【柴油机排气后处理的几种技术及净化系统设计（论文9100字）】

柴油机排气后处理的几种技术及净化系统设计TOC\o"1-3"\h\u10759绪论 118991第1章柴油机排放的特性分析 122526第2章颗粒形成的原因 1196322.1颗粒的危害性 165062.2颗粒生成与氧化模式 2254002.3颗粒过滤捕集机制 29355第3章颗粒的成分及生成机理 2144133.1柴油机颗粒物的组成成分 266623.2柴油机颗粒物的生成机理 229008第4章日益严格的排放法规 3152984.1车用柴油机排放法规ECER49 3231494.2非道路用内燃机排放法规 4306114.3我国排放法规 46941第5章简单分析柴油机排放控制的对策措施 5195175.1柴油机结构改进 5326605.2后处理技术的应用 5922第6章柴油机排气后处理的几种技术分析 617516.1排气PM后处理技术分析 6212236.2排气NOx后处理技术 78782第7章柴油机排气净化系统的设计 8149827.1系统的工作原理 8151117.2系统的组成 922277.2.1微粒过滤器 9292027.1.2微波功能源 9161267.1.3车用电源 10318877.1.4控制系统 1022670第8章过滤器的消声设计 11167488.1过滤器外形尺寸的确定 1180508.2过滤器内部结构 1119947总结 1229074参考文献 13绪论柴油发动机由于其高热效率，强动态性能和良好的可靠性而得到了广泛的研究和应用。根据相关数据，到2020年，中国柴油车数量可能达到整体汽车市场的30％。由于柴油发动机气缸中燃料的不完全燃烧，颗粒物质（PM）成为其主要污染物。颗粒物质可长时间漂浮在大气中，污染环境，严重影响人体健康。研究表明，空气中细颗粒物质每增加100微米/立方米，心血管死亡率就会增加12.3％。因此，减少颗粒物排放，减少环境污染，减少对人体健康的影响具有重要意义。第1章柴油机排放的特性分析柴油机虽然比汽油机晚出,但与汽油发动机相比，它具有更高的热效率，经济性，长寿和行驶距离，并可减少温室气体二氧化碳排放。现代柴油发动机与传统柴油发动机完全不同，环保，节能，低损耗，经济。特别是，一氧化碳和碳氢化合物的排放量仅为同一排量汽油发动机的1/5至1/10。过量空气系数α可以从1.2变为无穷大。采用高压缩比(β=16-24),无节流损失。为了保证汽油机的点火,预混燃烧方式需要0.8-1.2的比例:为了防止爆燃,需要β<12的比例(一般小于10)。混合气的形成主要发生在发动机外部,通常存在大量的进气节流损失。柴油发动机的CO和HC排放量远小于汽油发动机的CO和HC排放量，不到汽油发动机的1/10。即只有在汽油机装有三元催化转化器的情况下的水平。但是颗粒物和氮氧化物的形成机理大体上是完全相反的,这使得控制颗粒物排放与氮氧化物排放方法存在矛盾。虽然在φa>0.6的区域内没有产生烟雾，但是产生的NO量随着φa的增加而增加，并且在大约φa=1.1时达到峰值。这是通常意义上难以减少柴油发动机的烟灰和NO排放。第2章颗粒形成的原因2.1颗粒的危害性我们提到的颗粒物是液体燃料、固体碳基颗粒和碳基颗粒表面无机物的统一名称,它们是通过稀释柴油机的排气环境而产生的,而不是冷凝水。颗粒物质的组成包括可溶性有机物质和不溶性有机组分，其含有部分硫化物，水和硫酸盐。颗粒对人体的影响与颗粒的体积和内质组成有关。2.2颗粒生成与氧化模式颗粒物质主要由吸附在其表面上的烟灰和可溶性有机物组成，其由燃料的不完全燃烧产生。