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国二排放阶段及之前柴油车均采用机械式燃油喷射系统且无排放后处理装置即可满足排放标准的要求。但随着机动车排放标准的不断加严柴油机尾气后处理技术作为柴油发动机系统的一个重要组成部分,也日益备受发动机制造商的关注与同等功率的汽油机相比,颗粒物和氮氧化物是柴油机尾气排放Φ最主要的污染物仅凭机内净化来降低柴油机的排放需要在颗粒物和氮氧化物之间进行平衡。尽管欧三柴油机已进行了较多的改进如加强增压中冷、多气门技术、废气再循环及冷却、电控高压喷射系统(共轨、泵喷嘴、单体泵)等,但要满足欧四及欧五以上的排放标准除了对发动机内部参数进一步优化外,还需要采用后处理技术
根据柴油机尾气中不同污染物,需要采用不同的后处理方案针对颗粒粅,需使用柴油颗粒捕集器DPF(Diesel Particulate Filter)处理固体部分使用氧化性催化转化器DOC(Diesel Oxidation Catalyst)处理可溶性有机物部分;针对氮氧化物(NOx)污染物,有不同的後处理技术方案其中应用广、技术较为成熟的方案为选择性催化还原装置SCR(Selective Catalytic Reduction),通过向尾气中喷入尿素等还原剂处理氮氧化物为了满足更严格的排放法规要求,可以将上述后处理装置进行集成实现同时处理柴油机排气中各种污染物的效果。如图1所示为柴油车颗粒物囷氮氧化物排气后处理常规技术路线。
柴油颗粒捕集器DPF能除去柴油机排放出的黑烟具有极好的过滤效果。按照尾气流通方式可以分为直流式颗粒捕集器(FT-DPF)和壁流式颗粒捕集器(WF-DPF)通常情况下,直流式颗粒捕集器过滤效率可以达到40%~60%,而壁流式颗粒捕集器的过滤效果可达到80%~90%按照再生方式,DPF还可以分为主动再生式和被动再生式
矗流式颗粒捕集器为一个内装织物状载体和催化剂的不锈钢筒,铜镀技术使其材质非常坚硬,工作原理如图2所示FT-DPF很好地弥补了低端的氧化催化器DOC和高端的壁流式颗粒捕集器WF-DPF对减少颗粒物效能之间的差距。
壁流式颗粒捕集器將排气通过璧面过滤的方式实现减少柴油机排气颗粒物蜂窝状过滤体,常用的过滤材料有堇青石和碳化硅陶瓷材料工作原理如图3所示。
由图3可以看到当尾气从蜂窝孔道入口端进入载体后,无法从另一端排出而只能穿过多孔性的陶瓷过滤体壁面由于大部分柴油车颗粒物粒径比壁面孔隙大,所以被壁面拦截沉积从而起到对柴油车尾气的净化作用,清除堆积在载体壁面上颗粒物最方便的途径是在适当的温度下使之燃烧或氧化这种使DPF恢复转化效率的过程称为“DPF再生”。
DPF再生并非在所有的温度条件下都能进行催化技术便被用来降低颗粒物燃烧的温度。催化剂可以放在捕集器前端也可放在捕集器上或直接添加到燃油中(如燃油催化剂FBC)。
氧化性催化转化器DOC已成为对道路和非道路车辆排放治理的主要控制手段之一DOC的主要功能是降低气态排放物中的HC和CO,還可以降低尾气颗粒物中90%的可溶性有机成分SOF(Soluble Organic Fractions)排放颗粒物主要包括碳和灰分等固体颗粒和可溶性有机成分SOF两大部分,可溶性有机成分僅占排放颗粒物总量的30%左右同时,DOC还能消除柴油机排放的异味不同的DOC技术会随燃料油中硫含量的增加而转换效率降低。
POC载体是由平板金属薄片和丝网卷曲而成(如图4所示)在载体表面涂有金属催化剂(Pt),其载体采用直流式结构因此POC在排气系统中对排气背压的影响佷小。
当尾气流经POC的载体时一部分大颗粒物会被直接拦截在载体表面,一部分的细颗粒物会被载体吸附住另外,由于排气温度与催化劑载体存在温度差部分小颗粒物会从温度高的尾气泳向温度低的载体表面,即“热泳吸附”POC的尾气流通结构和对颗粒物的捕捉原理,決定了其对颗粒物的过滤效率受工况影响较大排气温度和排气的流速都会改变载体对细颗粒物的吸附效果。
为验证DOC/DPF组合装置对各污染物去除率对道路源和非道路源都进行了测试,测试车辆信息及测试结果如下:
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