清华大学_汽车发动机原理_第9章3_有害排放物的生成与控制3

需要电控喷油以实现多次喷射
2、微粒捕集器（DPF）
（2） 连续催化再生 以NO2作氧化剂（下图，JM公司）， 降低碳粒氧化起燃温度； 载体表面（或入口处）涂催化剂； 燃料中添加催化剂（铈）。
3、柴油机NOx后处理方法
（1）选择性非催化还原 （SNCR，Selective Noncatalytic Reduction） （2）选择性催化还原 （欧洲看好） (SCR， Selective Catalytic Reduction) （3）非选择性催化还原 （NSCR， Nonselective Catalytic Reduction ） （4）吸附还原催化剂 （美国看好） (NSR， NOx Storage Reduction 或LNT) （5）四效催化剂—CO、HC、NOx、PM
排放控制技术小结
• 推迟点火时间 国（欧）1法规后， • EGR 汽油车必须用后处理！ • 充分燃烧 • 电控（化学计量比）＋TWC（冷起动对策、精确匹配）
汽油机：
• • • • • •
柴油机：
推迟喷油时间 EGR（中冷） 喷油规律优化（燃烧放热规律优化） 燃烧室优化（形状、涡流比） 高压喷射（120～160 MPa）＋……… 国（欧）4法规后， DOC、DPF、SCR 柴油车必须用后处理！
●三效催化剂（TWC，Three Way Catalyst）
2CO + 2NO—2CO2 + N2
4HC + 10NO—4CO2＋2H2O＋5N2 2H2 + 2NO — 2H2O + N2
（1-4）
（1-5） （1-6）
TWC主要性能
1. 转化效率 2. 空燃比特性（Sweep ） 3. 起燃特性（Light off）
陶瓷纤维编织物，
应用最多的是:
壁流式蜂窝陶瓷
过滤效率可达90%以上。
2、微粒捕集器（DPF）
DPF再生（regeneration）
柴油机排温过低，PM不易氧 化；
Inlet of DPF Outlet of DPF
一旦起燃，又易高温烧熔。
再生方式
（1） 断续加热再生－
交替工作/再生，一般采用加热方法, 电加热、喷油后燃加热；
三效催化剂 的净化效果
的
催化转化器结构
载体—陶瓷蜂窝载体、金属载
体、氧化铝球
孔密度=400-600（孔/in2） 壁厚=0.15~0.10mm（陶瓷）
贵金属—铂、铑、钯
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
汽油车催化剂工作原理
催化剂分类： 氧化型、还原型、氧化还原型（三效）、 稀燃型 ●氧化型催化剂（OC，Oxidation Catalyst） 2CO + O2 — 2CO2 4HC＋5O2— 4CO2 + 2H2O 2H2 + O2 — 2H2O （1-1） （1-2） 氧化还原反应 （1-3） 没有O2
6. 气体排放（三种）、PM和碳烟排放分析方法降低PM及 NOx的对策技术及其Trade－off问题
7. 柴油机和汽油机排放控制技术的不同 8. 三效催化剂的工作原理与特性
第9章 有害排放物的生成与控制
9.1 有害排放物的生成机理与影响因素 9.2 排放法规及测试方法 9.3 汽油机的机内净化技术 9.4 柴油机的机内净化技术 9.5 汽油机排气后处理技术 9.6 柴油机排气后处理技术
9.5 汽油车的机外净化技术
汽油机排气后处理—见表9.8 三效催化剂（TWC）—排放控 制技术的一次革命 三效催化剂 及排放控制系统
1、柴油机氧化催化器
氧化催化剂对降低CO、HC、PM（SOF）有一定效果。 但氧化催化剂同时会造成：硫酸盐↑，使 PM ↑ 因此：柴油硫含量应小于50～100ppm
2、微粒捕集器（DPF）
DPF—通过过滤等物 理方法捕集净化排气 中的PM。 DPF过滤材料： 陶瓷蜂窝载体， 金属纤维编织物。
8章作业（2）
4、柴油车能否使用三效催化剂？为什么？