烃类燃料处于高温和缺氧状态。低分子量化合物的个别氧化和裂解同时发生。燃料中的烃分子在反在此过程中应生成不饱和烃。在此基础上，连续脱氢进一步聚合形成长链和环状芳烃以形成烟灰核。在形成烟灰晶核后，它们通过相互聚合形成烟灰骨架，最后形成烟灰颗粒。这个过程形成的碳烟被称之为干碳烟。这些物质聚合成球形聚合物排放。因此,在燃烧过程中有一个循环特性,在燃烧结束时烟灰被氧化。如果气缸处于高压状态,则颗粒氧化速率将增加。由此可见,粒子的形成与氧化之间存在着无限循环。2.3颗粒过滤捕集机制扩散机理是废气中的颗粒受到加热后的气体分子的冲击，然后从原来的轨迹移开。有些粒子移到壁上并被吸收。拦截机制只关注粒子的体积。人们认为，分化后的颗粒将粘附在流线型和圆形的过滤器体上。颗粒尺寸超过孔道的颗粒将被惯性碰撞机制吸收，而惯性碰撞机制忽略了颗粒体积。在空气收缩引起的流线弯曲状态下，它沿前一个方向附着惯性流，并被壁面冲击吸收。在捕获过程中，上述模型的影响受粒子密度、直径、气流和通道的影响。拦截、延伸和碰撞同时发生。第3章颗粒的成分及生成机理3.1柴油机颗粒物的组成成分柴油颗粒物通常被认为是由固体烟灰、可溶性有机物和无机盐组成。固体烟尘是在高温缺氧条件下形成的,但由于柴油机的油气混合比与理想值不同,整体富氧燃烧并不意味着各处都有足够的氧气。局部缺氧仍可形成固体烟尘，而可溶性有机物主要来源于非燃烧燃料和柴油机油;无机盐金属盐更多是由于燃料中的硫元素在高温下燃烧产生硫化物，进一步与其他成分反应生成金属元素。3.2柴油机颗粒物的生成机理柴油机的排气主要是由于燃烧室内空气不足和燃料与空气的混合造成的。碳烟的形成机理一般是碳氢燃料在高温缺氧条件下分解产生的。然而,从燃料分子形成到烟尘颗粒的化学动力学和物理过程的详细机理仍然不是很清楚。对于已经生产的烟灰，如果能够满足足够的氧化气氛和高温,可以减少氧化反应,减少体积,氧化完全。因此,在整个燃烧过程中,碳烟必须经历两个形成和氧化阶段。当然,烟灰的氧化速率根据局部氧化条件而变化。第4章日益严格的排放法规随着人们环保意识的不断提高，柴油机尾气污染已引起世界各国政府的关注。同时，还颁布了一系列适合各国或地区特殊情况的排放法规。在试验方法、试验周期、使用对象、适用范围、计算方法等方面提出了不同的要求,最终排放结果也不尽相同。事实上,不太可能在各种法律法规之间找到更精确的对应转换关系。目前,我国在制定规章时一般遵循"平等收养"的原则。1999年3月,引入了新的国家排放法规GB/T17691-1999。由于法规和原国家法规GB6546-86的较大变化，为了更好地继续以前的排放研究工作，应区分各种法规和新旧法规的不同要求和计算方法。差异尤为重要。在考虑柴油机排放法规和标准时，首先要弄清楚法规和标准的适用范围。用于不同目的的柴油发动机将适用于不同的法规要求，并且不同的法规规定了不同的测试规范和测试方法。因此，根据不同规定的排放测试的最终结果将与排放测试的结果不同。发动机可分为道路发动机和越野发动机。公路用发动机是指为公路运输而设计的车辆发动机,非公路用发动机具有动力范围广、工业钻机，建筑机械推土机，拖拉机，装载机，农业机械，发电机和船用机械等特征。目前，世界上有三种主要的汽车排放法规，即美国，欧洲和日本。对于汽车发动机而言,欧洲排放法规ECER49由于其对试验设备的要求相对简单、实用性强,在世界许多国家得到了广泛的应用。对于非道路内燃机,IS08178的9个标准是国际标准。我国在制定法律法规时,一般遵循"平等采用"的原则,最近出台了新的国家排放法规。