柴油機(jī)機(jī)外凈化方法研究

1、編號(hào)：1300000本科畢業(yè)論文柴油機(jī)機(jī)外凈化方法的研究院 系：姓 名：學(xué) 號(hào)：專 業(yè)：年 級(jí)：指導(dǎo)教師：職 稱：完成日期：摘 要隨著柴油機(jī)在燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性等方面較汽油機(jī)的突出表現(xiàn)，柴油機(jī)在汽車上也得到了廣泛應(yīng)用。但是，柴油機(jī)的氮氧化物和微粒排放突出，世界各國(guó)對(duì)排放要求日漸嚴(yán)格，對(duì)排放污染物控制技術(shù)也要求越來(lái)越高。以前依靠機(jī)內(nèi)處理的方法很難再取得質(zhì)的突破，難以滿足排放法規(guī)的新要求。論文分析了柴油機(jī)尾氣的主要成分、危害以及對(duì)排放污染物的排放法規(guī)要求，目前國(guó)內(nèi)外柴油汽車凈化技術(shù)主要是綜合排氣后處理技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)前處理的方法來(lái)降低有害污染物的排放。通過(guò)對(duì)各種機(jī)外凈化技術(shù)的分析，總結(jié)出不足之處并對(duì)其

2、進(jìn)行改進(jìn)，提出了一些排氣污染控制的機(jī)外凈化方案，對(duì)方案的可行性和實(shí)用性進(jìn)行了初步的分析與論證。為未來(lái)柴油汽車排放污染物的有效控制及新一代更為環(huán)保型柴油汽車的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；排放；機(jī)外凈化 IAbstractWith the diesel engines fuel economy and power performance is better than the gasoline engine, diesel engine has been widely used in the car. However, nitrogen oxides and particulate emi

3、ssions of diesel engine is notable. Many countries all over the world have some increasingly strict emission requirements, so do requirements for emissions control technology. Relying on internal machine processing methods to obtain qualitative breakthrough is difficult to meet the new requirements

4、of emission regulations. Paper analyzes the main components of the diesel exhaust and its harms and laws or regulations of the discharge of pollutants. Now, It mainly discusses the domestic and foreign diesel cars external of engine purification technology and integrating engine exhaust after-treatm

5、ent technology to reduce the harmful emissions. The paper analyzes a variety of machine outside purification technology. It sums up some improvements and innovations in the inadequacies. Then it puts up with some pollution control schemes and does the preliminary analysis for the feasibility and pra

6、cticability of schemes. It provides some basis on designing an effective plan to control exhaust emissions of diesel vehicles in the future and so do the generation of more environmental friendly diesel car.Key words:Diesel engine; Emissions; Machine outside purification目 錄1 緒論11.1 論文的背景及意義11.2 課題的研

7、究現(xiàn)狀與前景11.3 課題的目的與內(nèi)容22 柴油機(jī)污染物的概述32.1 柴油機(jī)污染物的成分32.2 柴油機(jī)污染物的危害32.3 柴油機(jī)污染物的排放法規(guī)要求43 柴油機(jī)機(jī)外凈化技術(shù)的研究53.1 顆粒物過(guò)濾凈化技術(shù)53.2 氧化催化轉(zhuǎn)換法63.3 氮氧化物的還原催化技術(shù)73.4 閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)94 降低污染物排放的的機(jī)外凈化方案114.1 幾種機(jī)外凈化方案114.2 柴油機(jī)低排放的綜合控制優(yōu)化方案115 結(jié)束語(yǔ)16參考文獻(xiàn)17致謝18II1 緒論1.1 論文的背景及意義隨著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，汽車保有量持續(xù)高速增長(zhǎng)，使汽車污染物的排放總量快速增加，人們生活水平的不斷提高，對(duì)生存環(huán)境質(zhì)量的要求

8、也變高，且隨著柴油機(jī)在燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性等方面較汽油機(jī)的突出表現(xiàn)，柴油機(jī)在汽車上也得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在經(jīng)濟(jì)性方面，柴油機(jī)比汽油機(jī)的油耗低將近30%40%1。但是，車用柴油機(jī)的氮氧化物和微粒排放突出。研究表明，柴油汽車尾氣成分非常復(fù)雜，有一百種以上。其主要污染物包括：一氧化碳、氮氧化物、碳?xì)浠衔?、微粒、醛類等有害排放物。這些污染物不僅污染環(huán)境，對(duì)人體也有巨大危害。在排放法規(guī)較緩松的初期，完全可以靠機(jī)內(nèi)凈化滿足要求，但隨著法規(guī)的加嚴(yán)，對(duì)排放的要求越來(lái)越高，機(jī)外凈化已變得不可缺少。當(dāng)然采用機(jī)外凈化技術(shù)，也必須建立在良好的機(jī)內(nèi)凈化基礎(chǔ)上，否則，不僅最終排放污染得不到控制，還會(huì)影響各種機(jī)外凈化裝置

