柴油机排放控制技术(sjtuICE)

School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University
NOx 存储还原催化系统
当发动机在稀燃状态工作时，排气中过量的氧和NOx储 存过程中释放的活性氧直接把过滤在陶瓷载体上的微粒氧化。 当发动机在化学计量或浓混合气状态下运转时，仅有 NOx存储过程中释放的活性氧氧化微粒。也就是说，PM无 论在哪一种状态下都能被氧化，而NOx只有在浓混合气状态 下才被还原。 DPNR系统应用在低硫（质量分数小于50×10－6）柴 油车上，可长期保持高的净化率，净化效率可达95％以上。 即使在启动条件下，同时催化去除PM-NOx效率也可达到80 ％以上。DPNR是一个简单、紧凑催化剂转化系统，并与最 新开发的共轨、电子控制燃油喷射技术相配合集成于发动机 上。
现代轿车技术－ 柴油机排放控制
上海交通大学内燃机研究所
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NOx的机外净化技术 微粒机外净化技术
NOx和微粒同时净化后处理技术
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NOx 存储还原催化系统
2. 柴油机PM-NOx催化净化系统
Lean
NOx storage
Rich
NOx Filter substrate Storage of NOx
material
Filter substrate Reduction of NOx
NOx storage
PM
Filter substrate
Clean gas Plasma+Catalyst Catalyst Second Clean gas
Plasma First Polluted exhaust
Wire electrode
等离子体催化反应系统(一级系统和两级系统)
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微粒捕集器的再生技术
1. 催化再生过滤器系统
在过滤器载体上涂附催化剂，其目的是为了降低微粒氧 化反应的活化能，使化学反应在较低的温度下进行，从 而实现微粒与氧的催化转化反应。如涂有铂的催化过滤 器可以降低微粒的氧化温度，使微粒在300℃左右氧化。 这使微粒再生可能性提高，但并不能覆盖所有机动车辆 的运行工况。
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微粒的捕集技术
过滤器形式及部分特性 style of wall flow monolith and its properties 过滤器类型 壁流式蜂窝陶瓷体 泡沫陶瓷体 管式过滤器 金属丝网 金属纤维毡 过滤方式 表面过滤 体过滤 表面过滤 体过滤 表面过滤 过滤效率/％ 60－95 40－70 70－99 20－50 50－80
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微粒捕集器的再生技术
2.燃料添加剂催化再生过滤器系统
燃料添加剂是一种溶于燃料的催化剂，如铈、铁/锶和 铂/铈的混合物，在发动机中燃烧后进入排气，和微粒一起 由过滤器捕集。这使得微粒和催化活性成分密切接触，相当 于在微粒中加入催化剂，来降低微粒的再生温度。缺点是催 化剂随着机动车辆排气排入大气中危害人类健康。
微粒机外净化技术
•微粒的捕集技术 •微粒捕集器的再生技术
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微粒的捕集技术
微粒的捕集主要有静电吸附法、过滤捕集法和离心分离 法。研究表明，微粒过滤器（又称微粒捕集器）是最有价值 的收集方式。它主要是通过扩散、沉积和撞击机理来过滤捕 集柴油机排气中微粒的。积存在过滤器上的微粒，在合适的 温度和氧化气氛中一旦开始氧化燃烧，温度可高达2000℃以 上，很容易将陶瓷载体烧熔。考虑到寿命问题，陶瓷载体的 最高工作温度一般应控制在1000℃以下。滤芯的选择和过滤 器的再生控制技术是微粒过滤系统及再生系统中的关键性环 节。
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微粒捕集器的再生技术
3.连续再生过滤器再生系统
连续再生过滤器是由氧化器和微粒捕集器组成。CRT的 原理如下图所示，当柴油机排气通过氧化催化转化器时，温 度在200～600℃条件下，CO和HC首先几乎全部被氧化成 CO2和H2O，NO被转化成NO2。然后，NO2氧化微粒捕集 器中的微粒生成CO2，而NO2又被还原为NO，从而达到再 生的微粒的目的。应该注意该系统只能应用在低硫柴油机上， 因为氧化催化剂可使硫氧化而增加微粒的数量。另外，轻型 载重车没有足够的NOx排气来氧化碳烟微粒。
NOx 存储还原催化系统
NSR应用于柴油机存在两个问题： 一是柴油机不可能始终在浓混合气工况下运行 二是催化剂容易硫中毒
前者可以通过较高的废气再循环（EGR）、空气节流、喷射 策略的修正以及增加HC等来解决，而硫中毒问题则必需采 用脱硫燃料或减少润滑油中的硫。
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等离子体辅助催化还原NOx
目前，利用低温等离子体辅助催化降低NOx排放是研 究NOx催化还原的一大热点。研究表明，单纯的等离子 体气相化学反应并不能使柴油机排气中的NOx发生还原 反应，而仅仅使其氧化形成一些活性物种。
