LNT技术.doc

柴油机稀燃NOx捕集技术技术背景：全球石油短缺问题是内燃机行业无法避免的，柴油机相比于汽油机具有较高的热效率，因而燃油经济性较好，增加汽车中柴油机的比例对于降低石油的消耗有很大的作用。但柴油机在排放方面有一些无法避免的缺点，其NOx和微粒的排放，造成酸雨和雾霾问题日趋严重。柴油机稀燃捕集技术对于减少NOx的排放有较好的效果，相比于SCR系统，系统简单且占用的空间小，适合轻型柴油车的安装和使用。工作原理：柴油机稀燃NOx捕集技术（lean NOx trap,LNT）是利用发动机混合气浓度变化而进行周期性的吸附-催化还原的一种后处理技术。LNT可以用燃料和未燃THC做还原剂，省却复杂的还原剂喷射装置。其反应原理为在稀燃状态时（氧气多），尾气处于氧化气氛中，在铂的催化作用下，发动机中的NO 与O2反应生成NO2，并以硝酸盐的形式吸附在催化器表面， 当发动机在浓燃条件下工作时，发动机排气中的HC 和CO 的含量增加，把硝酸盐分解释放出的NOx，在催化剂铑的作用下与CO，HC 和H2 反应生成N2，CO2和H2O，并使碱金属再生。LNT通过交替循环进行捕集和还原两个工作阶段来降低排放。捕集阶段是LNT在稀燃条件下吸附尾气中的NOx，还原阶段是LNT在富燃条件下将所吸附的NOx还原成无毒的N2。优缺点：由于LNT的这些特点尤其是系统简单占用空间小，因此主要用于欧IV以上排放水平的轻型柴油车，以及尿素供应不便地区的重型柴油车。但LNT有一些缺点，由于使用贵金属，因而成本高于SCR催化剂，而且要求柴油含硫量小于10ug/g。需要多喷燃料进行还原反应，导致发动机油耗增加。优点缺点系统简单，占用空间小维修方便故障率低成本低要求柴油含硫量小于10ug/g多喷燃料进行还原反应，发动机油耗增加不适用于重型车从图1可以看出SCR在占用空间、硬件设施和成本上处于劣势，图2显示SCR这一技术只在重量较大的车型上处于优势，比如货车。LNT系统的组成和化学反应机理LNT的组成结构和三元催化器相似，由氧化铝(Al2O3)作载体，Pt或Rh作催化剂。LNT中常用的吸附材料是碱土金属氧化物(BaCO3)或碱金属(Na，K，Cs等)氧化物。LNT的化学反应十分复杂，主要包括捕集阶段的吸附反应和还原阶段的还原反应。捕集阶段LNT的捕集阶段是将吸附的NOx以Ba(NO3)2的形式暂时储存在载体上。在稀燃条件下，LNT吸附的化学反应为：还原阶段LNT的还原阶段是将储存在载体上的Ba(NO3)2还原成N2。为创造还原所需的富燃气氛，可采用缸内喷射燃油和尾气管中直接喷射还原剂两种方式。由于采用缸内喷射会影响整车的操纵性能，目前常用的方式是后者。喷射的还原剂主要为燃油和H2。还原剂为燃油时在LNT中发生的还原反应为当尾气中含氧量高且温度不高时，捕集阶段产生的硝酸盐无法热解出NOx，这时需要对燃油进行预氧化作用。随着燃油喷射和反应放热的进行，尾气中的含氧量降低且温度升高，促使硝酸盐热解。用燃油为还原剂无需额外的还原剂存储、喷射等结构，对整车结构无需改动。但由于在反应前进行预氧化燃烧作用，因此燃油消耗较大。LNT工作过程ECU根据LNT前后温度、 浓度等传感器测得的信号，来控制LNT进行捕集吸附还是还原再生。当ECU判断出LNT载体还未达到吸附饱和状态，则控制LNT继续捕集吸附，这个过程一般持续60s左右；当判断已达到饱和状态，则控制LNT进行还原再生，这个过程一般持续25s。LNT影响因素 温度的影响温度对LNT的捕集和再生两个阶段都有影响。捕集：Joseph R.Theis研究表明，通常LNT捕集的最佳温度区间为300400（ BaCO3 ）。温度过低，NO难以氧化成NO2；温度过高，捕集的NOx会被热解释放。还原：Jae-Soon Choi研究表明，随着还原温度的降低， NH3和N2O等多余产物排放将会增加。且若捕集阶段是在高温条件下进行，则捕集的NOx在低温时还原再生效率很低。另外，长期在高温下工作会使LNT产生严重的热力老化，如使载体表面的贵金属催化剂产生流失、载体表面的吸附材料发生相变及吸附材料和载体发生脱落。燃油中S的影响目前对LNT耐S、易脱S材料和高脱S策略是研究的热点。这是因为：燃烧生成的SO2可在燃烧和后处理过程中生成硫酸盐，这些硫酸盐覆盖在载体表面，严重影响捕集效果；S燃烧生成的SO2能像NO2一样与BaCO3反应生成BaSO4，而BaSO4特别稳定，严重阻碍了LNT的还原再生。H2O和CO2的影响Anna Lindholm表明， H2O和CO2的存在降低了LNT捕集能力，但两者的影响方式不同： H2O主要影响载体氧化铝的活性；CO2主要影响吸附材料Ba的活性。LNT+SCR的技术方案用LNT技术还原所吸附的NOx，尤其是还原温度较低时，会产生一定量的NH3，在LNT下游安装SCR可有效综合两项技术的优点。在发动机浓燃时，LNT还原所吸附的NOx，并产生少量NH3存储于下游的SCR催化剂中；在发动机稀燃时，存储的NH3会将LNT泄露出