《汽车设计》课件-第8章-汽车尾气排放后处理设计

1汽车设计第八章汽车尾气排放后处理设计2第八章汽车尾气排放后处理设计返回目录8.1概述8.2汽车排放后处理的主要技术8.3汽油机排放后处理设计8.4柴油机排放后处理设计3

本小节的教学重点内容：了解机内控制、机外控制对排放污染物的降低思路第8.1节汽车尾气排放后处理概述返回目录第八章汽车尾气排放后处理设计4治理汽车排气污染是一个系统工程，需要多种技术多种手段的综合应用。从一开始就考虑将汽车设计为低排放而从源头削减的技术无疑是控制污染的最佳捷径，但是现阶段以石油为燃料的内燃机车，机内控制排放在降低污染物的同时会影响发动机的其他性能，而且无法做到从根本上解决现有污染物排放问题。随着排放法规的日益严格，人们开始考虑包括催化转化在内的各种机外净化技术。在机内控制的基础上，辅之以末端治理为目的的机外控制措施，主要指催化净化措施，可以将机动污染控制在极小的范围内。后处理装置作为机外净化的主要构件，一般安装在车辆排气系统中，通过催化转化、吸附或过滤及再生的工作方式，减小汽车排气中有害污染物排放。第8.1节汽车尾气排放后处理设计汽车尾气排放后处理设计5下一节第8.1节概述本节内容结束6

本小节的教学重点内容：汽油机排放后处理，包括污染物后处理过程中的载体技术、紧耦合催化器和涂覆技术、三元催化剂技术、汽油机颗粒的控制、NOx控制技术、稀燃的NOx催化剂。柴油机排放后处理，包括颗粒捕集器DPF、选择性催化还原转换器SCR、稀燃NOx捕集器LNT、氧化催化转换器DOC、低温等离子催化辅助技术、第八章汽车尾气排放后处理设计第8.2节汽车排放后处理的主要技术返回目录7一、汽油机排放后处理第8.2节汽车尾气排放后处理设计汽油机排放后处理（1）污染物后处理过程中的载体技术污染物处理过程中的载体技术主要采用金属或陶瓷等作为技术处理的物质载体，然后将贵金属催化剂涂敷之后，进行封装成催化转化器，用于处理排放污染物的装置。在此过程中，当确定催化器的体积后，需要利用更多数目及更薄壁厚的载体，使之具有更大表面积的物质进行催化反应，从而在提升催化转化效率的过程中，不断提升催化反应的耐久性。从应用实践情况来看，这种后处理技术能够显著减小催化器的实际容量，从而降低排气系统的背压。8一、汽油机排放后处理第8.2节汽车尾气排放后处理设计汽油机排放后处理（2）污染物后处理过程中的紧耦合催化器和涂覆技术这种技术主要在靠近汽车发动机排气歧管的部位，增加一个催化转化器，利用发动机排气热量将催化器加热，使催化转化器快速起燃。该技术主要作用是有效降低汽车发动机在冷启动过程中的污染物排放量。在此过程中，还可采用涂敷技术进行污染物处理与控制。比如，在催化转化器中贵金属采用分区涂覆，以及通过涂敷几种不同种类的活性物质，从而使催化剂的性能不断得到优化，进一步提升材料的综合利用效率与污染物的处理效率。9一、汽油机排放后处理第8.2节汽车尾气排放后处理设计汽油机排放后处理（3）污染物后处理过程中的三元催化剂技术采用三元催化技术可有效控制汽车中NOx、CO、HC等污染物质的排放。其主要在一种封闭式的环孔系统中，采用氧传感装置获取排气混合气中氧含量信号，通过发动机电子控制单元（ElectronicControlUnit，ECU）进行精准的空燃比控制，将过量空气系数控制在“1”左右的狭窄窗口内，使排气污染物在催化转化器的氧化还原作用下将HC与CO一同转化为CO2和H2O。与此同时，其还可促进N2与NOX进行还原反应。10一、汽油机排放后处理第8.2节汽车尾气排放后处理设计汽油机排放后处理（4）污染物后处理过程中汽油机颗粒的控制众所周知，雾霾产生的重要原因是空气中出现了大量的污染颗粒物。