摘要：柴油发电机一般在平均过量空气系数大于1.2的较稀混合气条件下燃烧，虽然其压缩比高于汽油机，但燃烧最高温度及排气温度相对较低，排气中CO和HC排放量明显少于汽油机。然而，柴油发电机的主要有害尾气排放物为NOx和微粒（PM），以及少量的CO和HC。汽油机在理论空燃比下可通过三效催化转化器同时净化NOx、CO和HC，但柴油机由于平均空燃比较大，无法采用三效催化转化器。因此，针对柴油机有害尾气排放物的特点，目前所采用的主要后处理技术包括氧化催化转化器（DOC）、NOx选择性催化还原装置（SCR）、微粒滤清器（DPF）以及DPNR装置等。本文系统阐述了上述四种后处理技术的工作原理、催化剂组成、工作条件及净化效率；详细分析了DOC对CO和HC的氧化机理及其对柴油含硫量的敏感性；深入解析了SCR以尿素为还原剂的NOx还原反应及其工作温度窗口；归纳了DPF的电加热再生、连续再生及强制氧化催化再生三种主要再生方式及其适用条件；最后介绍了DPNR装置通过NOx吸附还原与微粒氧化的协同作用实现同时降低NOx和PM排放的技术路径。本文可为柴油发电机尾气处理系统的选型与设计提供技术参考。
一、氧化催化转化器
氧化催化转化器（DOC）的主要功能是将柴油机排气中的CO和HC以及微粒（PM）中的可溶性有机组分（SOF）氧化为CO₂和H₂O，从而降低有害排放物浓度。
1. 催化剂组成
氧化催化剂主要采用铂（Pt）和钯（Pd）等贵金属。为有效氧化HC和CO，通常将Pt和Pd独立使用或两者组合作为催化剂。在实际应用中，Pt与Pd的质量比一般约为2.3:1，常见采用质量比为2:1或2.5:1的催化剂配方。两种贵金属各有优缺点——Pd容易受铅（Pb）的侵蚀而中毒失效，而Pt则容易在高温条件下发生热劣化，导致催化活性下降。
2. 影响催化反应的关键因素
影响催化反应效率的基本因素包括反应物浓度、排气温度及空间速度（体积流量），具体如下：
（1）反应物浓度：氧气含量与被氧化物质（CO、HC、H₂）含量之间的平衡关系对催化反应效率至关重要。若排气中氧气不足，则氧化反应不充分；若氧气过量，则可能引发其他副反应。
（2）工作温度：DOC催化剂一般需要排气温度达到300 °C以上才能有效工作，低于此温度时催化活性显著下降。
（3）空间速度：即气体的体积流量（单位：每小时数万升以下）。空间速度过高时，排气在催化剂表面的停留时间过短，反应不充分；空间速度过低则可能导致催化剂表面积碳。
3. 二次空气供给与硫含量限制
为在排气过程中充分氧化HC和CO排放物，使用催化装置时通常需要向排气系统供给新鲜空气（称为二次空气），以补充氧化反应所需的氧气。但如果柴油中含硫量较高，氧化催化反应将会生成较多的硫酸盐（SO₄²⁻），反而使微粒排放量增加。因此，采用DOC的柴油发电机应选用含硫量低的柴油（通常要求硫含量低于50 ppm），以兼顾CO/HC净化效果与PM排放控制。
二、NOx的催化还原装置
柴油发电机为降低排气中的NOx排放量，采用以氨（NH₃）为还原剂的选择性催化还原装置（Selective Catalytic Reduction，SCR）。
1. 催化剂类型
SCR催化剂主要采用以下几种材料：V₂O₃-TiO₂体系（钒基催化剂）、Ag-Al₂O₃体系（银基催化剂），以及含Cu、Pt、Co或Fe的人造沸石（分子筛）等。不同催化剂的工作温度窗口和抗硫性能各异——钒基催化剂适用于中温区间（300～400 °C），沸石催化剂则具有更宽的工作温度范围和更好的高温稳定性。
2. 还原反应原理
在催化还原装置前，向排气中供给相对于燃料消耗量3%～5%的32.5%浓度尿素水溶液（图1）。利用排气热量使尿素发生加水分解反应生成NH₃（氨），NH₃对NO进行选择性还原，其主要反应式为：
该反应为SCR系统的核心反应，将有害的NO还原为无害的氮气（N₂）和水蒸气。
3. 工作温度窗口与副反应控制
上述NO还原反应所需的工作温度范围为250～500 °C。当工作温度过低时（低于250 °C），还原反应无法有效进行，NOx转化效率显著下降；当温度过高时（超过500 °C），会造成催化剂过热损伤，而且会使还原剂NH₃直接氧化而损耗，并可能生成新的NOx。特别值得关注的是，高温下可能生成强温室气体N₂O，其反应式为：
因此，在开发SCR催化还原装置时必须采取有效措施避免N₂O的生成。
