柴油机机外净化方法的研究.doc

编号：1300000

本科毕业论文

柴油机机外净化方法的研究

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摘 要

随着柴油机在燃油经济性和动力性等方面较汽油机的突出表现，柴油机在汽车上也得到了广泛应用。但是，柴油机的氮氧化物和微粒排放突出，世界各国对排放要求日渐严格，对排放污染物控制技术也要求越来越高。以前依靠机内处理的方法很难再取得质的突破，难以满足排放法规的新要求。
论文分析了柴油机尾气的主要成分、危害以及对排放污染物的排放法规要求，目前国内外柴油汽车净化技术主要是综合排气后处理技术、发动机前处理的方法来降低有害污染物的排放。通过对各种机外净化技术的分析，总结出不足之处并对其进行改进，提出了一些排气污染控制的机外净化方案，对方案的可行性和实用性进行了初步的分析与论证。为未来柴油汽车排放污染物的有效控制及新一代更为环保型柴油汽车的设计提供了一定的参考。

关键词：柴油机；排放；机外净化

I

Abstract

With the diesel engine’s fuel economy and power performance is better than the gasoline engine, diesel engine has been widely used in the car. However, nitrogen oxides and particulate emissions of diesel engine is notable. Many countries all over the world have some increasingly strict emission requirements, so do requirements for emission’s control technology. Relying on internal machine processing methods to obtain qualitative breakthrough is difficult to meet the new requirements of emission regulations.
Paper analyzes the main components of the diesel exhaust and its harms and laws or regulations of the discharge of pollutants. Now, It mainly discusses the domestic and foreign diesel car’s external of engine purification technology and integrating engine exhaust after-treatment technology to reduce the harmful emissions. The paper analyzes a variety of machine outside purification technology. It sums up some improvements and innovations in the inadequacies. Then it puts up with ​​some pollution control schemes and does the preliminary analysis for the feasibility and practicability of schemes. It provides some basis on designing an effective plan to control exhaust emissions of diesel vehicles in the future and so do the generation of more environmental friendly diesel car.

Key words:Diesel engine; Emissions; Machine outside purification

目 录
1 绪论 1
1.1 论文的背景及意义 1
1.2 课题的研究现状与前景 1
1.3 课题的目的与内容 2
2 柴油机污染物的概述 3
2.1 柴油机污染物的成分 3
2.2 柴油机污染物的危害 3
2.3 柴油机污染物的排放法规要求 4
3 柴油机机外净化技术的研究 5
3.1 颗粒物过滤净化技术 5
3.2 氧化催化转换法 6
3.3 氮氧化物的还原催化技术 7
3.4 闭式曲轴箱通风系统 9
4 降低污染物排放的的机外净化方案 11
4.1 几种机外净化方案 11
4.2 柴油机低排放的综合控制优化方案 11
5 结束语 16
参考文献 17
致谢 18

II

1 绪论
1.1 论文的背景及意义
随着当前经济的迅猛发展，汽车保有量持续高速增长，使汽车污染物的排放总量快速增加，人们生活水平的不断提高，对生存环境质量的要求也变高，且随着柴油机在燃油经济性和动力性等方面较汽油机的突出表现，柴油机在汽车上也得到了广泛应用，尤其是在经济性方面，柴油机比汽油机的油耗低将近30%—40%[1]。但是，车用柴油机的氮氧化物和微粒排放突出。
研究表明，柴油汽车尾气成分非常复杂，有一百种以上。其主要污染物包括：一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、微粒、醛类等有害排放物。这些污染物不仅污染环境，对人体也有巨大危害。
在排放法规较缓松的初期，完全可以靠机内净化满足要求，但随着法规的加严，对排放的要求越来越高，机外净化已变得不可缺少。当然采用机外净化技术，也必须建立在良好的机内净化基础上，否则，不仅最终排放污染得不到控制，还会影响各种机外净化装置的寿命。因此对于微粒和氮氧化物排放突出的柴油机，为了迎合高标准的排放法规要求，柴油机的机外净化显得格外重要。
在目前清洁能源不能推广使用的今天，找到一些可行的方法为未来汽车污染的有效控制以及新一代更为环保型汽车的设计提供一定的依据。
1.2 课题的研究现状与前景
目前比较成熟的排气后处理技术包括微粒的过滤净化技术和氧化催化技术等，发动机的前处理包括改善柴油品质和闭式曲轴箱通风系统等方法来解决柴油机突出的氮氧化物和颗粒物排放问题，取得了一些成效，使得有害物大大减少。与汽油机不同的是，柴油机排气含有过剩O2，这对于CO和HC的氧化是有利的，但是却不利于氮氧化物的还原去除。氮氧化物的SCR催化技术还不成熟，在我国还无法广泛提供低硫甚至无硫柴油，颗粒物的再生需要更完美的设计来降低成本和简化装置的复杂程度。由于降低柴油机PM和氮氧化物排放的机内净化存在的固有矛盾，单一的机内改良措施难以同时把PM和NOX降低到排放标准的要求，必须辅助有效的后处理措施，因此柴油机的颗粒物及氮氧化物排放仍然是一个较严重的问题[2]。
柴油机在环保、节能、动力性、安全性等指标上较汽油机有很大优势，车用发动机柴油化已成为当今汽车行业不可阻挡的发展趋势。在2003，世界上柴油车比重占汽车总量的35%[3] ，我国的柴油汽车的比例近年来也在逐渐上升。为了应对随之而来的尾气污染问题，需要在机外净化方法上继续开发、研究。由于NOX和PM有一种此消彼长的矛盾，且随着排放法规的日渐严格，尾气通过发动机的后处理装置的优化处理是一个问题，特别是对于NOX和PM的机外同步后处理[4]。
1.3 课题的目的与内容
研究目的就是在已有的、成熟的机内净化技术的基础上，对现在的排气后处理技术、发动机前处理技术进行创新和改进，提出一些机外净化方案来降低柴油机污染物的排放。
论文首先概述了柴油机污染物的成分及危害，以及针对各种成分的净化处理技术的研究，然后提出了一些净化技术存在的不足，针对一些不足之处，加以改进，最后提供了一些优化方案来净化柴油机污染物，降低污染物的排放。

