毕业论文--车辆废气排放装置的研究

1、本科毕业论文论文题冃： 车辆废气排放装置的研究姓名学院交通学院专业机械设计制造及其自动化年级学号指导教师2011 年 6 月 16 u1 引言12车辆废气的种类及危害12. 1 一氧化碳（co） 22.2 碳氢化合物（ch） 22.3氮氧化物（nox） 22.4光化学烟雾22.5 二氧化硫（s02） 22. 6 固体悬浮颗粒32. 7温室效应33车辆废气的形成机理33.1 一氧化碳的形成33.2 碳氢化合物（ch）的形成 33.3氮氧化物（nox）的形成43.4微粒（pm）的形成54车辆废气排放装直的类型及工作原理64. 1催化转化器64.1.1催化转化器的结构64.1.2催化转化器的种类和工

2、作原理74.1.3影响催化转化器转化效率的因素 84.1.4催化转化器的性能评价指标 104.1.5催化转化器的匹配问题 114.2微粒捕集器114. 2. 1过滤材料124. 2.2再生技术135 结论16参考文献17致谢18车辆废气排放装置的研究冯加译（交通学院 机械设计制造及其自动化 机械木0704班20072814128）摘 要：车辆废气是现代空气污染的主要来源，这些车辆废气对环境和人们的生存环境及 身心健康造成了巨大危害。为消除这些有害气体，现在常用的车辆废气排放净化装置有氧 化型催化器、三元催化转化器和微粒捕集器，本文从结构、材料、转化效率、性能评价指 标、与发动机的匹配等方面对这

3、些净化装置进行了研究。关键词：车辆废气；形成机理；催化转化器；微拉捕集器the research of vehicle exhautt devicefeng jiafeng（traffic department, mechanical design, manufacturing and automation , class4 gradc2007、20072814128）abstract : vehicle exhaust is the main source of air pollution of moderm society、and the vehicle exhaust does a gr

4、eat disservice to the environment and people's living environment and physical and mental health to eliminate this gases , the most popular traffic emission purification device are oxidatiokatalysator , twc and diesel particulate filter and this essay study the purification device on structure ,

5、 material , transformation efficiency evaluation indexes 、for transformation capacity 、 the match to engine , and so on key words : vehicle exhaust, formation mechanism 9 catalytic converter , diesel particulate filter1引言环境是人类赖以生存和发展的基础，如果生存环境受到破坏，社会的发展和人类的 健康将受到严重阻碍。在近100多年的历史中，空气污染对人类健康和地球生态环境已 经造

6、成了威胁，许多城市都曾出现过严重的空气污染事件。进入21世纪，汽车污染h 益成为全球性问题。随着汽车数量越来越多、使用范围越来越广，它对世界环境的负面 效应也越来越大，尤其是危害城市环境，引发呼吸系统疾病，造成地表空气臭氧含量过 高，加重城市热岛效应，使城市环境转向恶化。有关专家统计，到21世纪初，汽车排 放的尾气占了大气污染的3060%o随着机动车的增加，尾气污染有愈演愈烈之势，由 局部性转变成连续性和累积性，而各国城市市民则成为汽车尾气污染的直接受害者。随 着各国汽车排放法规越来越严格，汽车废气排放装置应运而生。2车辆废气的种类及危害汽车排出的气体屮，除了无害的氮、氧、氢、二氧化碳及水蒸汽

7、外，还有大量的有 害气体，如：一氧化碳、碳氢化物（由饱和桂、烯炷、芳桂多种成分组成）、氮氧化物（一 氧化氮、二氧化氮等）、微粒（铅化物、碳烟、油烟）、臭气。在汽车废气屮，烯坯类碳氢化合物和氮氧化合物的混合物称为一次性污染，这些一 次性污染在阳光紫外线的作用下，即可发生光化学反应，形成所谓的二次污染。如臭氧、 乙醛、过氧乙酰硝酸酯(pan)等氧化剂。2.1 氧化碳(co)一氧化碳是一种化学反应能力低的无色无味的窒息性有毒气体，一氧化碳与血液中 的血红蛋白结合的速度比氧气快250倍。一氧化碳经呼吸道进入血液循环，与血红蛋白 亲合后生成碳氧血红蛋白，从而削弱血液向齐组织输送氧的功能，危害中枢神经系统

8、， 造成人的感觉、反应、理解、记忆力等机能障碍，重者危害血液循环系统，导致生命危 险。所以，即使是微量吸入一氧化碳，也可能给人造成可怕的缺氧性伤害。2.2碳氢化合物(ch)汽车尾气的碳氢化合物來自三种排放源。对一般汽油发动机來说，约60%的碳氢化 合物來自内燃机废气排放20%25%来自曲轴箱的泄漏，其余的15%20%來自燃料系 统的蒸发。甲烷是窒息性气体，其嗅觉阈值是142.8mg,只有高浓度吋才对人体健康造 成危害。乙烯、丙烯和乙烘则主要是对植物造成伤害，使路边的树木不能正常生长。苯 是无色类似汽油味的气体，可引起食欲不振、体重减轻、易倦、头晕、头痛、呕吐、失 眠、粘膜出血等症状，也口j引起