4. 净化效率与应用前景
通过机内措施（如EGR、喷油正时优化）与SCR催化还原装置的配合使用，即使不配置DPF（或DPT），也可满足现行欧洲排放法规要求。在柴油发电机稳定工况下，通过各参数的优化控制，NOx净化效率可达到90%以上。同时，通过系统优化也可改善200 °C以下低温过渡工况下的净化效率，适应柴油机冷启动和低负荷运行阶段的需求。
图1 SCR催化还原系统
三、微粒滤清器
作为专门控制柴油发电机微粒排放量的控制装置，壁流式蜂窝状陶瓷微粒滤清器（Diesel Particulate Filter，DPF）是当前最有效的PM过滤技术。
1. DPF结构与过滤机理
DPF滤芯采用壁流式蜂窝状陶瓷结构——每两个相邻孔道中，一个在进口处被堵塞，另一个在出口处被堵塞。排气从流入孔道进入后，必须穿过多孔性陶瓷壁面才能通过相邻孔道流出，在此过程中将排气中的PM过滤在流入孔道的壁面上。典型孔道截面为2 mm×2 mm，壁厚约0.4 mm。蜂窝状陶瓷滤芯体积一般为柴油发电机排量的1～2倍，最大直径在150～200 mm范围内，长度一般不超过150 mm。大排量柴油发电机可采用多个滤芯并联工作以满足流量要求。
2. DPF的再生问题
在柴油发电机运行过程中，DPF滤芯上沉积的PM逐渐增多，排气流动阻力增加，直接影响柴油发电机的功率输出和燃油经济性。因此必须及时清除堆积在滤芯上的PM，恢复其低阻力状态，这一过程称为DPF再生。由于PM中绝大部分为可燃物（碳烟及有机可溶组分），最简便的再生方法是定期烧掉PM。DPF的主要再生方法如下。
（1）电加热再生系统
该方法采用电加热器加热DPF，并供给一定量的空气烧掉PM使之再生（图2）。这种再生方式采用关闭DPF流动的方法，因此需要配置多个DPF交替工作。每个DPF再生所需能量较少，但系统结构较为复杂，增加了成本和体积。
（2）连续再生系统
如图3所示，连续再生系统的结构特点是将DOC和DPF前后安装在同一壳体内。安装在前段的DOC生成氧化活性很强的NO₂，利用NO₂的强氧化性持续再生安装在后段的DPF。实际应用中，特殊的DOC安装在DPF前段，使排气过程中所产生的含NO₂废气直接进入DPF，在排气流动过程中持续进行再生。也可在DPF中固化氧化剂以提高低温活性，改善冷启动阶段的再生效果。
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图2 电加热再生系统 |
图3 连续再生系统 |
（3）强制氧化催化再生系统
这是一种通过柴油机控制与DOC结合、使DPF强制升温的再生系统（图4）。柴油机的控制措施包括调整喷油时刻、EGR率、可变几何涡轮（VGS/VNT）及排气制动等，由此提高排气温度使之达到前段DOC中催化剂的活性温度。也可结合柴油机控制实施燃料后喷射（如下止点附近喷射），排出未燃HC使之在前段DOC中燃烧放热，加热DPF达到再生温度。DPF的主要再生方法汇总见表1。
表1 DPF的再生方法
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类别 |
再生方式 |
备注 |
|---|---|---|
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强制再生 |
电加热 |
需多个DPF交替工作 |
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强制再生 |
微浓加热 |
通过调整空燃比产生放热 |
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强制再生 |
轻柴油燃烧加热 |
直接燃烧轻柴油加热DPF |
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强制再生 |
低温等离子氧化 |
利用等离子体产生活性物质氧化PM |
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强制再生 |
逆流空气喷射清洗 |
逆洗后用加热器烧掉PM |
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强制再生 |
