxidesReduction,DPNR)。此系统将No吸附与PM过滤有机结合在一起,可同时对柴油车排气中所含PM和NO进行同期连续净化。多孔陶瓷捕集器载体上涂有用于稀薄燃烧的吸附还原型三效催化剂。在稀燃条件下,PM被捕集,NO被吸附到催化剂上。采用推迟喷油定时产生了更多的碳氢化合物,促使NO还原为N2,定时解析出的活性02也促进了PM的氧化,从而降低了PM的排放。该技术需外加燃油,且控制复杂。

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车用柴油机排放控制技术是一项多技术综合利用的系统工程,是柴油机技术研究的重点之一。从危害程度和排放控制技术的角度来看,颗粒是柴油机最主要的污染物。必须有效解决柴油机颗粒排放,才有条件进一步对N进行净化,进而全面降低柴油机排气污染。POC对颗粒物的转化效率可以达到60%以上,虽然没有颗粒捕捉器(DPF)的转化效率高(可达90%以上),但与颗粒捕捉器相比,具有成本低、无需复杂的标定过程、开发周期短、可靠性好等优点。可以认为POC是适合目前国内柴油车的发展和油品水平、可以满足国Ill/国Ⅳ排放法规要求的一种较为经济实用的机外净化技术。同时,随着柴油车应用的曰渐广泛,环保法规的日益严格,研制开发出可以实用化的、高效的柴油车尾气净化催化技术是汽车领域和催化领域所面临的重大课题。


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