汽车发动机原理9章3(王建昕)

1、第9章 有害排放物的生成与控制9.1 9.1 有害排放物的生成机理与影响因素有害排放物的生成机理与影响因素9.2 9.2 排放法规及测试方法排放法规及测试方法9.3 9.3 汽油机的机内净化技术汽油机的机内净化技术9.4 9.4 柴油机的机内净化技术柴油机的机内净化技术9.5 9.5 汽油机排气后处理技术汽油机排气后处理技术9.6 9.6 柴油机排气后处理技术柴油机排气后处理技术9.5 汽油车的机外净化技术汽油车的机外净化技术p汽油机排气后处理汽油机排气后处理见表见表9.8p三效催化剂三效催化剂（TWC）排放控排放控制技术的一次革命制技术的一次革命三效催化剂三效催化剂及排放控制系统及排放控制系

2、统的的三效催化剂三效催化剂的净化效果的净化效果催化转化器结构载体载体陶瓷蜂窝载体、金属载陶瓷蜂窝载体、金属载体、氧化铝球体、氧化铝球 孔密度孔密度=400-600（孔（孔/in2） 壁厚壁厚=0.150.10mm（陶瓷）陶瓷）贵金属贵金属铂、铑、钯铂、铑、钯催化剂分类：催化剂分类： 氧化型氧化型、还原型还原型、氧化还原型（三效）氧化还原型（三效）、 稀燃型稀燃型 氧化型催化剂（氧化型催化剂（OC，Oxidation Catalyst） 2CO + O2 2CO2 （1-1） 4HC5O2 4CO2 + 2H2O （1-2） 2H2 + O2 2H2O （1-3）汽油车催化剂工作原理三效催化剂三

3、效催化剂（TWC，Three Way Catalyst） 2CO + 2NO2CO2 + N2 （1-4） 4HC + 10NO4CO22H2O5N2 （1-5） 2H2 + 2NO 2H2O + N2 （1-6）氧化还原反应氧化还原反应没有没有O O2 21. 转化效率转化效率2. 空燃比特性（空燃比特性（Sweep ）3. 起燃特性（起燃特性（Light off）起燃温度特性（起燃温度特性（Light-off Temperature) T50T起燃时间特性（起燃时间特性（Light-off Time) 50TWC主要性能理论空燃比及足够温度时，理论空燃比及足够温度时，转化效率转化效率959

4、5100%100%催化转化器的冷起动催化转化器的冷起动THCTHC排放排放n催化剂一旦起燃，实际排放量极少；催化剂一旦起燃，实际排放量极少；n70708080的的HCHC排放排放是在催化器起燃之前产生（方案是在催化器起燃之前产生（方案A A），因此），因此降低冷起动降低冷起动HCHC排放是满足更加严格排放法规的关键。排放是满足更加严格排放法规的关键。n对策对策推迟点火时刻推迟点火时刻提高排温；提高排温；降低降低T50 T50 和和5050TWCTWC增加贵金属；增加贵金属；采用紧凑耦合催化器采用紧凑耦合催化器低热惯量，起低热惯量，起燃快（图中方案燃快（图中方案B B）。）。冷起动时的冷起动时的

5、NOxNOx排放？排放？“零”排放（ZLEV）控制系统n多级催化剂（多级催化剂（本田本田19981998年）年） HC HC吸附预热吸附预热TWCTWC 市区行驶时的市区行驶时的THCTHC排放低于周围大气中的浓度排放低于周围大气中的浓度( (暖机后暖机后1 1ppmHCppmHC, ,而环境而环境3 34 4 ppmppm) )。1010万英里老化后，排放仅有加州超低排放法规（万英里老化后，排放仅有加州超低排放法规（ULEVULEV）限值得限值得1/101/10。 汽油机可以实现汽油机可以实现近近零零排放，满足未来排放，满足未来十年的排放法规。十年的排放法规。NOx吸附还原催化剂吸附还原催化