9、血液变化，红血球减少，出现贫血，还口j导致白血病。 其嗅觉阈值16.29mg,对人体健康冇影响的阈值34.8mgo汽车尾气中还含冇多环芳姪， 虽然含量很低，但曲于多环芳桂含有多种致癌物质(如苯丙-昆)而引起人们的关注。2.3氮氧化物(nox)氮氧化合物主要是指一氧化氮no和二氧化氮nch，由排气管排出。发动机排气中 的nox是由于燃烧室内高温燃烧而产生的，空气中的氮经过氧化首先生成no,然后与 大气中的氧相遇又成为no?。高浓度的no能引起神经中枢的障碍，并且容易氧化成剧毒的no2, no?有特殊的 刺激性臭味，严重时会引起帅气肿。在二氧化氮浓度为9.4毫克/立方米的空气中暴露10 分钟，即可

10、造成人的呼吸系统功能失调。2.4光化学烟雾氮氧化物和碳氢化合物在太阳紫外线的作用下，会产生一种具有刺激性的浅蓝色烟 雾，其中包含有臭氧、醛类、硝酸脂类等多种复杂化合物。这种光化学烟雾对人体最突 出的危害是刺激眼睛和上呼吸道黏膜，引起眼睛红肿和喉炎。1952年12月，伦敦发生 光化学烟雾，4天中死亡人数较常年同期多4000人，45岁以上的死亡最多，约为平吋 的3倍；1岁以下的约为平吋的2倍。2.5二氧化硫(so2)so2是一种无色具有强烈刺激性气味的气体，易溶解于人体的血液和其他黏性液。大气屮的so2会导致户籍到炎症、支气管炎、肺气肿、眼结膜炎症等。研究表明，在高 浓度的so2的影响下，植物产生

11、急性危害，叶片表而产生坏死斑，或直接使植物叶片枯 萎脱落。2.6固体悬浮颗粒固体悬浮颗粒的成分很复朵，并具有较强的吸附能力，可以吸附各种金屈粉尘、强 致癌物苯并陀和病原微生物等。固体悬浮颗粒随呼吸进入人体肺部，以碰撞、扩散、沉 积等方式滞留在呼吸道的不同部位，引起呼吸系统疾病。当悬浮颗粒积累到临界浓度时, 便会激发形成恶性肿瘤。此外，悬浮颗粒物还能直接接触皮肤和眼晴，阻塞皮肤的毛囊 和汗腺，引起皮肤炎和眼结膜炎，甚至造成角膜损伤。2.7温室效应大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸收， 这样就使地表与低层人气温度增高，因其作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。

12、 如果二氧化碳含量比现在增加一倍，全球气温将升高3 °c5 °c,两极地区可能升高 10 °c,气候将明显变暖。气温升高，将导致某些地区雨量増加，某些地区出现干旱， 飓风力量增强，出现频率也将提高，自然灾害加剧。更令人担忧的是，曲于气温升高， 将使两极地区冰川融化，海平面升高，许多沿海城市、岛屿或低洼地区将面临海水上涨 的威胁，甚至被海水吞没。20世纪60年代末，非洲下撒哈拉牧区曾发生持续6年的干 旱。曲于缺少粮食和牧草，牲畜被宰杀，饥饿致死者超过150万人2。3车辆废气的形成机理汽车发动机排出的污染物，对于汽油机来说，主要污染物是co、ch和nox,光 化学烟雾

13、是ch和nox转化而成的；对于柴油机而言，co和ch比汽油机少得多，主 要成分是nox和碳烟。3.1 氧化碳的形成一氧化碳（co）是碳氢燃料在燃烧过程屮的中间产物。一般认为，氢燃料的燃烧 反应经过以下几个过程：h2o+coh2+co2对于汽油机来说，如果空气量充分时，理论上不会产生co （过量空气系数a 21）。 但在实际运转的汽油机排气屮都存在0.01%0.5%的co,这里由丁在汽油机燃烧室内的 局部地方存在a vi的过浓区以及部分未燃碳氢ch在排气过程屮发生不完全燃烧。此 外，气温低或者是滞留时间短暂等，燃烧就不完全，也会冇co排出。32碳氢化合物（ch）的形成不论是汽油机在任何工况下运转

14、，排气中总会含有一定数量的未燃碳氢化合物cho 主要成因是：气缸激冷面。混合气燃烧是靠火焰传播进行的，当传到缸壁0.050.5mm 那层气体不能燃烧，在1.0mm缝屮也不能燃烧。燃料不完全燃烧。混合气过浓过稀, 残余气体稀释，使火焰传播不完全，甚至断火。例如在怠速、小负荷、过度工况的时候, 此外点火系不好，充气温度低和充量均匀性差，残余气体多。气缸扫气过程。由于扫 气作用，一部分可燃混合气不经气缸就排到排气管。ch是既有未燃的燃料，也有燃料 不完全燃烧的产物和部分被分解的产物，所以一切妨碍燃料燃烧的条件都是ch形成的 原因。根据废气分析表明，排气中的ch成分|分复杂，除了饱和姪、不饱和怪和芳香

