发动机的机外净化

第五章发动机的机外净化 前面已介绍了许多降低发动机排放的相关技术 即便是将所有的机内净化技术都用在发动机上 发动机仍然会排出一定量的有害气体 其原因是 要想在一个极短的时间内实现油和气的理想均匀混合 并做到完全彻底的燃烧 事实上是不可能的 为了进一步地降低发动机的排气污染 需要采取一些机外净化的技术 第一节汽油机的机外净化 三元催化净化器油雾的净化曲轴箱强制通风燃油吸附技术 一 三元催化净化器 三元催化净化器的结构催化反应机理三元催化净化器有效工作的条件三元催化净化器的中毒失效 1 三元催化净化器的结构 三元催化净化器主要由裁体 催化剂 垫层和壳体等织成 裁体 颗粒 金属织物 蜂窝陶瓷 催化剂 以铑Rh 铂Pt 钯Pd三种贵重金属为主要活性组分 还有铈Ce 镧La等稀土元素作为助催化剂 垫层 一般由陶瓷纤维 硅酸铝 蛭石和有机粘合剂三部分组成 陶瓷纤维 硅酸铝 具有良好的抗高温能力 蛭石的作用主要提供热膨胀性和隔热性 使催化转化器的壳体和载体连接更为紧密 有机粘合剂主要作用是使垫层具有一定的强度以便于在装配催化转化器系统时安装容易 2 催化反应机理 催化反应属于多相催化反应 其多相催化反应历程需要如下连续七个步骤才能完成 即 反应物从流体主体向固体催化剂外表面扩散反应物从外表面向内表面扩散反应物在催化剂上吸附吸附物在催化剂表面上进行反应产物从催化剂表面脱附产物从催化剂内表面扩散到催化剂外表面产物从催化剂外表面向气流主体扩散NOx N2 O2 CO 0 5O2 CO2 HC O2 CO2 H2O 3 三元催化净化器有效工作的条件 三元催化净化器的窗口效应三元催化净化器的工作温度 起燃温度 最有效的转换温度 4 三元催化净化器的中毒失效 热失活 当温度达以上时 载体会烧熔塌陷 作为催化剂的贵重金属会氧化 催化活性下降 化学中毒 一些毒性化学物质吸附在催化剂表面 尾气中的有害气体不能和催化剂接触 使催化剂的转换效率降低 导致催化净化器化学中毒的物质主要有硫 铅 锌 磷 1 硫中毒二氧化硫的存在会抑制三元催化剂的活性 2 铅中毒铅中毒存在两种不同的机理 即 当温度达 时 氧化铅引起中毒 当温度低于时 硫酸铅和铅的其他化合物引起中毒 3 磷中毒磷酸铅及焦磷酸锌附在催化剂表面使之中毒 4 锌中毒焦磷酸锌附在催化剂表面使之中毒 二 油雾的净化 发动机冒白烟和蓝烟也是一种污染 其产生的原因是 发动机的燃烧温度过低 油 气混合不均匀 燃烧不彻底 部分未燃烧的燃油和润滑油以油滴状随排气排出而呈现出的一种现象 由此可见 提高发动机温度是解决白烟和蓝烟有效的方法 目前对此所采取的方法是 在低温启动及暖机过程中 对发动机的进气进行预热及缩短暖机过程 提高燃油的雾化效果 改善发动机的燃烧特性 三 曲轴箱强制通风 发动机在工作过程中 气缸中的高温高压气体不可避免会有少量下窜 曲轴箱中的润滑油在高温作用下 不可避免会有少量气化 其有害气体的主要成分是HC 曲轴箱中的气体不及时排出会导致压力升高 活塞背压增大 影响发动机的各项性能 甚至使发动机无法正常工作 过去的做法是直接将曲轴箱中的气体排出机外 为减少其对环境的污染及有效利用燃油 现在均采用曲轴箱强制通风 其方法是 将曲轴箱中的气体引入进气管 使之和新鲜空气一起进入气缸燃烧 四 燃油吸附技术 限制燃油蒸汽的外泄 对于装用汽油发动机的汽车尤为重要 为了解决这以问题 目前 