6、剂NOxNOx吸附还原催化剂吸附还原催化剂用于稀燃条件下的用于稀燃条件下的NOxNOx催化还原催化还原 (ARC (ARC，Adsorption Reduction Catalyst)Adsorption Reduction Catalyst)n 稀薄燃烧时，稀薄燃烧时，NOxNOx被以硝酸盐被以硝酸盐MNO3MNO3形式吸附在碱土金属上；形式吸附在碱土金属上；n 在过浓燃烧条件下，脱附，并在在过浓燃烧条件下，脱附，并在PtPt贵金属上还原反应。贵金属上还原反应。n随排放法规加严，还原剂随排放法规加严，还原剂所占燃油消耗率由所占燃油消耗率由1 1个点个点增加至增加至5 5个点以上，节油个点以上

7、，节油效果逐渐减小。效果逐渐减小。NOx吸附还原催化剂吸附还原催化剂aa 1 1aa 1 1并推迟点火并推迟点火a = 1n为使为使ARCARC能在稀能在稀- -浓交替条浓交替条件下工作，稀燃发动机需要件下工作，稀燃发动机需要每隔一定时间多喷油过浓燃每隔一定时间多喷油过浓燃烧，并推迟点火时刻，以产烧，并推迟点火时刻，以产生还原氛围；生还原氛围；稀燃催化剂（稀燃催化剂（ARCARC）与稀燃）与稀燃GDIGDI稀燃催化剂开发困难，导致第一代稀燃催化剂开发困难，导致第一代GDI发动机在发动机在05年后停产；年后停产；节能与排放的双重要求，导致了汽油机技术的螺旋式进步。节能与排放的双重要求，导致了汽油

8、机技术的螺旋式进步。9.6 柴油机后处理技术分类柴油机后处理技术分类（1）氧化催化转化器氧化催化转化器 用于降低用于降低SOF、HC和和CO；（2）微粒捕集器微粒捕集器 用于过滤和除去排气微粒；用于过滤和除去排气微粒；（3） NOx还原催化剂还原催化剂 用于降低用于降低NOx排放。排放。1、柴油机氧化催化器、柴油机氧化催化器氧化催化剂对降低氧化催化剂对降低CO、HC、PM（SOF）有一定效果。有一定效果。但氧化催化剂同时会造成：硫酸盐但氧化催化剂同时会造成：硫酸盐，使，使 PM PM 因此：柴油硫含量应小于因此：柴油硫含量应小于5050100ppm100ppm2、微粒捕集器（、微粒捕集器（DP

9、F）nDPFDPF通过过滤等物通过过滤等物理方法捕集净化排气理方法捕集净化排气中的中的PMPM。nDPF过滤材料：过滤材料： 陶瓷蜂窝载体，陶瓷蜂窝载体， 陶瓷纤维编织物，陶瓷纤维编织物， 金属纤维编织物。金属纤维编织物。n应用最多的是应用最多的是: 壁流式蜂窝陶瓷壁流式蜂窝陶瓷过滤效率可达过滤效率可达90%以上。以上。DPFDPF再生再生（regeneration）柴油机排温过低，柴油机排温过低，PMPM不易氧不易氧化；化；一旦起燃，又易高温烧熔。一旦起燃，又易高温烧熔。再生方式再生方式（1） 断续加热再生断续加热再生交替工作交替工作/再生，一般采用加热方法再生，一般采用加热方法, 电加热、

10、喷油后燃加热；电加热、喷油后燃加热；Inlet of DPFOutlet of DPF需要电控喷油以实现多次喷射需要电控喷油以实现多次喷射2、微粒捕集器（、微粒捕集器（DPF）以以NO2作氧化剂（下图，作氧化剂（下图，JMJM公司），公司），降低碳粒氧化起燃温度；降低碳粒氧化起燃温度；载体表面（或入口处）涂催化剂；载体表面（或入口处）涂催化剂；燃料中添加催化剂（铈）。燃料中添加催化剂（铈）。（2） 连续催化再生连续催化再生2、微粒捕集器（、微粒捕集器（DPF）3、柴油机、柴油机NOx后处理方法后处理方法（1）选择性非催化还原选择性非催化还原 （SNCR，Selective Noncatalyt

