柴油机后处理净化课件.ppt

1、 第第7 7章章 柴油机后处理净化技术柴油机后处理净化技术7.1 7.1 概概 述述v柴油机后处理净化方法的柴油机后处理净化方法的研究重点研究重点：结合机内净化措施使柴油机排放的结合机内净化措施使柴油机排放的微粒微粒和和NOxNOx同时减少。同时减少。微粒的机外净化技术微粒的机外净化技术 等离子净化等离子净化静电分离静电分离溶液清洗溶液清洗离心分离离心分离微粒捕集器微粒捕集器 有害成分经过等离子反应器，使NO氧化成NO2，NO2再将炭烟微粒氧化。利用电场对排气微粒进行静电吸附，达到微粒净化的目的。但气流流速影响静电捕集效率。让排气通过水或油来清洗微粒。将排气引入旋风分离器中，利用微粒的离心力，

2、将微粒从气流中分离出来。（效率较低）7.2 7.2 微粒捕集器微粒捕集器 v微粒捕集器法：微粒捕集器法：采用采用过滤材料过滤材料对排气进行过滤捕集对排气进行过滤捕集v柴油机微粒捕集器柴油机微粒捕集器(DPF(DPF，diesel diesel particulate filter)particulate filter)柴油机微粒排放后柴油机微粒排放后处理的主要方式处理的主要方式 微粒捕集器微粒捕集器 微粒捕集器的关键技术微粒捕集器的关键技术是过滤材料的选择与过滤是过滤材料的选择与过滤体的再生，其中又以后者体的再生，其中又以后者尤为重要。尤为重要。本节主要介绍微粒捕集本节主要介绍微粒捕集器的过滤

3、机理、过滤体材料器的过滤机理、过滤体材料及其结构、过滤体再生三个及其结构、过滤体再生三个方面的问题。方面的问题。柴油机微粒捕集器 7.2.1 过滤机理 微粒捕集过程（按过滤体结构特征不同分）表面过滤型体积过滤型主要用比较密实的过滤表面阻挡微粒，其过滤体一般单位体积的表面积很大，材料壁薄，可获得较高的过滤效率和较小的流动阻力，但过滤体形状复杂。主要用比较疏松的过滤体积容纳微粒，其过滤体一般很难兼顾高效率和低阻力，但由于结构均匀，不易产生很大的热应力。多孔介质或纤维过滤材料(壁流式蜂窝陶瓷应用最多)过滤机理微粒捕集示意图 v过滤机理过滤机理：（1 1）扩散机理）扩散机理（2 2）拦截机理）拦截机理

4、（3 3）惯性碰撞机理）惯性碰撞机理（4 4）重力沉积机理）重力沉积机理 注意：由于柴油机排气微粒质量小，流速快，通常可以忽略重力的影响，所以一般可不考虑重力沉积机理对微粒捕集效率的影响。先作如下先作如下假设假设：(1)(1)把壁流陶瓷过滤体简化把壁流陶瓷过滤体简化为由许多微观过滤单元构成的为由许多微观过滤单元构成的组合体，将壁流陶瓷的壁面模组合体，将壁流陶瓷的壁面模拟成一系列直的拟成一系列直的平行毛细管平行毛细管，且各毛细管各自独立，气流的且各毛细管各自独立，气流的流动互不干扰。流动互不干扰。(2)(2)微粒与过滤表面的微粒与过滤表面的碰撞碰撞效率为效率为1 1，即微粒一旦触及过滤，即微粒一

5、旦触及过滤表面就被捕集。表面就被捕集。(3)(3)沉积的微粒对于过滤过沉积的微粒对于过滤过程没有进一步的影响。程没有进一步的影响。1 1扩散机理扩散机理原理原理：捕集物对微：捕集物对微粒的运动起到了粒的运动起到了汇汇聚作用聚作用，造成微粒，造成微粒分布的浓度梯度，分布的浓度梯度，引起微粒的扩散输引起微粒的扩散输运，使运，使微粒脱离原微粒脱离原来的运动轨迹向捕来的运动轨迹向捕集物运动而被捕集集物运动而被捕集。结论结论：微粒的微粒的尺寸越小，排气尺寸越小，排气温度越高，温度越高，则布则布朗运动越剧烈，朗运动越剧烈，扩散沉积作用越扩散沉积作用越明显。同时，明显。同时，排排气流速越低气流速越低（微（微

6、粒在过滤体内的粒在过滤体内的滞留时间越滞留时间越长长 ），），扩散捕扩散捕集效率越高。集效率越高。说明说明：当微粒直径小：当微粒直径小于于1m1m时，需要考虑时，需要考虑微粒的扩散作用，当微粒的扩散作用，当微 粒 的 直 径 小 于微 粒 的 直 径 小 于0.1m0.1m时，扩散作用时，扩散作用已经十分显著。已经十分显著。2 2拦截机理拦截机理 原理原理：当：当微粒接近微粒接近过滤表面，过滤表面，一旦微粒一旦微粒与过滤表与过滤表面的距离面的距离小于或等小于或等于其半径于其半径（即（即微粒微粒半径大于半径大于或等于过或等于过滤微孔直滤微孔直径径）时，）时，微粒就被微粒就被拦截捕集拦截捕集。由于