2 柴油机污染物的概述
2.1 柴油机污染物的成分
柴油机的污染物有两种来源：一是来至于尾气排放，主要排放污染物中含有大量的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、微粒、醛类、二氧化硫及臭味气体；二是来至于曲轴箱的窜气和燃油箱的燃油蒸发，主要污染物成分是碳氢化合物。在汽车所排到大气中碳氢总量中，来自曲轴箱窜气的占25%，来自燃油蒸发系统蒸发占20%，其余55%来自排气管。很明显，柴油机污染物主要来至于柴油汽车尾气排放，因此柴油机的机外净化技术主要是指排气后处理技术。
与汽油机相比，柴油汽车的碳氢化合物和一氧化碳含量偏低，但是柴油车的氮氧化物、微粒和臭味气体的排放偏高。据有关数据表明，柴油机的微粒的排放数量是同排量汽油机的近20倍左右，其主要污染物及相关物质成分如表2-1所示。
表2-1 汽油车与柴油车主要排气成分对比

排气成分（%）
NOX
O2
HC
CO
汽油车
0.05—0.15
0.2—0.5
0.03—0.08
0.3—1.0
柴油车
0.14—0.18
6—15
0.01—0.05
0.01—0.08
2.2 柴油机污染物的危害
一氧化碳（CO）与人体血液中的血红素有很强的亲和力，使血液丧失对氧的输送能力而产生缺氧中毒。当环境中CO的浓度超过100 ppm(100×10-6)时，人就会有头晕、乏力等不适感；随着CO浓度的增加，会进一步产生头痛、呕吐、昏迷等症状；当CO浓度超过600 ppm时，短期内就会引起窒息死亡。
　　氮氧化物(NOx)，一般情况下对人体的眼睛、鼻子、咽喉、支气管和肺部等会带来损害，严重时危害生命。
　　碳氢化合物(HC)为燃油未经完全燃烧后排出的气体，具有一定的毒性和易燃易爆的特性，其中的苯类物质又具有致癌作用。HC与NOx在阳光下极易发生光化学反应，形成以臭氧和醛类为主的光化学烟雾。当臭氧达到一定浓度时，会令生物在短期内发生高温氧化而脱水死亡。　　
微粒，由于其粒径极小，约为0.01～0.2um，能长期悬浮于空气中，易于通过呼吸系统而沉积于肺泡内，极具致癌作用，危害人类健康。
醛类有机物带有毒性，对眼睛和呼吸系统有强烈的刺激作用，过量的吸入导致中毒死亡。
二氧化硫(SO2)为燃油中的硫燃烧后的生成物，人体吸入SO2后，即产生咳嗽、咽喉肿痛、呼吸困难、胸闷、四肢乏力。影响催化转换器的催化转换效率，容易形成酸雨，对建筑物有腐蚀作用，危害环境。
2.3 柴油机污染物的排放法规要求
在我们国家，经汽车行业专家分析，3.5吨以下轻型柴油机动车预计自2013年7月1日起，国Ⅳ标准将如期实施，即届时所有生产、进口、销售和注册登记的车用压燃式发动机与汽车必须符合国Ⅳ标准的要求。
压燃式发动机与汽车的国Ⅳ标准是我国第四阶段机动车污染物排放标准，相对于国Ⅲ标准，国Ⅳ标准轻型汽车每辆车污染物排放将进一步降低50%左右，而重型汽车的单车排放也可以降低30%左右，可吸入颗粒物的排放降低80%左右。详见表2-2所示的轻型压燃式汽车Ⅰ型试验排放极限值[5]。
表2-2 轻型汽车Ⅰ型试验排放极限值
阶段
车型类别
基准质量（Kg）
限值/(g/km)
CO
HC
NOX
HC+NOX
颗粒
Ⅲ
第一类车
全部
0.64
—
0.50
0.56
0.050
第二类车
RM<1305
0.64
—
0.50
0.56
0.050
1305<RM<1760
0.80
—
0.65
0.72
0.070
RM>1760
0.95
—
0.78
0.86
0.100
Ⅳ
第一类车
全部
0.50
—
0.25
0.30
0.025
第二类车
RM<1305
0.50
—
0.25
0.30
0.025
1305<RM<1760
0.63
—
0.32
0.39
0.040
RM>1760
0.74
—
0.39
0.46
0.060
在欧洲国家，从2006年10月起，柴油发动机载货汽车排放极限就要求达到欧Ⅳ标准；从2010年1月起，开始执行欧V标准。从欧Ⅲ标准到欧Ⅳ标准，颗粒物的排放下降了近80%，氮氧化物的排放下降了近30%。降低颗粒物和NOX的排放依然是柴油机达到欧V标准迫切需要解决的问题 。这就需要更为完善成熟的技术方案来控制柴油机污染物的排放，以应对随即而来各国和各地区以法律形式对柴油机的排放物的强制性限制。

