背景
隨著對內燃機低排放的要求不斷嚴格,能兼顧動力性、經濟性、排放性的內燃機越來越複雜,成本急劇上升。因此,世界各國都先後開發排氣後處理技術,在不影響或者少影響內燃機其他性能的同時,降低最終向大氣環境的排放。
現狀
現在最成功的排氣後處理裝置是汽油機用的三效催化轉化器(Three-Way Catalitic Converter,TWC)。它能在化學計量比為1下使車用汽油機的CO、HC和氮氧化物排放量削減80%~90%。旨在降低柴油機PM排放的顆粒物捕集器(Diesel Particulate Trap,DPT)或者顆粒物濾清器(Diesel Particulate Filter,DPF)可降低車用柴油機PM排放量50%~80%。
種類
汽油機排氣後處理技術
汽油機排氣後處理技術主要包括熱反應器、催化轉化器、HC捕集器,其中催化轉化器又可以分為氧化性、還原性、氧化還原(三效)型以及稀燃型,目前單純還原型的催化劑已很少用。
(1)熱反應器:處理對象為CO和HC。隨著三效催化器的普及,20世紀90年代開始生產的新車已不採用熱反應器。由於機車的排氣後處理裝置要求結構簡單和成本低廉,並且機車的主要排放污染物是CO和HC,因而熱反應器在機車上仍得到較多的套用。
(2)氧化催化器:處理對象為CO和HC,對NOx基本無淨化效果。目前用於機車。
(3)三效催化劑:同時淨化CO、HC和NOx。當混合氣濃度正好是化學計量比時,CO和HC與NOx三種有害成分互為氧化劑和還原劑,生成無害的CO₂、H₂O和N。它已成為汽油機最主要的排氣淨化技術。
(4)稀燃催化器:稀燃汽油機大部分工況都在過稀狀態下工作,一般三效催化器無法使用。隨著稀燃缸內直噴汽油機在20世紀90年代後期開始產品化,稀燃催化器得到了實際套用。但它對燃油硫含量要求很嚴;同時,稀燃發動機需要每隔一定時間多噴油過濃燃燒並推遲點火時間,以產生大量未燃HC,使催化劑再生。隨著排放法規加嚴,再生的頻度也不斷提高,使原本由稀燃和缸內直噴技術得到的節油效果不斷降低,由此導致稀燃GDI發動機套用受到阻礙。
柴油機排氣後處理技術
後處理技術正式用於柴油機是從歐Ⅳ排放階段開始的,主要技術路線有SCR和DPF兩種,因各國法規、油品和關注的性能指標(如油耗、PM、NOx)等具體情況不同,採取的技術路線也不同。採用SCR(Selective Catalytic Reduction,選擇性催化還原)技術路線時,通過機內淨化技術PM可降至法規要求,但NOx排放會顯著增高,依靠高效的SCR後處理系統將NOx降至法規標準水平。
另外,SCR系統對柴油含硫量的要求較低且可顯著節省燃油費用。採用DPF(Diesel Particulate Filter,顆粒物濾清器)技術路線時,通過機內用冷卻EGR降低NOx,這時PM會有明顯升高,然後用DPF降低PM排放。DPF系統的複雜程度和成本低於SCR技術路線。