7、各沉积机理综合的作用，微由于各沉积机理综合的作用，微粒会在过滤体表面形成堆积（等粒会在过滤体表面形成堆积（等同于减小过滤体微孔孔径），使同于减小过滤体微孔孔径），使拦截作用加强。拦截作用加强。假设：微粒只有大小假设：微粒只有大小而没有质量而没有质量 3 3惯性碰撞机理惯性碰撞机理假设假设：微粒是只有：微粒是只有质量而没有体积的质质量而没有体积的质点点 原理原理：当气流：当气流转折时，微粒转折时，微粒仍有仍有足够的动足够的动量量按原运动方按原运动方向继续对着捕向继续对着捕集物前进而偏集物前进而偏离流线，使一离流线，使一些微粒碰撞到些微粒碰撞到捕集物而被捕捕集物而被捕集分离。集分离。注意注意：由于

8、柴油机：由于柴油机微粒质量太小，其微粒质量太小，其扩散作用要强于惯扩散作用要强于惯性作用性作用。4 4综合过滤机理综合过滤机理 v如果如果扩散、拦截和惯性碰撞扩散、拦截和惯性碰撞三种机理三种机理同时作用同时作用，则有：则有：v理论上存在透过性理论上存在透过性最大的微粒直径；最大的微粒直径；v若微粒若微粒小于小于这个直径，这个直径，扩散扩散作用占主导，总的捕作用占主导，总的捕集效率集效率随直径的减小而增加随直径的减小而增加；v若微粒若微粒大于大于这个直径，这个直径，拦截和惯性碰撞拦截和惯性碰撞作用占主作用占主导，总的捕集效率导，总的捕集效率随直径的增大而增加随直径的增大而增加。7.2.2 7.2

9、.2 过滤体材料及结构过滤体材料及结构v微粒捕集器对微粒捕集器对过滤材料过滤材料的的要求要求是：是：（1 1）高的微粒过滤效率；）高的微粒过滤效率；（2 2）低的排气阻力；）低的排气阻力；（3 3）高的机械强度和抗振动性能；）高的机械强度和抗振动性能；（4 4）并且还须具备抗高温氧化性、耐热冲击性和）并且还须具备抗高温氧化性、耐热冲击性和耐腐蚀性。耐腐蚀性。矛盾!过滤材料类型陶瓷基金属基复合基通常由氧化物或碳化物组成，具有多孔结构，具有一定的热稳定性，比表面积大。目前应用最多。泡沫合金金属丝网金属纤维毡 强度、韧性、导热性较好 纤维毡 泡沫合金金属丝网金属纤维毡 7.2.3 7.2.3 再生技

10、术再生技术微粒沉积在过滤器内，微粒沉积在过滤器内，导致柴油机导致柴油机排气背压增排气背压增加加，使柴油机工作明显，使柴油机工作明显恶化，导致动力性、经恶化，导致动力性、经济性等性能下降。济性等性能下降。v 再生再生的定义：除去微粒捕集器内沉积的微粒的定义：除去微粒捕集器内沉积的微粒的过程的过程v 实用化再生技术应满足的条件：实用化再生技术应满足的条件：v（1 1）能在各种工况下正常工作，具有较高的捕）能在各种工况下正常工作，具有较高的捕集效率；集效率；v（2 2）产生的排气背压低，对柴油机动力性和经）产生的排气背压低，对柴油机动力性和经济性等性能的影响小；济性等性能的影响小；v（3 3）不应对

11、环境产生二次污染；）不应对环境产生二次污染；v（4 4）具有良好的可靠性和耐久性；）具有良好的可靠性和耐久性；v（5 5）具有较强的再生能力和较高的再生效率，）具有较强的再生能力和较高的再生效率，再生控制操作方便；再生控制操作方便；v（6 6）寿命和价格应能被用户接受。）寿命和价格应能被用户接受。注意注意：最简单可行的办法：最简单可行的办法：定期将捕集的微粒烧掉定期将捕集的微粒烧掉。11()/()rrcpppp 1/cMpp 过滤体负载量过滤体负载量用无量纲的用无量纲的负载参数负载参数M M表征：表征：再生效果再生效果用无量纲的用无量纲的再生效率再生效率r r表征：表征：沉积或负载微粒后的排气

12、背压 洁净的捕集器在同一工况下的排气背压 捕集器再生后的排气背压 已经沉积的微粒质量注意注意：一般微粒捕集器允许最大负载参数：一般微粒捕集器允许最大负载参数M Mmaxmax=35=35，要求再生，要求再生效率效率r r=7080%=7080%。再生系统类型再生系统类型（按原理和再生能量来源的不同分）（按原理和再生能量来源的不同分）主动再生系统主动再生系统被动再生系统被动再生系统 1 1主动再生系统主动再生系统 v定义定义：通过通过外加能量外加能量将气流温度将气流温度提高到微粒的起燃温度提高到微粒的起燃温度使捕使捕集的微粒燃烧，达到再生过滤体的目的。（通过传感器监集的微粒燃烧，达到再生过滤体的

