08第八章内燃机排气后处理与排放法规.

第四节内燃机的排气后处理通过改进内燃机本身的设计和优化工作过程来降低污染物的排放，有一定的限度。汽油机：均匀混合气，即使偏稀混合气燃烧，CO也有排出，HC由于多种原因，也有排出，至于NOx则是燃烧越完全，生成越多，缸内控制NOx也遇到了困难。柴油机：不均匀混合气压缩自然的方式，很难从根本上减小微粒的排放，而降低NOx的措施往往与降低微粒排放以及减小燃油消耗相矛盾，实际技术手段有限时，只能采用折中方案。排放标准日益严格，又需要兼顾动力性、经济性、排放性的内燃机越来越复杂，成本急剧上升开发排气后处理技术不影响或少影响其它性能的同时，降低排气污染现在最成功的排气后处理装置是汽油机用的三效催化转换器，它使车用汽油机的CO、HC和NOx排放量削减了80％~90％，现已成为汽油车的必备装置。车用柴油机的微粒捕集器正在开发之中，已研制的样品可降低柴油机微粒排放50％~80％。为了进一步改善汽油机性能和排放，缸内直接喷射技术已经成为研究开发的热点，同时正在开发富氧条件下NOx还原的催化技术，该技术对于柴油机NOx的净化同样意义重大。一、汽油机三效催化转化器二、柴油机排气微粒捕集器一、汽油机三效催化转化器1、催化反应机理2、催化转化器的结构3、催化转化器的工作特性4、车用三效催化剂的要求5、汽油机排气后处理之未来HCCONOxH2OCO2N2222NOHCONOxHCCOTWY1、催化反应机理氧化还原反应，催化剂不参加反应，降低反应物的活化能，加速反应进程2、催化转化器的结构外壳减振密封垫载体与催化剂催化转化器的结构椭圆形载体与催化剂载体催化剂涂层助催化剂氧化铝贵金属Pt,Rh,Pd不锈钢外壳催化转化器催化剂的活性材料三效催化剂的主要活性材料是贵金属铂Pt和铑Rh。Pt主要催化CO和HC的氧化反应，Rh催化NOx的还原反应。一般贵金属的用量为每升载体1g，Pt/Rh比为5：1左右。由于Pt很贵，也有研究用钯Pd部分或全部代替Pt。Pd的氧化活性不错，但其晶体结构容易容纳杂质，易受杂质中毒。为进一步降低成本，正在大力研究用钙钛矿型稀土催化剂(或加上过渡金属氧化物催化剂)代替贵金属的可能性，但尚未大量用于汽车发动机。助催化剂为了改善三效催化剂的性能，除了氧化铝和贵金属外，三效催化剂中还可能含有各种各样的添加剂或助催化剂，如镍Ni、铈Ce、镧La、钡Ba、锆Zr、铁Fe和硅Si等。它们起多种多样的作用，如加强催化活性、稳定载体以及防止贵金属烧结等。近三年来国内贵金属价格变动情况3、催化转化器的工作特性空然比特性起燃特性空速特性耐久特性流动特性空然比特性起燃特性空速特性SV也经常简称空速，主要用于评价催化器的安装占用空间的程度。显然，在同样的排气流量下，排气催化转化器所允许的空速SV越大，催化器的体积就越小。或者说，SV越小，在同样的排气流量下，反应气体在催化器中的停留时间越长，转换效率越高。）催化器（）催化器排气出气体量（331/)(dmhdmhSV流动特性扩张角=70度扩张角=60度扩张角=40度流动特性催化器入口处流速为26.0m/sN=3000r/m催化器入口处流速为32.0m/sN=4000r/m催化器入口处流速为38.0m/sN=5000r/m催化器入口处流速为43.0m/sN=6000r/m耐久特性化学老化热老化积垢老化机械老化中毒：不可逆吸附或发生表面反应抑制：毒物的竞争可逆吸附毒物导致催化剂表面重构发生载体孔结构的阻塞活性组分的烧结形成合金载体结构发生变化贵金属-贱金属的相互作用贵金属表面重组贵金属挥发碳沉积（结碳）热冲击磨损机械破坏%1001%催化器入口浓度催化器出口浓度）转换效率（式中，催化器出、入口浓度分别代表有害气体（HC、CO、NOx）的浓度。可见，转换效率表示把HC、CO、NOx等有害气体转换成无害气体的百分率。转换效率的测定一般在发动机试验台或装车试验中进行。转换效率补充！！