3 柴油机机外净化技术的研究
3.1 颗粒物过滤净化技术
微粒是柴油机排放的突出问题，对车用柴油机排气的微粒处理，主要采用过滤法。在滤芯上存积的微粒需要及时清除，为此，应设置对过滤器进行净化的再生装置。目前最有效的微粒净化方法是采用柴油机微粒过滤器（Diesel Particulate Filter，DPF），也叫颗粒捕集器。DPF的原理是让排气经过过滤装置（多孔性壁面、纤维层等），使排气中的全部或绝大部分颗粒物被拦截，留在过滤介质上，气体被净化流出。在0.07—0.2um之间的细微粒，DPF可使微粒减少90%以上[6]。随着过滤时间的增加，过滤介质上堆积的颗粒物增多，过滤器的流动阻力增大，排气压力上升，发动机性能恶化。因此，经过一段时间的过滤后，需要采用反向吹风、振动、更换过滤介质、燃烧颗粒物等方法除去过滤介质上堆积的颗粒，使DPF恢复到初始状态。
过滤是降低PM排放最直接的方法，但将柴油机排气微粒收集起来后，决定微粒捕集器实用性的就是再生的问题了，微粒捕集器的再生可以分为两类，即断续加热再生和连续催化再生。
断续加热再生，即DPF装置每工作一段时间，就采用电加热器或燃烧器加热消除微粒的方法。微粒氧化的要素是高温、富氧和氧化时间。在氧浓度5%以上，排气温度650℃以上，微粒的氧化也要经历2min。而实际柴油机排气温度小于500℃，提高排气温度往往又伴随着燃油经济性的恶化[7]，因此这种情况下难以烧掉微粒。实际的加热再生方式，需要一套复杂的控制系统。排气系统中装有两个微粒捕集器，当一侧的捕集器由于微粒的存积使排气背压升高到一定限值，再生系统启动，通过电磁阀切换，使排气通向另一侧的捕集器；同时对积存了微粒的捕集器进行电加热以烧掉微粒使其再生。这样两侧的微粒捕集器就交替工作或再生。当然这种断续加热再生方法，需要消耗能量（电能或燃料），使得燃油经济性变差。同时需要一套复杂的控制系统，使得结构复杂，成本较高。另外，如何控制再生温度也是一个难题，温度过低微粒不起燃，但温度过高会增加微粒捕集器的热应力，以致产生破碎，甚至烧熔器壁。
连续再生，即微粒捕集器边工作边再生的方法，是在微粒捕集器的陶瓷载体表面涂盖含有贵金属元素的催化剂涂层，使微粒的着火温度降低，使之能在正常的柴油机排气温度下着火燃烧分解变成CO2，而后随排气一起排入大气中。但是这种金属添加剂用量较大，因而成本较高，且其化合物会残留在捕集器的内部造成慢性堵塞，甚至会产生新的有害排放物。况且在排气中，这样的后处理装置会产生排气背压，增加了排气阻力，使得发动机的换气损失增加，也使得排气的残余量增多，使发动机燃烧恶化，降低发动机的热效率，进而影响发动机的动力性。当然，也有公司开发研究一种不用添加剂的连续再生的方法，使柴油机排出的废气首先经过一个氧化催化器，在CO和HC被净化的同时，NO被氧化成NO2。而NO2本身是一种化学活性很强的氧化剂，在微粒捕集器中，二氧化氮与微粒进行氧化还原反应，使微粒的启燃温度降低到200℃左右。但当排气温度高于400℃时，化学平衡趋于产生NO，而难以产生NO2，也就不能使DPF中的微粒燃烧，再生效率急剧下降，因此该再生方法也就没能顺利运用到车用的排气净化装置上。
3.2 氧化催化转换法
柴油机用的氧化催化剂与汽油机的基本相同，目前应用最广泛的氧化催化材料是铂（Pt）和钯（Pd）的混合物[8]。氧化催化剂的作用是促使排气中的PM、HC和CO发生催化反应，被氧化为水和二氧化碳排出。但柴油机排气温度低，微粒中的碳烟难以氧化。氧化催化剂主要用于转化PM中可溶性有机成分（Soluble Organic Fraction，SOF），降低微粒排放量，氧化催化剂也可使HC和CO排放进一步降低，并净化其他有害成分，如醛类，以及减轻柴油机排气臭味。
当使用Pt系列的催化剂时，燃烧产物中的二氧化硫将被催化氧化为三氧化硫并产生大量的硫酸盐，使微粒排放总量比未使用催化剂时还大。但如果使用Pd系列的催化剂，在SOF排放明显降低的同时硫酸盐的生成量也不大。Pd的催化活性尽管不如Pt，但产生的硫酸盐要少得多，同时价格也便宜，因此也有选择Pd作为柴油机氧化催化剂的活性成分的。
在发动机刚启动后的催化剂活性很低的低温阶段，排气中未燃成分HC和PM中SOF被HC的吸附材料吸附，当温度升高后，催化剂的活性提高，吸附材料的吸附能力降低，于是未燃成分HC和SOF脱离吸附材料，在氧化催化剂的作用下变成无害的成分排出。并采用了难以与二氧化硫反应的材料，使催化剂的寿命和效率得到了提高。如图3-1所示，氧化催化转换的原理。
当然这种有吸附功能的氧化催化器可使排气中的SOF、HC和CO净化率分别达到55%、70%、90%以上。但这种催化器的缺点是，不能除去PM中的炭粒。氧化催化转换器应用的困难主要是，柴油中含有较高的硫，硫燃烧后会生成SO2，而SO2经催化器氧化后变成SO3，SO3与排气中的水分结合后会生成硫酸。氧化催化的效果越好，硫酸及硫酸盐生成越多。这无疑会抵消SOF的减少所带来的环境效益，甚至会使微粒排放上升，同时，硫也是催化剂中毒劣化的原因之一。由于氧化催化转换器仅能对排气中的SOF、HC、CO有净化作用，又会导致微粒物中硫酸盐增多，因此氧化催化转换器应单独使用于无硫或低硫柴油机汽车上。而在我国柴油还无法达到低硫甚至无硫的情况下，氧化催化转换技术必须配合其他净化技术协同作用。