13、目的。（通过传感器监视微粒在过滤器内的视微粒在过滤器内的沉积量沉积量和产生的和产生的背压背压，当排气背压超，当排气背压超过预定的限值时就启动再生系统。）过预定的限值时就启动再生系统。）v类型：类型：根据外加能量的方式分根据外加能量的方式分喷油助燃再生系统喷油助燃再生系统电加热再生系统电加热再生系统微波加热再生系统微波加热再生系统红外加热再生系统红外加热再生系统反吹再生系统反吹再生系统 1)1)喷油助燃再生系统喷油助燃再生系统v定义定义：用用丙烷丙烷或或柴油柴油作燃料、用电点火的作燃料、用电点火的燃烧器燃烧器来引来引发微粒捕集器的再生。发微粒捕集器的再生。特点：比较方便，但燃烧过程的组织比较困难

14、，尤其在冷启动时可能导致燃烧不良，造成二次污染。特点：容易保证完全燃烧，但需单独的高压丙烷气瓶。喷出的火焰温度应尽可能均匀，平均温度在700800，以便可靠点燃微粒。再生周期取决于微粒沉积速度。特点特点：结构简：结构简单，柴油机的单，柴油机的排气一直流经排气一直流经过滤器，且柴过滤器，且柴油机的排气还油机的排气还可用作再生燃可用作再生燃烧器工作时的烧器工作时的助燃气体，但助燃气体，但在燃烧控制方在燃烧控制方面有很大困难。面有很大困难。原理原理：当排气背：当排气背压达到限值时，压达到限值时，排气转换阀排气转换阀8 8让柴让柴油机的排气经油机的排气经旁旁通排气管通排气管9 9不经过不经过滤直接排入

15、大气，滤直接排入大气，可以大大减少再可以大大减少再生燃烧器的燃料生燃烧器的燃料消耗。通过消耗。通过空气空气供给系供给系7 7供给空气，供给空气，高效而可靠地引高效而可靠地引发捕集器中的微发捕集器中的微粒燃烧。粒燃烧。特点特点：由排气转换：由排气转换阀阀8 8让让两套微粒捕两套微粒捕集器集器轮流工作，排轮流工作，排气都可以经过滤后气都可以经过滤后排出，可延长微粒排出，可延长微粒捕集器的寿命。捕集器的寿命。2)2)电加热再生系统电加热再生系统 v定义定义：在微粒捕集器工作一段时间后，采用在微粒捕集器工作一段时间后，采用电热丝电热丝或或其他电加其他电加热方法热方法，周期性的对微粒捕集器加热使微粒燃烧

16、。，周期性的对微粒捕集器加热使微粒燃烧。v特点特点：可避免采用复杂昂贵的燃烧器，同时可消除二次污染，可避免采用复杂昂贵的燃烧器，同时可消除二次污染，一般力求使电阻丝与沉积的微粒直接接触。一般力求使电阻丝与沉积的微粒直接接触。结构及原理：把螺旋形电阻丝或回形电阻丝塞入进气道中，再生时，通电的电阻丝直接点燃微粒，捕集器前部微粒燃烧的火焰随着排气向捕集器的尾部传播，将整个通道内的微粒燃烧完毕。特点：结构简单，使用方便、安全可靠，但再生时热量利用率和再生速率低，消耗能量较多。3)3)微波加热再生系统微波加热再生系统 v定义定义：利用利用微波微波独具的独具的选择加热选择加热及及体积加热体积加热特性再生微

17、粒捕集特性再生微粒捕集器。器。v特点特点：不会加热陶瓷过滤体，只将已沉积的微粒本身加热到起不会加热陶瓷过滤体，只将已沉积的微粒本身加热到起燃温度，再生效率高，没有二次污染燃温度，再生效率高，没有二次污染。4)4)红外加热再生系统红外加热再生系统 由加热器由加热器加热加热具有较强辐射能力的红外涂层，然后再由红外具有较强辐射能力的红外涂层，然后再由红外涂层通过涂层通过辐射辐射方式加热过滤器中捕捉到的微粒物。方式加热过滤器中捕捉到的微粒物。选择控制温度所对应辐射能大的波长范围内的红选择控制温度所对应辐射能大的波长范围内的红外辐射材料外辐射材料 5)5)反吹再生系统反吹再生系统 v特点特点：将将过滤体

18、与微粒燃烧分开过滤体与微粒燃烧分开，可，可避免避免微粒燃烧时使过滤体微粒燃烧时使过滤体产生产生破裂和烧熔破裂和烧熔等问题，也可避免不燃物质在过滤器内累积。等问题，也可避免不燃物质在过滤器内累积。v原理原理：当过滤体需要再生时，排气从旁通管流出或流经另一套当过滤体需要再生时，排气从旁通管流出或流经另一套微粒捕集器，高压气流从需要再生的微粒捕集器的排气出口微粒捕集器，高压气流从需要再生的微粒捕集器的排气出口端高速喷入，端高速喷入，逆向流动的气流逆向流动的气流将微粒从过滤体表面清除并落将微粒从过滤体表面清除并落入微粒漏斗。收集在漏斗里的微粒由漏斗内的电加热器燃烧。入微粒漏斗。收集在漏斗里的微粒由漏斗