15、 炷外，述包括有部分屮间氧化物如醛、酮、酸等。这是因为燃料的氧化过程是很复朵的, 不是直接生成co2和h2o,而是经过一连串的化学反应才生成的。从化学反应方面分析, 在反应过程的不同阶段存在着不同的屮间产物，若这些屮间产物进一步氧化的条件不适 宜，就可能出现部分氧化而使ch的排放量增加。由于它的生成原因较复杂，h前还很 难通过燃烧反应式进行计算分析。汽油机的ch排放量远大于柴油机。汽油机向大气排 出的ch主要是燃料不完全燃烧的产物由排气管排岀（55%65%）。33氮氧化物（nox）的形成nox是指no、no?、n2o、n2o3、n2o4、n2o5等氮氧化物的总称。在发动机 排出的废气中，no占

16、绝大部分（约占99%）,而no?的含量较少（约占1%）。no排入 大气后，又被氧化成no?。no的形成机理比较复朵，迄今尚无定论。过去认为在较低 的温度下是：n2+o2->2no,根据这一机理，no的形成过程太慢，与发动机实测数值 不符，目前被广泛采用的反应机理如下：k】o + n 宀 no + nn + o&no + o表k|、kj、k2、心取值速度常数单位(cm3/g mol)k】7x1013xexp (-316000/rt)k.1.55x1013k213.3x109txexp (-29640/rt)k.23.2x109txexp (-163600/rt上述反应式为捷尔杜维奇

17、（zeldovich）链反应机理，no的生成最多，k】、kj与 心、匕2分别为反应式的正、逆反应的速度常数，其数值如上表所示。这些反应是连锁 反应，分子状态的氮和原子状态的氧碰撞，或氧分子和氮原子碰撞生成noo反应式左 边的o 部分可由第二反应式供给，但大部分是靠高温条件下使氧分子分解产生的02=20。由于第二反应式小的氮原子n主耍依靠第一反应式右边生成的n提供，而第一 反应式又与温度有很大关系，因此整个no的形成在很大程度上取决于温度。利用上述化学平衡状态计算结果，可以说明发动机在燃烧过程屮产生no的倾向， 但因发动机燃烧过程的时间很短，不能达到全部反应的平衡过程。其原因是实际反应的 速度跟

18、不上化学平衡的需要，即每一瞬间的化学动力状态都与化学平衡状态有一定差 距，因此要想达到化学平衡状态，需耍相当长的时间。因此，除了燃烧气体的温度和氧 的浓度外，停留在高温下的时间也是no生成的重耍影响因素。3.4微拉(pm)的形成柴油机排出的微粒物一般要比汽油机高3080倍，通常用pm (particulate matter) 表示。柴油机的微粒由三部分组成，即炭烟ds、可溶性有机成分sof和硫酸盐。炭烟 是微粒的主要组成部分，炭烟排放的变化门然导致微粒排放的变化，但两者升高和降低 未必成比例。柴油机在高负荷时，炭烟在微粒中所占的比例升高，而在部分负荷时则有 所降低。由于重懈分的未燃姪、硫酸盐以

19、及水分等在炭粒上吸附凝聚，很多情况下，炭 烟即指微粒。碳氢化合物燃料的不完全燃烧所产生的炭烟是以碳原了作为主要成分并含有占 10%30%氢原了的碳氢化合物所组成，它具有与聚合多环碳化氢相近似的结构。碳氢化 合物燃料由丁热分解生成甲烷和乙烯等低分了碳氢化合物，在温度不太高的情况匚 这 些产物就成了所谓的未燃碳氢化合物。当燃烧气体保持高温时，如杲氧气过剩就会进行 氧化反应。如果氧气不足，甲烷和乙烯会进一步进行化学反应；一方面进行脱氢反应； 另一方面聚合成2030nm大小的炭烟粒了，小粒了最后会成长成50200nm的大粒了。 实际燃烧过程中所进行的反应远比所介绍的要复朵。可溶有机成分在微粒中的比例一

20、方面与燃烧质量有重要关系，另一方面与润滑油窜 人有关，并且随着燃烧质量的提高，这部分窜人的润滑油所占的比例会随z增加。研究 表明：在车用直喷柴油机微粒排放中，冷起动、口由加速工况约有25%的有机可溶成分 来口润滑油,稳定工况约有40%60%的有机可溶成分来自润滑油。4车辆废气排放装置的类型及工作原理4.1催化转化器国际上通常依靠采用先进的发动机控制技术，辅z以完善的发动机后处理系统来达 到削减汽车污染物排放的口的。以改善发动机的燃烧过程为主的机内净化，主要方法有 电控燃油喷射、推迟燃火提丽角或喷射提丽角、废气再循环、燃料系统优化设计、可变 进排气系统、稀薄燃烧等。随着排放控制装置的发展，又产生