HC和SOF吸附材料
CO2H2O
贵金属
O2、CO
SO2不吸附
吸附HC
吸附SOF
SO2不吸附

（a）低温阶段 （b）高温阶段
图3-1 氧化催化转换器的原理
3.3 氮氧化物的还原催化技术
尽管三元催化器早已在汽油车上得到了普遍应用，但在柴油车上却无法应用，而针对柴油车开发的还原催化剂是一项难度很大的研究工作，尚未达到实用阶段，主要原因：一是在柴油机排气这样的氧化氛围很高的条件下进行氮氧化物的还原反应，对催化剂性能要求极高；二是柴油机排气温度明显低于汽油机；三是柴油机排气中含有大量SO2和微粒，容易导致催化剂中毒。因此，从排气氛围中不难发现，氮氧化物的处理还需要特殊的还原催化方法来解决。
氮氧化物的催化还原技术利用不同的还原剂，在一定温度和催化剂的作用下将NOX还原为无害的氮气和水，通常称为NOX的催化还原法。目前，研发开发中的柴油机还原NOX的后处理方法有选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）、选择性非催化还原（Selective Noncatalytic Reduction，SNCR）、非选择性催化还原（Nonselective Catalytic Reduction，NSCR）和吸附还原催化剂(Absorb Reduction)四种。其中，SCR、SNCR和NSCR法，已在治理发电厂锅炉排放的NOX中得到了成功的应用，对固定工况的大型柴油机有不少应用实例。吸附还原催化剂已成功地用于稀燃汽油机[9]。
在柴油机上使用的还原催化技术可行性高和应用前景好的是吸附催化还原净化技术和SCR技术。
(1)柴油机的NOX的吸附还原净化技术主要应用于电控柴油机上，一般采用在燃烧后期向缸内二次喷油或向排气管喷油的方法产生还原NOX所需的还原剂，这个还原剂的主要成分是HC，其主要不足是增加了燃油消耗量，并需要足够精确的NOX传感器。如图3-2所示为排气管喷油的催化还原净化系统的组成图。在柴油机稀混合气运行时，NOX被储存在碱性金属上，当NOX超过碱性金属存储上限时，发动机控制模块根据NOX传感器信号发出排气管喷油指令，在排气管形成浓混合气氛围，使NOX还原为无发动机控制模块
柴油机计量装置
高压柴油
电控柴油机

排气
NOx传感器
传感器信号
NOX吸附催化净化器器
喷油器
害的N2和H2O。

图3-2 排气管喷油的催化还原净化系统示意图
(2)尿素选择催化还原技术，即SCR法，使用的还原剂有各种氨类物质和碳氢化合物。选择性催化还原氮氧化物有三个特点：一是由于还原剂基本上不与氧发生反应，避免了还原剂的无谓消耗，并大大减少了反应热，容易控制；二是催化剂选择的余地大，除了铂、钯类贵金属催化剂外，还可用铁、锰、铜和铬等金属氧化物催化剂；还原剂氨容易得到，启燃温度也较低，一般为220℃左右，柴油机在排气时废气温度容易实现，明显改善了催化剂和反应器的工作条件，有利于延长催化剂的寿命和降低反应器对材质的要求。
由于氨气的净化效果较碳氢化合物好，故尿素选择催化还原技术（Urea Selective Catalytic Reduction，USCR）得到普遍认可。其原理是利用催化剂，在一定的温度内，使氨气先与氮氧化物反应，而不与氧反应。USCR的常见方案是向排气管内直接喷射尿素水溶液，利用如下的水解反应使尿素水解产生氨气：
（NH2）2CO=NH3+HCNO HCNO+H2O=NH3+CO2
上列反应产生的氨气和氮氧化物反应产生氮气和水，从而达到还原排气中氮氧化物的目的。在有催化剂的条件下，氨气与氮氧化物反应的工作温度为200℃—400℃，反应温度低，柴油机排气温度容易达到。由于无法保证所有水解氨气都能与氮氧化物发生化学反应，故一般还要在USCR装置的后面加装氧化催化器，以除去多余的氨气。USCR系统的示意图如图所示3-3所示。
发动机
控制单元
尿素箱
泵

废气
前氧化催化器
混合器
SCR催化器
氧化催化器
水解催化器
尿素喷射器

图3-3 USCR系统示意图
采用优化燃烧及SCR技术路线无需改变柴油机的内部结构，同时能大量降低氮氧化物的排放（在不降低发动机效率的前提下，能使NOX的转换效率高达90%以上，并且在温度变化范围相当大的情况下保证较高的NOX的转化率）[10]。当温度降低时，尿素容易结晶，造成管路堵塞，因此需要在尿素水溶液中加入添加剂防止尿素结晶；另外，由于氨水具有较强的腐蚀性和毒性，故需要采用防腐材料。这种技术一般与氧化催化器联合使用，利用氧化催化器使柴油机的CO、HC和微粒中的SOF氧化为水和二氧化碳。
3.4 闭式曲轴箱通风系统
为了避免柴油机的曲轴箱窜气直接排向大气,对环境造成危害，减轻HC的排放，在柴油机排放过程中必须考虑闭式强制通风系统，如图3-4所示。
曲轴箱窜气是指在压缩过程和燃烧过程中由活塞与气缸之间的间隙窜入曲轴箱的油气混合气和已燃气体，并与曲轴箱内的润滑油蒸气混合后，由通风口排入大气的污染气体。当发动机在运转时,这些窜气经活塞和气缸套的间隙,以及气门导管和增压器轴承间的间隙进入曲轴箱。除了残留的燃油和燃烧产生的废气和炭烟之外,这些气体还含有不少机油,这些气流会将冷却活塞裙部而滞留在活塞和缸套表面的油膜和油滴带入气流,形成含有油蒸汽和水蒸汽的特细气溶胶体，对环境也有很大的影响。
柴油发动机
油泵
中冷器
增压器
DOC
DPF
排气
进气
电控EGR阀
EGR冷却器
共轨系统
曲轴箱窜气
连杆
空气滤清器
电控PCV阀