因此,区分新旧法规的不同要求和计算方法尤为重要。本文将这两项法规与中国的排放法规进行了比较。4.1车用柴油机排放法规ECER49ECER49法规于1981年1月22日由联合国欧洲经济委员会的欧洲经委会首次颁布。规定使用工作条件法检测柴油机尾气污染物，即C0，HC和NOx。1990年,欧洲经委会首次将欧洲经委会第49号修订为欧洲经委会第4901号,这也是欧盟标准。到1991年,柴油机车辆的微粒排放控制开始实施。1993年12月1日，ECER49作为压缩点火发动机和压缩点火发动机压缩机排放认证的统一规定发布。这是排放法规的第93版。内容完整、清晰,被许多欧洲国家采用,具有广泛的国际特点。目前,欧洲已经颁布了欧洲用户界面法规,并提出了改进的i3试验循环,以模拟实际重型柴油机车辆在EGR和氧化催化作用下的运行状况。此外,欧洲、美国和日本正在就全球排放法规进行谈判,以期在21世纪实现统一。发展中国家正经历着快速的经济增长。一些大中型城市还考虑到环境污染,已对重型柴油发动机实施排放法规。大多数国家，如泰国，新加坡，墨西哥，澳大利亚，阿根廷，台湾和香港，将在二十一世纪采用欧洲排放法规,这对世界来说无疑具有重要意义。船上柴油发动机制造商产生了巨大影响。4.2非道路用内燃机排放法规非汽车内燃机虽然数量较少,但其排放基本上没有得到控制,但对环境污染的影响大于其数量的比例。因此,世界各国政府和相关联合国机构也非常重视非车辆内燃机的排放。自1991年7月以来，国际标准化组织(ISO)制定了9项非道路内燃机排放国际标准(IS08178-11-IS08178-19)。需要指出的是,欧洲经济共同体(EEC)为制定统一的越野车内燃机排放测量和测试方法该标准做出了巨大贡献。例如，在IS08178-4“往复式内燃机排放测量第4部分”“不同应用的发动机测试循环”中，尽管有几个测试循环，但它们的基本循环是基于ECER49法规第13个工作条件下的11个工作条件,并在考虑到根据不同的用途,计算发动机的实际工作条件。由此可见,欧洲指定的法规对世界柴油机排放法规的制定有深远影响。4.3我国排放法规自1984年以来，中国实施了前六项汽车尾气污染物控制标准，即GB3842-183-GB3847-83。仅规定了柴油机排气烟雾（包括自由加速的烟雾和满载烟雾）的测量方法和限值。1987年7月1日，国家机械工业委员会批准实施“柴油机柴油试验方法”（GB6456-86）和“限制”（GBN267-87）。柴油发动机的基本HC，CO和NOX排放首次使用操作条件法确定。这一排放法规也是我们一直延续到今天的排放法规。试验方法参照美国原《13台重型卡车柴油机工况试验规程》,限值相当于20世纪70年代美国的水平,1990年7月23日至26日,中国机械工业部汽车司召开了关于公式编制的研讨会。济南重型汽车集团研究所柴油车及柴油机排放规定。1999年3月,国家正式颁布了GB17691-1999“压缩式燃烧发动机排放限值和压燃式点火发动机和压燃式点火发动机试验方法”等排放法规，并采用了ECER49法规及其限制。因此,在以下比较中,采用ECER49代表新的国家标准,该标准在试验周期和计算方法方面与原国家法律法规有所改进。“柴油机尾气污染物排放限值和测量方法”（中国一，二级），参照欧盟标准。根据欧盟指令97/68/EC，对农业和渔业机械的要求有所提高;第一阶段增加了低于37千瓦的柴油发动机的排放控制，第二阶段增加了低于18千瓦的柴油发动机的排放。控制。第三阶段的未来实施要求尚不清楚。本标准规定一级柴油机型号的认证时间为2007年10月1日，执行时间为2008年10月1日。