21、了包括催化转化器在内的 各种机外净化技术。机外净化常用的装置有催化转化器、曲轴通风装置、燃油蒸发控制 系统、微粒捕捉器等。采用最广泛最有效的机外净化技术是在汽车排气尾管中安装催化 转化器。4.1.1催化转化器的结构催化转化器是冇壳体、减震器、催化剂载体和涂层、催化剂四部分构成的，催化剂 能加速化学反应效率，但其本身质量和成分在化学反应前后保持不变。壳体是整个催化器的的外壳，英材料和形状对催化器的使用寿命和催化效率起直接 影响。一般冇不锈钢材组成，一般为双层结构以保证在化学反应时的温度。壳体的形状 应能减少涡流和气体分离的产生，使气体流畅、均匀的通过。在壳体外而装冇全周或半 周的隔热罩，以减少催

22、化转化器对汽车底板的高温辐射。另外在壳体外部设置加强筋， 防止受热变形。在壳体和陶瓷载体z间应冇减震层，减震层一般冇膨胀垫片和钢丝网垫两种，起到 减震、缓解热应力、固定载体、保温和密封的作用。膨胀垫片在第一受热时体积明显膨 胀，而在冷却时仅部分收缩，这样使金屈壳体和陶瓷载体间的缝隙完全胀死并密封。催化转化器设计上最重耍的耍求是使催化转化器的表而积尽可能得打，增加排气和 催化转化器表而的接触机会，同时不耍使排气阻力增加的太多，所以目前车用催化器的 催化剂载体材料90%是蜂窝陶瓷载体，其余是金屈载体。通常在汽车催化剂蜂窝载体孔 道壁而上涂冇一层多孔氧化铝涂层。氧化铝的比表而积高、耐濟性强、结构稳定

23、、多孔 结构和丰富的储藏量等诸多优点，使其成为最常用的催化剂载体涂层。英粗糙多空的表 而可是载体的实际反应表而积大大增加。在涂层表而分散的催化活性材料的贵金屈，一般为釦(pt)、链(rh)和锂(pd), pt和pd主要用于催化co和ch的氧化反应，rh用于催化nox的述原反应。催化剂 通常是指催化活性组分和涂层的名称，它是整个催化转化器的核心部分，决定催化转化 器的主要性能指标。奚罢丙套蓦羹it訂4.1.2催化转化器的种类和工作原理按工作原理的不同，催化器可以分为氧化催化器、还原催化器、和三元催化器。最 常用的是氧化型催化器和三元催化器。4. 1.2.1氧化型催化器氧化型催化器有两种基本结构形

24、式：整体蜂窝陶瓷的和小球型的。他们的功能都是 一样的，区别在于结构形式的不同。蜂窝陶瓷在每个小通道表面都涂有薄层的钳（pt ） 和把（pd）作为催化剂，小球型催化转化器使用一堆表面上涂上钳（pt ）和把（pd ） 的小球状铝氧化物作为催化剂。这两种结构的设计都让废气通过蜂窝陶瓷或者小球表 面，在那里接触催化剂。反应中，排气温度升高，在催化转化器内部继续氧化。在他们 进入消声器之前将co和ch转化为co2和出0。氧化型催化器中co和ch与氧气进行氧化反应，生成h20和co2,但对nox 基本无效。2co+o2-2 co2+n24ch+10no-4 co2 +2出0 +5n2两种特殊形式的氧化型催

25、化转化器分别为袖珍氧化型和近祸合催化转化器，它们的 基本性能一样，是根据它们的尺寸和靠近发动机安装的位置特点所命名的。袖珍氧化型 和近祸合催化转化器都是快速点燃型催化转化器，它们有助于减少起动过程的污染排 放，在污染物到达主催化转化器之前对其进行预处理。4. 1.2.2三元催化转化器随着政府排放法规越来越严格，更有效降低nox排放的三元催化转化器应运而生。 三元催化转化器利用金属铐（rh）,作为去除nox污染物的有效催化剂。在三元催化转 化器中进行的化学反应与用來控制ch和co排放的氧化过程完全不同。在这个过程 中，nox被还原为无害的n?和02。它不需要额外增加氧，而只是需要把氧处理掉。所

26、以这个化学反应和前面描述的氧化反应是完全不同的。排气屮过量的氧实际上能够阻止 述原反应的过程。为了同时减少三种污染物，三元催化转化器的转化效率依赖于高的空 燃比控制精度，它是口前使用最广泛的催化转化器。三元催化转化器装在发动机的排气歧管上，废气通过催化器时，co和ch与排气 屮的未燃烧完全的氧气反应生成co?和h2o ； nox则在述原剂ch、co的作用下述 原为n2。2co+2no-2co2+n24ch+10no-4co2 +2h2o+5n2有两种类型的三元催化转化器，有空气喷射的和无空气喷射的。无空气喷射的三元 催化器的内部看起来和与氧化型催化器很相似，但是它的载体上面涂覆的却是错（rh

27、） 和耙（pd ）o因为道路负荷时刻在变化，有时需要补充额外的氧气以保证催化转化器的工作。为 了有效减少三种污染物，可以使用有空气喷射的三元催化转化器。这种催化转化器有两 个腔，两个腔中间用一个二次空气喷射系统或者吸气系统的管子分开。空气喷射三元催 化转化器通过两步反应降低发动机排气屮的nox、ch和co的排放。第一步是使用 前端的催化转化器。这部分载体上涂覆的是错和把，将nox转化为氮（n2）和自由的 氧（02）,氧可以用来进一步将co氧化成无毒的co2 0在第二步的反应里需要在排气 系统小喷入额外的空气。富氧的排放产物通过涂覆有错和钠的载体的第二腔，这个腔位 于喷射空气的下游。在这个腔中进

