柴油車尾氣氮氧化物控制技術(shù)現(xiàn)狀

郭秀榮 徐岳峰

摘?要：隨著我國機動車數(shù)量大幅增長，機動車尾氣污染物排放量也隨之增加。氮氧化物（NOX）是機動車排放四項污染物之一，會給人類健康和自然環(huán)境帶來嚴重的影響，降低柴油車尾氣NOX排放的方法主要有機內(nèi)凈化和后處理技術(shù)，機內(nèi)凈化技術(shù)主要從進氣、燃燒、噴油以及廢氣再循環(huán)等方面進行改善排放;尾氣NOX后處理技術(shù)主要有稀燃NOX捕集技術(shù)、選擇性催化還原技術(shù)及低溫等離子體技術(shù)，其中選擇性催化還原技術(shù)應(yīng)用較多，低溫等離子體技術(shù)處于試驗階段，目前尚未成熟。

關(guān)鍵詞：柴油車;尾氣;氮氧化物;控制技術(shù)

1 概述

隨著中國社會生產(chǎn)力的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進步以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國的交通事業(yè)日漸完善，機動車數(shù)量大幅增長，據(jù)2018年《中國機動車環(huán)境管理年報》統(tǒng)計，全國機動車保有量達到3.1億輛，其中汽車2.17億輛。而機動車排放的廢氣同樣與日俱增，機動車尾氣控制和治理機動車尾氣迫在眉睫。而柴油車在機動車氮氧化物排放量分擔(dān)率占比上大幅領(lǐng)先于汽油機。

國Ⅱ和Ⅴ標準的柴油車NOX排放量分擔(dān)比例較小，這是由于國Ⅱ和國Ⅴ標準的柴油車數(shù)量較少，僅占柴油車保有量的7.3%;國Ⅲ標準的柴油車NOX排放量分擔(dān)比例最大，高達63.2%，國Ⅳ標準的柴油車NOX排放量則占26.6%[1]。

氮氧化物（NOX）是機動車排放四項污染物之一，會給人類健康和自然環(huán)境帶來嚴重的影響。綜合已知的降低尾氣排放的方法，可以將其大致分為兩類：一種是在燃油燃燒時降低排放的機內(nèi)凈化技術(shù)，另一種是柴油機尾氣后處理技術(shù)。

2 機內(nèi)凈化技術(shù)

機內(nèi)凈化技術(shù)主要從進氣、燃燒、噴油以及廢氣再循環(huán)等方面進行研究。通過機內(nèi)凈化技術(shù)的發(fā)展降低了柴油機排放物，緩解了后處理技術(shù)的壓力。

2.1 渦輪增壓中冷技術(shù)

通過渦輪增壓使進入柴油機汽缸內(nèi)的空氣密度增大，實現(xiàn)高的空氣燃油比率，達到超低NOX排放和高熱效率。然而增壓導(dǎo)致空氣密度提高必然提高空氣的溫度，不僅影響充氣效率還會導(dǎo)致爆燃。此外，據(jù)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，較低的空氣溫度有利于柴油機功率增加以及降低排放廢氣中的氮氧化物，所以在增壓器和柴油機進氣管之間必須增加中冷技術(shù)（中冷器）。

2.2 改進燃油系統(tǒng)

使用新型的燃燒技術(shù)，例如均質(zhì)燃燒、低溫燃燒和高預(yù)混燃燒;以及改進燃油噴射技術(shù)，要實現(xiàn)低排放，需要滿足以下要求：提高噴油壓力，提高燃油的霧化程度;優(yōu)化噴油規(guī)律，實現(xiàn)的每循環(huán)多次噴射。

2.3 廢氣再循環(huán)

柴油機燃燒后排放的氣體含氧量極低，將其與進來的氣體混合后實現(xiàn)氣體中的氧氣濃度降低，這時的柴油機燃燒溫度降低，從而抑制了氮氧化物的產(chǎn)生。

3 柴油機尾氣后處理技術(shù)

柴油機尾氣后處理技術(shù)主要包括：顆粒捕集器（DPF）、氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）、NOX凈化技術(shù)。

3.1 稀燃NOX捕集技術(shù)（Lean NOXTrap，LNT）

LNT也稱NOX存儲還原技術(shù)（NOXstorageandreduction，NSR）是利用發(fā)動機在稀燃排氣條件下NOX吸附，富燃排氣條件下將NOX還原為N2的周期性尾氣后處理技術(shù)[1，2]。LNT技術(shù)的NOX去除率能達到90%以上，并且不需要像SCR系統(tǒng)添加額外的尿素溶液存儲控制設(shè)備和相應(yīng)的設(shè)備建設(shè)[2]。LNT技術(shù)簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅使得柴油車在空間占用上進行了縮減、成本降低，而且不容易發(fā)生故障。

3.2 選擇性催化還原技術(shù)（Selective Catalytic Reduction）

氨氣選擇性催化還原技術(shù)（NH3-Selective Catalytic Reduction，NH3-SCR）是由美國Engelhard公司首次提出，日本于20世紀70年代率先實現(xiàn)工業(yè)化，隨后逐步在歐美國家廣泛應(yīng)用。其工作過程是向尾氣中噴入還原劑氨或者尿素，在催化劑作用下，將尾氣中的NOX還原成無毒害的N2和H2O，實現(xiàn)氮氧化物的去除[3]。

目前商用的催化劑是V2O5-WO3/TiO2系列，適合其工作的溫度窗口狹小，當(dāng)氣體溫度到達300℃-400℃時，SCR系統(tǒng)才能實現(xiàn)最大效率的NOX去除。在相對較低的溫度范圍內(nèi)，V2O5-基催化劑的水中毒和硫中毒問題一直未得到有效的解決[4]。

3.3 低溫等離子體技術(shù)（Non-thermalplasma，NTP）

近年來，低溫等離子體技術(shù)因其產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)粒子、高能電子、自由基和離子等活性粒子能與有害氣體分子發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)而逐漸受到相關(guān)學(xué)者的注意。其特點是具有物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)，并且有消耗能量少、凈化效率高、沒有二次污染等明顯的優(yōu)點。但是低溫等離子體技術(shù)在柴油車尾氣凈化中仍然處于試驗階段，目前尚未成熟。

4 結(jié)論

降低柴油車尾氣NOX排放的方法機內(nèi)凈化技術(shù)和尾氣后處理技術(shù)。機內(nèi)凈化技術(shù)主要從進氣、燃燒、噴油以及廢氣再循環(huán)等方面進行改善排放;尾氣NOX后處理技術(shù)主要有稀燃NOX捕集技術(shù)、選擇性催化還原技術(shù)及低溫等離子體技術(shù)，選擇性催化還原技術(shù)應(yīng)用較多，低溫等離子體技術(shù)處于試驗階段，目前尚未成熟。

參考文獻：

[1]劉磊.EGR與LNT協(xié)同控制稀燃汽油機NO_x排放試驗及仿真研究[D].天津：天津大學(xué)，2016.

[2]趙海寧.吸附還原催化系統(tǒng)降低稀燃汽油機NOx排放仿真研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[3]Shi C，Ji Y，Graham UM，et al.NOx Storage and Reduction Properties of Model Ceria-based Lean NOx Trap Catalysts[J].Applied Catalysis B：Environmental，2012，119-120：183-196.

[4]Feng guo Jian-Yu-Mo-Chu-Guangwen-Xu.Interaction between support and V2O5 in the selective catalytic reduction of NO by NH3[J].Catalysis Science & Technology，2014，4（7）：2147-2155.