因此，在“国五”排放标准出台后，管理法规明确规定，在信息申报时需要测量车辆污染物中的颗粒物。因此，对污染物中的颗粒物进行控制，主要采用壁流式的颗粒捕获后处理技术装置，使汽车尾气从捕获器的一端进入到通道，此时通道在另一端被封闭。因此，汽车尾气只能从壁面进入到相邻孔道进行排放，在此处理过程中，污染物中的颗粒物会被有效沉积在壁面中的过滤装置中。当颗粒捕集器温度升高后，碳颗粒在高温下燃烧成CO2排出，实现颗粒捕集器再生。11一、汽油机排放后处理第8.2节汽车尾气排放后处理设计汽油机排放后处理（5）污染物后处理过程中的NOx控制技术NOx捕集技术（LeanNoxTrap，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。其主要在一种稀燃运行条件下，通过将三元催化剂或具有氧化性的催化剂置于汽车发动机的紧耦合位置，以此促进NO2与NO转化。这种处理技术的主要优点是能够将硝盐酸与催化反应剂一同保存下来。当汽车发动机处于一种稀燃稳定运行工况时，这种技术处理可以形成由碱土金属和强碱及其它相关稀土元素组成的硝盐酸物质。因此，这种催化剂更适合于排量在2.0L-2.5L之间的汽车污染物后处理，在处理过程中，能够不断降低汽车在低负荷运行时NOx的实际排放量。12一、汽油机排放后处理第8.2节汽车尾气排放后处理设计汽油机排放后处理（6）污染物后处理过程中采用稀燃的NOx催化剂进行处理稀燃催化剂又被称为HC-SCR（HC-SelectiveCatalyticReductioncatalyst，HC-SCR）催化剂，因此在具体应用过程中可以采用这一催化剂还原NOx为N2。其应用的主要优点是不需要在反应处理过程中加入新的尿素等催化剂。但是，其也具有一定的缺点，比如在污染物后处理过程中，时间转化效率较低。13二、柴油机排放后处理第8.2节汽车尾气排放后处理设计柴油机排放后处理（1）颗粒捕集器DPF（DieselParticulateFilter，DPF）DPF原理是借助惯性碰撞、截留、扩散和重力沉降等机理将PM从气流中分离出来。根据不同的过滤方式，DPF可分为壁流式、流通式、部分流通式三种，由于（部分）流通式DPF过滤效率较低，所以目前一般应用壁流式DPF。DPF再生有两种方式，一种是主动再生，需利用外部热源或非加热机械式再生；一种是被动再生，如催化型颗粒捕集器（CatalyzedSootFilter，CSF）、连续再生装置（ContinuouslyRegenerationTechnology，CRT）、催化型连续再生装置（CatalyzedContinuouslyRegeneratingTechnology，CCRT）。废气再循环系统（ExhaustGasRecirculation，EGR）+DPF技术成熟，在美国重型柴油机、欧洲轻型车上得到了广泛应用。14二、柴油机排放后处理第8.2节汽车尾气排放后处理设计柴油机排放后处理（2）选择性催化还原转换器SCR（SelectiveCatalyticReductioncatalyst，SCR）SCR使用尿素作为还原剂，NOx转化效率稳态情况下高达90%以上，瞬态可达到70%-75%。本身对硫不敏感，但是前置或后置氧化催化转换器（DieselOxidationCatalyst，DOC），则有可能硫中毒。SCR入口NO和NO2

比例非常重要，二者最理想的比例是1：1，可通过对上游DOC或DPF进行温度管理，来调整SCR入口处NO和NO2