柴油机控制+氧化催化 |
进排气节流、燃料后喷、排气系喷油 |
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连续再生 |
催化剂载体DPF |
催化涂层直接氧化PM |
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连续再生 |
前段氧化催化 |
前置DOC生成NO₂ |
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连续再生 |
催化剂载体+前段氧化 |
组合式连续再生 |
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连续再生 |
燃料添加型催化器 |
添加燃料添加剂降低再生温度 |
图4 强制氧化催化再生系统
四、DPNR装置
目前，在柴油发电机上较为成功的同时降低NOx和微粒排放的技术方案，主要由高压共轨电控喷射系统、低温燃烧控制技术、排气燃料添加系统及后处理系统（DPNR装置+氧化催化器）组成。该项技术通过喷油器启喷压力为180 MPa的高压共轨喷射系统进行多阶段喷射控制，同时以约1 MPa的压力向排气管内喷射燃料，使DPNR内的NOx得以还原、微粒得以氧化，并可防止后处理系统受燃油中硫的侵蚀。
1. DPNR装置结构
DPNR（Diesel Particulate and NOx Reduction）装置的结构如图5、图6所示。其结构特点是采用陶瓷蜂窝状构造——入口和出口交叉堵塞，即壁流式过滤结构。在载体内壁设有细孔保证微粒顺利流动，同时在载体壁面和细孔内部固化NOx吸附还原型催化剂，以实现排气中NOx的吸附与还原功能。
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图5 DPNR系统组成图 |
图6 DPNR催化器截面图 |
2. 工作原理
DPNR装置的工作机理分为两个阶段：
（1）NOx吸附阶段：当柴油机在稀混合气（过量空气系数λ>1）条件下燃烧时，排气中氧气过剩，NOx吸附还原型催化剂将排气中的NOx吸附并储存于催化剂表面。
（2）NOx还原与微粒氧化阶段：当柴油机在浓混合气（λ<1）条件下燃烧时，排气中还原性组分（HC、CO）浓度升高，被吸附的NOx释放出来，在HC、CO及贵金属催化剂（Pt）作用下被还原为N₂。同时，在空燃比交变的运转过程中，通过NOx的吸附与释放循环，在催化剂表面生成活性氧（原子态氧），活性氧可促进微粒（PM）的氧化，实现低温领域对微粒的氧化去除（图7）。这一协同机制使DPNR能够在不单独配置DPF的情况下同时降低NOx和PM排放。
图7 DPNR的净化原理图
3. 系统集成与优势
DPNR技术将NOx催化还原与PM过滤功能集成于单一载体，减少了后处理系统的体积和成本。配合高压共轨系统的精确喷油控制和排气燃料添加策略，DPNR在低温工况下的净化能力优于传统SCR+DPF组合方案，特别适用于对安装空间有限制的柴油发电机组。然而，DPNR对燃油硫含量敏感，高硫柴油会导致催化剂中毒和硫酸盐PM生成，因此同样要求使用低硫柴油（硫含量<50 ppm）。
总结
柴油发电机尾气后处理技术针对其排气中CO和HC含量较低、NOx和PM含量较高的特点，发展出多种相互补充的技术路线。氧化催化转化器（DOC）通过Pt/Pd贵金属催化剂将CO和HC氧化为无害物质，但对柴油含硫量敏感；NOx选择性催化还原装置（SCR）以尿素为还原剂，在250～500 °C温度窗口内实现NOx的高效还原（净化效率可达90%以上）；微粒滤清器（DPF）通过壁流式蜂窝陶瓷过滤PM，并采用电加热、连续再生或强制氧化催化等再生方式清除积碳；DPNR装置则通过NOx吸附还原与微粒氧化的协同作用，将NOx和PM的净化功能集于一体，配合高压共轨系统可在紧凑空间内实现同时降低两种主要排放物的目标。上述技术的合理选型需综合考虑柴油机的排量、运行工况、燃油品质及排放法规要求，并注意控制催化剂工作温度窗口及硫中毒风险，以确保后处理系统长期稳定高效运行。
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