发动机排放与控制技术

1、7.1 概述7.2 微粒捕集器7.3 NOX机外净化技术7.4 氧化催化转化器第7章 柴油机后处理净化概述：主要内容概述：主要内容 分析了柴油机微粒捕集器的过滤机理，介绍了常用过滤材料及其再生技术。同时还讨论了NOX的吸附催化还原、选择性非催化还原、选择性催化还原以及等离子辅助催化还原等NOX的机外净化技术和氧化催化转化器。概述概述第七章 柴油机后处理净化 针对柴油机排气中含有的大量微粒，研制开发柴油机微粒捕集器成为柴油机后处理的热点。 随着排放法规的进一步严格，仅仅靠机内净化技术是不够的，必须同时采取机外净化技术。目前，国内外研究的微粒机外净化主要有等离子净化、静电分离、溶液清洗、离心分离及

2、微粒捕集器等。 微粒捕集器微粒捕集器 第七章 柴油机后处理净化 微粒捕集器的关键技术是过滤材料的选择与过滤体的再生，其中又以后者尤为重要。 本节主要介绍微粒捕集器的过滤机理、过滤体材料及其结构、过滤体再生三个方面的问题。柴油机微粒捕集器 过滤机理过滤机理第七章 柴油机后处理净化 通过对柴油机排气微粒捕集途径的多种研究比较，宜采用多孔介质或纤维过滤材料对排气进行过滤，目前应用最多的是壁流式蜂窝陶瓷。一个好的过滤体应该是过滤效率高且压力损失低。 微粒捕集示意图 过滤机理的分类过滤机理的分类第七章 柴油机后处理净化扩散机理扩散机理 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，使微粒的

3、运动轨迹与流体的流线不一致。初始排气中的微粒浓度分布是均匀的，布朗运动不会引起微粒的宏观输运，即微粒浓度分布的均匀性不会发生改变。但是，当流场中出现捕集物后，捕集物对微粒的运动起到了汇的作用，从而造成排气中微粒分布的浓度梯度，引起微粒的扩散输运，使微粒脱离原来的运动轨迹向捕集物运动而被捕集。 第七章 柴油机后处理净化微粒沉积的三种机理1-扩散机理微粒；2-拦截机理微粒； 3-惯性沉积机理微粒 扩散机理扩散机理 微粒的尺寸越小，排气温度越高，则布朗运动越剧烈，扩散沉积作用越明显。第七章 柴油机后处理净化不同直径微粒的扩散捕集效率当微粒直径小于1m时，需要考虑微粒的扩散作用，当微粒的直径小于0.1

4、m时，扩散作用已经十分显著。 拦截机理拦截机理第七章 柴油机后处理净化 当微粒接近过滤表面，一旦微粒与过滤表面的距离小于或等于其半径，即微粒直径大于或等于过滤微孔直径时，微粒就被拦截捕集，过滤体起了筛子的作用，这就是拦截机理。拦截机理惯性碰撞机理与综合过滤机理惯性碰撞机理与综合过滤机理第七章 柴油机后处理净化 惯性碰撞机理一般把微粒理想化为只有质量而没有体积的质点。当气流转折时，微粒仍有足够的动量按原运动方向继续对着捕集物前进而偏离流线，使一些微粒碰撞到捕集物而被捕集分离。 综合过滤机理认为在微粒的过滤过程中，扩散、拦截和惯性碰撞通常是组合在一起同时起作用的，但这三种机理并不是完全独立的。过滤

5、体材料及其结构过滤体材料及其结构第七章 柴油机后处理净化壁流式蜂窝陶瓷 对过滤材料的要求高的微粒过滤效率低的排气阻力高的机械强度和抗振动性能抗高温氧化性的耐热冲击性与耐腐蚀性陶瓷基过滤材料陶瓷基过滤材料 陶瓷基过滤材料通常由氧化物或碳化物组成，具有多孔结构，在700以上能保持热稳定，比表面积大于1m2/g ，主要结构包括蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷及陶瓷纤维毡。 第七章 柴油机后处理净化壁流式蜂窝陶瓷整体与多空陶瓷微观结构 进气道 排气道 过滤壁面 陶瓷堵封陶瓷基过滤材料陶瓷基过滤材料陶瓷纤维毡过滤体结构 泡沫陶瓷的显微结构 第七章 柴油机后处理净化金属基过滤材料金属基过滤材料第七章 柴油机后处理净化