28、一步发生了氧化反应将ch和co氧化为水蒸气和二 氧化碳。最终降低了所有三种污染物的浓度。只有在排气中含有很少的氧时，才有可能 同时有效进行三种污染物的催化反应。所以，有必要精确控制进入发动机的可燃混合气 的空燃比，将空燃比控制在理论空燃比附近。和发动机一样，三元催化器对空燃比非常 敏感，只有在理论空燃比时才能同时对三种污染物都具有最佳的转化效率。浓混合气大 幅度降低ch和co的转化效率，虽然这时nox的转化效率有所上升。同样，稀混合 气大大降低nox的转化效率。因此，只要发动机的工作允许，氧传感器反馈系统就应 当把空燃比控制在理论空燃比附近。催化转化器不仅可以根据内部组成不同分类，也可以根据他

29、们的设计构造分类。贴 近发动机安装的催化器被称为近祸合催化转化器。其他距离发动机较远安装的催化转化 器被称为地板下催化转化器。有些系统只有一个催化转化器，有些系统有两、三个催化 转化器。为了使催化转化器尽快热起来，现在很多催化转化器都被安装在接近排气歧管 处。4. 1.3影响催化转化器转化效率的因素1）催化剂的转化效率取决于温度催化剂只有达到一定温度后才能开始工作，温度超过250 °c时排气中的有害成分 才开始转化，而发动机启动预热后要经过5min才能达到此温度，反应开始后，催化器 编卬反应放热而自动保持高温。催化器在温度为400 -800 °c的理想运行条件下，转化 效率

30、最高，寿命最当温度超过800 °c时，贵金属与氧化铝载体可能烧结，产生热老化，导致活化表面积减少，并可能导致催化器失效，点火系统失火，未燃混合气进入 催化器屮燃烧是导致催化器高温时效的主要原因。入口温度（°c）(舉)图4-2和空燃比特性2）催化转化器转化效率的高低还与空燃比a/f有关转化效率随空燃比的变化称为催化器的空燃比特性。三元催化器在理论空燃比a/f = 14.7附近的狭窄区间内对co、ch和nox的转化效率同吋达到最高，这个区间被称 为“窗口”。当向贫氧侧偏离理论空燃比吋各污染物的转化效率均降低，其屮co和ch 表现更加明显。当向富氧侧偏离理论空燃比时，co和ch的

31、转化效率都很高，而nox 得转化效率却明显降低。在实际使用屮为使催化剂能保持在这个高效窗口内工作，需要 发动机同吋采用a/f闭环电子控制的燃油喷射系统，把可燃混合气控制在理论空燃比附 近。窗口越宽表示催化剂的实用性能越好。由于柴油机燃烧的是稀混合气，故三元催化 器一般不应用于柴油机，只应用于汽油机。柴油机口前多使用氧化性催化转化器。图4-3起燃温度特性3）化学中毒催化剂的化学屮毒主耍是冇燃料屮的硫和铅以及润滑油屮的锌和磷造成的。机油屮 的磷是尾气屮磷的主耍来源。铅通常是以四乙基铅的形式加入到汽油屮，以增强汽油的 抗爆性。它在标准无铅汽油屮的浓度约为lmg/l ,它以氧化物、氯化物和硫化物的形式

32、 吸附于催化剂上，造成铅中毒；尾气屮的二氧化硫一般能抑制三效贵金屈催化剂的活性, -其屮柱1（ pt）受二氧化硫影响最大。4.1.4催化转化器的性能评价指标1）转化效率：由汽车发动机排出的废气在催化器中进行催化反应后，其有害污染 物浓度得到不同程度的降低。2）空燃比特性：催化剂转化效率的高低与发动机的空燃比有关，转化效率随空燃 比的变化被称为空燃比特性。三元催化器在化学当量比附近的狭窄区间内对co、ch和 nox的转化效率同时达到最高。窗口越宽，表示催化剂的实用性越好。3）起燃特性：催化剂转化效率的高低与温度密切相关，催化剂只有达到一定的温 度才开始工作。通常用起燃温度特性或气燃时间特性来评价

33、。该特性直接影响汽车的排 放。4）空速特性：空速被定义为每小时流过催化剂的排气体积流量与催化剂容积z比, 转化效率随空速的变化叫做催化剂的空速特性。它表示反应气体在催化剂小的停留时 间。5）流动特性：是指压力损失随质量流量的变化，它反应催化器的流动阻力。流动 阻力增加了发动机的排气背压，使排气过程小的推出功增加，发动机的有效功减少，背 压高了述会使残余废气量增大，使发动机充气效率降低，这些都会使发动机的动力性和 经济性变差。6）催化剂的耐久性：是指按照规定行驶一定里程后整车排放仍能满足法规限值。4.1.5催化转化器的匹配问题在实际使用屮，催化器是与发动机和整车组合成一个完整的系统来起作用的。这

