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 應(yīng)對車用發(fā)動機(jī)尾氣排放的技術(shù)

    城市車輛的尾氣排放是造成PM2.5的主要因素之一。排放的尾氣中專家一致公認(rèn)并要求加以控制的有害物質(zhì)包括：碳?xì)銱C、一氧化碳CO、氮氧化物NO_X和顆粒物PM（包含數(shù)量較多的煙炱）。由于所使用的燃料不同、運(yùn)行的工況不同，汽油機(jī)的尾氣主要控制HC和CO，柴油機(jī)則偏重控制NO年和PM。

    解決或減輕城市車輛尾氣排放中的有害物質(zhì)，必須由車輛制造商、燃油生產(chǎn)商以及潤滑油廠商共同努力才能事半功倍。

1        采用各種機(jī)外凈化措施

    發(fā)動機(jī)制造商采用各種機(jī)外凈化措施將已排放的尾氣進(jìn)行凈化，使其中的有害物轉(zhuǎn)化為無害物（二氧化碳、氮?dú)夂退?/span>

（1）氧化催化轉(zhuǎn)換器(DOC)通常為二元轉(zhuǎn)換器。見圖1。

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圖1  氧化催化轉(zhuǎn)換器(DOC)作用原理

    它只能將CO和HC氧化為CO2和H2O。研究表明DOC可以使HC減少68%，多環(huán)發(fā)芳香碳?xì)浠衔餃p少56%，醛類減少70%，降低PM效率可達(dá)10%~30%。

（2）三元氧化催化轉(zhuǎn)換器（SCG)，可將CO和HC氧化為CO₂和H₂O，同時，利用CO和HC作為還原劑把NO_x還原為N₂和O₂，而CO和HC在還原反應(yīng)中，被氧化成CO₂和H₂O。

    當(dāng)同時采用兩種轉(zhuǎn)換器時，通常把兩者放在一個外殼內(nèi)，三元轉(zhuǎn)換器放在二元轉(zhuǎn)換器前面，尾氣經(jīng)三元催化氧化后，部分未被氧化的CO和HC繼續(xù)在催化器中與供入的二次空氣進(jìn)行氧化反應(yīng)，最后轉(zhuǎn)換成無害的CO2、H2O、N2和O2。   二元，三元氧化催化轉(zhuǎn)換器只用于汽油機(jī)。

（3）選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)。見圖2。 

圖2  選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)示意圖

    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。然后將尿素溶液噴入氧化后的廢氣流中，通過水解催化器，尿素迅速水解釋放出NH3，NH3再與NOx作用，利用SCR催化還原裝置把其還原成N2和H2O，排入大氣。 

      （4）開放式過濾器(POC) 或稱顆粒氧化催化轉(zhuǎn)換器。見圖3。

圖3 開放式過濾器(POC)外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

    可以捕捉柴油尾氣排放中的顆粒物。POC外部為不銹鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝特殊材料載體，載體上涂有含貴金屬催化劑的化學(xué)涂層。其作用原理包括捕捉和燃燒。捕捉就是阻擋大顆粒通過同時吸附小顆粒于涂層上；燃燒就是將尾氣中的NOn在催化劑的作用下生成的O2與被捕捉到的C顆粒反應(yīng)，生成CO,此反應(yīng)需要的溫度比較低，約為250-500度，且沒有明顯排氣背壓升高的現(xiàn)象。

        （5）顆粒捕捉技術(shù)（DPF）。見圖4。 

圖4  顆粒捕捉技術(shù)（DPF）內(nèi)部結(jié)構(gòu)及作用原理

    該裝置內(nèi)有多孔過濾器壁，在其表面涂有活性催化劑，顆粒PM通過DPF時，被其吸附在過濾器壁上，能極大地減少PM的排放，其效率達(dá)到90%。DPF最大的缺陷是催化劑難以再生，也就是如何把捕捉到的PM處理掉以延長其使用壽命。再生的方法有兩種：一是通過在燃油中加入添加劑或在過濾材料表面涂催化層來降低PM的燃點(diǎn)，使PM能在較低溫度下燃燒掉，稱為被動再生；二是指利用外界能量來提高DPF內(nèi)的溫度，使PM著火燃燒，稱為主動再生。

   （6）廢氣冷卻再循環(huán)技術(shù)(EGR)，所使用的柴油S含量100-150ppm，見圖5。

圖5  廢氣冷卻再循環(huán)技術(shù)(EGR)示意圖

    該措施可減少廢氣排出量，同時降低燃燒室溫度，減少NOn的發(fā)生量。但同時EGR帶來的問題有；煙炱更多、酸性物更多、腐蝕性，磨損更嚴(yán)重。

    選擇性催化還原系統(tǒng)SCR、顆粒氧化催化轉(zhuǎn)換器POC、顆粒捕捉技術(shù)DPF和廢氣冷卻再循環(huán)EGR用于柴油機(jī)。

2對潤滑油提出新的挑戰(zhàn)和要求

    正因?yàn)檐囕v安裝了上述尾氣轉(zhuǎn)換裝置，對潤滑油提出新的挑戰(zhàn)和要求，最大的問題是潤滑油添加劑中的有些元素如Zn、S會使催化劑中毒乃至失效。為此，潤滑油（內(nèi)燃機(jī)油）廠商在考慮油品升級的同時重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)燃機(jī)油配方中添加劑對尾氣轉(zhuǎn)換器中催化劑的影響，尤其是硫和鋅。實(shí)際情況是；無論是API規(guī)格還是ILSAC的GF規(guī)格在高等級的產(chǎn)品中都能體現(xiàn)；以汽油機(jī)油為例，從SH(GF-1)到SN(GF-5)，磷含量從不控制到要求不高于0.12%,  0.10%,  0.08%,  0.06%。下降非?？?。而柴油機(jī)油則從降低燃燒室溫度考慮（因?yàn)榈趸颪O_x需在相對高的溫度下，才能生成），采用了廢氣冷卻再循環(huán)裝置EGR。但由于排出的廢氣量減少了，部分帶有煙炱（PM）的廢氣回到了燃燒室，使煙炱的濃度增加。這就對潤滑油提出新的課題，必須在配方中考慮提高消化煙炱的能力。例如在柴油機(jī)油API等級中CH-4、CI-4、CJ-4等高等級油品都必須通過與煙炱有關(guān)的發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)MACK T8E，以驗(yàn)證潤滑油消化煙炱的能力。

3 改進(jìn)燃料的品質(zhì)

    減少車輛尾氣排放中的有害物質(zhì)還有一個重要因素即燃料的品質(zhì)。車用汽油主要是降低某些元素含量。如我國標(biāo)準(zhǔn)，國IV；硫含量不大于0.005%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、苯含量不大于1.0%（體積分?jǐn)?shù)）、烯烴含量不大于25%（體積分?jǐn)?shù)）、錳含量不大于0.006g/L等。輕柴油（車用柴油）硫含量不大于0.005%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、多環(huán)芳烴含量不大于11%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）等。

    綜觀所述，消滅或減少車輛尾氣有害物排放有利于環(huán)境，造福于人類。有關(guān)各方必須共同努力。

    附注: 汽油機(jī)與柴油機(jī)尾氣排放物的組成比例并不一樣，以典型的有害物CH、CO、NO_x、PM為例，分布水平對比如下表。

    故，汽油車尾氣排放主要控制CO、CH。柴油車尾氣排放側(cè)重控制PM、NO_x。針對的控制排放后處理措施也不一樣。汽油車采用DOC、SCG而柴油車采用SCR、POC、DPF、EGR。