柴油發(fā)動機(jī)尾氣后處理技術(shù)應(yīng)用研究

章明陽 蔡利凱 高健

摘要：柴油發(fā)動機(jī)自被發(fā)明以來，因?yàn)槠渑ぞ卮?、?jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)廣泛應(yīng)運(yùn)用于各類大型柴油設(shè)備上。但是，柴油發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的尾氣卻含有上百種化合物，這類氣體氣味古怪，令人頭昏、惡心，具有極高的致癌性，影響人體健康，并且容易對大氣造成污染。因此，解決好柴油發(fā)動機(jī)尾氣的處理問題，對柴油機(jī)的進(jìn)一步利用和開發(fā)意義重大。本文對柴油機(jī)發(fā)動機(jī)后處理技術(shù)的應(yīng)用做了簡要研究，以供參考。

Abstract： Since the diesel engine was invented， it has been widely used in various large diesel equipment because of its large torque and good economy. However， the exhaust gas produced by diesel engines contains hundreds of compounds. This kind of gas has a strange smell， makes people dizzy and nauseous， is extremely carcinogenic， affects human health， and easily pollutes the atmosphere. Therefore， solving the problem of diesel engine exhaust gas treatment is of great significance to the further utilization and development of diesel engines. This article does a brief research on the application of diesel engine aftertreatment technology for reference.

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)動機(jī);尾氣后處理技術(shù);應(yīng)用探究

Key words： diesel engine;exhaust gas aftertreatment technology;application research

中圖分類號：TK421.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0116-02

0? 引言

隨著社會的發(fā)展和對生產(chǎn)力需求的提高，柴油發(fā)動機(jī)逐步普及，并成為各種生產(chǎn)工具和運(yùn)輸工具的重要動力來源。合理處置柴油發(fā)動機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的尾氣既是對人類生命安全和環(huán)境問題的負(fù)責(zé)行為，也是對柴油發(fā)動機(jī)本身的重要完善。隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的提高，原有的EGR技術(shù)已經(jīng)不能滿足相關(guān)排放要求了，為此推廣和應(yīng)用SCR技術(shù)是順應(yīng)科學(xué)發(fā)展方向的正確舉措。

1? 對柴油發(fā)動機(jī)尾氣的分析

柴油發(fā)動機(jī)在燃燒柴油后噴射出來的尾氣被稱作柴油機(jī)尾氣。柴油發(fā)動機(jī)尾氣危害巨大，世界衛(wèi)生組織專家認(rèn)定柴油發(fā)動機(jī)尾氣與石棉、砒霜等物質(zhì)一樣，對人體具有高度致癌性。2017年，世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)更是將柴油發(fā)動機(jī)排氣列入一類致癌物清單中。因此，研究柴油發(fā)動機(jī)尾的處理十分緊迫。

柴油機(jī)尾氣的化學(xué)組成十分復(fù)雜，并且會隨著發(fā)動機(jī)的工作情況發(fā)生明顯的變化，這對其處理而言是不小的阻礙，因此分析清楚其成分是進(jìn)行下一步處理的重要的理論支撐。

研究發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)尾氣排放的污染物主要由碳煙顆粒物、烴類物質(zhì)、一氧化碳和氮氧化物等物質(zhì)組成[1]。

2? 排放后處理技術(shù)概述

“排放后處理技術(shù)”旨在利用有效技術(shù)手段減少發(fā)動機(jī)在運(yùn)行過程中排放的廢氣，以避免造成環(huán)境污染。目前在國際上，歐洲地區(qū)傾向于選擇選擇性催化還原技術(shù)（SCR），即通過尿素溶液與尾氣中的氮氧化物反應(yīng)進(jìn)行處理;而對于美國和日本則傾向于廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR），即使用微粒捕集器或者微粒催化轉(zhuǎn)換器（DPF），對燃燒產(chǎn)生的有害微粒進(jìn)行處理的技術(shù)[2]。

與“后處理技術(shù)”相對應(yīng)的“后處理系統(tǒng)”包含了催化器、顆粒捕集器、除氮氧系統(tǒng)、組合式降氮氧系統(tǒng)的顆粒捕集器，以及其它各種安裝在發(fā)動機(jī)下游的削減污染物的裝置[3]。