34、屮 间就产生了一个匹配和优化的问题。否则即使安装了最好的催化器，也难以满足严格的 排放法规。同样在修理过程屮，若安装的催化器不正确、发动机或控制系统出现故障， 也同样不能通过排放法规。因此，催化器的正确匹配是催化器得以发挥作用的关键和前 提。与发动机的匹配包括下述内容：1）催化转化器与发动机特性的匹配2）催化转化器与电子控制燃油喷射系统的匹配3）催化转化器与进排气系统的匹配4）催化转化器的流动特性改善与优化设计5）催化转化器与燃料和润滑油的匹配6）催化转化器与整车设计的匹配4. 2微粒捕集器切换阀电加热器滤态节流口推气控制阀图4-4微粒捕集器结构微粒捕集技术是廿前公认的最为冇效的微粒净化技术，

35、也是目询商用询景最好的技 术之一。微粒捕集器（dpf）安装在柴油机排气管上，过滤技术的机理主要有：排气通 过吋微粒经过扩散、截流、惯性碰撞和重力沉降等原理被过滤体捕集。捕集效率主要受 到微粒粒径、过滤体微孔孔径、排气流速及气流温度等因索影响。随着工作吋间的增长, 过滤体内堆积的微粒增多，发动机的背压将上升，影响柴油机的正常工作，须用燃烧等 方法将这些微粒除去，即过滤体的再生。dpf的关键技术是过滤材料及其再生的选择 和研究。4. 2. 1过滤材料过滤材料的结构与性能对整个微粒捕集系统的性能（如压力降、过滤效率、强度、 传热和传质特性等）有很大的影响。dpf对过滤材料的要求是：高的微粒过滤效率，

36、低 的排气阻力，高的机械强度和抗震动性能，并且还须具备抗高温氧化性的耐热冲击性与 耐腐蚀性。其中高的过滤效率与低的排气阻力是相互矛盾的，选择材料时要综合考虑这 两方面的性能。国外在过滤材料上的研究已经取得较大的突破，出现了一些商品化的产 品。目前国内外研究和应用的过滤材料有陶瓷基、金属基和复合基三大类。4. 2.1.1陶瓷基过滤材料廿前研究和应用最多的是陶瓷基过滤材料，它们通常曲氧化物或碳化物组成，具有 多孔结构，在700°c以上能保持热稳定，比表面积大于lm2/g,主要结构包括蜂窝陶瓷、 泡沫陶瓷及陶瓷纤维毡。1）蜂窝陶瓷常用热膨胀系数低、造价低廉的堇青石制成，这种材料开发最早，使

37、 用最广，冇壁流式、泡沫式等多种结构。目前在dpf过滤体上研究和使用较多的是壁流 式蜂窝陶瓷。它具有多孔结构，相邻两个通道中，一个通道进口被堵住，而另一通道的 出口被堵住，为保证其机械强度和耐热强度，孔道密度一般约为16孔/cn?时，孔道 截面为2mmx2mm左右，壁厚为0.4mm左右，这种结构迫使排气由入口敞开的通道进 入，穿过多孔的陶瓷壁面进入相邻的出口敞开通道，而微粒就被过滤在通道壁面上，这 种dpf对微粒的过滤效率口j达90%以上。口j溶性冇机成分s0f也能被部分捕集，近年来 在制造技术上取得明显的突破，蜂窝陶瓷壁厚减薄，开口横截面积壇人，从而降低了背 压损失，扩大了使用范围。目询应用

38、最广的美国corning公司和fl本ngk公司生产的 dpf采用的就是壁流式蜂窝陶瓷。但这种滤芯受温度影响较人，排气温度较低时沉积在 壁面的ch成分将在排温升高吋重新挥发出來，并排向大气；发动机工作的热循环引起 过滤体尺寸的交替振动，会导致过滤材料的持续退化；若采用热再生，导热系数小的堇 青石容易受热不均而局部烧融或破裂。2）泡沫陶瓷是将浸渍堇青石陶瓷浆体的聚氨酯泡沫塑料半成品经过高温锻烧，塑料 气化逸出得到的陶瓷骨架。与蜂窝陶瓷相比，泡沫陶瓷可塑性大大增强，孔隙率大 （80%90%）且孔洞曲折，材料的热膨胀系数各向同性，具冇更好的热稳定性，近年 被用作柴油机排气微粒的过滤材料，但捕集效率较低

39、（50%左右），烟灰吹除困难。3）陶瓷纤维材料不受固定尺寸的限制，过滤体的孔形状和孔分布有广泛的选择余 地，通过改变各种设计参数可使应用达到优化。陶瓷纤维毡具冇高度表面积化的特点， 过滤体内纤维表面全是冇效过滤面积，过滤效率可高达95%。但陶瓷纤维是一种脆性的 耐高温材料，生产工艺较复杂且易损坏。4. 2. 1.2金属基过滤材料金属在材料的强度、韧性和导热性等方面冇陶瓷无法比拟的优势。目前研究较多的是泡沫合金和金属纤维毡。泡沫合金是一种具有三维网络骨架的材料，口本住友电工公司曾采用泡沫银作为过 滤材料，但鎳的抗蚀性差，为改善其在高温环境和含硫气氛中的抗蚀性，采用耐热耐蚀 的牒鎔铝和铁鎔铝高温合