比例。SCR技术成熟，在欧洲广泛采用。中国重汽等国内主机厂目前都是按照SCR的技术路线做好技术储备工作，并已进入整车（整机）批产状态。15二、柴油机排放后处理第8.2节汽车尾气排放后处理设计柴油机排放后处理（3）稀燃NOx捕集器LNT（LeanNOxTrap，LNT）利用尾气中的CO和HC（或增加后喷）作为还原剂，使NOx吸附再生的过程。用于中小型柴油车，转化效率高达90％以上。对硫非常敏感，硫含量须小于15ppm，再生过程中需要脱硫，控制较为复杂，贵金属消耗较多。16二、柴油机排放后处理第8.2节汽车尾气排放后处理设计柴油机排放后处理（4）氧化催化转换器DOC（DieselOxidationCatalyst，DOC）DOC将NO转化为NO2。置于DPF上游，用于DPF被动连续再生（如CRT），置于SCR上游，用于调整NO和NO2比例（NO和NO2比例相同时，SCR反应较快），置于SCR下游控制氨气泄漏；同时，可氧化HC、CO，对下游SCR、LNT进行温度管理。缺点是对硫比较敏感。一方面，将SO2

转化为SO3，造成PM排放增加，DPF堵塞；另一方面，硫易使DOC催化剂中毒，如提高催化剂耐硫性，则需提高贵金属铂含量，成本较高。17二、柴油机排放后处理第8.2节汽车尾气排放后处理设计柴油机排放后处理三种组合：DOC+SCR+DPF、DOC+DPF+SCR和DOC+WSCRWSCR：一种在DPF过滤器上涂有具有SCR能力催化剂的壁流式系统。由于小功率的发动机排气温度较低，流速较小，要考虑首先利用SCR来对其进行NOx的还原，避免排气温度下降对SCR的转化效率造成影响，适合采用第一种路线；对于大功率的汽车，首先利用NO来氧化颗粒进行DPF再生，由于大功率的发动机排温高，且流速较大，因此将SCR催化器放在最后，对SCR的转化效率影响较小，即采用第二种路线；DOC+WSCR组合在冷启动阶段和城郊循环中都有较好的转化效率。18二、柴油机排放后处理第8.2节汽车尾气排放后处理设计柴油机排放后处理（5）低温等离子催化辅助技术等离子体是指通过放电、加热、辐射等方法使气体电离而形成的包含电子、离子、原子、分子及自由基等粒子的导电性流体。主要促进活性物质的生成，使得催化剂具有更高的活性和选择性，能够同时净化NOx和PM。与其他后处理技术相比，其特点主要有：反应物由常规电中性变为低温等离子状态，导致活性和选择性的改变；催化剂表面性质在等离子作用下也发生变化；催化剂与等离子体界面存在等离子体鞘。与等离子体电位相比，催化剂表面处于负电位，阳离子在鞘电位加速作用下撞击催化剂表面有助于产物的解吸，促进反应的进行。19下一节第8.2节概述本节内容结束20

本小节的教学重点内容：汽油车用三元催化转化器的设计及零部件选型。第八章汽车尾气排放后处理设计第8.3节汽油机排放后处理设计返回目录21汽油机排放后处理设计第8.3节汽油机排放后处理设计概述汽油车用三元催化转化器作为降低废气排放的有效装置，在国内外已得到很好的应用。如在电控发动机上良好匹配的催化器的稳态转化效率在90%以上，实际装车的运行寿命在8万公里以上。目前汽车用催化器几乎全为整体式蜂窝状结构。如图8-1所示，它主要由壳体、载体、涂层和垫层等四部份组成。1-壳体；2-垫层；3-载体；4-温度传感器；5-支承环；6-涂层22一、壳体设计第8.3节汽油机排放后处理设计壳体设计在催化器壳体设计中，形状设计和材料选择是两项主要的设计参数。形状设计：流经催化器的气流均匀，不发生分离，不产生涡流，具有良好的气流场性能。因此，基于流体力学中最基本的Navier-Stokes方程，对气流场进行计算机数值模拟是必要的。材料选择：抗腐蚀、热变形程度小。目前多采用含Cr、Ni不锈钢（国外采用的牌号为409、439)制作。壳体的直径为130-150mm，长75-150mm。23二、载体设计第8.3节汽油机排放后处理设计载体设计载体在催化器中是承担氧化还原反应的基体。它的形状和材料是最重要的设计参数。常见的截面形状载体型式圆柱栽体非圆柱栽体压力分布均匀不均匀温度梯度径向均匀不均匀壳体变形的可能形式拉伸、弯曲拉伸、变曲、扭曲加强筋设计很有效效果一般壳体变形的程度小大密封性极好不好流场分布均匀不均匀垫层腐蚀程度低高表