3? 兩種處理系統(tǒng)對比

3.1 選擇性催化還原系統(tǒng)

選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR系統(tǒng)），其中“S”，對應(yīng)英文單詞“Selective”，釋義“選擇性”;“C”，對應(yīng)英文單詞“Catalytic”，釋義“催化”;“R”對應(yīng)英文單詞“Reduction”，釋義“還原”。SCR技術(shù)作為歐洲市場柴油車處理尾氣的主要方式，本質(zhì)其實(shí)是一種有效的機(jī)外凈化系統(tǒng)[4]。

選擇性催化還原系統(tǒng)的基本工作原理主要是將一定量的尿素溶液噴射到排期管中，尿素在一定條件下分解產(chǎn)生氨氣并且與尾氣混合，經(jīng)過催化反應(yīng)器將混合氣體中的氮氧化物還原成氮?dú)夂退?，最終實(shí)現(xiàn)對尾氣的凈化。

相關(guān)化學(xué)公式如下[5]：

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，對于尾氣中的碳煙顆粒物，則通過改變發(fā)動機(jī)供油提前角等方式完善發(fā)動機(jī)的燃燒，從源頭上減少了碳煙顆粒物的排放。這樣，通過這兩個方面的處理，柴油發(fā)動機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生的尾氣中的大部分有害氣體都被除去了。

3.2 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

廢氣再循環(huán)系統(tǒng)包括“廢氣再循環(huán)（Exhaust gas recycle）”和“柴油機(jī)顆粒捕集器（Diesel particle filter）”兩個部分。該系統(tǒng)的主要思想是利用廢氣循環(huán)再循環(huán)技術(shù)，使得氮氧化物含量降低，而碳煙顆粒物排放量增大，柴油機(jī)顆粒捕集器則可以捕捉收集尾氣中的大部分碳煙顆粒物，再經(jīng)過高溫燃燒掉收集到的碳煙顆粒物，轉(zhuǎn)化成二氧化碳排放至大氣中[6]。

需要注意的是，柴油機(jī)顆粒捕集器隨著捕捉收集到的碳煙顆粒物增多，其過濾性能也顯著降低，因此在使用一段時(shí)間之后，需要將收集到的碳煙顆粒物去除，該過程稱為“再生”。

3.3 兩種系統(tǒng)的比較

使用過程中，廢氣再循環(huán)系統(tǒng)具有較低的封裝要求，無需配備尿素系統(tǒng)，但是與選擇性催化還原系統(tǒng)相比燃油消耗高出了9倍，并且需要配置冷卻系統(tǒng)增強(qiáng)散熱能力和高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)（最大氣缸牙力180bar），除使用CI-4級潤滑油之外，還需要重新設(shè)計(jì)缸套摩擦副。最后，其對硫元素也比較敏感，尾氣中高于50ppm就對尾氣處理效果有影響。

選擇性催化還原系統(tǒng)其相對國3省油約5%，無需增強(qiáng)散熱能力，最高可接受500ppm的硫。但是其對封裝要求較高，并且排氣溫度需要高于催化器窗口溫度尾氣處理效果才能充分體現(xiàn)。

對比下不難發(fā)現(xiàn)，選擇性催化還原系統(tǒng)雖然需要在運(yùn)行同時(shí)隨時(shí)加注尿素溶液，且在低負(fù)條件下，排氣溫度不足以使系統(tǒng)起作用，但是，該系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)制造上具有較好的延續(xù)性，在產(chǎn)品革新中不需要大幅度改變發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)。而且選擇性催化還原系統(tǒng)還具有燃油經(jīng)濟(jì)性佳的優(yōu)勢，這在市場中必然搶占優(yōu)勢。

而對于廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其能保證尾氣長期維持在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，并且不需要另外的物質(zhì)加入。但是，該系統(tǒng)對燃油的品質(zhì)要求高，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)低，且發(fā)動機(jī)需要做的改動也比較大，這些因素都使得廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)展受限。