40、金，合金表面是结构牢固的。例如a -a12o3,可在800°c的高 温下静置200h基本不受侵蚀。这种泡沫合金具冇高的热导率，可兼作热再生装置的辐 射加热器，热度分布均匀，再生时过滤体不会开裂与熔化。泡沫合金的主要优点包括： 具冇人孔径和薄骨架结构，泡沫合金表面容易被熔融铝液浸透并覆盖，退火处理后得到 保护层；由于合金骨架的机械强度高，可大大改善过滤材料的耐振性能；应用粉末冶金 技术制造泡沫合金，可以降低生产成本。金属纤维毡与陶瓷纤维毡过滤材料相比，具冇强度高、使用寿命长及容尘量高等特点； 与金属丝网过滤材料相比，具冇过滤精度高，透气性好，比表面人和毛细管功能等特点, 尤其适于高温、

41、有腐蚀介质等恶劣条件下的过滤，因此是一种很冇前途的柴油机微粒过 滤材料。4. 2. 1.3复合基过滤材料陶瓷基过滤材料和金属基过滤材料都冇不口j避免的缺陷，因此开始考虑复合基增强 过滤材料，目前研究与应用主要集中在纤维毡结构上。为了解决在再生过程中燃烧引起 的局部过热导致过滤材料熔融破裂或残留烟灰黏附在过滤材料上使dpf失效的问题， nhk spring公司发明了一-种新型过滤材料，这种过滤体的单元出叠层金属纤维毡和氧 化铝纤维毡组成。金属纤维毡材料是fe-18c-3al,最高耐热温度1100°c,氧化铝纤维 毡材料是70al203-30si02,最高耐热温度1400°co

42、从排气进口到出口，叠层纤维毡的 密度越來越细，保证了微粒的均匀捕获，过滤效率可达到80%90%,同吋能起到消声 器的作用。4. 2. 2再生技术dpf是一种物理性的降低排气微粒的方法，在工作过程中，微粒会积存在过滤器内， 导致柴油机排气背压增加，当排气背压超过20kpa时，柴油机工作开始明显恶化，导致 发动机动力性和经济性等性能降低 必须及时除去沉积的微粒，才能使dpf继续正常 工作，即dpf的再生，这是dpf能否在柴油机上正常使用的关键。在dpf开发的早期, 曾采用脱机再生的方法解决再生问题，但只冇成功开发在柴油机上自动实现再生的技 术，才能从根本上解决其实用性问题。实用化再生技术必须要求：

43、能在各种工况下正常 工作；对柴油机工作特性及燃油经济性具冇较小的影响；不应对环境产生二次污染；具 有良好的可靠性和耐久性，耐久性在8万km以上；便于操作；寿命和价格应能被用户 接受。柴油机排气微粒通常在560°c以上时开始燃烧，正常的燃烧温度在800°c以上。而实 际柴油机排气温度一般低于500°c, 一些城市公交车排温甚至在300°c以下，排气流速 也很高，因而在正常的条件下难以烧掉微粒。近20年来，国内外对柴油机微粒捕集器 再生技术进行了大量细致的研究工作，提出了多种再生技术，并冇不少再生技术已进入 实车使用阶段。再生系统根据原理的不同可分为主动再生

44、系统与被动再生系统两大类。4. 2. 2. 1主动再生系统主动再生是通过外加能量提高气流温度到微粒的起燃温度(500°c600°c)使微粒 燃烧，迄今提出的再生控制方法很多，利用背压判断再生是最为普遍的一种方法，实 质是判断微粒捕集内的微粒量是否满足再生要求。目询研究较多的外加能量再生控制系 统有：喷油助燃再生系统、微波加热再生系统、电加热再生系统、逆向喷气再生系统以 及红外加热再生系统等。1 燃气再生燃气再生技术是在发动机的排气不旁通的情况下，将燃气通入排气中，直接利用排 气中剩余的氧气和燃气混合燃烧，对沉积在过滤体中的微粒进行加热，达到着火温度燃 烧实现再生。过滤体在过

45、滤的过程中避免了过滤体再生时旁通排气造成的污染。这种再 生方式与催化再生相比，适合在高硫条件下使用，符合我国燃油含硫量较高的国情，同 时，由于采用气体燃料，与排气同为气相，容易形成均匀的混和气，加热再生时燃烧比 较充分。计算得出排气中的氧气完全满足各工况下燃气燃烧需要。试验研究发现，燃气 流量具有较大的范围，其再生效率基本不变，可达80%以上。过滤体内的微粒沉积量对 再生结果没有显著的影响，在较小的微粒沉积量下，燃气再生仍口j以进行，即再生时机 的选择范围较人。再生时间与再生效率、燃气流量以及过滤体微粒沉积情况密切相关， 随着再生时间的增加，排气背压下降，而过滤体温度升高。需要根据各种因索，选