19、内的电加热器燃烧。2 2被动再生系统被动再生系统 v定义定义：利用柴油机利用柴油机排气自身的能量排气自身的能量使微粒燃烧，达使微粒燃烧，达到再生微粒捕集器的效果。到再生微粒捕集器的效果。一方面可通过改变柴油机的运行工况提高排气温度达到微粒的起燃温度使微粒燃烧；另一方面可以利用化学催化的方法降低微粒的反应活化能，使微粒在正常的排气温度下燃烧。一是在燃油中加入催化剂，二是在过滤体表面浸渍催化剂。（重点：寻找能有效促进微粒在尽可能低的温度下氧化的催化剂。）被动再生系统类型被动再生系统类型被动再生系统被动再生系统大负荷再生大负荷再生排气节流再生排气节流再生催化再生催化再生燃油添加剂再生燃油添加剂再生

20、1)1)大负荷再生大负荷再生v定义定义：在在高速大负荷高速大负荷运行时，运行时，排气温度排气温度可以达到可以达到500500以上，沉积在过滤器内的以上，沉积在过滤器内的微粒微粒可以可以自行燃烧自行燃烧，从而达到过滤器再生的目的。从而达到过滤器再生的目的。特点：不用附加任何辅助系统，结构简单，但不适合车用。2)2)排气节流再生排气节流再生 v定义：定义：通过某种通过某种节流方法节流方法控制柴油机的进气量，即控制柴油机的进气量，即进进气节流或排气节流气节流或排气节流，以，以提高排气温度提高排气温度，使过滤体中，使过滤体中的微粒着火燃烧。（又称的微粒着火燃烧。（又称强制再生强制再生）排气节流再生排气

21、节流再生稳态节流再生技术稳态节流再生技术旁通节流再生技术旁通节流再生技术 在柴油机以最大转速空转运行时对过滤体进行节流再生。（特点：再生过程控制性好，对柴油机零部件产生的热负荷很小。）一方面可以通过改变参与再生过程的废气数量，提高预加热过程的过滤体温度响应；另一方面在再生过程中可以通过旁通装置使过滤体与废气隔绝。3)3)催化再生催化再生 v定义定义：在过滤体的表面浸渍在过滤体的表面浸渍催化剂催化剂，微粒捕集器对，微粒捕集器对微微粒的捕集粒的捕集与与过滤体的再生过滤体的再生同时进行，是一种连续再同时进行，是一种连续再生的方法。生的方法。常用铂作为催化剂 催化再生的微粒捕集系统(CRTcontin

22、uous regeneration trap)在CO和HC被净化的同时，NO被氧化成NO2（250）。NO2与微粒进行氧化反应（NO2+C CO+NO）催化再生的主要缺点：催化再生的主要缺点：v（1 1）固体微粒与催化剂的接触反应极不均匀，）固体微粒与催化剂的接触反应极不均匀，很难进行完全再生。很难进行完全再生。v（2 2）催化再生受燃油含硫量、运行工况、排放）催化再生受燃油含硫量、运行工况、排放物水平以及催化剂的价格等因素的限制。物水平以及催化剂的价格等因素的限制。4)4)燃油添加剂再生燃油添加剂再生 v定义定义：在燃油中加入在燃油中加入金属催化剂金属催化剂(如金属铈如金属铈Ce)Ce)与燃

23、油一与燃油一起在气缸内参与燃烧，燃烧后生成的起在气缸内参与燃烧，燃烧后生成的金属氧化物对微粒金属氧化物对微粒起催化作用起催化作用，降低微粒起燃温度，从而在较低的排气温，降低微粒起燃温度，从而在较低的排气温度下不需外部能源，过滤体能自行再生。度下不需外部能源，过滤体能自行再生。当排气温度低于300时，微粒物开始燃烧的温度取决于微粒上吸附的高沸点HC的含量。当排气温度在300400时，发动机排气中的HC含量较低，再生较困难。在排气温度高于400时，再生速度随温度的升高而加快。v燃油添加剂再生的燃油添加剂再生的最大优点最大优点：可极大的降低微粒物的再生温度，结构简单，不需可极大的降低微粒物的再生温度

24、，结构简单，不需要人为控制，使用方便。要人为控制，使用方便。v存在的问题存在的问题：(1)(1)添加剂的使用量不易控制；添加剂的使用量不易控制；(2)(2)容易对过滤体造成热损伤；容易对过滤体造成热损伤；(3)(3)添加剂的燃烧产物会在过滤器内形成积累，并将堵塞过添加剂的燃烧产物会在过滤器内形成积累，并将堵塞过滤体孔隙，缩短过滤器使用寿命；滤体孔隙，缩短过滤器使用寿命；(4)(4)金属添加剂会在气缸等处形成积累，对柴油机性能及寿金属添加剂会在气缸等处形成积累，对柴油机性能及寿命存在潜在的威胁；命存在潜在的威胁；(5)(5)金属添加剂燃烧产生的漂尘排入大气中容易形成二次污金属添加剂燃烧产生的漂尘

25、排入大气中容易形成二次污染；染；(6)(6)再生系统控制难度较大。再生系统控制难度较大。过少会使微粒再生不完全，过多则会造成浪费。再生不是人为控制 7.3 NOx7.3 NOx机外净化技术机外净化技术降低柴油机降低柴油机NOxNOx排放的排放的 机外净化技术机外净化技术 吸附催化还原法吸附催化还原法选择性非催化还原选择性非催化还原选择性催化还原选择性催化还原等离子辅助催化还原等离子辅助催化还原7.3.1 NOx7.3.1 NOx吸附催化还原吸附催化还原 吸附催化还原是基于发动机周期性吸附催化还原是基于发动机周期性稀燃稀燃和和富燃富燃工作工作的一种的一种NOxNOx净化技术。净化技术。v稀燃阶段

