第7章 柴油机后处理净化技术

自行燃烧，从而达到过滤器
再生的目的。
第7章 柴油机后处理净化
催化再生
在过滤体的表面浸渍催化剂，催化器与捕集器是
同一整体。使用过程中铂作为催化剂，当排气温度
达到400℃左右微粒开始氧化。
催化再生器
第7章 柴油机后处理净化
催化再生
反应方程式
NO O NO2 NO2 C NO CO
1、润滑油的消耗只能减少到一定的程度，任何一种发动机不可能不消耗 润滑油；
2、机内净化主要以油气充分混合为目的，如高压喷射技术对大微粒的减 少是以增加细小微粒数量为代价，而细小微粒对人体和环境的危害更大； 3、降低微粒与降低NOX之间存在一定的矛盾。
第7章 柴油机后处理净化
降低NOx的排放
催化还原净化技术
应用催化再生的主要缺点：
固体微粒与催化剂的接触反应极不均匀，很难进行完全再生。
柴油机排气中的微粒含量很大，随着时间的推移，催化剂的
作用会逐渐减弱甚至完全消失，即催化剂中毒。
第7章 柴油机后处理净化
燃油添加剂再生
在燃油中加入金属催化剂（如金属铈Ce)，添加
剂与燃油一起在气缸内参与燃烧，燃烧后生成的金
捕集物对微粒的运动起汇的作用，
从而造成排气中微粒分布的浓度 梯度，引起微粒的扩散输运，使 微粒脱离原来的运动轨迹向捕集 物运动而被捕集。
微粒沉积的三种机理 1-扩散机理微粒； 2-拦截机理微粒； 3-惯性沉积机理微粒
第7章 柴油机后处理净化
扩散机理
微粒的尺寸越小，排气温 度越高，则布朗运动越剧烈， 扩散沉积作用越明显。
NOX选择性催化还原
选择性催化还原SCR（Selective Catalytic Reduction）
方法：在氧浓度高出 NOX 浓度两个数量级以上的条件下， NOX的还原反应被加速，还原剂（各种氨类物质或各种HC ）
的氧化反应则受到抑制。工作温度范围为250℃ ～500℃。
✿NH3-SCR反应体系 ✿HC-SCR反应体系
NOX选择性催化还原器
使用SCR降低NOX要求柴油含硫量越低越好。 硫会通过S→SO2→SO3→NH4HSO4或者(NH4)2SO4的途径生成硫酸 铵或硫酸氢铵，它们沉积在催化剂表面上会使其失活。
第7章 柴油机后处理净化技术
SCR系统
以氨水作为还原剂的SCR系统，可以降低柴油机NOX排 放95%以上，但柴油机需要一套复杂的控制还原剂喷射 量的系统。
第7章 柴油机后处理净化
陶瓷基过滤材料
泡沫陶瓷的显微结构
陶瓷纤维毡过滤体结构
第7章 柴油机后处理净化
金属基过滤材料
金属材料的强度、韧性、导热性 等方面有陶瓷无法比拟的优势。
特点：热容小、升温快。有利于 排气微粒快速起燃，且抗机械振 动和高温冲击性能好。
RYPOS TPAP金属 纤维毡过滤体结构
第7章 柴油机后处理净化
NH3-SCR系统，已在发电厂和固定式柴油机上得到应用。 有如下反应式： 标准SCR反应:2NH3+NO+NO2→ 2N2+ 3H2O 快速SCR反应:4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O 对于轿车柴油机来说，从使用的方便性出发，希望可用 燃油中的HC作为还原剂，HC-SCR系统有如下反应式：
4 NO 4HC 5O2 2 N2 4CO2 2H 2O
第7章 柴油机后处理净化
微粒机外净化技术
• 等离子净化技术：柴油机排气中的有害成分经过等离子反应器，发生复 杂的化学反应，其中NO很容易氧化成NO2。由于NO2有很强的氧化性 ，在柴油机排气温度下就可将碳烟微粒氧化成碳的氧化物，通常认为碳 烟微粒的降低是因NO2的生成所致。 • 静电捕集技术：利用电场对排气微粒进行静电吸附，达到微粒净化的目 的。即在排气通道中建立高压强电场，排气气流流过电场时，带电粒子 分别被异性电极吸附。主要问题：设备体积大、结构复杂、成本高，且 气流流速对静电捕集效率的影响较大。 • 溶液清洗技术：让排气通过水或油来清洗微粒的方法。特点：方法简单 ，适合于固定的排气设备。 • 离心分离技术：将排气引入旋风分离器中，利用微粒的离心力，将微粒 从气流中分离出来。特点：由于柴油机微粒很小，直径大多在1μm以下 ，这种技术只能分离微粒的5%～10%，效果较差，但是这种方法可与 其它方法一起使用。