6、金属在材料的强度、韧性、导热性等方面有陶瓷无法比拟的优势。铁铬铝（Fe-Cr-Al）是一种耐热耐蚀高性能合金，具有热容小、升温快的特点，有利于排气微粒快速起燃，且抗机械振动和高温冲击性能好，近年来受到广泛重视。 目前研究较多的结构形式主要是泡沫合金、金属丝网及金属纤维毡。RYPOS TPAP金属纤维毡过滤体结构复合基过滤材料复合基过滤材料第七章 柴油机后处理净化 由于陶瓷基过滤材科与金属基过滤材料都有不可避免的缺陷，目前正在研究复合基增强型过滤材料，且主要集中在纤维毡结构上。再生技术再生技术第七章 柴油机后处理净化除去微粒捕集器内沉积的微粒的过程称为再生再生。微粒捕集器 在微粒捕集器再生过程的

7、研究中，经常要涉及过滤体中已经沉积的微粒质量或过滤体负载量以及再生效果两个概念。过滤体负载量过滤体负载量第七章 柴油机后处理净化p1 沉积或负载微粒后的排气背压； pe 洁净的捕集器在同一工况下的排气背压。 1/eMpp 过滤体负载量用无量纲的负载参数M表征 再生效率再生效率 再生效果用无量纲的再生效率r表征： 11()/()rrepppp 第七章 柴油机后处理净化pr捕集器再生后的排气背压。 一般微粒捕集器允许最大负载参数Mmax35，要求再生效率r 70%80%。 再生系统再生系统第七章 柴油机后处理净化根据原理和再生能量来源的不同主动再生系统是通过外加能量将气流温度提高到微粒的起燃温度使

8、捕集的微粒燃烧，达到再生过滤的目的。被动再生系统利用柴油机排气自身的能量使微粒燃烧，达到再生微粒捕集的效果。再生系统主动再生系统被动再生系统主动再生系统主动再生系统主动再生系统喷油助燃再生系统电加热再生系统微波加热再生系统红外加热再生系统反吹再生系统喷油助燃再生系统喷油助燃再生系统第七章 柴油机后处理净化 用丙烷或柴油作为燃料、用电点火的燃烧器来引发微粒捕集器的再生。 已沉积在过滤体中的微粒的燃烧必须进行得尽可能迅速和完全，但不能使陶瓷过滤体过热而碎裂或熔融。这就要求在燃料流量、助燃气流流量和氧浓度、燃烧器工作时间与已沉积的微粒质量之间进行优化匹配。 燃烧器喷出的火焰温度应尽可能均匀，平均温度

9、至少在500，以便可靠点燃微粒。再生周期取决于微粒沉积速度。 带再生燃烧器的微粒捕集器带再生燃烧器的微粒捕集器第七章 柴油机后处理净化 带再生燃烧器的微粒捕集器串连在排气管中，结构简单，如图 (a)所示。 如在过滤体前设置一旁通排气管，如图 (b)所示。 在柴油机排气系统中安装两套微粒捕集器，如图(c)所示。DPF在排气系统中的布置电加热再生系统电加热再生系统第七章 柴油机后处理净化 电加热再生系统的功率一般在36kW之间，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。 蜂窝陶瓷再生加热电阻丝结构1-回形电阻丝；2-螺旋形电阻丝 电加热再生在微粒捕集器工作一段时间

10、后，采用电热丝或其它电加热方法，周期性的对微粒捕集器加热使微粒燃烧。微波加热再生系统微波加热再生系统第七章 柴油机后处理净化 再生过程中过滤体内部温度梯度小，再生过程易于控制。微波再生效率高，没有二次污染。 利用微波独具的选择加热及体积加热特性来再生微粒捕集器。微粒可以以60%70%的能量效率吸收频率为210GHz的微波，由于陶瓷的损耗系数很低，所以微波并不会加热陶瓷过滤体。红外加热再生系统红外加热再生系统第七章 柴油机后处理净化 在柴油机微粒捕集器的再生过程中，加热器的辐射能量主要集中在红外波段。在红外再生过程中，首先由加热器加热具有较强辐射能力的红外涂层，再由红外涂层通过辐射方式加热过滤器