4、车用三效催化剂的要求起燃温度低；有较高的储氧能力，以补偿Φa的波动；耐高温，不易热老化；对杂质不敏感，不易中毒；尽量不产生H2S、NH3等物质；成本合理。5、汽油机排气后处理之未来载体技术——催化器新型载体目前，也有用金属作为催化剂的载体材料。一般用厚度不超过0．1mm的极薄不锈钢带，一层带波纹一层不带波纹地交替叠合，卷成螺线形或S形，焊装在金属圆筒内。这种载体的优点是结构紧凑，热容量小，有利于提高内燃机冷起动时的净化效果，机械强度和热强度高，工作可靠；缺点是质量大，成本高，涂敷活性层困难。它一般做成小的，安装在陶瓷主催化转化器前，用来改善冷起动净化性能，或用于振动较大的场合，如摩托车。快速起燃技术——电加热催化转化器EHC—ElectricHeatedCatalyst快速起燃技术——紧耦合型催化转化器NOx吸附还原技术——吸附过程——还原过程柴油机机后净化措施氧化催化器（DOC）微粒捕集器（DPF）稀NOX催化还原器（LNC）NOX吸附器（LNT）选择性催化还原器（SCR）LNCNOxNOx/PMControlLNTOxidationCatalystCombinationPMSolidsSOFSCRActivePassiveDPF(DieselParticulateFilter)IntegratedSystemOff-Board/ReplaceFBCCatalystBasedDieselParticulateFiltersCSFEngineManagementNon-CatalyzedReusableActiveCDPFFBCTypeConcent.Cat.TypeLoadingCat.TypeLoadingIntakeRestric.ExhaustRestric.ExhaustHeatAdd.DPFApplicationExample1–FBC+DOC+DPF(COMPOSITEGENERATEDFROMINDUSTRYEXPERIENCE)102030405060NOxCONVERSIONEFFICIENCY,%EXHAUSTTEMPERATURE,C200250300350400450Pt-ZCu-ZTRANSIENTCOMPOSITEREDUCTION15-30%F/NO=46:1SupplementalHCSCR4NO+O2+4NH34N2+6H2O2NO2+O2+4NH33N2+6H2OSCR4N2+2CO2+4H2O4NO+O2+2CO(NH2)2第四节、柴油机机后净化措施不同国家不同排放标准下对于柴油机的应对措施柴油机排放综合控制技术（DPF+SCR）FUELTIMELINE2005:EUULSD50ppmS2005:JapanULSD50ppmS2006:EPA/CARBULSD15ppmS2007:USNon-roadLSD500ppmS2009:EUSULSD10ppmS2010:USNon-roadULSD15ppmS(2000)(2005)(2008)China2010China2007Nothing,orDOCtocontrolodorDOC+DPF+FBC,orDOC+CDPF,orDOC,SCRDOC+CDPFDOC+CDPF+SCR二、柴油机排气微粒捕集器微粒捕集器主要用于净化柴油机排气中的微粒目前正在开发的微粒捕集器有体积型和表面型两大类，前者被捕集的微粒沉积在过滤材料体内，后者则大部分沉积在表面上。体积型微粒捕集器的滤芯用泡沫陶瓷、钢丝棉或陶瓷纤维筒等较疏松的材料制成。它们受热均匀，在热再生过程中不易损坏，但捕集效率不高，一般在50％一70％之间，特别在气流速度较高时效率下降；另一个缺点是阻力大，因而紧凑性不好。表面型微粒捕集器主要用与汽油机三效催化剂整体蜂窝陶瓷载体类似的堇青石蜂窝陶瓷块作为滤芯。柴油机微粒再生技术是微粒捕集器应用的关键。