第7章 柴油机后处理净化技术
SCR系统 国内SCR有待解决的难题： 1、SCR的难点是精确控制喷射量和尿素的配送 问题。
尿素在-11℃下会凝固，车辆在黄河以北则需要附加设计加热 和解冻装置；催化还原时需要的尿素很少，需要精确地控制 尿素的喷射量。
2、ECU技术。
ECU既要对燃油喷射进行控制，又要对尿素喷射进行控制， 这对于电控单元的设计和标定都是一个难题。
第7章 柴油机后处理净化
红外加热再生系统
加热器的辐射能量主
要集中在红外波段 。首
先，加热器加热具有较
强辐射能力的红外涂层； 然后，红外涂层通过辐 射方式加热过滤器中捕 捉到的微粒物。
第7章 柴油机后处理净化
被动再生系统
大负荷再生
柴油机在高速大负荷运行 时，排气温度可以达到 500℃以上。在此温度下， 沉积在过滤器内的微粒可以
再生系统
根据原理和再生能量来源的不同
主动再生系统是通过 外加能量将气流温度
提高到微粒的起燃温
度使捕集的微粒燃烧， 达到再生过滤的目的。 被动再生系统利用柴油机排气自身的能量使微粒燃烧，达
到再生微粒捕集的效果。
第7章 柴油机后处理净化
主动再生系统
第7章 柴油机后处理净化
带再生燃烧器的微粒捕集器
带再生燃烧器的微粒捕集器 串连在排气管中，结构简单， 如图 (a)所示。 如在过滤体前设置一旁通
属氧化物对微粒起催化作用，降低微粒起燃温度，
从而在较低的排气温度下不需外部能源，过滤体能 自行再生。
第7章 柴油机后处理净化
NOx 机外净化技术
NOx 的机外净化技术主要是催化转化技术，主要 包括：
✿选择性催化还原 ✿选择性非催化还原 ✿吸附催化还原 ✿等离子辅助催化还原
NOx净化器
第7章 柴油机后处理净化技术
再生技术
再生：除去微粒捕集器 内沉积的微粒的过程。
在微粒捕集器再生过程的 研究中，经常要涉及过滤体 中已经沉积的微粒质量或过 滤体负载量以及再生效果。
微粒捕集器
第7章 柴油机后处理净化
过滤体负载量
过滤体负载量用无量纲的负载参数M表征
M p1 / pe
Δp1 —沉积或负载微粒后的排气背压；
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过滤体材料及其结构
壁流式蜂窝陶瓷
第7章 柴油机后处理净化
陶瓷基过滤材料
陶瓷基过滤材料通常由氧化物或碳化物组成，具有多孔 结构，在700℃以上能保持热稳定，比表面积大于1m2/g ， 主要结构包括蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷及陶瓷纤维毡。
排气道
进气道
陶瓷堵封 过滤壁面
壁流式蜂窝陶瓷整体与多空陶瓷微观结构
Δpe —洁净的捕集器在同一工况下的排气背压。
第7章 柴油机后处理净化
再生效率
再生效果用无量纲的再生效率ηr表征：
r (p1 pr ) /(p1 pe 集器允许最大负载参数Mmax＝3～5， 要求再生效率ηr ＝70%～80%。
第7章 柴油机后处理净化
70.9%
0.08 0.05
0.025
42.9% 64.3%
82.1%
第7章 柴油机后处理净化
当前针对 PM 及 NOx 排放控制的柴油机排气后处理技术 有两条路线：
一种是 EGR + DPF路线, 由于该路线在
美国使用较多, 又称美国路线;
基本思路: 通过废气再循环 EGR( Exhaust Gas Recirculation)技术使发动机的 NOx降下来, 由于废气进入使空燃比 降低, 发动机 PM 排放会有所增加, 再采用颗粒过滤器 DPF ( Desel Particulate Filter)过滤废气中的 PM成分,使 PM排放达到标准要求。
第7章 柴油机后处理净化
阶段 CO 国1 2.72 —
柴油轿车排放限值 g/km HC+NOX 0.97 — 0.86 NOX — 0.14 PM —
国2 国3
国4
1 0.64
0.5
63.2% 76.5%
81.6%
0.7 0.56
0.3
27.8% 42.3%
69.1%
0.62 0.5
0.25
27.9% 41.9%
不同直径微粒的扩散捕集效率