26、稀燃阶段（排气处于富氧状态（排气处于富氧状态 ）：）：NO+0.5ONO+0.5O2 2NONO2 2 NO NO2 2+MOMNO+MOMNO3 3v富燃阶段富燃阶段（排气处于缺氧状态（排气处于缺氧状态 ）：MNOMNO3 3NO+0.5ONO+0.5O2 2+MO+MO NO+CO0.5N NO+CO0.5N2 2+CO+CO2 2 (2C+0.5h)NO+C (2C+0.5h)NO+Cc cH Hh h(C+0.25h)N(C+0.25h)N2 2+0.5hH+0.5hH2 2O+cCOO+cCO2 2NOx被吸附剂（贵金属和碱金属(或碱土金属)的混合物）以硝酸盐(MNO3，M表示碱金属

27、)的形式存储。NOx与HC和CO在贵金属催化器下被还原为N2(c、h分别表示碳和氢的原子数)。注意：富燃时间过长使得燃油消耗太多，过短则NOx净化率不高。v注意：硫对NOx吸附器的性能影响很大。一个临时存储NOx的装置，具有NOx吸附能力的物质有贵金属和碱金属(或碱土金属)的混合物。吸附剂对硫有很强的亲和力，SO2会和吸附催化剂发生类似NOx的反应而生成硫酸盐，而且硫酸盐一旦形成，特别稳定。7.3.2 NOx7.3.2 NOx的选择性非催化还原的选择性非催化还原v选择性非催化还原选择性非催化还原SNCR(Selective Non Catalytic SNCR(Selective Non Ca

28、talytic Reduction)Reduction)原理：原理：4NO+4NH3+O24N2+6H2O NO+NO2+2NH32N2+3H2O适合于富氧工作的柴油机优点：省去价格昂贵的催化剂在高温排气中加入NH3作为还原剂 NOx净化效果只出现在11001400K的温度范围内。在11001400K范围内由NH3产生大量NH2（还原NO）。温度低时，生成的NH2量少，NOx净化效率低。温度过高时，反而通过NH3NH2NHNO，NOx净化效率低。7.3.3 NOx7.3.3 NOx的选择性催化还原的选择性催化还原v选择性催化还原选择性催化还原SCR(Selective Catalytic SC

29、R(Selective Catalytic Reduction)Reduction)转化器的转化器的催化作用催化作用具有很强的具有很强的选择性选择性：NOxNOx的还原反应被加速，的还原反应被加速，还原剂还原剂的氧化反应则的氧化反应则受到抑制。受到抑制。各种氨类（包括氨气(NH3)、氨水(NH40H)和尿素(NH2)2C0)）物质或各种HC（由调整柴油机燃烧控制参数在排气中产生）。Pt的人造沸石NOx转化率随加入HC的种类不同而显著不同（各HC在400500时转化率最高），C3H6的还原特性最为突出。贵金属Pt系催化剂在200左右转化率最高，即Pt可以改善催化剂的低温活性。7.3.4 7.3.

30、4 等离子辅助催化还原等离子辅助催化还原v由由电子、离子、自由基和中性粒子电子、离子、自由基和中性粒子等组成的导电性等组成的导电性流体，整体保持电中性。流体，整体保持电中性。化学活性极强第一阶段：等离子NOx的活性增强：NONO2HC的活性增强：CxHy+O2CxHyOz第二阶段：催化剂NOx在催化剂作用下选择性催化还原NOx+CxHyOz+O2N2+CO2+H2O高选择性含氧CH类还原剂 反应过程：反应过程：v等离子体辅助催化的主要作用：等离子体辅助催化的主要作用：v(1)(1)等离子体氧化过程是等离子体氧化过程是部分氧化部分氧化。v(2)(2)等离子体氧化是等离子体氧化是有选择性有选择性的

31、。的。v(3)(3)等离子体可以改变等离子体可以改变NOxNOx的组成，具有较高的的组成，具有较高的可可靠性和氧化活性靠性和氧化活性。NO氧化为NO2，但不能进一步氧化为酸；HC部分氧化成含氧HC化合物（有效地还原NOx），但不能完全氧化为H2O和CO2。等离子体把NO氧化为NO2，而不能把SO2氧化为SO3，对燃料硫含量的要求低。先将NO氧化为NO2，再利用一种新型催化剂将NO2还原为N2。7.4 7.4 氧化催化转化器氧化催化转化器v氧化催化转化器氧化催化转化器(OCC(OCC，oxidization catalytic oxidization catalytic converter)co