圆柱形载体与非圆柱形载体的性能比较24二、载体设计第8.3节汽油机排放后处理设计载体设计载体的材料选择有陶瓷载体和金属载体两种。整体式蜂窝陶瓷载体一般用堇青石挤压制成，它具有耐高温、热变形小的特点；缺点是：导热性不佳、升温较慢、机械强度低、抗冲击破坏能力差。25二、载体设计第8.3节汽油机排放后处理设计载体设计整体式蜂窝金属载体采用高耐热的铁素体不锈钢箔平板与波纹板卷制而成，比陶瓷载体壁薄，几何表面积和孔密度大；缺点是金属载体和催化剂涂层的热膨胀系数差别较大，耐高温性低于陶瓷，且成本较高。26三、催化剂第8.3节汽油机排放后处理设计壳体设计催化剂是涂覆在载体上的涂层，是加速汽车排气氧化-还原反应，提高净化效率的根本因素，其关键在于配方及其涂覆工艺。1）催化剂性能要求：极高的活性、耐高温、寿命长。2）贵金属铂、锗、钯，稀土氧化物作为催化剂。通常将两者结合起来使用，即在稀土元素中填加微量贵金属。27三、催化剂第8.3节汽油机排放后处理设计壳体设计3）催化剂在载体上的附着方法有涂刷法、热喷法和浸渍法。通过对比试验发现，采用浸渍法后再进行烧结处理的工艺最佳。它能使催化剂渗透到载体的表层，形成牢固的过渡层，且分布均匀。28第8.3节汽油机排放后处理设计壳体设计四、垫层载体与壳体的配合采用垫层方式。由于排气温度变化较大，加之壳体与载体的材料热膨胀性能有较大差异（壳体用钢制成，载体用陶瓷材料做成。垫层性能：密封性、缓冲性、隔热性。

目前垫层：金属网、陶瓷密封垫。29第8.3节汽油机排放后处理设计壳体设计五、系统因素催化器要与发动机很好地匹配工作，要考虑的系统因素有：发动机性能及排放特性；发动机的动力损失；所选车型的排气系统结构与布置；催化器在系统中各参数的协调与配合；所用燃油的性质。30下一节第8.3节概述本节内容结束31

本小节的教学重点内容：柴油机颗粒捕集器DPF设计、选择性催化还原转换器SCR设计、排放后处理的整体设计。第八章汽车尾气排放后处理设计第8.4节柴油机排放后处理设计返回目录32第8.4节柴油机排放后处理设计颗粒捕集器DPF设计一、颗粒捕集器DPF设计（1）颗粒捕集器过滤体的设计1）过滤体材料的选择陶瓷基过滤材料是目前研究和应用最多的一种，通常由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，主要结构有壁流式蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷及陶瓷纤维毡。33第8.4节柴油机排放后处理设计颗粒捕集器DPF设计一、颗粒捕集器DPF设计壁流式蜂窝陶瓷过滤体结构简图壁流式蜂窝陶瓷：目前研究和使用最多的过滤体，其用热膨胀系数低、造价低廉的堇青石制成，对颗粒的过滤效率可达90%以上，SOF（SolubleOrganicFractions，可溶性有机成分）也能被部分捕集，且耐高温、机械强度高、流动阻力小。（1）颗粒捕集器过滤体的设计1）过滤体材料的选择34第8.4节柴油机排放后处理设计颗粒捕集器DPF设计一、颗粒捕集器DPF设计泡沫陶瓷：泡沫陶瓷可塑性强，孔隙率大（80%-90%)且孔洞曲折，具有更好的热稳定性，近年被用作柴油机排气颗粒的过滤材料。