当微粒直径小于1μm时，需要考虑微粒的扩散作用，
当微粒的直径小于0.1μm时，扩散作用已经十分显著。
第7章 柴油机后处理净化
拦截机理
拦截机理：当微粒接近过滤表面， 一旦微粒与过滤表面的距离小于 或等于其半径，即微粒直径大于
或等于过滤微孔直径时，微粒就
被拦截捕集。 拦截机理
第7章 柴油机后处理净化技术
NOX选择性催化还原
NH3-SCR SCR 还原剂：各种 氨类物质
HC-SCR
催化剂：贵金属Pt、 非贵金属的Ag、Cu以 及Cu-ZSM-5等
还原剂：各种 碳氢物质
催化剂：V2O5-TiO2、 Ag -Al2O3，等 SCR系统
第7章 柴油机后处理净化技术
NOX选择性催化还原
第7章 柴油机后处理净化
惯性碰撞机理与综合过滤机理
惯性碰撞机理：当气流转折
时，微粒有足够的动量按原运 动方向继续对着捕集物前进而 偏离流线，使一些微粒碰撞到 捕集物而被捕集分离。 综合过滤机理：认为 在微粒的过滤过程中，
扩散、拦截和惯性碰撞
通常是组合在一起同时 起作用的，但这三种机 理并不是完全独立的。
第7章 柴油机后处理净化技术
NOX的选择性非催化还原
选 择 性 非 催 化 还 原 也 称 为 SNCR （ Selective Non
第7章 柴油机后处理净化
另一种是燃烧优化 + SCR路线, 欧 洲较多采用又称欧洲路线。
基本思路:通过增加喷油提前角把 PM 降低, 同时NOx会 大幅升高, 再用选择性催化还原技术 SCR ( Selective Analyt ic Reduction) 使 NOx排放降到标准限值以下。
第7章 柴油机后处理净化
排气管，如图 (b)所示。
在柴油机排气系统中安装两 套微粒捕集器，如图(c)所示。 DPF在排气系统中的布置
第7章 柴油机后处理净化
电加热再生系统
电加热再生在微粒捕集器工
作一段时间后，采用电热丝或
其它电加热方法，周期性的对 微粒捕集器加热使微粒燃烧。
蜂窝陶瓷再生加热电阻丝结构 1-回形电阻丝；2-螺旋形电阻丝
降低微粒中的可溶性有机物（SOF） 以及净化柴油机排放的CO和HC
氧化催化转化器
随着世界各国对柴油车排放的要求越来越严格 柴 油机颗粒物 PM 及 NOx 排放控制成为柴油机发展 的关键技术。
第7章 柴油机后处理净化
我国柴油机排放标准
发动机机内净化技术及后处理净化技术都是为了减少污 染物的排放，达到符合国家的排放标准。
第7章 柴油机后处理净化
微粒捕集器
微粒捕集器的关键技术
是过滤材料的选择与过滤
体的再生，其中又以后者 尤为重要。
本节主要介绍微粒捕集
器的过滤机理、过滤体材料
柴油机微粒捕集器
及其结构、过滤体再生三个
方面的问题。
第7章 柴油机后处理净化
过滤机理
微粒捕集示意图
第7章 柴油机后处理净化
扩散机理
初始排气中的微粒浓度分布是 均匀的。当流场中出现捕集物后，
发动机排放污染及控制
主讲人 龚金科等
2016年3月19日
第7章 柴油机后处理净化 7.1 概述
7.2
7.3
微粒捕集器
NOX机外净化技术
7.4
氧化催化转化器
第7章 柴油机后处理净化
概述
随着排放法规的进一步严格，仅仅靠机内净化技术是
不够的，必须同时采取机外净化技术。
必须同时采取机外净化技术的理由：
电加热再生系统的功率一般在3～6kW之间，结构简单，使
用方便、安全可靠，但再生时热量利用率和再生速率低，消
耗能量较多。
第7章 柴油机后处理净化
微波加热再生系统
利用微波独具的选择加热及体积 加热特性来再生微粒捕集器。微粒
可以以60%～70%的能量效率吸收
频率为2～10GHz的微波，由于陶 瓷的损耗系数很低，所以微波并不 会加热陶瓷过滤体。 再生过程中过滤体内部温度梯度小，再生过程易于控制。 微波再生效率高，没有二次污染。
排放法规：为了治理环境污染，各国根据大气环境污染的 具体情况，制订有关环境保护的法律与大气污染治理目标， 对各种污染源的排放提出控制要求，针对不同类型的机动 车制订出不同的排放标准，这些标准是要求强制性执行的。
第7章 柴油机后处理净化
柴油轿车排放限值演变过程
欧1和欧2转化到取消40秒怠速的 新测试工况（ACEA相关系数）