11、中捕捉到的微粒物。反吹再生系统反吹再生系统第七章 柴油机后处理净化 反吹再生过程的最大特点是能将过滤体与微粒燃烧分开，因此该系统不存在过滤体由于与微粒燃烧而产生破裂和烧熔等问题，也解决了不燃物质在过滤器内累积的问题。 当过滤体需要再生时，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，逆向流动的气流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。被动再生系统被动再生系统被动再生系统大负荷再生排气节流再生催化再生燃油添加剂再生大负荷再生大负荷再生第七章 柴油机后处理净化 柴油机的排气温度是随其工况变化而变化的。在高速大负荷运行时，排气温度可以达到500以上，在

12、此温度下，沉积在过滤器内的微粒可以自行燃烧，从而达到过滤器再生的目的。 排气节流再生排气节流再生 节流再生是出现较早的技术，也叫强制再生，它实际上是通过某种节流方法控制柴油机的进气量，即进气节流或排气节流，以提高排气温度，使过滤体中的微粒着火燃烧。 催化再生催化再生第七章 柴油机后处理净化 在过滤体的表面浸渍催化剂，催化器与捕集器是同一整体。使用过程中铂作为催化剂，当排气温度达到400左右微粒开始氧化。催化再生器催化再生催化再生第七章 柴油机后处理净化22NOONONOCNOCO 应用催化再生的主要缺点是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

13、，随着时间的推移，催化剂的作用会逐渐减弱甚至完全消失，即催化剂催化剂中毒。中毒。反应方程式燃油添加剂再生燃油添加剂再生 第七章 柴油机后处理净化 在燃油中加入金属催化剂（如金属铈Ce)，添加剂与燃油一起在气缸内参与燃烧，燃烧后生成的金属氧化物对微粒起催化作用，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。 NOx 机外净化技术机外净化技术第七章 柴油机后处理净化NOx的机外净化技术主要是催化转化技术，主要包括：NOx净化器吸附催化还原法选择性非催化还原选择性催化还原等离子辅助催化还原NOX吸附催化还原吸附催化还原第七章 柴油机后处理净化 吸附催化还原是基于发动机周期性

14、稀燃和富燃工作的一种NOX净化技术，吸附器是一个临时存储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。当发动机正常运转时处于稀燃阶段，排气处于富氧状态，NOX被吸附剂以硝酸盐（ MNO3，M表示碱金属）的形式存储起来： 22230.5NOONONOMOMNO再生方法再生方法第七章 柴油机后处理净化 当吸附达到饱和时，也需要再生吸附器使其能够继续正常工作，吸附器的再生可通过柴油机周期性的稀燃和富燃工况进行，也可通过人为调整发动机的工作状况，使其产生富燃条件，使硝酸盐分解释放出NOX，NOX再与HC和CO在贵金属催化器下被还原为N2。 320.5MNOMONOO22

15、2(20.5 )(0.25 )0.5chch NOC Hch NhH OcCO220.5NOCONCO富氧状况下富氧状况下NOX吸附催化原理吸附催化原理 第七章 柴油机后处理净化富氧状况下NOX吸附催化原理 以含碱金属钡（Ba）作为吸附剂为例，在富氧状况下，Pt催化剂使NO氧化成NO2，NO2进一步与吸附剂中的钡生成硝酸钡而被捕集。富燃状况下富燃状况下NOX吸附催化原理吸附催化原理 第七章 柴油机后处理净化 在富燃状况下，硝酸钡又分解并释放出NOX，NOX再与HC和CO反应被还原成N2。在贫燃或富燃交替变换的环境下，碱金属钡分别以硝酸钡、氧化钡或碳酸钡的形态存在，起着吸附及释放NOX的作用。富