在电控燃油喷射式发动机上已广泛采用活性碳来吸附燃油蒸汽 当发动机正常运行时 将进入发动机新鲜空气的一部分引入流经活性碳罐 如此便可使活性碳再生 第二节柴油机的机外净化 微粒捕集技术NOx的机外净化技术氧化催化转化技术 一 微粒捕集技术 微粒捕集原理微粒捕集材料微粒捕集器的再生 1 微粒捕集原理 扩散沉积 在排气气流中 微粒由于受到气体分子热运动的碰撞而作布朗运动 细小的微粒在布朗运动的作用下扩散到壁面和微孔的内表面 微粒的尺寸越小 排气温度越高 布朗运动越剧烈 扩散沉积作用越明显 拦截 微粒的直径比过滤微孔的直径大时 微粒便被拦截捕获 惯性碰撞 当气流流入微孔内时 气体收缩导致流线弯曲 由于微粒的惯性远比气体大 因此它将保持原运动方向而偏离流线 结果使微粒碰撞到捕获物而被捕集 综合过滤 实际的微粒捕集器通常要用到上述三种捕集方法中的2 3种 因此将用到多种捕集方法的微粒捕集技术称为综合过滤 2 微粒捕集材料 柴油机上所用的微粒捕集技术主要是利用过滤器对发动机排出的废气进行过滤 滤掉废气中的碳烟 达到减小排气污染的目的 实验中的微粒过滤材料有如下几种 即 陶瓷基过滤材料金属基过滤材料复合基过滤材料 陶瓷基过滤材料 蜂窝陶瓷泡沫陶瓷陶瓷纤维毡 金属基过滤材料 泡沫合金 一种具有三维网络骨架的材料 其结构与蜂窝陶瓷相似 金属丝网 成本相对较低 且孔隙大小沿气流方向可任意组合 捕获的微粒在过滤体中沿过滤方向分部均匀 缺点是捕获效率低 金属纤维毡 壁表面积大 过滤效果好 复合基过滤材料 由于陶瓷基过滤材料和金属基过滤材料都有其自身的优 缺点 为了充分利用陶瓷基过滤材料和金属基过滤材料的优点 避免其不足 所以国际上正在研究一种复合基增强型过滤材料 其研究的重点放在纤维毡上 NHKSping公司发明的新型复合基过滤材料是金属纤维毡Fe 18Cr 3Al和陶瓷纤维毡70Al2O3 30SiO2的复合材料 3 微粒捕集器的再生 主动再生 喷油助燃再生电加热再生微波加热再生红外加热再生反吹再生被动再生 大负荷再生排气节流再生催化再生燃油添加剂再生 二 NOx的机外净化技术 NOx吸附催化还原NOx的选择性非催化还原NOx的选择性催化还原等离子辅助催化还原 1 NOx吸附性催化还原 吸附性催化还原是基于发动机周期性贫燃和富燃工作的一种NOx进化技术 其净化机理是 吸附器是一个临时存放NOx的装置 发动机正常运转处于贫燃阶段 排气处于富氧状态 NOx被吸附剂以硝酸盐的形式储存 当吸附达到饱和时 使发动机进入富燃状况 硝酸盐分解出NOx 并与排气中的HC和CO在催化剂的作用下还原成N2 2 NOx的选择性非催化还原 NOx的选择性非催化还原的净化原理是 在发动机排出的高温废气中加入还原剂NH3 使其与NOx反应生成N2和H2O 3 NOx的选择性催化还原 NOx的选择性催化还原与NOx的选择性非催化还原的区别是 NOx的选择性催化还原借用催化剂以加速NOx的转化 在此需特别指出的是 NOx的选择性催化还原技术易加速N2O的形成 而N2O导致温室效应的作用是CO2的150倍 4 等离子辅助催化还原 等离子技术是指由电子 离子 自由基和中性粒子等组成的导电性流体 整体保持电中性 离子 激发态分子 原子和自由基等都是化学活性极强的物质 首先利用这些活性物质将NO和HC氧化为NO2和部分氧化的高选择性含氧HC类还原剂 然后在催化剂的作用下将NO