图3-4 闭式曲轴箱的工作原理图
根据发动机的工况可以控制PCV阀的开度，自动调节进入增压器与空气滤清器的曲轴箱气体的数量。当发动机不工作时，关闭PCV阀；当发动机怠速或减速时，由于窜入曲轴箱的气体少，油门踏板位置传感器将信号传给ECU，使得PCV阀开度小；在中等负荷工况下，因为发动机的负荷增大，窜入曲轴箱的气体量增多，PCV阀的开度逐渐变大；发动机在大负荷工况的情况下，窜入曲轴箱的气体量突然增加很多，PCV阀的开度增大到最大[11]。
目前,通过闭式强制通风系统来解决曲轴箱排气，即将含有杂质的旁通气体导入发动机的空气滤清器与增压器进气管之间的接管中[12]。但这种含油物质以及炭烟颗粒可能会污染涡轮增压器、空气流量计、中冷器、进排气阀门和催化器，影响燃烧过程和排放，以及上述部件的寿命，为确保使用周期内发动机的可靠性，必须从曲轴箱排气中分离出这些有害成份。
4 降低污染物排放的机外净化方案
4.1 几种机外净化方案
除燃烧过程和发动机工作条件优化外，氧化催化DOC、选择催化还原SCR、 DPF、氮氧化物吸附还原技术和闭式曲轴箱通风等多种措施组合是柴油机应对更为严格排放法规的主要措施，由于柴油机汽车的污染物主要来源于尾气排放，而曲轴箱排放的污染物量很少，仅含少量的HC和极少量的醛类物质。因此柴油机的机外净化主要靠排气后处理来实现。
常见的排气后处理组合方案如图4-1所示。DOC与DPF串联，并在DOC之前喷入少量柴油或者电加热的组合方案，既可减少CO、HC和PM排放，也可实现DPF的再生；采用DOC+SCR+DOC组合，并在SCR之前喷入尿素水溶液，即可减少CO、HC和PM中的SOF的排放，又可降低氮氧化物的排放和防止氨的逃逸；采用DOC+DPF+SCR+DOC组合，并在SCR之前喷入尿素水溶液，既可减少CO、HC、NOx和PM排放，又可防止氨的逃逸；采用DOC+NSR+DPF+DOC,并在NSR之前喷入柴油，既可减少CO、HC、氮氧化物和微粒排放，又实现DPF的再生和降低因喷入柴油引起的HC排放。
柴油机排气
DOC+电热再生
燃料+DOC
DPF
燃料+DPF
尿素水溶液+SCR
DOC
DOC
DPF
尿素水溶液+SCR
DOC
DOC
燃料+NSR
DPF
DOC
DPF