5、重型柴油车满足国4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 柴油？为什么？
学习要点
1. NO生成的三个途径和三要素 2. HC在柴油机和汽油机中生成机理的不同 3. PM生成机理、PM与碳烟的关系 4. Φa对各种生成物的影响以及为什么？ 5. 轻型车排放测试方法（三种典型的）
存在问题：
系统复杂、成本高，
压缩机
温度 传感器
雾化器
温度 传感器
排气 传感器
防止Urea排放，
Urea毒性和腐蚀性， 前置DOC的硫中毒。
氧化催化剂 SCR 后置氧化催化剂
排放控制策略的选择
满足欧4－欧5的排放控制策略
技术路线1：机内降PM ＋ 机外采用SCR（燃油经济性好，欧洲是主流） 技术路线2：EGR降NOx ＋ 机外采用DPF（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SCR和DPF
NOx吸附还原催化剂
NOx吸附还原催化剂—用于稀燃条件下的NOx催化还原
(ARC，Adsorption Reduction Catalyst) 稀薄燃烧时，NOx被以硝酸盐MNO3形式吸附在碱土金属上；
在过浓燃烧条件下，脱附，并在Pt贵金属上还原反应。
NOx吸附还原催化剂
为使ARC能在稀-浓交替条 件下工作，稀燃发动机需要 每隔一定时间多喷油过浓燃 烧，并推迟点火时刻，以产 生还原氛围； 随排放法规加严，还原剂 所占燃油消耗率由1个％点 增加至5个％点以上，节油 效果逐渐减小。
Φa ＞ 1 Φa = 1
Φa ＜ 1 并推迟点火
稀燃催化剂（ARC）与稀燃GDI
稀燃催化剂开发困难，导致第一代GDI发动机在05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。
9.6 柴油机后处理技术分类
（1）氧化催化转化器 — 用于降低SOF、HC和CO；
（2）微粒捕集器 — 用于过滤和除去排气微粒； （3） NOx还原催化剂 — 用于降低NOx排放。
对策
推迟点火时刻—提高排温； 降低T50 和τ50—TWC增加贵金属； 采用紧凑耦合催化器—低热惯量，起 燃快（图中方案B）。
冷起动时的NOx排放？？
“零”排放（ZLEV）控制系统
多级催化剂（本田1998年） HC吸附＋预热＋TWC＋ … 市区行驶时的THC排放低于周围大气中的浓度(暖机后1ppmHC, 而环境3～4 ppm)。 10万英里老化后，排放仅有加州超低排放法规（ULEV）限值得 1/10。 汽油机可以实现 近零排放，满足未来 十年的排放法规。
（9-21）
（9-22） （9-23） （9-24） （9-25）
快速SCR反应 低温反应快 （NO/NO2 =1）
SCR-NOx催化还原系统
Urea－SCR系统
尿素容器 供给单元 空气压力控制 过滤器 尿素溶液 喷射 装置 执行器 温度 传感器 喷射 控制单元 传感器 液位 传感器
在实际中达到90% 的净化效率，已商 业化。

理论空燃比及足够温度时， 转化效率≥95～100%
起燃温度特性（Light-off Temperature)－ T50T 起燃时间特性（Light-off Time) －τ50
催化转化器的冷起动THC排放
催化剂一旦起燃，实际排放量极少；
70～80％的HC排放是在催化器起燃之前产生（方案A），因此 降低冷起动HC排放是满足更加严格排放法规的关键。
SCR-NOx催化还原机理
喷射量约为 油耗的3～7％
NH3<10ppm
SCR-NOx催化还原机理
标准SCR反应 （O2 不可缺） Urea-SCR主要反应机理
4NO + 4NH3 ＋O2 — 4N2 + 6H2 O
6NO + 4NH3— 5N2 + 6H2O 2NO2 + 4NH3 + O2— 3N2 + 6H2O 6NO2 + 8NH3 — 7N2 + 12H2O 2NH3 + NO + NO2 —2N2＋3H2O