第二型柴油机型号认证时间为2009年10月1日，执行时间是2010年10月1日。总的来说,欧盟和美国环境保护署已经就柴油机达成排放标准。欧盟StagellI/IV与美国3级/4级标准基本相同。欧盟Stageiv和EPA的最终第四阶段排放法规将于2014年生效。在实施过程中，欧洲和美国的非道路排放法规反映了电力部分实施的特点和分阶段实施，而中国的非道路排放法规在所有电力部门同时实施，没有过渡期（或灵活的解决方案）。这表明中国的柴油机排放法规相对较多于欧盟及美国,还需要进一步完善。第5章简单分析柴油机排放控制的对策措施燃料改进可以有效地降低柴油发动机中的固体颗粒含量。从颗粒物质的上述三个主要组成部分，可以克服燃烧机理，可以研究燃料添加剂技术，可以降低燃料中的硫含量，并且可以进一步减少柴油发动机中的颗粒物质，提高排放水平。5.1柴油机结构改进（1）由于燃料的燃烧时间和过量空气系数会在一定程度上影响污染物的排放，因此通常优化柴油机燃烧室喷射器装置的形状，体积，进气阻力，涡流比和结构。进一步减少柴油发动机的微粒排放。操作过程中，既提高了经济性,又能最大程度降低污染物的排放。(2)通过选择高压油泵和更精确的喷油技术,进一步改善柴油机的最佳结构配置。(3)采用涡轮增压器可有效提高混合气中的氧含量,燃烧燃料以富集氧气并减少颗粒物质排放。（4）在汽车柴油发动机的使用过程中，油的不完全燃烧会在一定程度上影响颗粒物的形成。因此,为了提高柴油的质量,优化缸套、活塞环和活塞的匹配技术,以及缸套的TAT研磨技术,以降低油耗,有效降低颗粒物排放。5.2后处理技术的应用（1）氧化催化转化器（DOC）通过减少可溶性有机物的形成间接地减少颗粒物质的排放。在这些阶段中，主处理单元是基于陶瓷的催化剂。表面组合物通常是铂条。它们可以有效地减少颗粒中可溶性有机物的组成。铂条的含量随铂条的含量而变化,减少颗粒物的排放也是不同的。DOC可有效降低废气中的HC和CO含量，调节NOX中N2和O2的比例，从而提高废气中尿素的低温活性和SCR的催化反应速率，在主动再生过程中柴油机尾气微粒捕集器（DPF）。HC的氧化增加了排气温度。（2）柴油颗粒收集器（DPF）是目前最直接有效的颗粒物净化装置，其技术相对成熟。目前，最常用的陶瓷载体是碳化硅作为主要材料和以金属泡沫为代表的金属载体。DPF的过滤效率取决于载体的孔径和颗粒组成，并且通常可以达到85％以上。DPF应用的最大挑战是在过滤条件下的颗粒再生。未来对DPF的研究将集中在再生方法的设计和优化上。在了解DPF过滤过程和再生机理的基础上，充分利用被动再生效应，优化主动再生控制策略，降低燃油经济性损失是DPF未来的研究方向。第6章柴油机排气后处理的几种技术分析6.1排气PM后处理技术分析PM是柴油机排气中的主要污染物,主要由未燃烧的碳颗粒组成。此外,由于吸附和缩合，可溶性有机化合物，H2O和硫酸盐也粘附在碳颗粒的表面上。柴油PM后处理技术包括催化氧化和过滤。自20世纪90年代初以来，催化氧化技术已用于减少卡车和城市客车柴油发动机的PM排放。放。催化剂是蜂窝型，主要活性成分是贵金属。催化剂可为了部分氧化PM中的可溶性有机物和气态污染物HC和CO，去除效率与发动机负荷，废气温度和燃料S含量密切相关。当发动机负荷低时，PM具有高含量的可溶性有机物质。催化氧化对PM减排的影响明显;然而，当发动机负荷高时，PM的可溶性有机物含量低。催化氧化对PM减排的影响较弱。在正常工作条件下,典型的PM减排值为20%-50%。随着废气温度升高，减排率增加。然而，更高的排气温度也导致更高的硫和硫酸盐排放。