9、的壽命。因此對(duì)于微粒和氮氧化物排放突出的柴油機(jī)，為了迎合高標(biāo)準(zhǔn)的排放法規(guī)要求，柴油機(jī)的機(jī)外凈化顯得格外重要。在目前清潔能源不能推廣使用的今天，找到一些可行的方法為未來(lái)汽車污染的有效控制以及新一代更為環(huán)保型汽車的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。1.2 課題的研究現(xiàn)狀與前景目前比較成熟的排氣后處理技術(shù)包括微粒的過(guò)濾凈化技術(shù)和氧化催化技術(shù)等，發(fā)動(dòng)機(jī)的前處理包括改善柴油品質(zhì)和閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)等方法來(lái)解決柴油機(jī)突出的氮氧化物和顆粒物排放問(wèn)題，取得了一些成效，使得有害物大大減少。與汽油機(jī)不同的是，柴油機(jī)排氣含有過(guò)剩O2，這對(duì)于CO和HC的氧化是有利的，但是卻不利于氮氧化物的還原去除。氮氧化物的SCR催化技術(shù)還不成熟

10、，在我國(guó)還無(wú)法廣泛提供低硫甚至無(wú)硫柴油，顆粒物的再生需要更完美的設(shè)計(jì)來(lái)降低成本和簡(jiǎn)化裝置的復(fù)雜程度。由于降低柴油機(jī)PM和氮氧化物排放的機(jī)內(nèi)凈化存在的固有矛盾，單一的機(jī)內(nèi)改良措施難以同時(shí)把PM和NOX降低到排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，必須輔助有效的后處理措施，因此柴油機(jī)的顆粒物及氮氧化物排放仍然是一個(gè)較嚴(yán)重的問(wèn)題2。柴油機(jī)在環(huán)保、節(jié)能、動(dòng)力性、安全性等指標(biāo)上較汽油機(jī)有很大優(yōu)勢(shì)，車用發(fā)動(dòng)機(jī)柴油化已成為當(dāng)今汽車行業(yè)不可阻擋的發(fā)展趨勢(shì)。在2003，世界上柴油車比重占汽車總量的35%3 ，我國(guó)的柴油汽車的比例近年來(lái)也在逐漸上升。為了應(yīng)對(duì)隨之而來(lái)的尾氣污染問(wèn)題，需要在機(jī)外凈化方法上繼續(xù)開(kāi)發(fā)、研究。由于NOX和PM有一

11、種此消彼長(zhǎng)的矛盾，且隨著排放法規(guī)的日漸嚴(yán)格，尾氣通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的后處理裝置的優(yōu)化處理是一個(gè)問(wèn)題，特別是對(duì)于NOX和PM的機(jī)外同步后處理4。1.3 課題的目的與內(nèi)容研究目的就是在已有的、成熟的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)在的排氣后處理技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)前處理技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，提出一些機(jī)外凈化方案來(lái)降低柴油機(jī)污染物的排放。論文首先概述了柴油機(jī)污染物的成分及危害，以及針對(duì)各種成分的凈化處理技術(shù)的研究，然后提出了一些凈化技術(shù)存在的不足，針對(duì)一些不足之處，加以改進(jìn)，最后提供了一些優(yōu)化方案來(lái)凈化柴油機(jī)污染物，降低污染物的排放。2 柴油機(jī)污染物的概述2.1 柴油機(jī)污染物的成分柴油機(jī)的污染物有兩種來(lái)源：一是來(lái)至于尾氣排

12、放，主要排放污染物中含有大量的一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸衔?、微粒、醛類、二氧化硫及臭味氣體；二是來(lái)至于曲軸箱的竄氣和燃油箱的燃油蒸發(fā)，主要污染物成分是碳?xì)浠衔?。在汽車所排到大氣中碳?xì)淇偭恐?，?lái)自曲軸箱竄氣的占25%，來(lái)自燃油蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)占20%，其余55%來(lái)自排氣管。很明顯，柴油機(jī)污染物主要來(lái)至于柴油汽車尾氣排放，因此柴油機(jī)的機(jī)外凈化技術(shù)主要是指排氣后處理技術(shù)。與汽油機(jī)相比，柴油汽車的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸己科?，但是柴油車的氮氧化物、微粒和臭味氣體的排放偏高。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，柴油機(jī)的微粒的排放數(shù)量是同排量汽油機(jī)的近20倍左右，其主要污染物及相關(guān)物質(zhì)成分如表2-1所示。表2-1 汽油車與