注：DOC除去CO、HC和SOF以及氨 DPF除去PM SCR、NSR除去氮氧化物
图4-1几种后处理技术方案
4.2 柴油机低排放的综合控制优化方案
采用共轨燃油喷射技术进行燃烧过程的优化和喷油时刻的控制，采用增压中冷增加进气量用以改善燃烧，采用EGR技术降低氮氧化物的排放，优化燃烧过程和推迟喷油提前角，使燃烧过程避开上止点进行，使燃烧初期放热效率降低，使得燃烧最高温度降低，抑制了氮氧化物的生成；增压中冷使得进气量增多，且进气温度降低，使得初燃期燃烧温度降低 ，增压后，过量空气系数加大，富氧的环境使得炭烟和微粒的产生得到抑制，同时使得HC和CO的生成量减少，但是也使氮氧化物的还原遇到障碍；冷却电控EGR系统，使得排气中大量的二氧化碳和氮气，能够吸收燃烧热，阻碍了燃烧过程的快速进行，这三项技术的组合，使燃烧过程污染物的生成量大幅度降低。
在此基础上再采用优化过的机外净化方案，使得有害排放物进一步降低，达到排放要求，进而减少对人类的危害和环境的污染。这几种后处理技术的串联虽然能得到污染物的有效降低，但是却对尾气净化装置的结构要求很高，微粒捕集再生用连续再生的话，只有电加热再生，或者燃料燃烧再生，这无疑会增加燃油消耗或者电加热装置的复杂程度。虽然现在的SCR技术，能明显降低柴油机突出的氮氧化物排放问题，但是SCR 技术存在一些问题，在我国，柴油中的硫含量较高，与氨气进一步反应生成铵盐 ,从而造成催化剂中毒或堵塞,将使 SCR 的工作效率大大降低,同时硫含量过高还会使氧化催化器效果恶化，SO2被催化器氧化后,硫酸盐的生成量过多，使得微粒上升。在我们国家，还无法像欧美国家那样，使用低硫甚至无硫的柴油。
因此，需要开发出新的方案来将这些问题的影响降低，在兼顾原有性能的情况下，最大限度的降低排放。使得柴油机的尾气能在较小的装置内得到高效率地处理，同时保证排气顺畅，降低换气损失，增强净化效果。
方案一：随着我国经济和科学的突飞猛进，不久的将来，我国低含量柴油甚至无硫柴油必将得到推广使用，这样SCR技术就可以得到实用，后处理技术采用DOC、SCR与DPF串联，然后再设置另一个相同的DPF装置，实现HC、CO和微粒氧化以及氮氧化物的处理，系统示意图如图4-2所示。
先采用DPF装置净化PM，再采用SCR技术净化氮氧化物，在DPF和SCR之间喷射SCR所需要的尿素水溶液。在DPF装置两端装设压力传感器实时监测DPF进出口的压差，当汽车行驶过程中DPF的两端压差超过临界时，需要再生，这时ECU发出额外燃油喷射的指令，向DPF装置提供燃油，使得捕集器上收集的颗粒得以燃烧再生，进而DPF装置得以恢复初始化状态。所以采用了图中所示的理想的并联方案，进行交替工作和再生，当第一组DPF装置在吸附PM到饱和状态，开始触发DPF上的燃油喷射器进行燃烧再生的过程，第二组再开始捕集微粒。
