柴油发动机尾气后处理技术

司经伟,郭福强

长城汽车股份有限公司 河北省保定市 071000

摘要：柴油发动机自被发明以来，因为其扭矩大、经济性好的特点广泛应运用于各类大型柴油设备上。但是，柴油发动机产生的尾气却含有上百种化合物，这类气体气味古怪，令人头昏、恶心，具有极高的致癌性，影响人体健康，并且容易对大气造成污染。因此，解决好柴油发动机尾气的处理问题，对柴油机的进一步利用和开发意义重大。本文对柴油机发动机后处理技术的应用做了简要研究，以供参考。

关键词：柴油发动机；尾气后处理技术；应用探究

前言：随着社会的发展和对生产力需求的提高，柴油发动机逐步普及，并成为各种生产工具和运输工具的重要动力来源。合理处置柴油发动机在运行过程中产生的尾气，既是对人类生命安全和环境问题的负责行为，也是对柴油发动机本身的重要完善。随着相关标准的提高，原有的EGR技术已经不能满足相关排放要求了，为此推广和应用SCR技术是顺应科学发展方向的正确举措。

1、对柴油发动机尾气的分析

柴油发动机在燃烧柴油后喷射出来的尾气被称作柴油机尾气。柴油发动机尾气危害巨大，世界卫生组织专家认定柴油发动机尾气与石棉、砒霜等物质一样，对人体具有高度致癌性。世界卫生组织国际癌症研究机构更是将柴油发动机排气列入一类致癌物清单中。因此，研究柴油发动机尾气的处理十分紧迫。柴油机尾气的化学组成十分复杂，并且会随着发动机的工作情况发生明显的变化，这对其处理而言是不小的阻碍，因此分析清楚其成分是进行下一步处理的重要的理论支撑。研究发现，柴油机尾气排放的污染物主要由碳烟颗粒物、烃类物质、一氧化碳和氮氧化物等物质组成。

2、排放后处理技术概述

“排放后处理技术”旨在利用有效技术手段减少发动机在运行过程中排放的废气，以避免造成环境污染。目前在国际上，欧洲地区倾向于选择选择性催化还原技术（SCR），即通过尿素溶液与尾气中的氮氧化物反应进行处理；而对于美国和日本则倾向于废气再循环技术（EGR），即使用微粒捕集器或者微粒催化转换器（DPF），对燃烧产生的有害微粒进行处理的技术。与“后处理技术”相对应的“后处理系统”包含了催化器、颗粒捕集器、除氮氧系统、组合式降氮氧系统的颗粒捕集器，以及其它各种安装在发动机下游的削减污染物的装置。

3、两种处理系统对比

3.1 选择性催化还原系统

选择性催化还原系统（SCR系统），其中“S”，对应英文单词“Selective”，释义“选择性”;“C”，对应英文单词“Catalytic”，释义“催化”;“R”对应英文单词“Reduction”，释义“还原”。SCR技术作为欧洲市场柴油车处理尾气的主要方式，本质其实是一种有效的机外净化系统。选择性催化还原系统的基本工作原理主要是将一定量的尿素溶液喷射到排气管中，尿素在一定条件下分解产生氨气并且与尾气混合，经过催化反应器将混合气体中的氮氧化物还原成氮气和水，最终实现对尾气的净化。相关化学公式如下：6NO+4NH3=5N2+6H20;4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O;6NO2+8NH3=7N2+12H2O;2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O;NO+NO2+2NH3=2N2+3H20。除此之外，对于尾气中的碳烟颗粒物，则通过改变发动机供油提前角等方式完善发动机的燃烧，从源头上减少了碳烟颗粒物的排放。这样，通过这两个方面的处理，柴油发动机在运行中产生的尾气中的大部分有害气体都被除去了。

3.2 废气再循环系统

废气再循环系统包括“废气再循环（Exhaust gas recycle）”和“柴油机颗粒捕集器（Diesel particle filter）”两个部分。该系统的主要思想是利用废气循环再循环技术，使得氮氧化物含量降低，而碳烟颗粒物排放量增大，柴油机颗粒捕集器则可以捕捉收集尾气中的大部分碳烟颗粒物，再经过高温燃烧掉收集到的碳烟颗粒物，转化成二氧化碳排放至大气中。需要注意的是，柴油机颗粒捕集器随着捕捉收集到的碳烟颗粒物增多，其过滤性能也显著降低，因此在使用一段时间之后，需要将收集到的碳烟颗粒物去除，该过程称为“再生”。

