柴油机排放后处理技术.doc

《高等内燃机原理》
柴油机排气后处理技术
进入二十世纪九十年代以来，能源危机和环境污染两大问题，严重危害人类社会的可持续发展，日益受到各国政府和民间的重视。随着汽车工业的发展，汽车保有量的增加，对能源和环境的压力日益加剧，新的排放法规的要求日趋严格，研究开发低排放、低油耗的汽车新技术势在必行[1]。
柴油机作为一种高效节能的动力机械，在军车动力中占据这越来越重要的地位。为了保持柴油机卓越的燃油经济性，同时又能满足越来越严格的排放法规要求，电控燃油喷射、可变截面涡轮增压器和废气再循环、排气后处理等技术被相继采用，并逐渐成为先进柴油机的通用技术标准。然而，随着排放法规的日益严格，机内净化技术实现起来已经愈有难度且成本较高，排气后处理技术成为了减少尾气污染的重要手段。
本文章主要介绍柴油机主要污染物生成机理，柴油机排气后处理技术的相关情况。
一柴油机排放主要污染物生成机理
柴油机排放的主要污染物有：NOx、微粒。
NOx的生成机理
感兴趣的氮氧化物是指NO，N2O（燃气轮机）和NO2，其中常见的是NO和NO2，它们统称为NOx。在燃烧后的排气过程中，更加稳定的NO几乎总是超过其它氮氧化物占主要地位。
NO的生成途径以确定有两种：
高温途径即在已燃区产生的NO称为热NO；
瞬发途径。即在火焰区产生的NO称为瞬发NO；
氮氧化合物是在燃烧过程中由燃烧空气中的氮或来自化石燃料中的含氮有机物（主要是在重油和煤中）生成的。若NOx排放受到热力学平衡约束条件控制的话，则氮氧化物的浓度在排气温度下将小于1×10-6。当燃烧产物的温度下降，NOx浓度开始降低，但在火焰温度下，供NOx分解的时间在通常的燃烧设备中都太短，难以达到平衡状态，以及氮氧化合物在数十到数千（与燃烧的情况有关）10-6的浓度下被激冷。这样，NOx生成和分解的化学过程是由化学动力学而不是热力学控制的。
NO和NO2浓度是彼此被另一个快速活性基反应连系在一起的：NO2和O，H和OH反应生成NO，而NO和HO2反应生成NO2。我们对氮氧化物和非有机成分反应有很好地了解，但对NO和含碳物质反应却有相当空白，对该领域，研究兴趣正在扩大。
微粒的生成机理
柴油机的总微粒TPM(totalparticularmatter)是由固体碳(solids,SOL)（起始的固体碳球直径为0.01-0.08µm,由它们组成固体质点并凝聚碳氢化合物生成0.05-1.0µm的SOL），在SOL外面吸收了一层可用有机溶剂溶去的碳氢化合物称为可溶有机成分以及可溶于水的硫酸盐三部分组成。如图示[2]：
图1柴油机微粒的组成

目前对碳烟的生成机理（特别是起始阶段）和氧化细节，在火焰中碳氢化合物的生成机理以及PM的生物毒性等方面的研究都不太成熟，已经提出的模型也只是在个别场合的使用是适用的，没有普遍的意义。
碳烟主要是碳，其他如O，H通常只有少量存在，它是碳氢化合物高温下裂解火燃烧产生的。有火焰放出的碳烟量是由碳烟生成和氧化过程的竞争决定的。
当碳氢裂解时，首先生成分子量较小的碳氢，特别是乙炔，碳烟产生的起始步骤是由脂肪族碳氢生成第一个芳香族组分，此芳香族组分由其它芳香族组分和较小的烷基组分的加入而生长，组成较大的多换芳香烃（poly-cyclicaromatichydrocarbon,PAH），PAH继续生长，最终生成最小的，但可识别的，直径大约为1nm，质量约为1000u（原子量单位）的碳烟微粒（sootparticle）。
火焰中碳烟的产生就其本质来说是一种由化学控制的现象。低分子量（气体的）碳氢变成主要是固体碳仅需几个毫秒，几乎在碳烟产生过程的所有阶段：起始生成，表面生长，老化和表面氧化均发现有化学作用。
二柴油机排排放概况

图2柴油机排放控制中三技术组合
柴油机排气控制对策技术包含发动机技术、后处理技术和燃油技术。发动机技术加上后处理技术构成汽车技术。图2中形象地示出了这三种技术的关系[3]：
所谓发动机技术是指改善燃烧，抑制NOx和PM生成的技术，是柴油机排放控制对策的核心。改善燃烧的方法有然料喷射时期控制、黛料高压喷射、燃料喷射率控制、燃烧室形态优化、废气再循环等。后处理技术是指对发动机排出物质在进入大气前进行处理、进一步减少NOx和PM等污染物排放的技术；燃油技术是指改进车用柴油质量规格，如十六烷值、蒸馏性态，密度，硫含量，芳香烃含量等，以减少PM和NOx的排放。其中硫含量明显影响后处理技术的性能。
然而，从燃烧角度解决柴油机微粒排放已经接近极限。目前微粒排放的大幅度降低是在采用了几乎所有的现代柴油车技术的基础上取得的。在没有新技术出现的情况下，仅仅靠对已有技术进行改进和优化来进一步降低柴油车微粒物排放已经没有多大的潜力。但是，柴油车的排放法规仍然会不断严格。
其次，机内净化技术给柴油车的微粒排放