主要内容1、微粒捕集器的结构原理2、微粒捕集器的再生方法3、柴油机排气后处理之未来1、微粒捕集器的结构原理体积型微粒捕集器的结构陶瓷纤维缠绕微粒捕集结构原理进口出口表面型（壁流式）微粒捕集原理典型的微粒捕集装置OutletSectionFilterSectionCatalystSectionInletSectionV-Clamps微粒捕集系统车载安装图试验后的微粒捕集器进口出口试验后微粒捕集器外壳进口部分出口部分2、微粒捕集器的再生方法l喷油助燃再生l电加热再生l微波加热再生l催化再生l连续再生l添加剂再生l进气节流再生l排气节流再生l后燃再生l逆向喷气再生l机械振动再生利用外部热源再生（主动再生）降低微粒活化能再生（被动再生）利用发动机热能再生（主动再生）非加热机械式再生（主动再生）再生方法陶瓷纤维缠绕微粒捕集及催化再生过程再生前再生开始再生结束再生中电加热再生喷油助燃再生微波加热再生3、柴油机排气后处理之未来壁流陶瓷捕集器的进一步研究——增加捕集容量、延长再生周期过流式微粒捕集原理__减小捕集量，延长使用时间连续再生Pt催化剂DPF发动机排气净化后排气NO+O2→NO2C+NO2→CO2+N2C+O2→CO2InletSectionCatalystSectionFilterSectionOutletSectionHoneycombCatalystWall-flowFilterSCRT™SystemConfigurationEngineCRTTMSCRSlipCatalystRemovalofHC,CO,PMRemovalofNOxRemovalofNH3slipifrequired4-wayconversionUrea柴油机排气四效净化技术HSOVurea(NH2)2COExhaustGasHydrolysisCatalyst(H)(NH2)2CO+H2O2NH3+CO2SCRCatalyst(S)4NH3+4NO+O24N2+6H2O2NH3+NO+NO22N2+3H2O8NH3+6NO27N2+12H2OOxidationCatalyst(O)4NH3+3O22N2+6H2OOxidationCatalyst(V)2NO+O22NO24HC+3O22CO2+2H2O2CO+O22CO2第五节排放法规一、排放测试规范二、取样系统三、测量技术简介四、排放限值一、排放测试规范整车测试方法（km/h）台架测试方法(g/(kW.h))FTP测试循环日本测试循环ECE测试循环R49测试循环欧洲稳态测试循环美国FTP城市行驶工况图日本10·15工况循环ECE行驶工况试验循环ECER49标准测试循环欧洲稳态标准测试循环二、取样系统（CVS）S1、S2—取样探头F—滤清器P—取样泵N—流量控制阀FL—流量计V—快速动作阀Q—气密式快速紧固接头BA—环境空气取样袋BE—稀释排气取样袋三、测量技术CO不分光红外线吸收型分析仪（NDIR）HC氢火焰离子型分析仪（FID）NOx化学发光型分析仪（CLD）PM称重法不分光红外线吸收型分析仪（NDIR）由光源发出两束能量相等的平行红外线，其波长为2～7μm，进入左右两室，左室为基准室，充满不吸收红外线的标准气体如N2，右室为分析室，测量开始前也充入与左室相同的气体，这样红外线穿过两室，射入检测电容器的能量相等。测量时将待测气体通过分析室，由于待测气体吸收红外线，使穿过有室的红外线能量减少，则检测器中金属薄膜右侧的压力减小，薄膜向右凸起，电容量减少，并且正比于待测气体的浓度；然后把电容量调制为超低频交流电压的信号，经放大、整流后在记录仪上显示。FID工作原理是利用有机HC在氢火焰的高温（约2000℃）中燃烧，一部分分子或原子就会离子化而生成自由离子；在外加电场作用下，离子向两极移动，形成离子电流，其电流大小与待测气体的流量和浓度成工比。由于HC中各组成沸点不同以及为消除水的影响，在直接取样时应加热，一般汽油机为150C左右，柴油机在200C以上。氢火焰离子型分析仪（FID）当气样中的NO和O3（臭氧）反应生成NO2时，