燃料硫含量也是影响催化剂性能的主要因素。美国新型柴油发动机的最新示范研究表明，当S的质量分数为368×10-6时，催化氧化可使PM排放减少23％-29％，HC排放减少52％-58％。如果将S的质量分数更改为54x10-6柴油，PM可降低13％。图1柴油机PM排放的粒径分布过滤是减少PM排放的最直接方法，包括壁流式蜂窝陶瓷，陶瓷泡沫，陶瓷纤维，金属纤维和金属丝网。目前，壁流式蜂窝陶瓷一体化过滤器的研究最为全面，并已长期实现商业化。由于蜂窝通道的两端交替地被阻挡，气流从入口端进入蜂窝孔并从另一端通过孔壁排出，并且PM被堵塞在孔壁的表面上。无论使用哪种过滤器,原理是通过惯性碰撞，拦截，扩散和重力沉降将PM与气流分离。随着表面和床层中PM的积累,过滤阻力增大。为了防止过滤器的高背压影响发​​动机的正常运行，必须再生过滤器。再生技术包括非催化和催化。非催化再生的原理是周期性地提高温度并促进碳的燃烧。具体方法包括：预燃过滤器，电加热器，增加废气中的HC含量，微波辐射等。此外，逆流吹扫也被认为是一种有效的方法。催化再生包括将催化剂施加到过滤器的表面或将催化剂注入气流中以在较低温度下氧化碳颗粒。在美国进行的实验表明，当S的质量分数为54×10-6时，催化再生过滤器中PM的去除率达到87％。目前，世界上许多公共汽车和卡车都配备了PM过滤器。其中一些已经使用了近5x1O5KM。图2催化氧化导致PM质量浓度变化率6.2排气NOx后处理技术柴油机尾气中的NO2低于汽油发动机的NO2，但柴油机的NO2控制和PM控制存在所谓的权衡效应。而发动机外的NOX控制由于排气中含氧量大而变得非常困难。事实上,由于在富氧条件下净化氮氧化物的挑战,近10年来柴油机和稀燃汽油氮氧化物的净化已成为学术界和汽车工业的研究热点。柴油机尾气中NO2的主要成分是NO2。基于NO分解的热力学可能性，已经尝试通过催化分解将NO转化为N和O。然而,催化剂在氧气和二氧化硫的作用下很快失活,因此，该方法的实际应用前景尚不确定。目前，柴油机尾气中NO-x的净化研究主要来自选择性催化还原和吸附催化还原两个技术路线。图3吸附一催化还原NOX机理吸附催化还原氮氧化物是基于贫燃发动机循环燃烧的氮氧化物净化技术。在精益阶段，氮氧化物被吸收和储存,而在短富燃阶段,排放NO2,并从废气中减少HC。除添加碱土金属氧化物(如BA)的氮氧化物吸附剂外,催化剂的组成与传统三元催化剂相似。用于还原氮氧化物的活性成分是铂和铑。影响吸附剂还原催化剂性能的主要因素是吸附剂在柴油发动机的排气温度下吸附氮氧化物。能力和抗二氧化硫和二氧化碳中毒的能力。提高吸附剂的性能是今后研究的目标。对于超低硫燃料，现有的吸附催化还原技术可将NO2降低90％，但会降低燃料经济性，高硫燃料的吸附催化技术仍在开发中。图4同时脱微粒和NOX催化剂构造图第7章柴油机排气净化系统的设计7.1系统的工作原理随着烟灰颗粒沉积在陶瓷过滤器中，柴油机排气系统的阻力增加并且排气背压增加。因此，需要周期性地去除沉积在过滤体中的颗粒，即，实现过滤体的再生。实验表明,在500~600℃时,沉积在滤体中的粉尘颗粒才开始氧化,而柴油机的废气只有在接近最大转速和负荷时才能达到该温度。实际上,柴油机很少在这种情况下工作。因此,当颗粒过滤器需要再生时,只能使用强颗粒并通过加热再生。新开发的柴油机尾气颗粒后处理系统采用微波再生技术。微波再生是利用微波选择加热和体积加热的特性在空间上分布在过滤体中的一种热源。沉积在过滤体和过滤体上的具有强微波吸收能力的颗粒被加热以吸收和燃烧烟灰颗粒。微波从系统中的微波源发出。