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当前第1页\共有66页\编于星期四\16点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。当前第2页\共有66页\编于星期四\16点排放标准日益严格，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，降低排气污染当前第3页\共有66页\编于星期四\16点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。当前第4页\共有66页\编于星期四\16点一、汽油机三效催化转化器二、柴油机排气微粒捕集器当前第5页\共有66页\编于星期四\16点一、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当前第6页\共有66页\编于星期四\16点HCCONOxH2OCO2N21、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，加速反应进程当前第7页\共有66页\编于星期四\16点2、催化转化器的结构外壳减振密封垫载体与催化剂当前第8页\共有66页\编于星期四\16点催化转化器的结构椭圆形当前第9页\共有66页\编于星期四\16点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当前第10页\共有66页\编于星期四\16点不锈钢外壳催化转化器当前第11页\共有66页\编于星期四\16点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。当前第12页\共有66页\编于星期四\16点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。当前第13页\共有66页\编于星期四\16点近三年来国内贵金属价格变动情况当前第14页\共有66页\编于星期四\16点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当前第15页\共有66页\编于星期四\16点空然比特性当前第16页\共有66页\编于星期四\16点起燃特性当前第17页\共有66页\编于星期四\16点空速特性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。当前第18页\共有66页\编于星期四\16点流动特性扩张角=70度扩张角=60度扩张角=40度当前第19页\共有66页\编于星期四\16点流动特性

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当前第20页\共有66页\编于星期四\16点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

当前第21页\共有66页\编于星期四\16点式中，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！！当前第22页\共有66页\编于星期四\16点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。

当前第23页\共有66页\编于星期四\16点5、汽油机排气后处理之未来当前第24页\共有66页\编于星期四\16点载体技术——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。当前第25页\共有66页\编于星期四\16点快速起燃技术——电加热催化转化器

EHC—ElectricHeatedCatalyst当前第26页\共有66页\编于星期四\16点快速起燃技术——紧耦合型催化转化器当前第27页\共有66页\编于星期四\16点NOx吸附还原技术——吸附过程当前第28页\共有66页\编于星期四\16点——还原过程当前第29页\共有66页\编于星期四\16点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+DPFSupplementalHCSCR4NO+O2+4NH3

4N2+6H2O2NO2+O2+4NH33N2+6H2OSCR4N2+2CO2+4H2O4NO+O2+2CO(NH2)2第四节、柴油机机后净化措施

当前第30页\共有66页\编于星期四\16点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当前第31页\共有66页\编于星期四\16点二、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。当前第32页\共有66页\编于星期四\16点主要内容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当前第33页\共有66页\编于星期四\16点1、微粒捕集器的结构原理

当前第34页\共有66页\编于星期四\16点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当前第35页\共有66页\编于星期四\16点表面型（壁流式）微粒捕集原理当前第36页\共有66页\编于星期四\16点当前第37页\共有66页\编于星期四\16点典型的微粒捕集装置OutletSectionFilterSectionCatalystSectionInletSectionV-Clamps当前第38页\共有66页\编于星期四\16点微粒捕集系统车载安装图CRTbehindheatshieldInlettoCRTTemperatureandBackpressureportfordatacollectionDDECTemperaturePortOutletofCRT当前第39页\共有66页\编于星期四\16点试验后的微粒捕集器进口出口当前第40页\共有66页\编于星期四\16点试验后微粒捕集器外壳进口部分出口部分当前第41页\共有66页\编于星期四\16点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）再生方法当前第42页\共有66页\编于星期四\16点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当前第43页\共有66页\编于星期四\16点电加热再生当前第44页\共有66页\编于星期四\16点喷油助燃再生当前第45页\共有66页\编于星期四\16点微波加热再生当前第46页\共有66页\编于星期四\16点3、柴油机排气后处理之未来当前第47页\共有66页\编于星期四\16点壁流陶瓷捕集器的进一步研究——增加捕集容量、延长再生周期当前第48页\共有66页\编于星期四\16点过流式微粒捕集原理__减小捕集量，延长使用时间当前第49页\共有66页\编于星期四\16点连续再生Pt催化剂DPF发动机排气净化后排气NO+O2→NO2C+NO2→CO2+N2C+O2→CO2InletSectionCatalystSectionFilterSectionOutletSectionHoneycombCatalystWall-flowFilter当前第50页\共有66页\编于星期四\16点柴油机排气四效净化技术当前第51页\共有66页\编于星期四\16点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当前第52页\共有66页\编于星期四\16点第五节排放法规一、排放测试规范二、取样系统三、测量技术简介四、排放限值当前第53页\共有66页\编于星期四\16点一、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当前第54页\共有66页\编于星期四\16点美国FTP城市行驶工况图当前第55页\共有66页\编于星期四\16点日本10·15工况循环当前第56页\共有66页\编于星期四\16点ECE行驶工况试验循环当前第57页\共有66页\编于星期四\16点ECER49标准测试循环当前第58页\共有66页\编于星期四\16点欧洲稳态标准测试循环当前第59页\共有66页\编于星期四\16点二、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—稀释排气取样袋当前第60页\共有66页\编于星期四\16点三、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

当前第61页\共有66页\编于星期四\16点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