32、nverter)作用作用：消耗微粒中的可溶性有机成分消耗微粒中的可溶性有机成分SOFSOF（柴油机排气含氧量（柴油机排气含氧量较高较高 ）来降低微粒排放，同时也降低）来降低微粒排放，同时也降低HCHC和和COCO的排放。的排放。氧化催化转化器的氧化催化转化器的催化转化效率的催化转化效率的影响因素影响因素柴油中的柴油中的硫含量硫含量排气温度排气温度 影响因素：影响因素：在过量空气系数不变时，排气中的S02（氧化后变成S03，然后生成硫酸盐，成为微粒的一部分。）浓度基本上与柴油含硫量成正比。大负荷时由于排气温度高，催化氧化强烈，硫酸盐的增加不但抵消了SOF减小的效果，甚至反而使总微粒上升。只有用低

33、硫柴油才能保证氧化催化的效果。当排气温度低于150时，催化剂基本上不起作用。随着负荷增加，排气温度升高，CO和HC净化率也增加，同时由于SOF被氧化，使微粒排放下降。当排气温度高于350后，由于硫酸盐大量生成，反而使微粒排放增加。最佳工作温度范围是200350 注意：为了保证催化剂有足够的温度，应尽量使氧化催化转化器安装在靠近排气歧管处。Pd的催化活性不如Pt，产生的硫酸盐要少得多。Pt系催化剂会使硫酸盐几乎增加10倍 低硫柴油(含S质量分数Ws=0.04%)普通柴油(含S质量分数Ws=0.2%)汽油机车辆和柴油机车辆的尾气净化技汽油机车辆和柴油机车辆的尾气净化技术与发展趋势术与发展趋势内容简

34、介内容简介汽油机车辆尾气净化技术发展趋势柴油机车辆尾气净化技术发展趋势一：汽油车排放污染物种类、危害及产生原因一：汽油车排放污染物种类、危害及产生原因污染物种类污染物种类 CO NOX HC 含铅汽油中的铅 O3 SO2 CO2对环境的影响对环境的影响 温室效应 光化学烟雾 酸雨 臭氧层减薄 臭氧浓度过高污染物产生原污染物产生原因因 发动机排气管排出的燃烧废气 曲轴箱窜气 燃料蒸发汽汽油油车车尾尾气气净净化化技技术术机内净化技术机外净化技术以改进发动机燃烧过程为核心在排气系统中采用化学或物理方法对已生成的有害排放物进行净化的排放后处理技术对来自曲轴箱和供油系统的有害排放物进行净化的非排气污染控

35、制技术二：汽油车尾气净化技术二：汽油车尾气净化技术1 1：电子控制燃油喷射系统：电子控制燃油喷射系统 电子控制燃油喷射系统（电子控制燃油喷射系统（EFIEFI）利用传感器检测发）利用传感器检测发动机的各种状态，经微机判断、计算，使发动机在不动机的各种状态，经微机判断、计算，使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。同工况下均能获得合适空燃比的混合气。2 2：可变进气流通截面及可变配气定时系统：可变进气流通截面及可变配气定时系统 采用可变进气流通截面可改善中速运转及部分负采用可变进气流通截面可改善中速运转及部分负荷时的汽油机性能，并可控制燃烧速率。采用可变配荷时的汽油机性能，并可控制燃烧速

36、率。采用可变配气定时系统可调节缸内剩余废气量，降低气定时系统可调节缸内剩余废气量，降低NONOX X排放，排放，改善怠速性能。改善怠速性能。3 3：废气再循环：废气再循环 发动机工作过程中，将一部分排气引到吸入的新鲜空气发动机工作过程中，将一部分排气引到吸入的新鲜空气（或混合气）中并返回气缸进行再循环的方法称为废气再循环（或混合气）中并返回气缸进行再循环的方法称为废气再循环（EGREGR），可有效控制），可有效控制NONOX X的排放。但由于它减少了进气充量的排放。但由于它减少了进气充量中的含氧量，只宜在部分负荷时采用，以使中的含氧量，只宜在部分负荷时采用，以使HCHC不致明显增加。不致明显增

37、加。若要最大限度地减少若要最大限度地减少NONOX X含量，又不影响汽油机经济性和含量，又不影响汽油机经济性和HCHC排放，需采取有效调整装置来优化整个工作范围内的废气再循排放，需采取有效调整装置来优化整个工作范围内的废气再循环。电控技术是解决这一矛盾的有效手段。环。电控技术是解决这一矛盾的有效手段。4 4：燃烧系统优化设计：燃烧系统优化设计 不同的燃烧室形状会使汽油机性能有很大差别。燃烧室设不同的燃烧室形状会使汽油机性能有很大差别。燃烧室设计的重要原则之一是面容比小，即尽可能紧凑；火花塞尽可能计的重要原则之一是面容比小，即尽可能紧凑；火花塞尽可能布置在燃烧室中央，以缩短火焰传播距离。紧凑的燃

38、烧室可直布置在燃烧室中央，以缩短火焰传播距离。紧凑的燃烧室可直接使汽油机的热效率提高，接使汽油机的热效率提高，HCHC和和COCO排放降低；与推迟点火提排放降低；与推迟点火提前角或前角或EGREGR联用，可同时降低联用，可同时降低NONOX X排放。排放。5 5：采用稀薄燃烧系统：采用稀薄燃烧系统 稀薄燃烧是指能用空燃比为稀薄燃烧是指能用空燃比为18:118:1或更稀的混合气或更稀的混合气的汽油机。采用稀薄燃烧系统可以降低排放污染的主的汽油机。采用稀薄燃烧系统可以降低排放污染的主要原因是稀混合气中的汽油分子有更多的机会与空气要原因是稀混合气中的汽油分子有更多的机会与空气中氧分子接触，容易燃烧完