13、柴油車主要排氣成分對(duì)比排氣成分（%）NOXO2HCCO汽油車0.050.150.20.50.030.080.31.0柴油車0.140.186150.010.050.010.082.2 柴油機(jī)污染物的危害一氧化碳（CO）與人體血液中的血紅素有很強(qiáng)的親和力，使血液?jiǎn)适?duì)氧的輸送能力而產(chǎn)生缺氧中毒。當(dāng)環(huán)境中CO的濃度超過(guò)100 ppm(10010-6)時(shí)，人就會(huì)有頭暈、乏力等不適感；隨著CO濃度的增加，會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生頭痛、嘔吐、昏迷等癥狀；當(dāng)CO濃度超過(guò)600 ppm時(shí)，短期內(nèi)就會(huì)引起窒息死亡。氮氧化物(NOx)，一般情況下對(duì)人體的眼睛、鼻子、咽喉、支氣管和肺部等會(huì)帶來(lái)?yè)p害，嚴(yán)重時(shí)危害生命。碳?xì)浠衔?/p>

14、(HC)為燃油未經(jīng)完全燃燒后排出的氣體，具有一定的毒性和易燃易爆的特性，其中的苯類物質(zhì)又具有致癌作用。HC與NOx在陽(yáng)光下極易發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，形成以臭氧和醛類為主的光化學(xué)煙霧。當(dāng)臭氧達(dá)到一定濃度時(shí)，會(huì)令生物在短期內(nèi)發(fā)生高溫氧化而脫水死亡。微粒，由于其粒徑極小，約為0.010.2um，能長(zhǎng)期懸浮于空氣中，易于通過(guò)呼吸系統(tǒng)而沉積于肺泡內(nèi)，極具致癌作用，危害人類健康。醛類有機(jī)物帶有毒性，對(duì)眼睛和呼吸系統(tǒng)有強(qiáng)烈的刺激作用，過(guò)量的吸入導(dǎo)致中毒死亡。二氧化硫(SO2)為燃油中的硫燃燒后的生成物，人體吸入SO2后，即產(chǎn)生咳嗽、咽喉腫痛、呼吸困難、胸悶、四肢乏力。影響催化轉(zhuǎn)換器的催化轉(zhuǎn)換效率，容易形成酸雨，對(duì)

15、建筑物有腐蝕作用，危害環(huán)境。2.3 柴油機(jī)污染物的排放法規(guī)要求在我們國(guó)家，經(jīng)汽車行業(yè)專家分析，3.5噸以下輕型柴油機(jī)動(dòng)車預(yù)計(jì)自2013年7月1日起，國(guó)標(biāo)準(zhǔn)將如期實(shí)施，即屆時(shí)所有生產(chǎn)、進(jìn)口、銷售和注冊(cè)登記的車用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車必須符合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的要求。壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車的國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)第四階段機(jī)動(dòng)車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)于國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)標(biāo)準(zhǔn)輕型汽車每輛車污染物排放將進(jìn)一步降低50%左右，而重型汽車的單車排放也可以降低30%左右，可吸入顆粒物的排放降低80%左右。詳見(jiàn)表2-2所示的輕型壓燃式汽車型試驗(yàn)排放極限值5。表2-2 輕型汽車型試驗(yàn)排放極限值階段車型類別基準(zhǔn)質(zhì)量（Kg）限值/(g/km)COHCNOX

16、HC+NOX顆粒第一類車全部0.640.500.560.050第二類車RM13050.640.500.560.0501305RM17600.950.780.860.100第一類車全部0.500.250.300.025第二類車RM13050.500.250.300.0251305RM17600.740.390.460.060在歐洲國(guó)家，從2006年10月起，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)載貨汽車排放極限就要求達(dá)到歐標(biāo)準(zhǔn)；從2010年1月起，開(kāi)始執(zhí)行歐V標(biāo)準(zhǔn)。從歐標(biāo)準(zhǔn)到歐標(biāo)準(zhǔn)，顆粒物的排放下降了近80%，氮氧化物的排放下降了近30%。降低顆粒物和NOX的排放依然是柴油機(jī)達(dá)到歐V標(biāo)準(zhǔn)迫切需要解決的問(wèn)題 。這就需要更為完