陶瓷纤维：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其性能达到最优化。陶瓷纤维毡的过滤体内纤维表面全是有效过滤面积，过滤效率可达95%。对比泡沫陶瓷和壁流式陶瓷，泡沫式陶瓷具有孔洞独特，深床过滤，热稳定性好，寿命长等特点，若采用径向过滤，过滤体可选用SiC泡沫陶瓷。（1）颗粒捕集器过滤体的设计1）过滤体材料的选择35第8.4节柴油机排放后处理设计颗粒捕集器DPF设计一、颗粒捕集器DPF设计（1）颗粒捕集器过滤体的设计2）过滤体的结构设计载体外观形状对其使用性能的影响较大，其设计原则应保证有利于载体承受最大的载荷以及温度梯度分布均匀，从而保证载体在使用时的耐久性。过滤体形状一般为圆筒形，同时减小加工难度，过滤单元的个数应为偶数个。例，将过滤体划分成了8个过滤单元，每个单元端截面为扇形，形状如图所示。在颗粒捕集器的实际应用中，颗粒捕集器容积与发动机排量之间的关系为36第8.4节柴油机排放后处理设计颗粒捕集器DPF设计一、颗粒捕集器DPF设计（2）颗粒捕集器结构设计颗粒捕集器包括捕集器外壳，出气管及端盖组件、过滤体组件、电机传动轴、再生装置、轴承等部分。1）过滤体支架及外壳2）进气管：避免急剧转弯3）进气扩口：减小流速冲击37第8.4节柴油机排放后处理设计颗粒捕集器DPF设计一、颗粒捕集器DPF设计（2）颗粒捕集器结构设计4）外壳端盖5）颗粒捕集器总成图颗粒捕集器内由多块过滤体单元组成，单元块之间由钢板及涂层隔开。若采用微波再生方式，可以有效的防止能源的散失，微波源入口固定在壳体上。38第8.4节柴油机排放后处理设计选择性催化还原转换器SCR设计二、选择性催化还原转换器SCR设计（1）SCR催化转换器总体设计思路39第8.4节柴油机排放后处理设计选择性催化还原转换器SCR设计二、选择性催化还原转换器SCR设计（2）SCR催化转换器设计要点为了保证SCR转换器能够达到所要设计的脱硝能力应满足以下三点要求：1）应确保首层催化剂入口截面处排气流速满足良好的均匀性2）应确保首层催化剂入口截面处还原剂分布要达到良好的均匀性3）应确保SCR系统压降降到最低40第8.4节柴油机排放后处理设计选择性催化还原转换器SCR设计二、选择性催化还原转换器SCR设计（3）SCR催化转换器催化剂尺寸设计1）SCR催化剂选型设计技术要求SCR系统中催化剂的选型尤为重要，不同催化剂具有不同的催化性能，因此，所选催化剂的性能关乎着整个SCR系统的性能。借鉴在其他行业的经验，考虑到车辆的运行环境，对催化剂的技术要求有NOx脱硝率、氨逃逸量、SCR系统压降、S02/SO3转化率、催化剂寿命。2）催化剂介绍催化剂为SCR的核心，成本约为整个系统投资的1/3左右。催化剂一般由活性成分部分和基体两部分组成。41第8.4节柴油机排放后处理设计选择性催化还原转换器SCR设计二、选择性催化还原转换器SCR设计（3）SCR催化转换器催化剂尺寸设计催化剂活性成分：包含多种组分，可分为主催化剂和助催化剂。催化剂基体：作为负载催化剂活性成分的载体，其具有一定机械强度、理化反应、布置活性物质、改善了导热性和热稳定性。活性成分或者基体不同贵金属催化剂金属氧化物催化剂分子筛催化剂碳基催化剂适用的排气温度高温（450〜600oC及以上）中温（320〜450oC）低温（120〜300°C)催化剂结构蜂窝式（广泛）平板式波纹板式42第8.4节柴油机排放后处理设计选择性催化还原转换器SCR设计二、选择性催化还原转换器SCR设计（4）催化剂尺寸设计思路催化剂的选择：目前采用SCR技术的主要限制因素为排气温度范围。