39、全，同时混合气越稀越接中氧分子接触，容易燃烧完全，同时混合气越稀越接近于空气循环，绝热指数值越大，使热效率得以提高。近于空气循环，绝热指数值越大，使热效率得以提高。纵观人类治理汽车排放污染的历程，在纵观人类治理汽车排放污染的历程，在2020世纪世纪7070年代年代中期以前主要是采用以改善发动机燃烧过程为主的各种机内中期以前主要是采用以改善发动机燃烧过程为主的各种机内净化技术。这些技术尽管对降低排气污染起到了很大作用，净化技术。这些技术尽管对降低排气污染起到了很大作用，但效果有限，且不同程度地对汽车的动力性和经济性带来负但效果有限，且不同程度地对汽车的动力性和经济性带来负面效应。随着排放法规的日

40、益严格，人们开始考虑各种机外面效应。随着排放法规的日益严格，人们开始考虑各种机外净化技术。净化技术。1 1：二次空气喷射：二次空气喷射汽车冷起动的二次空气喷射对于降低排放具有两个功能：汽车冷起动的二次空气喷射对于降低排放具有两个功能：.在排气阀后促进热反应的进行，从而提高排气温度，有利于催化转化在排气阀后促进热反应的进行，从而提高排气温度，有利于催化转化器的起动。器的起动。.对冷起动时起动加浓的排气提供充分的氧气，可以使催化剂转化提高对冷起动时起动加浓的排气提供充分的氧气，可以使催化剂转化提高效率。研究表明，二次空气技术可以使排气污染下降到效率。研究表明，二次空气技术可以使排气污染下降到50%

41、50%。2 2：三元催化转化器：三元催化转化器 三元催化转化器的功能是将有害排气污染物中的三元催化转化器的功能是将有害排气污染物中的HCHC、COCO和和NONOX X转化，转化，HCHC和和COCO被氧化，而被氧化，而NONOX X被还原。催化剂一般都是铑和被还原。催化剂一般都是铑和铂或其它混合物，分散负载在耐高温活性氧化铝上。它是一种铂或其它混合物，分散负载在耐高温活性氧化铝上。它是一种能促进化学反应而本身不为反应所改变的物质，反应过程不消能促进化学反应而本身不为反应所改变的物质，反应过程不消耗催化剂。耗催化剂。为了保证三元催化转化器的转换效率，采用电控燃油喷射为了保证三元催化转化器的转换

42、效率，采用电控燃油喷射系统，用氧传感器检测排气中氧的浓度变化，系统，用氧传感器检测排气中氧的浓度变化，“电控燃油喷射电控燃油喷射+三元催化反应器三元催化反应器+废气再循环废气再循环”成为当今轿车发动机降低排放成为当今轿车发动机降低排放的主要措施。的主要措施。3 3：防止汽油蒸汽进入大气装置：防止汽油蒸汽进入大气装置 针对燃油箱排放燃油蒸汽而产生的污染，在发动机针对燃油箱排放燃油蒸汽而产生的污染，在发动机控制系统中普通采用活性碳罐蒸发污染控制装置，这种系统控制系统中普通采用活性碳罐蒸发污染控制装置，这种系统能把从燃油箱中产生的汽油蒸汽收集起来，然后再将其送回能把从燃油箱中产生的汽油蒸汽收集起来，

43、然后再将其送回发动机内加以燃烧。这样可以有效地制止未燃烧的发动机内加以燃烧。这样可以有效地制止未燃烧的HCHC蒸发排蒸发排放。放。4 4：曲轴箱强制通风系统：曲轴箱强制通风系统 在发动机运转时，燃烧室内有一部分气体经由活塞环间隙渗在发动机运转时，燃烧室内有一部分气体经由活塞环间隙渗漏入曲轴箱内，这部分气体处于一定的压力之下，力图从曲轴箱内逸出漏入曲轴箱内，这部分气体处于一定的压力之下，力图从曲轴箱内逸出而污染大气。而污染大气。曲轴箱内的气体含有未燃烧的碳氢化合物，强制通风系统就是将新曲轴箱内的气体含有未燃烧的碳氢化合物，强制通风系统就是将新鲜空气从单独设置的小滤清器吸入曲轴箱，与曲轴箱内的废气

44、混合后流鲜空气从单独设置的小滤清器吸入曲轴箱，与曲轴箱内的废气混合后流至进气歧管，再与混合气一道进入气缸，使废气中至进气歧管，再与混合气一道进入气缸，使废气中HCHC得以燃烧。得以燃烧。1 1：清洁代用燃料：清洁代用燃料 开发清洁代用燃料，不仅是为了降低汽车排气污染，开发清洁代用燃料，不仅是为了降低汽车排气污染，也为了节省能源和开发新的汽车能源，以缓解汽车对石油也为了节省能源和开发新的汽车能源，以缓解汽车对石油燃料的单纯依赖。燃料的单纯依赖。三：汽油车排放控制技术的发展趋势三：汽油车排放控制技术的发展趋势常规燃料的变型产品 新配方汽油（RFD）气体燃料气体燃料 天然气（NG）、压缩天然气（CN