17、善成熟的技術(shù)方案來(lái)控制柴油機(jī)污染物的排放，以應(yīng)對(duì)隨即而來(lái)各國(guó)和各地區(qū)以法律形式對(duì)柴油機(jī)的排放物的強(qiáng)制性限制。3 柴油機(jī)機(jī)外凈化技術(shù)的研究3.1 顆粒物過(guò)濾凈化技術(shù)微粒是柴油機(jī)排放的突出問(wèn)題，對(duì)車用柴油機(jī)排氣的微粒處理，主要采用過(guò)濾法。在濾芯上存積的微粒需要及時(shí)清除，為此，應(yīng)設(shè)置對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行凈化的再生裝置。目前最有效的微粒凈化方法是采用柴油機(jī)微粒過(guò)濾器（Diesel Particulate Filter，DPF），也叫顆粒捕集器。DPF的原理是讓排氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾裝置（多孔性壁面、纖維層等），使排氣中的全部或絕大部分顆粒物被攔截，留在過(guò)濾介質(zhì)上，氣體被凈化流出。在0.070.2um之間的細(xì)微粒，DPF

18、可使微粒減少90%以上6。隨著過(guò)濾時(shí)間的增加，過(guò)濾介質(zhì)上堆積的顆粒物增多，過(guò)濾器的流動(dòng)阻力增大，排氣壓力上升，發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化。因此，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的過(guò)濾后，需要采用反向吹風(fēng)、振動(dòng)、更換過(guò)濾介質(zhì)、燃燒顆粒物等方法除去過(guò)濾介質(zhì)上堆積的顆粒，使DPF恢復(fù)到初始狀態(tài)。過(guò)濾是降低PM排放最直接的方法，但將柴油機(jī)排氣微粒收集起來(lái)后，決定微粒捕集器實(shí)用性的就是再生的問(wèn)題了，微粒捕集器的再生可以分為兩類，即斷續(xù)加熱再生和連續(xù)催化再生。斷續(xù)加熱再生，即DPF裝置每工作一段時(shí)間，就采用電加熱器或燃燒器加熱消除微粒的方法。微粒氧化的要素是高溫、富氧和氧化時(shí)間。在氧濃度5%以上，排氣溫度650以上，微粒的氧化也要經(jīng)歷2

19、min。而實(shí)際柴油機(jī)排氣溫度小于500，提高排氣溫度往往又伴隨著燃油經(jīng)濟(jì)性的惡化7，因此這種情況下難以燒掉微粒。實(shí)際的加熱再生方式，需要一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)。排氣系統(tǒng)中裝有兩個(gè)微粒捕集器，當(dāng)一側(cè)的捕集器由于微粒的存積使排氣背壓升高到一定限值，再生系統(tǒng)啟動(dòng)，通過(guò)電磁閥切換，使排氣通向另一側(cè)的捕集器；同時(shí)對(duì)積存了微粒的捕集器進(jìn)行電加熱以燒掉微粒使其再生。這樣兩側(cè)的微粒捕集器就交替工作或再生。當(dāng)然這種斷續(xù)加熱再生方法，需要消耗能量（電能或燃料），使得燃油經(jīng)濟(jì)性變差。同時(shí)需要一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。另外，如何控制再生溫度也是一個(gè)難題，溫度過(guò)低微粒不起燃，但溫度過(guò)高會(huì)增加微粒捕集器的熱

20、應(yīng)力，以致產(chǎn)生破碎，甚至燒熔器壁。連續(xù)再生，即微粒捕集器邊工作邊再生的方法，是在微粒捕集器的陶瓷載體表面涂蓋含有貴金屬元素的催化劑涂層，使微粒的著火溫度降低，使之能在正常的柴油機(jī)排氣溫度下著火燃燒分解變成CO2，而后隨排氣一起排入大氣中。但是這種金屬添加劑用量較大，因而成本較高，且其化合物會(huì)殘留在捕集器的內(nèi)部造成慢性堵塞，甚至?xí)a(chǎn)生新的有害排放物。況且在排氣中，這樣的后處理裝置會(huì)產(chǎn)生排氣背壓，增加了排氣阻力，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣損失增加，也使得排氣的殘余量增多，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡化，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。當(dāng)然，也有公司開(kāi)發(fā)研究一種不用添加劑的連續(xù)再生的方法，使柴油機(jī)排出的廢氣首先

21、經(jīng)過(guò)一個(gè)氧化催化器，在CO和HC被凈化的同時(shí)，NO被氧化成NO2。而NO2本身是一種化學(xué)活性很強(qiáng)的氧化劑，在微粒捕集器中，二氧化氮與微粒進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，使微粒的啟燃溫度降低到200左右。但當(dāng)排氣溫度高于400時(shí)，化學(xué)平衡趨于產(chǎn)生NO，而難以產(chǎn)生NO2，也就不能使DPF中的微粒燃燒，再生效率急劇下降，因此該再生方法也就沒(méi)能順利運(yùn)用到車用的排氣凈化裝置上。3.2 氧化催化轉(zhuǎn)換法柴油機(jī)用的氧化催化劑與汽油機(jī)的基本相同，目前應(yīng)用最廣泛的氧化催化材料是鉑（Pt）和鈀（Pd）的混合物8。氧化催化劑的作用是促使排氣中的PM、HC和CO發(fā)生催化反應(yīng)，被氧化為水和二氧化碳排出。但柴油機(jī)排氣溫度低，微粒中的碳煙