3.3 两种系统的比较

使用过程中，废气再循环系统具有较低的封装要求，无需配备尿素系统，但是与选择性催化还原系统相比燃油消耗高出了9倍，并且需要配置冷却系统增强散热能力和高强度的结构（最大气缸压力180bar），除使用CI-4级润滑油之外，还需要重新设计缸套摩擦副。最后，其对硫元素也比较敏感，尾气中高于50ppm就对尾气处理效果有影响。选择性催化还原系统其相对国3省油约5%，无需增强散热能力，最高可接受500ppm的硫。但是其对封装要求较高，并且排气温度需要高于催化器窗口温度，尾气处理效果才能充分体现。对比下不难发现，选择性催化还原系统虽然需要在运行同时随时加注尿素溶液，且在低负条件下，排气温度不足以使系统起作用，但是，该系统在发动机制造上具有较好的延续性，在产品革新中不需要大幅度改变发动机设计。而且选择性催化还原系统还具有燃油经济性佳的优势，这在市场中必然抢占优势。而对于废气再循环系统，其能保证尾气长期维持在标准内，并且不需要另外的物质加入。但是，该系统对燃油的品质要求高，经济效应低，且发动机需要做的改动也比较大，这些因素都使得废气再循环系统的发展受限。

3.4 改进和研究的方向

3.4.1 尿素管及其插件

尿素管及其插件出现故障容易造成建压受阻，系统不能正常运行等问题。排查时从三个方面考虑：①尿素管漏气：主要由安装不牢产生，更换更相配的尿素管或者加上紧固件即可。安装时也需要注意主要弯折产生的空隙。②尿素管插件漏气：原因为插件使用次数过多产生磨损或者插件本身做工存在问题，需要及时更换插件。③尿素管漏液：剧烈震动、安装失误、堵塞、弯折、插件密封损坏等原因都可能造成漏液，及时更换相应部件并做好安装即可。

3.4.2 尿素泵

尿素泵出现问题会导致建压不正常，喷射不流畅，限扭等故障。①尿素泵的信号紊乱：这说明尿素泵内的控制和输出信号受到了干扰或损坏。②尿素泵反向阀开路：说明反向阀损毁或者线束断裂，①和②都需要更换尿素泵。③尿素泵短路或者断路：由线束连接或者尿素泵内部线路出现问题造成，更换线束重新连接后，若不能正常工作，则需要更换尿素泵。④尿素泵烧坏：原因为插头松动，重新拔插插头即可。

3.4.3 氮氧化物传感器

①氮氧化物传感器读数异常：异常是因为氮氧化物传感器损坏或失效，需要更换氮氧化物传感器。②氮氧化物传感器针脚损坏：由线束连接不良或者氮氧化物传感器损坏引起，检查线束连接情况，重新接线或者更换氮氧化物传感器可以解决问题。另外，在安装时也要注意防止过度震动，防水和防高温，避免频繁插拔传感器接头，这些安装时的失误都会造成针脚的损坏。

3.4.4 加热继电器

保险丝、线束或者加热继电器出现开路、对地断路或者对电源短路会使得尿素在设备中加热，但是不放行，整个选择性催化还原系统无法正常运行。未解决该问题，需要对应地更换加热继电器、线束或者保险等。

结语：目前，柴油发动机依然是一类十分重要的发动机，即使在新能源发动机存在巨大发展潜力的今天，依然有着无限的可能。随着电控直喷、共轨、涡轮增压、中冷等技术在小型柴油发动机上的应用，柴油发动机的缺点正在被逐渐改善，其较高的热效率和经济性是汽油机等其他热力发动机所无法媲美的。因此，对柴油发动机尾气后处理技术的应用研究，是对其发展具有重要意义的探索。

参考文献：

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[3]于鹏飞.柴油发动机尾气后处理技术（SCR）的应用[J].内燃机与配件，2018，271（19）：51-52.

[4]罗万祥.SCR技术在柴油机尾气后处理上的应用[J].科技创新导报，2020，17（07）：69-71.