46、取合 理的再生时间。由于气流速度大，火焰难以形成，容易熄灭。这样进入的燃气会造成更 大的污染。2. 屯加热再生屯加热再生是利用置于过滤体前部的屯阻丝点燃其周围的微粒，再靠这部分微粒燃 烧的能量引燃其余的微粒，实现再生。出于车用24vw电池受电功率的限制，打前采用 分区布置再生，且试验已证明了其可行性。影响屯加热再生效果的主要因索冇再生时机、再生废气量、加热器结构和功率、再 生策略等因索。再生方法中补气节流再生是成熟的再生方法，它利用两个蝶形阀，再生 开始时旁通阀完全打开的同时，完全关闭调节阀，补充空气利用调节阀上的小孔统入部 分排气，直至再生结束，补气节流再生可在不同转速和负荷的任意工况下，实

47、现过滤器 的再生。其难点主要有：首先要消耗大量的电能，增加了油耗和蒂电池的负担；其次再 生过程影响因索较多，系统稳定性差。因此需要对屯器元件的选择和绕制、屯阻丝的布 置方案、再生顺序、通电加热时机的研究、微粒积存量的多少、过滤器温度等方面进行 考虑和研究。3. 逆向喷气反吹再生逆向喷气反吹再生是利用压缩空气从与过滤吋气流流动相反的方向清洁过滤体。它 将过滤体的再生和微粒的燃烧分开，避免微粒在过滤体中燃烧，使过滤体的使用寿命和 口j靠性得到保证；另外再生时间短，不口j燃物质不会在过滤体内积存。逆向喷气再生要解决以下关键技术：（1）进一步减少喷气再生吋压缩空气的消耗量。（2）开发针对喷气再生的专用

48、微粒过滤材料和过滤体结构型式。（3）如何优化气路设计是一个关键问题。（4）微粒的二次收集与燃烧。（5）再生控制。廿前需要解决逆向喷气再生要解决的关键技术是：进一步减少喷气再生时压缩空气 的消耗量；开发针对喷气再生的专用微粒过滤材料和过滤体结构型式；对整个柴油机微 粒过滤再生系统进行结构和控制参数的综合优化。4. 红外加热再生红外加热再生首先曲加热器加热具有较强辐射能力的红外涂层，然后曲红外涂层通 过辐射方式加热过滤器中捕捉的微粒，它兼具冇屯加热结构简单和加热高效能的优点。试验发现：过滤器再生分为加热和燃烧两阶段，径向燃烧不同步，存在温度梯度。 再生气流对再生过程冇很大的影响，再生气流的氧浓度对

49、燃烧的影响和气流流动对热量 传输的影响很人。人连理工人学的高希彦等人在对柴油机微粒陶瓷过滤器红外再生的试 验研究中发现，柴油机微粒陶瓷过滤器红外再生方法的主要影响因索冇再生用废气量、 加热器的功率及结构和再生策略等。再生废气量从两方面影响再生：（1）废气提供微粒再生时所需的02, 02充足时再生速度快，02缺乏吋不仅再生速 度慢，而且容易生产大量c0；（2）废气将产生的热量带走，从而影响再生的最高温度。加热器功率也从两方面影响再生。首先，它决定着陶瓷体加热到微粒着火温度的时间。其次，当废气从加热器流过吋，会受到加热器的加热。因此，加热器功率在一定程 度上影响再生废气的温度，从而间接影响了最高再

50、生温度，并在一定程度上限制了废气 量的变化范围。再生过程中所用废气量的变化决定了过滤器不同部位再生过程中氧气供 给速率和废气带走热量的速率，从而影响再生过程中过滤器内最高温度出现的位置。5. 微波加热再生在微波加热再生系统中，微粒能以60%70%的能量效率吸收，频率为210ghz 的微波，因陶瓷的损耗系数很低，对微波來说实际上是透明的，所以微波不会加热陶瓷, 且dpf的金属壳体会约束微波，防止微波外逸并把它反射回滤芯上。微波加热再生利用微波独具的选择加热及体积加热特性，在过滤体内部形成空间分 布的热源，使微粒就地吸热、着火并燃烧。实验表明，再生过程中过滤体内部温度梯度 小，热应力引起的过滤体损

51、坏的可能性减小，再生窗口宽，再生过程易于控制。微波再 生效率高，没有二次污染，是廿前研究较多的一种再生技术。4. 2. 2. 2被动再生系统被动再生是利用化学催化的方法降低微粒的反应活性，能使微粒在柴油机正常运行 条件下燃烧，达到再生廿的。研究表明，一些贵金属、金属盐、金属氧化物及稀土复合 金属氧化物等催化剂对降低柴油机碳烟微粒的起燃温度和转化冇害气体均冇很大的作 用，但为防止催化剂中毒，必须使用无硫柴油。催化剂的使用方法冇两种，一种是在过 滤体滤芯表面浸渍催化剂，另一种是在燃油中加入添加剂。采用滤芯表面浸渍催化剂，曲于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。另外，由于柴油机排气中的微粒含量很大，随着时间的推移，催化剂的作用 会逐渐减弱甚至完全消失，即催化剂中毒，从而影响到过滤体的有效再生。在燃油中加入添加剂是廿前研究的热点，添加剂一般为可溶性的金