22、難以氧化。氧化催化劑主要用于轉(zhuǎn)化PM中可溶性有機(jī)成分（Soluble Organic Fraction，SOF），降低微粒排放量，氧化催化劑也可使HC和CO排放進(jìn)一步降低，并凈化其他有害成分，如醛類，以及減輕柴油機(jī)排氣臭味。當(dāng)使用Pt系列的催化劑時(shí)，燃燒產(chǎn)物中的二氧化硫?qū)⒈淮呋趸癁槿趸虿a(chǎn)生大量的硫酸鹽，使微粒排放總量比未使用催化劑時(shí)還大。但如果使用Pd系列的催化劑，在SOF排放明顯降低的同時(shí)硫酸鹽的生成量也不大。Pd的催化活性盡管不如Pt，但產(chǎn)生的硫酸鹽要少得多，同時(shí)價(jià)格也便宜，因此也有選擇Pd作為柴油機(jī)氧化催化劑的活性成分的。在發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)后的催化劑活性很低的低溫階段，排氣中未燃成分

23、HC和PM中SOF被HC的吸附材料吸附，當(dāng)溫度升高后，催化劑的活性提高，吸附材料的吸附能力降低，于是未燃成分HC和SOF脫離吸附材料，在氧化催化劑的作用下變成無(wú)害的成分排出。并采用了難以與二氧化硫反應(yīng)的材料，使催化劑的壽命和效率得到了提高。如圖3-1所示，氧化催化轉(zhuǎn)換的原理。當(dāng)然這種有吸附功能的氧化催化器可使排氣中的SOF、HC和CO凈化率分別達(dá)到55%、70%、90%以上。但這種催化器的缺點(diǎn)是，不能除去PM中的炭粒。氧化催化轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的困難主要是，柴油中含有較高的硫，硫燃燒后會(huì)生成SO2，而SO2經(jīng)催化器氧化后變成SO3，SO3與排氣中的水分結(jié)合后會(huì)生成硫酸。氧化催化的效果越好，硫酸及硫酸鹽

24、生成越多。這無(wú)疑會(huì)抵消SOF的減少所帶來(lái)的環(huán)境效益，甚至?xí)刮⒘Ｅ欧派仙?，同時(shí)，硫也是催化劑中毒劣化的原因之一。由于氧化催化轉(zhuǎn)換器僅能對(duì)排氣中的SOF、HC、CO有凈化作用，又會(huì)導(dǎo)致微粒物中硫酸鹽增多，因此氧化催化轉(zhuǎn)換器應(yīng)單獨(dú)使用于無(wú)硫或低硫柴油機(jī)汽車上。而在我國(guó)柴油還無(wú)法達(dá)到低硫甚至無(wú)硫的情況下，氧化催化轉(zhuǎn)換技術(shù)必須配合其他凈化技術(shù)協(xié)同作用。HC和SOF吸附材料CO2H2O貴金屬O2、COSO2不吸附吸附HC吸附SOFSO2不吸附（a）低溫階段 （b）高溫階段圖3-1 氧化催化轉(zhuǎn)換器的原理3.3 氮氧化物的還原催化技術(shù)盡管三元催化器早已在汽油車上得到了普遍應(yīng)用，但在柴油車上卻無(wú)法應(yīng)用，而針對(duì)

25、柴油車開(kāi)發(fā)的還原催化劑是一項(xiàng)難度很大的研究工作，尚未達(dá)到實(shí)用階段，主要原因：一是在柴油機(jī)排氣這樣的氧化氛圍很高的條件下進(jìn)行氮氧化物的還原反應(yīng)，對(duì)催化劑性能要求極高；二是柴油機(jī)排氣溫度明顯低于汽油機(jī)；三是柴油機(jī)排氣中含有大量SO2和微粒，容易導(dǎo)致催化劑中毒。因此，從排氣氛圍中不難發(fā)現(xiàn)，氮氧化物的處理還需要特殊的還原催化方法來(lái)解決。氮氧化物的催化還原技術(shù)利用不同的還原劑，在一定溫度和催化劑的作用下將NOX還原為無(wú)害的氮?dú)夂退?，通常稱為NOX的催化還原法。目前，研發(fā)開(kāi)發(fā)中的柴油機(jī)還原NOX的后處理方法有選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）、選擇性非催化