微波电源由汽车电源供电。当滤波器体再生时,车辆电源将车辆蓄电池的24伏直流电转换成微波源的220伏交流输出。为了保证过滤器的稳定有效再生,在再生过程中，旁通阀在电磁阀的推动下操作，关闭从排气管到过滤器的通道。同时打开旁路通道,避免再生过程中气流对过滤器的直接影响。图5颗粒物捕集器捕集原理在再生过程期间，旁通阀的启动，车辆电源和微波源的操作以及再生定时都由自动控制系统执行。可以保证在柴油机的任何工况下都能方便、正常地进行过滤器体的再生。7.2系统的组成7.2.1微粒过滤器微粒过滤器是柴油机废气微粒后处理系统的主体。经过对比分析，根据中国国情，选择氧化铬泡沫陶瓷和堇青石泡沫陶瓷作为过滤材料。根据消噪原理，颗粒过滤器的结构经过特殊设计，可最大限度地消耗排气声能。同时,微粒过滤器可以达到消声的目的。7.1.2微波功能源过滤器主体的热再生提供来自微波功率的外部能量。微波功率由磁控管提供。微波源产生的能量需要通过微波传输线传输。在各种微波传输线中，金属波导具有结构简单，坚固，无导体，热损失和介电损耗低，击穿强度高，无辐射损耗的优点。它可以传输高功率微波能量，是微波加热系统的理想传输线。实验研究和理论计算表明，高微波功率有利于过滤器的再生，再生效率高，再生时间短，但过滤器的最高温度也很高。为了使过滤器的再生安全可靠，并考虑到车辆电池提供的能量输出，使用微波输出为600瓦的磁控管，其工作频率为2,450MHz。根据磁控管的工作频率和输出功率，标准矩形波导BJ-22用作系统的微波功率传输线。内部横截面几何形状为109.2mmx54.6mm，实际允许的工作频率范围为f=1700MHz一2600MHz,工作波长范围λ=1153mm一1763mm。7.1.3车用电源车辆电源主要为微波电源提供600瓦至800瓦的220伏交流输出功率。它是一个24伏汽车电池的直流反转，其框图如图当车辆电源工作时,接通24伏蓄电池,通过软起动和脉宽调制控制电路接通电源装置,完成电源转换。变压器升压后，输出220VAC。保护电路保护电源单元。定时控制电路可以控制电源的工作时间。将脉宽调制(PWM)技术应用于汽车电源的开发中。它能有效抑制谐波,动态响应好。它在频率和效率上有明显的优势。在脉宽调制控制电路在中间，使用单芯片脉冲宽度调制开关来调整芯片。功率器件采用新一代全控制功率集成器件，控制简单。输出功率高,可实现全控。7.1.4控制系统控制系统的功能是根据过滤颗粒的沉积条件自动启动电源，微波源和相关电磁阀，再生过滤体，并根据再生时间停止再生。当需要再生时,应以柴油机排气背压的增加为基础。当过滤体的排气背压是清洁过的过滤体的23倍时,即当排气背压为20-25千帕时,过滤体需要再生。然而,柴油机的排气背压随滤清器体的尺寸和柴油机的工作状况而变化,因此,仅依靠柴油机在汽车运行过程中的排气背压,很难确定滤清器体中颗粒物的沉积情况。微粒沉积与柴油机累计油耗密切相关。因此，累积燃料消耗用作检测参数以确定何时再生颗粒后处理系统控制系统。柴油发动机的累积燃料消耗可以通过过滤器的清洁度来确定。它还可以通过正常负载和速度下的再生要求来确定。该参数可在自动油耗表中设定。在柴油发动机运行期间，当由自动燃料消耗计记录的累积燃料消耗达到设定值时，发出电脉冲以启动机动车辆的电源以使微波源工作。并通过电磁阀推动旁路阀排气。旁路。再生时间可在车辆电源的定时控制部分设置。当电源工作到一定时间后,可以自动关闭电源。除自动完成外,整个过程还可以根据需要手动操作。第8章过滤器的消声设计8.1过滤器外形尺寸的确定在确定滤波器的形状和尺寸时,不仅要考