催化剂节距的确定：催化剂各个单元孔之间的孔间距一般称为催化剂的节距。催化剂孔数越多，其节距也就越小，但节距变小，排气阻力增大，容易堵塞催化剂孔道。例，车用柴油机所用燃料为轻油，宜采用较大节距的催化剂模块，如标准模块40ⅹ40孔，该催化剂单元模块孔间距设计为3.7mm。43第8.4节柴油机排放后处理设计选择性催化还原转换器SCR设计二、选择性催化还原转换器SCR设计（4）催化剂尺寸设计思路催化剂空速及催化剂体积选取催化剂截面积及长度尺寸的确立44第8.4节柴油机排放后处理设计选择性催化还原转换器SCR设计二、选择性催化还原转换器SCR设计（5）立式SCR催化转换器设计具体结构的设计包括：转换器主体段设计、进排气管及扩张（收缩)管的设计。SCR转换器的截面积尺寸比催化剂横截面积大15%。柴油机SCR转换器的高度：转换器进、排气管路的设计：排气管内流速过低，停留时间长，增加了还原剂的消耗；排气管内流速过大，排气与还原剂将会得不到充分的混合，对下游的催化剂冲刷严重。管内流速要求在20m/s左右。扩张（收缩）管设计：催化转换器主体段的截面尺寸较转换器进气管的截面尺寸大的多，为了达到良好的过渡，两者之间需要采用过渡结构连接—扩张（收缩）管。45第8.4节柴油机排放后处理设计排放后处理的整体设计三、排放后处理的整体设计柴油机的尾气后处理系统需要达到四个目的：（1）减少碳氢化合物的排放（2）减少一氧化碳的排放（3）减少氮氧化物的排放（4）减少颗粒物的排放。其后处理系统需要组合几种不同的催化剂来达到排放要求。几种催化剂各自独立工作，但彼此又有关联。在设计后处理系统时，对于不同车辆、不同排放要求，需要决定使用哪种技术路线，以及后处理系统的构造。不存在一个适用于所有车辆的标准系统。46第8.4节柴油机排放后处理设计排放后处理的整体设计三、排放后处理的整体设计（1）氮氧化物的转化，SCR还是LNTSCR催化剂对氮氧化物的转化率较高，LNT的转化率略低。LNT催化剂釆用贵金属作为活性成分，其成本严重依赖于贵金属的使用量。发动机的排量越大，贵金属的使用也越多。LNT催化剂的成本随发动机排量的增加而显著增加。SCR催化剂使用非贵金属（铜、铁或钒）作为活性成分，发动机排量增加时催化剂的体积增加，其成本变化的幅度不大。另外和SCR配套的尿素储存、尿素喷嘴、混合装置和控制设施都是固定费用，与发动机排量的关系不大。总的来说，SCR催化剂的成本随发动机排量增加的变化不大。47第8.4节柴油机排放后处理设计排放后处理的整体设计三、排放后处理的整体设计（1）氮氧化物的转化，SCR还是LNT催化剂的安装。LNT催化剂的结构比较简单，所占空间较小，容易安装。SCR催化剂除了催化剂本身外，还需要安装喷嘴、喷射泵、尿素储存装置、混合装置等。尤其是小型车的发动机出口空间比较紧凑，使用SCR催化剂有一定的难度。发动机的控制问题和碳氢化合物的排放。对于SCR催化剂，发动机的控制没有要求。LNT催化剂，由于在解吸氮氧化物时需要额外的还原剂，因此发动机进行短暂但是频繁的低空燃比（富燃)操作提供碳氢化合物。低空燃比操作时会产生大量的碳氢化合物。燃油经济性的影响。在使用LNT催化剂时，由于需要频繁的富燃操作来还原氮氧化物，发动机的油耗将显著上升，催化剂对柴油中的硫非常敏感。48第8.4节柴油机排放后处理设计排放后处理的整体设计三、排放后处理的整体设计（2）DPF和氮氧化物转化催化剂的相对位置在轻型柴油机的应用中，柴油颗粒捕集器适合后置于氮氧化物转化催化剂，确保氮氧化物转化催化剂能够在适当的温度下有效地转化氮氧化物。总之，柴油颗粒捕集器相对位置的选择取决于发动机的类型、车辆驾驶的工况条件、需要满足的排