3.4 改進(jìn)和研究的方向

兩種系統(tǒng)其實(shí)都可以進(jìn)行進(jìn)一步研究，以彌補(bǔ)其缺陷。

對于選擇性催化還原系統(tǒng)，研究方向主要集中在解決尿素供應(yīng)問題，如果能夠取得突破，則從經(jīng)濟(jì)性和性能上都是最佳選擇。另外，開發(fā)出高效的選擇性催化還原的催化劑，使其在較大的溫度范圍內(nèi)都能起到催化效果以及集成化設(shè)計(jì)尾氣后處理裝置同樣是開發(fā)的重點(diǎn)。

對于廢氣再循環(huán)系統(tǒng)則需要低硫柴油的廣泛供應(yīng)，才有實(shí)現(xiàn)普及的可能，不推薦在全國范圍的推廣。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)更適合在一些特殊的、資金充沛的領(lǐng)域展開應(yīng)用研究。

4  故障排查及解決方案

由上文可以看出，選擇性催化還原技術(shù)在國內(nèi)具有更大的可能，因此這里對選擇性催化還原系統(tǒng)的常見故障排查和解決方案再做簡單的論述。

4.1 尿素管及其插件

尿素管及其插件出現(xiàn)故障容易造成建壓受阻，系統(tǒng)不能正常運(yùn)行等問題。排查時(shí)從三個方面考慮：

①尿素管漏氣：主要由安裝不牢產(chǎn)生，更換更相配的尿素管或者做加上緊固件即可。安裝時(shí)也需要注意主要彎折產(chǎn)生空隙。

②尿素管插件漏氣：原因?yàn)椴寮褂么螖?shù)過多產(chǎn)生磨損或者插件本身做工存在問題，需要及時(shí)更換插件。

③尿素管漏液：劇烈震動、安裝失誤、堵塞、彎折、插件密封損壞等原因都可能造成漏液，及時(shí)更換相應(yīng)部件并做好安裝即可。

4.2 尿素泵

尿素泵出現(xiàn)問題會導(dǎo)致電壓不正常，噴射不流暢，限扭等故障。

①尿素泵的信號紊亂：這說明尿素泵內(nèi)的控制和輸出信號受到了干擾或損壞。

②尿素泵反向閥開路：說明反向閥損毀或者線束斷裂，1、2都需要更換尿素泵。

③尿素泵短路或者斷路：由線束連接或者尿素泵內(nèi)部線路出現(xiàn)問題造成，更換線束重新連接后，若不能正常工作，則需要更換尿素泵。

④尿素泵燒壞：原因?yàn)椴孱^松動，重新拔插插頭即可。

4.3 氮氧化物傳感器

①氮氧化物傳感器讀數(shù)異常：異常是因?yàn)榈趸飩鞲衅鲹p壞或失效，需要更換氮氧化物傳感器。

②氮氧化物傳感器針腳損壞：由線束連接不良或者氮氧化物傳感器損壞引起，檢查線束連接情況，重新接線或者更換氮氧化物傳感器可以解決問題。另外，在安裝時(shí)也要注意防止過度震動，防水和防高溫，避免頻繁插拔傳感器接頭，這些安裝時(shí)的失誤都會造成針腳的損壞。

4.4 加熱繼電器

保險(xiǎn)絲、線束或者加熱繼電器出現(xiàn)開路、對地?cái)嗦坊蛘邔﹄娫炊搪窌沟媚蛩卦谠O(shè)備中加熱但是不放行，整個選擇性催化還原系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。未解決該問題，需要對應(yīng)地更換加熱繼電器、線束或者保險(xiǎn)等。

5? 結(jié)束語

目前，柴油發(fā)動機(jī)依然是一類十分重要的發(fā)動機(jī)，即使在新能源發(fā)動機(jī)存在巨大發(fā)展?jié)摿Φ慕裉?，依然有著無限的可能。隨著電控直噴、共軌、渦輪增壓、中冷等技術(shù)在小型柴油發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用，柴油發(fā)動機(jī)的缺點(diǎn)正在被逐漸改善，其較高的熱效率和經(jīng)濟(jì)性是汽油機(jī)等其他熱力發(fā)動機(jī)所無法媲美的。對柴油發(fā)電機(jī)尾氣的后處理技術(shù)的應(yīng)用研究，則是對其發(fā)展有重要意義的探索。

參考文獻(xiàn)：

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