honeycomb filter
Filtrating and trapping effects of wall flow monolith
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微粒的捕集技术
泡沫陶瓷的微观结构 Microstructure of a ceramic foam
微粒捕集器的再生技术
5. 等离子体再生过滤器系统
等离子体-催化系统捕集净化微粒 Plasma-catalyst system for particulate reduction
其催化反应式： NO+HC+O2→N2+CO2+H2O
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NOx 存储还原催化系统
1. NOx存储还原催化技术
当发动机在稀燃状态下工作时，排气处于氧化气氛， 在贵金属(Pt)催化作用下，NO与O2反应生成NO2，并以 硝酸盐MNO3（M代表吸附材料）的形式存储在碱土金 属表面；当发动机在化学计量或浓混合气状态下运转时， 硝酸盐MNO3分解释放出NOx，在催化剂上与CO、HC和 H2反应生成N2、CO2和H2O，同时使得碱土金属得以再 生。
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微粒捕集器的再生技术
过滤器的再生是捕集器必须解决的关键问题之一，如果 捕集器捕集的颗粒不定期清除，就会发生滤芯堵塞以致柴油 机背压急速上升的现象，影响柴油机的性能。过滤器再生的 方法主要是微粒氧化，而微粒氧化的要素是高温、富氧和氧 化时间。实际柴油机排气温度一般小于500℃，特别是一些 在城市工况运行的共交车的排温甚至在300℃以下。捕集器 再生的关键性问题是降低平衡点温度，该温度状态下微粒形 成和氧化的速度相等，此时背压较恒定，系统处于平衡状态。 平衡点温度与流速、微粒成分、NOx含量、含硫浓度、碳烟 形成以及发动机、燃料的参数有关。
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微粒的捕集技术
Exhaust gas from diesel engine
Exhaust gas from diesel engine
Ceramic
wall-flow
壁流式蜂窝陶瓷过滤捕集
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NOx 存储还原催化系统
NOx储存还原催化剂净化原理图
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Continuous oxidation of PM by active oxygen & O＊
material
Filter substrate
Continous oxidation of PM by active oxygen
DPNR 同时催化净化 NOx 和 PM 原理图 NOx&PM purification mechanism in DPNR
NOx机外净化技术
•选择性催化还原技术 •NOx存储还原催化系统 •等离子体辅助催化还原NOx
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选择性催化还原技术
选择性催化还原技术（Selective Catalytic Reduction, SCR）是指利用尾气中有机物为还原剂或添加还原剂，在氧 浓度高出NOx浓度两个数量级以上条件下，高选择性地优先 把NOx还原为N2。其催化过程通常采用NH3和HC作为还原 剂。该技术得到了广泛的研究。 1. NH3选择性催化还原 采用NH3作为还原剂进行催化还原NOx（NH3-SCR）的主要 反应是： 4NH3+4NO+O2 → 4N2+6H2O 6NO2+8NH3 → 7N2+12H2O
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选择性催化还原技术
该系统已广泛应用于固定源发动机，如船舶等大型柴油 机上，主要是因为NH3-SCR催化剂在潮湿、富氧和含硫条件 下具有较高的活性和较长的使用寿命。 由于使用了腐蚀性很强的NH3或氨水，对管路和设备的 要求高，造价昂贵；氨的加入比例要求精确控制，过量或未 反应的NH3易造成二次污染 。
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微粒捕集器的再生技术
CRT 原理图 Principle sketch of CRT
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微粒捕集器的再生技术
4.辅助加热再生过滤器系统
为了使捕集器微粒氧化，目前有各种方法来加热催化剂 提高再生温度，包括直接电加热、微波加热、在缸内或排气 中喷油助燃等产生热，提供一个高温反应条件，促使微粒在 高温下与废气中的氧发生氧化反应。但这些方法附加装置多， 因而成本高、系统的可靠性较差。
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选择性催化还原技术
2. HC选择性催化还原（HC-SCR）利用HC作为还原剂进行
选择性催化还原NOx（HC-SCR）的催化剂可分为金属氧 化物、贵金属和分子筛三大体系。该技术目前还不成熟。