柴油车尾气氮氧化物控制技术现状

郭秀荣 徐岳峰

摘 要：随着我国机动车数量大幅增长，机动车尾气污染物排放量也随之增加。氮氧化物（NOX）是机动车排放四项污染物之一，会給人类健康和自然环境带来严重的影响，降低柴油车尾气NOX排放的方法主要有机内净化和后处理技术，机内净化技术主要从进气、燃烧、喷油以及废气再循环等方面进行改善排放;尾气NOX后处理技术主要有稀燃NOX捕集技术、选择性催化还原技术及低温等离子体技术，其中选择性催化还原技术应用较多，低温等离子体技术处于试验阶段，目前尚未成熟。

关键词：柴油车;尾气;氮氧化物;控制技术

1 概述

随着中国社会生产力的发展、科学技术的进步以及产业结构的调整，我国的交通事业日渐完善，机动车数量大幅增长，据2018年《中国机动车环境管理年报》统计，全国机动车保有量达到3.1亿辆，其中汽车2.17亿辆。而机动车排放的废气同样与日俱增，机动车尾气控制和治理机动车尾气迫在眉睫。而柴油车在机动车氮氧化物排放量分担率占比上大幅领先于汽油机。

国Ⅱ和Ⅴ标准的柴油车NOX排放量分担比例较小，这是由于国Ⅱ和国Ⅴ标准的柴油车数量较少，仅占柴油车保有量的7.3%;国Ⅲ标准的柴油车NOX排放量分担比例最大，高达63.2%，国Ⅳ标准的柴油车NOX排放量则占26.6%[1]。

氮氧化物（NOX）是机动车排放四项污染物之一，会给人类健康和自然环境带来严重的影响。综合已知的降低尾气排放的方法，可以将其大致分为两类：一种是在燃油燃烧时降低排放的机内净化技术，另一种是柴油机尾气后处理技术。

2 机内净化技术

机内净化技术主要从进气、燃烧、喷油以及废气再循环等方面进行研究。通过机内净化技术的发展降低了柴油机排放物，缓解了后处理技术的压力。

2.1 涡轮增压中冷技术

通过涡轮增压使进入柴油机汽缸内的空气密度增大，实现高的空气燃油比率，达到超低NOX排放和高热效率。然而增压导致空气密度提高必然提高空气的温度，不仅影响充气效率还会导致爆燃。此外，据实验数据统计，较低的空气温度有利于柴油机功率增加以及降低排放废气中的氮氧化物，所以在增压器和柴油机进气管之间必须增加中冷技术（中冷器）。

2.2 改进燃油系统

使用新型的燃烧技术，例如均质燃烧、低温燃烧和高预混燃烧;以及改进燃油喷射技术，要实现低排放，需要满足以下要求：提高喷油压力，提高燃油的雾化程度;优化喷油规律，实现的每循环多次喷射。

2.3 废气再循环

柴油机燃烧后排放的气体含氧量极低，将其与进来的气体混合后实现气体中的氧气浓度降低，这时的柴油机燃烧温度降低，从而抑制了氮氧化物的产生。

3 柴油机尾气后处理技术

柴油机尾气后处理技术主要包括：颗粒捕集器（DPF）、氧化催化转化器（DOC）、NOX净化技术。

3.1 稀燃NOX捕集技术（Lean NOXTrap，LNT）

LNT也称NOX存储还原技术（NOXstorageandreduction，NSR）是利用发动机在稀燃排气条件下NOX吸附，富燃排气条件下将NOX还原为N2的周期性尾气后处理技术[1，2]。LNT技术的NOX去除率能达到90%以上，并且不需要像SCR系统添加额外的尿素溶液存储控制设备和相应的设备建设[2]。LNT技术简单的系统结构不仅使得柴油车在空间占用上进行了缩减、成本降低，而且不容易发生故障。

3.2 选择性催化还原技术（Selective Catalytic Reduction）

氨气选择性催化还原技术（NH3-Selective Catalytic Reduction，NH3-SCR）是由美国Engelhard公司首次提出，日本于20世纪70年代率先实现工业化，随后逐步在欧美国家广泛应用。其工作过程是向尾气中喷入还原剂氨或者尿素，在催化剂作用下，将尾气中的NOX还原成无毒害的N2和H2O，实现氮氧化物的去除[3]。

目前商用的催化剂是V2O5-WO3/TiO2系列，适合其工作的温度窗口狭小，当气体温度到达300℃-400℃时，SCR系统才能实现最大效率的NOX去除。在相对较低的温度范围内，V2O5-基催化剂的水中毒和硫中毒问题一直未得到有效的解决[4]。

3.3 低温等离子体技术（Non-thermalplasma，NTP）

近年来，低温等离子体技术因其产生的激发态粒子、高能电子、自由基和离子等活性粒子能与有害气体分子发生物理化学反应而逐渐受到相关学者的注意。其特点是具有物理效应、化学效应和生物效应，并且有消耗能量少、净化效率高、没有二次污染等明显的优点。但是低温等离子体技术在柴油车尾气净化中仍然处于试验阶段，目前尚未成熟。

4 结论

降低柴油车尾气NOX排放的方法机内净化技术和尾气后处理技术。机内净化技术主要从进气、燃烧、喷油以及废气再循环等方面进行改善排放;尾气NOX后处理技术主要有稀燃NOX捕集技术、选择性催化还原技术及低温等离子体技术，选择性催化还原技术应用较多，低温等离子体技术处于试验阶段，目前尚未成熟。

参考文献：

[1]刘磊.EGR与LNT协同控制稀燃汽油机NO_x排放试验及仿真研究[D].天津：天津大学，2016.

[2]赵海宁.吸附还原催化系统降低稀燃汽油机NOx排放仿真研究[D].天津：天津大学，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.