11、ic Reduction）（2）选择性催化还原选择性催化还原 （欧洲看好）（欧洲看好） (SCR， Selective Catalytic Reduction)（3）非选择性催化还原非选择性催化还原 （NSCR， Nonselective Catalytic Reduction ）（4 4）吸附还原催化剂吸附还原催化剂 （美国看好）（美国看好） (NSR， NOx Storage Reduction 或或LNTLNT)（5）四效催化剂四效催化剂COCO、HCHC、NOxNOx、PMPMSCR-NOx催化还原机理催化还原机理喷射量约为油耗的油耗的37NH310ppmUrea-SCR主要反应机理主

12、要反应机理 4NO + 4NH3 O2 4N2 + 6H2 O （9-21） 6NO + 4NH3 5N2 + 6H2O （9-22） 2NO2 + 4NH3 + O2 3N2 + 6H2O （9-23） 6NO2 + 8NH3 7N2 + 12H2O （ （9-24） ） 2NH3 + NO + NO2 2N23H2O （ （9-25） ）SCR-NOx催化还原机理标准标准SCRSCR反应反应（O O2 2 不可缺）不可缺）快速快速SCRSCR反应反应低温反应快低温反应快（NO/NONO/NO2 2 =1 =1）SCR-NOx催化还原系统催化还原系统UreaSCR系统系统在实际中达到在实际中

13、达到90%的净化效率，已商的净化效率，已商业化。业化。存在问题：存在问题：系统复杂、成本高，系统复杂、成本高，防止防止Urea排放，排放，Urea毒性和腐蚀性，毒性和腐蚀性，前置前置DOC的硫中毒。的硫中毒。 排放控制策略的选择技术路线技术路线1：机内降：机内降PM 机外采用机外采用SCR（燃油经济性好，欧洲是主流）（燃油经济性好，欧洲是主流）技术路线技术路线2：EGR降降NOx 机外采用机外采用DPF（成本低一些，美国是主流）（成本低一些，美国是主流）面对更为严格的排放法规，同时需要面对更为严格的排放法规，同时需要SCR和和DPF满足欧满足欧4欧欧5的排放控制策略的排放控制策略排放控制技术小

14、结排放控制技术小结推迟点火时间推迟点火时间EGREGR充分燃烧充分燃烧电控（化学计量比）电控（化学计量比）TWCTWC（冷起动对策、精确匹配）冷起动对策、精确匹配） 推迟喷油时间推迟喷油时间 EGR EGR（中冷）中冷） 喷油规律优化（燃烧放热规律优化）喷油规律优化（燃烧放热规律优化） 燃烧室优化（形状、涡流比）燃烧室优化（形状、涡流比） 高压喷射（高压喷射（120120160 160 MPaMPa） DOC DOC、DPFDPF、SCRSCRn汽油机汽油机：n柴油机柴油机：国（欧）国（欧）4 4法规后，法规后，柴油车必须用后处理！柴油车必须用后处理！国（欧）国（欧）1 1法规后，法规后，汽油

15、车必须用后处理！汽油车必须用后处理！8章作业（章作业（2）4 4、柴油车能否使用三效催化剂？为什么？、柴油车能否使用三效催化剂？为什么？5 5、重型柴油车满足国、重型柴油车满足国4 4排放法规的主要后处理技术路线有哪排放法规的主要后处理技术路线有哪些？分析其利弊；其中那些后处理技术需要同时使用低硫些？分析其利弊；其中那些后处理技术需要同时使用低硫柴油？为什么？柴油？为什么？学习要点学习要点1.1. NONO生成的三个途径和三要素生成的三个途径和三要素2.2. HCHC在柴油机和汽油机中生成机理的不同在柴油机和汽油机中生成机理的不同3.3. PMPM生成机理、生成机理、PMPM与碳烟的关系与碳烟的关