应对车用发动机尾气排放的技术

    城市车辆的尾气排放是造成PM2.5的主要因素之一。排放的尾气中专家一致公认并要求加以控制的有害物质包括：碳氢HC、一氧化碳CO、氮氧化物NO_X和颗粒物PM（包含数量较多的烟炱）。由于所使用的燃料不同、运行的工况不同，汽油机的尾气主要控制HC和CO，柴油机则偏重控制NO年和PM。

    解决或减轻城市车辆尾气排放中的有害物质，必须由车辆制造商、燃油生产商以及润滑油厂商共同努力才能事半功倍。

1        采用各种机外净化措施

    发动机制造商采用各种机外净化措施将已排放的尾气进行净化，使其中的有害物转化为无害物（二氧化碳、氮气和水）。

（1）氧化催化转换器(DOC)通常为二元转换器。见图1。

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图1  氧化催化转换器(DOC)作用原理

    它只能将CO和HC氧化为CO2和H2O。研究表明DOC可以使HC减少68%，多环发芳香碳氢化合物减少56%，醛类减少70%，降低PM效率可达10%~30%。

（2）三元氧化催化转换器（SCG)，可将CO和HC氧化为CO₂和H₂O，同时，利用CO和HC作为还原剂把NO_x还原为N₂和O₂，而CO和HC在还原反应中，被氧化成CO₂和H₂O。

    当同时采用两种转换器时，通常把两者放在一个外壳内，三元转换器放在二元转换器前面，尾气经三元催化氧化后，部分未被氧化的CO和HC继续在催化器中与供入的二次空气进行氧化反应，最后转换成无害的CO2、H2O、N2和O2。   二元，三元氧化催化转换器只用于汽油机。

（3）选择性催化还原系统(SCR)。见图2。 

图2  选择性催化还原系统(SCR)示意图

    主要原理：首先在氧化催化器的作用下，把HC、CO和NO氧化成H2O、CO2和NO2。然后将尿素溶液喷入氧化后的废气流中，通过水解催化器，尿素迅速水解释放出NH3，NH3再与NOx作用，利用SCR催化还原装置把其还原成N2和H2O，排入大气。 

      （4）开放式过滤器(POC) 或称颗粒氧化催化转换器。见图3。

图3 开放式过滤器(POC)外形及内部结构

    可以捕捉柴油尾气排放中的颗粒物。POC外部为不锈钢结构，内装特殊材料载体，载体上涂有含贵金属催化剂的化学涂层。其作用原理包括捕捉和燃烧。捕捉就是阻挡大颗粒通过同时吸附小颗粒于涂层上；燃烧就是将尾气中的NOn在催化剂的作用下生成的O2与被捕捉到的C颗粒反应，生成CO,此反应需要的温度比较低，约为250-500度，且没有明显排气背压升高的现象。

        （5）颗粒捕捉技术（DPF）。见图4。 

图4  颗粒捕捉技术（DPF）内部结构及作用原理

    该装置内有多孔过滤器壁，在其表面涂有活性催化剂，颗粒PM通过DPF时，被其吸附在过滤器壁上，能极大地减少PM的排放，其效率达到90%。DPF最大的缺陷是催化剂难以再生，也就是如何把捕捉到的PM处理掉以延长其使用寿命。再生的方法有两种：一是通过在燃油中加入添加剂或在过滤材料表面涂催化层来降低PM的燃点，使PM能在较低温度下燃烧掉，称为被动再生；二是指利用外界能量来提高DPF内的温度，使PM着火燃烧，称为主动再生。

   （6）废气冷却再循环技术(EGR)，所使用的柴油S含量100-150ppm，见图5。

图5  废气冷却再循环技术(EGR)示意图

    该措施可减少废气排出量，同时降低燃烧室温度，减少NOn的发生量。但同时EGR带来的问题有；烟炱更多、酸性物更多、腐蚀性，磨损更严重。

    选择性催化还原系统SCR、颗粒氧化催化转换器POC、颗粒捕捉技术DPF和废气冷却再循环EGR用于柴油机。

2对润滑油提出新的挑战和要求

    正因为车辆安装了上述尾气转换装置，对润滑油提出新的挑战和要求，最大的问题是润滑油添加剂中的有些元素如Zn、S会使催化剂中毒乃至失效。为此，润滑油（内燃机油）厂商在考虑油品升级的同时重点关注内燃机油配方中添加剂对尾气转换器中催化剂的影响，尤其是硫和锌。实际情况是；无论是API规格还是ILSAC的GF规格在高等级的产品中都能体现；以汽油机油为例，从SH(GF-1)到SN(GF-5)，磷含量从不控制到要求不高于0.12%,  0.10%,  0.08%,  0.06%。下降非常快。而柴油机油则从降低燃烧室温度考虑（因为氮氧化物NO_x需在相对高的温度下，才能生成），采用了废气冷却再循环装置EGR。但由于排出的废气量减少了，部分带有烟炱（PM）的废气回到了燃烧室，使烟炱的浓度增加。这就对润滑油提出新的课题，必须在配方中考虑提高消化烟炱的能力。例如在柴油机油API等级中CH-4、CI-4、CJ-4等高等级油品都必须通过与烟炱有关的发动机台架试验MACK T8E，以验证润滑油消化烟炱的能力。

3 改进燃料的品质

    减少车辆尾气排放中的有害物质还有一个重要因素即燃料的品质。车用汽油主要是降低某些元素含量。如我国标准，国IV；硫含量不大于0.005%（质量分数）、苯含量不大于1.0%（体积分数）、烯烃含量不大于25%（体积分数）、锰含量不大于0.006g/L等。轻柴油（车用柴油）硫含量不大于0.005%（质量分数）、多环芳烃含量不大于11%（质量分数）等。

    综观所述，消灭或减少车辆尾气有害物排放有利于环境，造福于人类。有关各方必须共同努力。

    附注: 汽油机与柴油机尾气排放物的组成比例并不一样，以典型的有害物CH、CO、NO_x、PM为例，分布水平对比如下表。

    故，汽油车尾气排放主要控制CO、CH。柴油车尾气排放侧重控制PM、NO_x。针对的控制排放后处理措施也不一样。汽油车采用DOC、SCG而柴油车采用SCR、POC、DPF、EGR。