每个排气分管中安装有一个电控气门阀，在排气过程中有一个气门是开启的，而另一个是关闭的，这时开启的那个排气分管的DPF装置开始用它的多孔陶瓷的内在结构吸附排气中的微粒，随着微粒的累积，排气分管两端的压差越来越大，这个排气管末端的排气背压传感器将压差的数据反馈给ECU，当压差的数值大于ECU的设定值时，ECU发出脉冲指令，输出脉冲电流，使得这个电控电磁气门阀关闭，另一个电磁气门阀开启。然后，对被关闭的那个排气分管的DPF装置前端喷入一定量的燃油，对微粒进行燃烧再生。此时，NOX传感器将氮氧化物的浓度信号传给ECU，对电控尿素喷射控制器发出指令，向SCR装置喷入一定量的尿素水溶液。不然，尿素水溶液过少，导致氮氧化物不能得到彻底的还原；尿素水溶液过多，导致装置下端的DOC装置的负荷过大，降低装置的使用寿命，同时浪费尿素原料。然后空气经过干燥处理，就可以将排气中的水分吸收，降低硫酸盐生成量。在这个同时，节气门位置传感器和氮氧化物传感器分别将油门踏板位置和氮氧化物的浓度反馈给ECU，以控制电控冷却EGR系统中的电控EGR阀，综合控制EGR率，降低氮氧化物的生成，这样就能达到降低污染物排放的目的。
柴油发动机
油路
中冷器
增压器
排气
进气
电控EGR阀
EGR冷却器
电控共轨系统
电控尿素喷射控制器
DPF
ECU
电磁气门阀
DPF
SCR
DOC
排气背压传感器
干燥处理
尿素灌
NOX传感信号

图4-2 低排放柴油机净化方案意图
方案二：将几种净化装置集成在一起，组合一整套的排气后处理系统，则可以同时除去CO、HC、PM和氮氧化物四种污染物，但是这种集成系统的体积之庞大和成本之昂贵难以在轻型柴油车上实现，只有待于将其运用到3.5吨以上的非轻型车上。因此，考虑到降低成本，减小这种净化装置的复杂程度，考虑在同一装置内可同时除去CO、HC、PM和氮氧化物，达到四种主要污染物同时催化的效果。
由此设置一个装置，达到让这几种污染物同时达到催化的目的，该同时催化器的构造与多孔陶瓷颗粒过滤器类似，不同之处是在颗粒过滤器的表面涂抹了一种吸附氮氧化物的吸附剂，以及在装置器壁添加氮氧化物催化剂的涂层，避免使用了SCR技术，而是采用NOX吸附催化还原技术，以符合我国柴油的品质，且使装置得到简化。为了使PM、CO和HC 进一步降低，在该装置的下游布置了氧化催化器。具体装置示意图见图4-3，同时净化装置。
控制单元
油门踏板
发动机转速
EGR冷却器
出口
入口
进气
电控冷却EGR阀
电控燃油喷射器
NOX传感信号
排气
活性炭吸附
干燥处理
DOC
排气背压信号
同时净化装置