16、燃状况下NOx吸附催化原理 NOX的选择性非催化还原的选择性非催化还原 选择性非催化还原也称为SNCR（Selective Non Catalytic Reduction），它的原理是在高温排气中加入NH3作为还原剂，与NOX反应后生成N2和H2O，其总量反应式为： 第七章 柴油机后处理净化SNCR方法的优点是可以省去价格昂贵的催化剂。选择压缩上止点后60A左右的时刻向柴油机缸内喷射氨水，可以明显降低NOx的效果。 322232224446223NONHONH ONONHNONH ONOX选择性催化还原选择性催化还原 第七章 柴油机后处理净化 选择性催化还原也叫SCR（Selective Ca

17、talytic Reduction）方法，SCR转化器的催化作用具有很强的选择性：NOX的还原反应被加速，还原剂的氧化反应则受到抑制。还原剂可用各种氨类物质或各种HC。这种系统的工作温度范围为250500，其总量反应式为： 322222322322232242366871244464656NHNOONH ONONHNH ONHNOONH ONHNONH ONOX选择性催化还原选择性催化还原第七章 柴油机后处理净化与其它催化方法一样，使用SCR降低NOX要求柴油含硫量越低越好。因为硫会通过SSO2SO3NH4HSO4或者(NH4)2SO4的途径生成硫酸铵或硫酸氢铵，它们沉积在催化剂表面上会使其失

18、活。 NOX选择性催化还原器 SCR系统系统第七章 柴油机后处理净化 以尿素作为还原剂的SCR系统，已在发电厂和固定式柴油机上得到应用。2222445242NOHCONCOH O 以氨水作为还原剂的SCR系统，可以降低柴油机NOX排放95%以上，但柴油机需要一套复杂的控制还原剂喷射量的系统。 对于轿车柴油机来说，从使用的方便性出发，希望可用燃油中的HC作为还原剂，有如下反应式： 22232()2NHCOH ONHCO等离子辅助催化还原等离子辅助催化还原 第七章 柴油机后处理净化 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

19、化学活性极强的物种，首先利用这些活性物种把NO和HC氧化为NO2和部分氧化的高选择性含氧CH类还原剂，然后再在催化剂作用下促使新产生的高选择性活性物种还原NO2，生成无害的N2。等离子辅助催化还原NOX二级系统 等离子辅助催化还原反应方程式等离子辅助催化还原反应方程式反应方程式如下：第七章 柴油机后处理净化222222)CxHyONOxCxHyOONCOH O222NOx的活性增强：NONO第一阶段：等离子HC的活性增强：CxHy+O在催化剂作用下选择性催化还原第二阶段：催化剂NOx(NO或NO等离子体辅助催化的主要作用与优点等离子体辅助催化的主要作用与优点第七章 柴油机后处理净化 等离子辅助

20、催化还原器工作示意图 1. 等离子体氧化过程是部分氧化。2. 等离子体氧化是有选择性的。 3. 等离子体可以改变NOX的组成，即先将N氧化为NO2，再利用一种新型催化剂将NO2还原为N2 。 用低温等离子体技术处理柴油机排放时，可减少NOX、PM、HC的排放。另一优点是对燃料含硫量几乎没有要求，可在相对低的温度下运行。氧化催化转化器氧化催化转化器 第七章 柴油机后处理净化 氧化催化转化器采用沉积在面容比很大的载体表面上的催化剂作为触媒元件，使排气中的部分或大部分HC和CO与排气中残留的O2化合，生成无害的CO2和H2O。 氧化催化转化器 催化剂表面活性催化剂表面活性第七章 柴油机后处理净化 催

21、化剂的表面活性作用是利用排气热量激发的。从右图可以看出，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。只要不超过催化剂允许的最高温度，净化反应便能顺利进行。柴油机使用氧化催化转化器时排气温度对微粒排放量的影响过滤机理的分类过滤机理的分类第七章 柴油机后处理净化过滤体材料及其结构过滤体材料及其结构第七章 柴油机后处理净化壁流式蜂窝陶瓷 对过滤材料的要求高的微粒过滤效率低的排气阻力高的机械强度和抗振动性能抗高温氧化性的耐热冲击性与耐腐蚀性复合基过滤材料复合基过滤材料第七章 柴油机后处理净化 由于陶瓷基过滤材科与金属基过滤材料都