26、還原（Selective Noncatalytic Reduction，SNCR）、非選擇性催化還原（Nonselective Catalytic Reduction，NSCR）和吸附還原催化劑(Absorb Reduction)四種。其中，SCR、SNCR和NSCR法，已在治理發(fā)電廠鍋爐排放的NOX中得到了成功的應(yīng)用，對(duì)固定工況的大型柴油機(jī)有不少應(yīng)用實(shí)例。吸附還原催化劑已成功地用于稀燃汽油機(jī)9。在柴油機(jī)上使用的還原催化技術(shù)可行性高和應(yīng)用前景好的是吸附催化還原凈化技術(shù)和SCR技術(shù)。(1)柴油機(jī)的NOX的吸附還原凈化技術(shù)主要應(yīng)用于電控柴油機(jī)上，一般采用在燃燒后期向缸內(nèi)二次噴油或向排氣管噴油的方法

27、產(chǎn)生還原NOX所需的還原劑，這個(gè)還原劑的主要成分是HC，其主要不足是增加了燃油消耗量，并需要足夠精確的NOX傳感器。如圖3-2所示為排氣管噴油的催化還原凈化系統(tǒng)的組成圖。在柴油機(jī)稀混合氣運(yùn)行時(shí)，NOX被儲(chǔ)存在堿性金屬上，當(dāng)NOX超過(guò)堿性金屬存儲(chǔ)上限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊根據(jù)NOX傳感器信號(hào)發(fā)出排氣管噴油指令，在排氣管形成濃混合氣氛圍，使NOX還原為無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊柴油機(jī)計(jì)量裝置高壓柴油電控柴油機(jī)排氣NOx傳感器傳感器信號(hào)NOX吸附催化凈化器器噴油器害的N2和H2O。 圖3-2 排氣管噴油的催化還原凈化系統(tǒng)示意圖(2)尿素選擇催化還原技術(shù)，即SCR法，使用的還原劑有各種氨類物質(zhì)和碳?xì)浠衔?。選擇性催

28、化還原氮氧化物有三個(gè)特點(diǎn)：一是由于還原劑基本上不與氧發(fā)生反應(yīng)，避免了還原劑的無(wú)謂消耗，并大大減少了反應(yīng)熱，容易控制；二是催化劑選擇的余地大，除了鉑、鈀類貴金屬催化劑外，還可用鐵、錳、銅和鉻等金屬氧化物催化劑；還原劑氨容易得到，啟燃溫度也較低，一般為220左右，柴油機(jī)在排氣時(shí)廢氣溫度容易實(shí)現(xiàn)，明顯改善了催化劑和反應(yīng)器的工作條件，有利于延長(zhǎng)催化劑的壽命和降低反應(yīng)器對(duì)材質(zhì)的要求。由于氨氣的凈化效果較碳?xì)浠衔锖?，故尿素選擇催化還原技術(shù)（Urea Selective Catalytic Reduction，USCR）得到普遍認(rèn)可。其原理是利用催化劑，在一定的溫度內(nèi)，使氨氣先與氮氧化物反應(yīng)，而不與氧反應(yīng)

29、。USCR的常見(jiàn)方案是向排氣管內(nèi)直接噴射尿素水溶液，利用如下的水解反應(yīng)使尿素水解產(chǎn)生氨氣： （NH2）2CO=NH3+HCNO HCNO+H2O=NH3+CO2上列反應(yīng)產(chǎn)生的氨氣和氮氧化物反應(yīng)產(chǎn)生氮?dú)夂退瑥亩_(dá)到還原排氣中氮氧化物的目的。在有催化劑的條件下，氨氣與氮氧化物反應(yīng)的工作溫度為200400，反應(yīng)溫度低，柴油機(jī)排氣溫度容易達(dá)到。由于無(wú)法保證所有水解氨氣都能與氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故一般還要在USCR裝置的后面加裝氧化催化器，以除去多余的氨氣。USCR系統(tǒng)的示意圖如圖所示3-3所示。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元尿素箱泵廢氣前氧化催化器混合器SCR催化器氧化催化器水解催化器尿素噴射器圖3-3 USCR

30、系統(tǒng)示意圖采用優(yōu)化燃燒及SCR技術(shù)路線無(wú)需改變柴油機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)能大量降低氮氧化物的排放（在不降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率的前提下，能使NOX的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%以上，并且在溫度變化范圍相當(dāng)大的情況下保證較高的NOX的轉(zhuǎn)化率）10。當(dāng)溫度降低時(shí)，尿素容易結(jié)晶，造成管路堵塞，因此需要在尿素水溶液中加入添加劑防止尿素結(jié)晶；另外，由于氨水具有較強(qiáng)的腐蝕性和毒性，故需要采用防腐材料。這種技術(shù)一般與氧化催化器聯(lián)合使用，利用氧化催化器使柴油機(jī)的CO、HC和微粒中的SOF氧化為水和二氧化碳。3.4 閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)為了避免柴油機(jī)的曲軸箱竄氣直接排向大氣,對(duì)環(huán)境造成危害，減輕HC的排放，在柴油機(jī)排放過(guò)程中必須考慮閉式