图4-3 低排放柴油机同时净化装置
图中的NOX和微粒净化装置是在多孔陶瓷材料的微粒捕集器的基础上改装的，就是在捕集器表面涂抹吸附氮氧化物的碱性金属吸附剂以及催化微粒再生的催化剂，在净化装置前添加一个活性炭罐，还有一个燃油喷射器。活性炭罐的作用有两个，一是使一部分颗粒状物质得以吸附，降低微粒的含量；二是除去大部分SO2，防止那些SO2影响氮氧化物的催化剂的活性，提高氮氧化物的催化转化效率。燃油喷射器就是制造还原氛围，使得氮氧化物得以还原。
PM的净化依靠DPF实现，CO、HC和氮氧化物的净化依靠氮氧化物催化剂和燃油喷射系统共同完成。在正常的工作条件下，柴油机使用的是稀薄混合气，排气中氧气和氮氧化物充足，此时二氧化氮直接被碱性金属吸附生成硝酸盐，NO被催化氧化为二氧化氮后再生成硝酸盐并被吸附，当排气背压超过一定时，进行催化再生，过滤在DPF表面的微粒在催化剂的作用下被氧化为二氧化碳。燃油喷射系统额外喷入燃油形成瞬间浓混合气时，此时排气中氧含量减少，吸附的二氧化氮被释放回排气，与瞬间浓混合气中大量的CO、HC发生氧化还原反应，生成水、二氧化碳和氮气。于是氮氧化物催化剂又可重新吸附氮氧化物，饱和之后重新再生，然后循环往复，与微粒捕集器同时再生，同时净化微粒和氮氧化物。
ECU通过发动机曲轴位置传感器传来的转速信号，以及油门踏板位置传感器传来的信号来判断发动机的负荷，进而控制电控冷却EGR阀的开度，改变EGR率，利用废气循环，来降低NOX的生成量。再经过活性炭对颗粒状物质，二氧化硫还有二氧化氮的吸附，减少一定量的微粒，同时除去大量的SO2。然后经过干燥罐可以将排气中的水分吸收，防止其影响氧化催化器的效率。同时，氮氧化物传感器将氮氧化物的浓度信号传给控制模块，进而精确控制燃油喷射器的喷射量，即可以使得微粒捕集器再生，又可以制造还原氛围。最后多余的HC和CO经过同时净化装置末端的DOC氧化催化转换器得以去除，达到降低污染物的目的，且使得装置结构简单，在轻型压燃式机动车上有可操作性。

5 结束语
柴油机的排气中，CO和HC的体积分数较汽油机少，然而氮氧化物和微粒排放突出。现在应用的DOC和DPF的组合，已不能满足我国的国Ⅳ标准，更不能达到欧洲Ⅳ/Ⅴ排放标准 。本文虽然能提出一些方案来降低污染物的排放，但是针对氮氧化物的排放问题，还需要在还原催化上选择合适的催化剂，或添加一些还原剂来营造还原氛围。SCR 技术存在一些问题 ,一方面柴油中的硫含量较高，与氨气进一步反应生成铵盐 ,从而造成催化剂中毒或堵塞,将使 SCR 的工作效率大大降低；另一方面 ,反应过程需要有NO2的参与，而柴油机排气中的富氧环境让氮氧化物发生还原反应有了障碍。因此需要考虑研究一种新的催化剂，可以降低反应条件，或者选用合适的还原剂作为添加剂，既不产生新的污染物，又可以降低柴油机突出的氮氧化物排放问题。
各种机外净化技术具有各自优势的同时也都存在一些问题,柴油机排气的特点决定了其达到欧洲Ⅳ/Ⅴ排放标准是一个系统性的工作，需要各种技术的有效结合才能最终实现。为应对随之而来柴油汽车污染物的问题，需要在已有的改善燃烧为主的机内处理技术的基础上，丰富机外净化技术，寻求一个廉价、实用、耐久性高的方法来进一步降低污染物的排放。
但仅仅这些还是不够的，还应制订适合各地区的汽车排放标准，建立完善的汽车排放控制管理系统，对汽车排气污染进行深入全面的控制，同时广泛地对汽车尾气污染的危害进行宣传，督促车主对车辆实行妥善的维修和保养，改善车辆的使用状况，以达到减少尾气排放的目的。拥有一个清洁舒适安全的自然环境，是全人类共同的心愿，需要大家共同的努力。

参考文献
［1］ 范江鹏．新型柴油机净化装置的提出[J]．技术研发，2012 (2)：48-49．
［2］ 运新华等．柴油机排放后处理催化