HW：柴油机后处理技术概述.doc

_当下常用柴油机后处理技术：1 SCR（Selective Catalytic Reduction 选择性催化还原技术）1.1 NH3- SCR1.1.1 反应原理使用尿素水溶液作为氨气来源，这种溶液尿素质量分数为32.5%，符合DIN V70070国际标准，市场上也称之为“AdBlue”溶液。当尿素水溶液被喷射到排气管中后，与高温的废气混合，尿素水溶液经过气化、热解和水解等一系列复杂的化学反应生成氨气和二氧化碳，简单可以分为两步。第一步: 热解反应CO(NH2)2加热NH3+ HNCO第二步: 水解反应HNCO+H2O催化剂NH3+CO2尿素分解释放出的氨气与废气中的NOx发生化学反应，具体反应方程式如下4NH3+4NO+O24N2+6H2O4NH3+2NO+2NO24N2+6H2O8NH3+6NO27N2+12H2O1.1.2 控制方法尿素SCR系统主要由后处理控制单元( DCU)、尿素泵( SM)、喷嘴( DM)、尿素罐、SCR 催化器及相应液力管路和电气线束构成，如下图所示。DCU为主控制单元，处理传感器信号、计算尿素喷射量并对各种执行器进行控制。SCR 系统开始工作时，DCU首先确认系统是否处于正常状态，然后发出指令使尿素泵开始加压，压力使尿素水溶液开始流动。控制单元通过CAN总线与发动机的ECU进行通讯，获得发动机的运行参数，再加上催化器上游温度信号，计算出尿素喷射量，驱动喷嘴将适量的尿素水溶液喷射到排气管内，按反应机理还原尾气中的NOx，多余的尿素被送回到尿素罐内。1.1.3 存在的问题1.1.3.1 低温工况下NOx转化率低尿素在废气温度为160左右时，开始发生热解反应产生异氰酸(HNCO)和一部分氨气。由于尿素热解需要吸收大量的热量，当排气温度较低时热解速度较慢。有关研究表明，温度为 330 时仅有20%左右的尿素可以发生热解，而400时有50%的尿素发生热解，剩下的尿素只能到达催化剂表面后完成热解。当外界环境温度较低或发动机时，发动机废气温度很可能达不到要求，不能产生足够的氨气，反应效率低下，后处理系统不能发挥应有的作用。对此的对策是开发低温催化剂，改善尿素溶液喷射装置使喷射出的液滴更小，安装水解催化剂促进尿素低温水解等等。1.1.3.2 尿素结晶由于排气管的材料一般为不锈钢，废气与排气管内壁之间存在一定的温度差，如果尿素溶液在较低的温度下喷射到排气管中，势必有部分雾化后的尿素小颗粒会附着在管壁上形成液膜，进而会产生晶体。其原因是在温度范围为 132 180的低温条件下，尿素除了正常分解外，还会发生另外的一系列副反应产生副产 物，如三聚氰酸 C3N3(OH)3、缩二脲 NH(CONH2)2和三聚氰胺C3N3(NH2)3等。如果发动机排气管壁温度长时间维持在较低的水平，壁面上就有可能堆积上述难溶物质，堆积量较大时会导致发动机排气背压升高，动力性和经济性下降。对此的对策是安装排气管保温装置减少热量散失，改良尿素溶液喷射装置和混合器的安装位置，降低尿素液滴碰壁概率。1.2 HC-SCR大量的研究表明，乙醇作为还原剂时，氧气的存在会提高NOx的转化率，同时水蒸汽的存在也会促进低温时的反应速率。清华大学汽车系在一台2.8 L排放达到欧IV水平的直喷式柴油机上应用乙醇还原 NOx进行试验，研究表明，在空速 3 000转，发动机排气温度为350450时，NOx的转化效率可以达到90%以上。但存在的问题是CO的生成量会急剧增加。通过SCR催化器和氧化催化器的配合使用，可以使发动机达到欧IV排放标准。目前对乙醇在钒基催化剂上选择性催化还原NOx的机理还不是很明确，同时对还原剂供给策略的研究也刚刚开始。这都是近期HC- SCR 的研究方向，同时如何降低CO的生成量也是今后研究的重点。2 NSC（NOx Storage Catalyst 氮氧化物存储催化还原技术）2.1 反应原理NSC系统主要由载体、催化剂和吸附材料构成，和用于汽油机上的三元催化器类似。NOx存储催化剂是由贵金属( Pt) 、碱金属( Ba) 和稀土金属( Rh) 组成，吸附材料为碱土金属氧化物( BaO) ，载体为氧化铝（Al2O3）。NSC 在正常情况下工作效率高达 90%以上，不需要额外的还原剂及其存储装置。NSC降低NOx分为吸附和再生两大步。吸附过程反应式如下2NO+O2Pt催化2NO22BaO+4NO2+O22Ba(NO3)2再生过程反应式如下2Ba(NO3)2加热2BaO+4NO2+O22Ba(NO3)2加热2BaO+4NO+3O22NO+2CO催化剂N2+2CO22.2 控制方法NSC控制单元主要是判断何时吸附达到饱和状态和何时开始进行还原再生。判断吸附是否饱和有两种方法：一种是依靠内置的软件逻辑模块根据当前NSC系统的状态计算出NOx存储量和剩余存储空间；另一种是依靠安装在NSC下游的NOx传感器实时监测废气中的氮氧化物含量，来判断系统当前的状态。同样，判断再生是否结束也有两种方法：一种是依靠软件模块计算出当前 NSC 中存储的 NOx 含量来判断再生是否结束；另一种是在下游安装氧传感器来监测尾气中O2的含量，该信号会传递给电控单元，从而调节发动机工况产生富燃条件以达到再生的效果。2.3 影响因素2.3.1 温度吸附阶段，温度过低会影响催化剂Pt的活性，使得NO被氧化为NO2的反应效率降低；温度过高会导致生成的Ba(NO3)2过早热解。再生阶段，温度过低会降低NOx 的转化效率改变转化产物，有关研究表明，随着还原温度的降低，NH3和N2O等副产物的排放将会增加。对于整个装置而言，温度过高会使催化器发生热力老化。2.3.2 硫的影响由于使用BaO作为吸附材料，NSC容易受到燃油中的硫燃烧产物SO2的影响，二者会反应生成BaSO4，该物质化学性质十分稳定，难溶难分解，这使其易在催化剂表面留存堆积，最终是催化剂无法发挥作用，严重影响了吸附 NOx 的效率。因此，想发挥NSC的效果，必须使用含硫量足够低的燃油。3 DOC（Diesel Oxidation Catalyst）DOC技术是目前广泛应用于在柴油机尾气后处理，其主要功能为将废气中的HC和CO、颗粒物中的可溶性有机物（SOF）氧化，从而降低有害气体与颗粒物排放。DOC还能将氮氧化物中的 NO 氧化为 NO2，还能作为氧化燃烧器来提高废气的温度等。根据相关研究显示，NO占柴油机尾气中NOx总比例的 90%左右，而SCR 催化器中，NO2的反应速率是NO的17倍，且对反应温度要求更低。因此，将DOC与SCR组合使用，能够很好地