45、G）、液化天然气（LNG）、氨（NH3）、H2、液化石油气（LPG)等在天然气、煤基础上生产的燃料 FTL和FT油、甲醇、醚类燃料生物乙醇清清洁洁代代用用燃燃料料类类型型2 2：缸内直接喷射技术：缸内直接喷射技术 缸内直喷缸内直喷（GDIGDI）汽油机是在部分负荷时用混合气的分汽油机是在部分负荷时用混合气的分层化实现超薄燃烧，得到同柴油机一样低的燃油消耗率；在层化实现超薄燃烧，得到同柴油机一样低的燃油消耗率；在高负荷时用预混合汽油机的均匀混合方式，得到高功率特性高负荷时用预混合汽油机的均匀混合方式，得到高功率特性的理想汽油机。的理想汽油机。3 3：电子控制汽油喷射加三效催化转化器已成为国际上汽

46、油车排：电子控制汽油喷射加三效催化转化器已成为国际上汽油车排放控制技术的主流。放控制技术的主流。7 7：均质混合气压燃（：均质混合气压燃（HCCIHCCI）可望使内燃机的排放性能获得新）可望使内燃机的排放性能获得新的突破的突破无烟排放，无烟排放，NOXNOX排放几乎为零，是进一步提高汽油排放几乎为零，是进一步提高汽油机排放性能的研究方向。机排放性能的研究方向。4 4：采用电控喷射的分层稀燃发动机已成为汽车工业发展的一个：采用电控喷射的分层稀燃发动机已成为汽车工业发展的一个重要方向。重要方向。5 5：对燃料的要求越来越严格，无铅汽油将广泛使用。：对燃料的要求越来越严格，无铅汽油将广泛使用。6 6

47、：醇类燃料作为代用燃料将会应用到车用汽油机上。：醇类燃料作为代用燃料将会应用到车用汽油机上。四：柴油车排放污染物种类及排放特征四：柴油车排放污染物种类及排放特征排气温排气温度低度低汽油车尾气排放种类：汽油车尾气排放种类：氮氧化物、碳氢化合物、一氧化碳、硫化物和颗粒排放物。尾气中氧尾气中氧含量高含量高颗粒物质颗粒物质排放高排放高CO、HC排放排放低低柴油车尾气排放特征：五：柴油车排放控制技术五：柴油车排放控制技术柴油机柴油机排放控排放控制技术制技术改善车用燃油品质采用发动采用发动机机内净机机内净化技术化技术排气后处理采用代用采用代用燃料燃料改善燃油品质降低燃油中的含硫量23合理提高燃油的十六烷值

48、4进行柴油的乳化处理减少燃油中的芳香烃成分15在柴油中掺烧一定比例的消烟添加剂1 1：改进燃烧系统。：改进燃烧系统。改进燃烧系统指的是燃烧室的形状、供油系统、进气流动的最佳匹配。采用点控制喷油泵、电控泵喷嘴、电子调速器、可变涡流系统、多气门化和中央配置喷油器等措施，既可改善柴油机性能，又可降低柴油机尾气排放物，尤其是颗粒PM物质的排放。2 2：防止机油上窜。：防止机油上窜。防止和减少机油串入燃烧室应通过加强机体刚度,改善气缸盖与机体的连接、减少气缸工作面的变形,改善活塞、活塞环和气缸表面的设计,加强机油控制,减少从气门推杆泄漏的机油等措施来实现。3 3：采用增压中冷技术。：采用增压中冷技术。废

49、气涡轮增压提高了气缸内平均有效压力,过量的空气系数和整个循环的平均温度可使柴油机颗粒物的排放量降低50%左右,并减少CO 和CH 的排放。利用中冷技术,NOX 的排放量可降低60%70%。4 4：采用柴油电控喷射技术。：采用柴油电控喷射技术。电子控制柴油机高压喷射技术(如电控高压共轨喷射)的应用可使柴油机通过最佳喷油定时、最佳喷油率和预喷射的控制与发动机转速、负荷之间的关系进行连续调节,使颗粒排放降低40%以上,并且发动机过渡工况的排放性能也可得到显著改善。5 5：采用废气再循环：采用废气再循环(EGR)(EGR)技术。技术。利用废气再循环(EGR)来降低NOX的排放,需要与电子控制技术相结合

50、,根据柴油机负荷、转速、冷却水温度、传感器及启动开关信号,由ECU 对EGR 率和EGR 随机进行控制,保证在对柴油机性能影响不大的条件下,降低尾气中NOX的排放。1 1：加装氧化型催化转化器：加装氧化型催化转化器柴油机氧化催化器一般使用于含硫量较低的柴油燃料并要保证催化剂及载体、发动机运行工况、发动机特性、废气的流速和催化转换器的大小以及废气流入转换器的进口温度等正常,使净化效果达到最佳。2 2：采用颗粒过滤及再生技术：采用颗粒过滤及再生技术颗粒过滤由颗粒过滤器和再生装置组成。颗粒过滤器通过其中有极小孔隙的过滤介质(滤芯)捕集柴油机排气中的固定碳粒和吸附可溶性有机成分的碳烟。颗粒过滤器对碳的