31、強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)，如圖3-4所示。曲軸箱竄氣是指在壓縮過(guò)程和燃燒過(guò)程中由活塞與氣缸之間的間隙竄入曲軸箱的油氣混合氣和已燃?xì)怏w，并與曲軸箱內(nèi)的潤(rùn)滑油蒸氣混合后，由通風(fēng)口排入大氣的污染氣體。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),這些竄氣經(jīng)活塞和氣缸套的間隙,以及氣門導(dǎo)管和增壓器軸承間的間隙進(jìn)入曲軸箱。除了殘留的燃油和燃燒產(chǎn)生的廢氣和炭煙之外,這些氣體還含有不少機(jī)油,這些氣流會(huì)將冷卻活塞裙部而滯留在活塞和缸套表面的油膜和油滴帶入氣流,形成含有油蒸汽和水蒸汽的特細(xì)氣溶膠體，對(duì)環(huán)境也有很大的影響。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油泵中冷器增壓器DOCDPF排氣進(jìn)氣電控EGR閥EGR冷卻器共軌系統(tǒng)曲軸箱竄氣連桿空氣濾清器電控PCV閥圖3-4 閉式曲軸

32、箱的工作原理圖根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況可以控制PCV閥的開(kāi)度，自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入增壓器與空氣濾清器的曲軸箱氣體的數(shù)量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)，關(guān)閉PCV閥；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速或減速時(shí)，由于竄入曲軸箱的氣體少，油門踏板位置傳感器將信號(hào)傳給ECU，使得PCV閥開(kāi)度??；在中等負(fù)荷工況下，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷增大，竄入曲軸箱的氣體量增多，PCV閥的開(kāi)度逐漸變大；發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)荷工況的情況下，竄入曲軸箱的氣體量突然增加很多，PCV閥的開(kāi)度增大到最大11。目前,通過(guò)閉式強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)來(lái)解決曲軸箱排氣，即將含有雜質(zhì)的旁通氣體導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣濾清器與增壓器進(jìn)氣管之間的接管中12。但這種含油物質(zhì)以及炭煙顆?？赡軙?huì)污染渦輪增壓器、空氣流量計(jì)、中冷

33、器、進(jìn)排氣閥門和催化器，影響燃燒過(guò)程和排放，以及上述部件的壽命，為確保使用周期內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，必須從曲軸箱排氣中分離出這些有害成份。4 降低污染物排放的機(jī)外凈化方案4.1 幾種機(jī)外凈化方案除燃燒過(guò)程和發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件優(yōu)化外，氧化催化DOC、選擇催化還原SCR、 DPF、氮氧化物吸附還原技術(shù)和閉式曲軸箱通風(fēng)等多種措施組合是柴油機(jī)應(yīng)對(duì)更為嚴(yán)格排放法規(guī)的主要措施，由于柴油機(jī)汽車的污染物主要來(lái)源于尾氣排放，而曲軸箱排放的污染物量很少，僅含少量的HC和極少量的醛類物質(zhì)。因此柴油機(jī)的機(jī)外凈化主要靠排氣后處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。常見(jiàn)的排氣后處理組合方案如圖4-1所示。DOC與DPF串聯(lián)，并在DOC之前噴入少量柴油或者電

34、加熱的組合方案，既可減少CO、HC和PM排放，也可實(shí)現(xiàn)DPF的再生；采用DOC+SCR+DOC組合，并在SCR之前噴入尿素水溶液，即可減少CO、HC和PM中的SOF的排放，又可降低氮氧化物的排放和防止氨的逃逸；采用DOC+DPF+SCR+DOC組合，并在SCR之前噴入尿素水溶液，既可減少CO、HC、NOx和PM排放，又可防止氨的逃逸；采用DOC+NSR+DPF+DOC,并在NSR之前噴入柴油，既可減少CO、HC、氮氧化物和微粒排放，又實(shí)現(xiàn)DPF的再生和降低因噴入柴油引起的HC排放。柴油機(jī)排氣DOC+電熱再生燃料+DOCDPF燃料+DPF尿素水溶液+SCRDOCDOCDPF尿素水溶液+SCRDO

35、CDOC燃料+NSRDPFDOCDPF注：DOC除去CO、HC和SOF以及氨 DPF除去PM SCR、NSR除去氮氧化物圖4-1幾種后處理技術(shù)方案4.2 柴油機(jī)低排放的綜合控制優(yōu)化方案采用共軌燃油噴射技術(shù)進(jìn)行燃燒過(guò)程的優(yōu)化和噴油時(shí)刻的控制，采用增壓中冷增加進(jìn)氣量用以改善燃燒，采用EGR技術(shù)降低氮氧化物的排放，優(yōu)化燃燒過(guò)程和推遲噴油提前角，使燃燒過(guò)程避開(kāi)上止點(diǎn)進(jìn)行，使燃燒初期放熱效率降低，使得燃燒最高溫度降低，抑制了氮氧化物的生成；增壓中冷使得進(jìn)氣量增多，且進(jìn)氣溫度降低，使得初燃期燃燒溫度降低 ，增壓后，過(guò)量空氣系數(shù)加大，富氧的環(huán)境使得炭煙和微粒的產(chǎn)生得到抑制，同時(shí)使得HC和CO的生成量減少，但

36、是也使氮氧化物的還原遇到障礙；冷卻電控EGR系統(tǒng)，使得排氣中大量的二氧化碳和氮?dú)?，能夠吸收燃燒熱，阻礙了燃燒過(guò)程的快速進(jìn)行，這三項(xiàng)技術(shù)的組合，使燃燒過(guò)程污染物的生成量大幅度降低。在此基礎(chǔ)上再采用優(yōu)化過(guò)的機(jī)外凈化方案，使得有害排放物進(jìn)一步降低，達(dá)到排放要求，進(jìn)而減少對(duì)人類的危害和環(huán)境的污染。這幾種后處理技術(shù)的串聯(lián)雖然能得到污染物的有效降低，但是卻對(duì)尾氣凈化裝置的結(jié)構(gòu)要求很高，微粒捕集再生用連續(xù)再生的話，只有電加熱再生，或者燃料燃燒再生，這無(wú)疑會(huì)增加燃油消耗或者電加熱裝置的復(fù)雜程度。雖然現(xiàn)在的SCR技術(shù)，能明顯降低柴油機(jī)突出的氮氧化物排放問(wèn)題，但是SCR 技術(shù)存在一些問(wèn)題，在我國(guó)，柴油中的硫含量較

37、高，與氨氣進(jìn)一步反應(yīng)生成銨鹽 ,從而造成催化劑中毒或堵塞,將使 SCR 的工作效率大大降低,同時(shí)硫含量過(guò)高還會(huì)使氧化催化器效果惡化，SO2被催化器氧化后,硫酸鹽的生成量過(guò)多，使得微粒上升。在我們國(guó)家，還無(wú)法像歐美國(guó)家那樣，使用低硫甚至無(wú)硫的柴油。因此，需要開(kāi)發(fā)出新的方案來(lái)將這些問(wèn)題的影響降低，在兼顧原有性能的情況下，最大限度的降低排放。使得柴油機(jī)的尾氣能在較小的裝置內(nèi)得到高效率地處理，同時(shí)保證排氣順暢，降低換氣損失，增強(qiáng)凈化效果。方案一：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)的突飛猛進(jìn)，不久的將來(lái)，我國(guó)低含量柴油甚至無(wú)硫柴油必將得到推廣使用，這樣SCR技術(shù)就可以得到實(shí)用，后處理技術(shù)采用DOC、SCR與DPF串聯(lián)，

38、然后再設(shè)置另一個(gè)相同的DPF裝置，實(shí)現(xiàn)HC、CO和微粒氧化以及氮氧化物的處理，系統(tǒng)示意圖如圖4-2所示。先采用DPF裝置凈化PM，再采用SCR技術(shù)凈化氮氧化物，在DPF和SCR之間噴射SCR所需要的尿素水溶液。在DPF裝置兩端裝設(shè)壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DPF進(jìn)出口的壓差，當(dāng)汽車行駛過(guò)程中DPF的兩端壓差超過(guò)臨界時(shí)，需要再生，這時(shí)ECU發(fā)出額外燃油噴射的指令，向DPF裝置提供燃油，使得捕集器上收集的顆粒得以燃燒再生，進(jìn)而DPF裝置得以恢復(fù)初始化狀態(tài)。所以采用了圖中所示的理想的并聯(lián)方案，進(jìn)行交替工作和再生，當(dāng)?shù)谝唤MDPF裝置在吸附PM到飽和狀態(tài)，開(kāi)始觸發(fā)DPF上的燃油噴射器進(jìn)行燃燒再生的過(guò)程，第二組再

39、開(kāi)始捕集微粒。每個(gè)排氣分管中安裝有一個(gè)電控氣門閥，在排氣過(guò)程中有一個(gè)氣門是開(kāi)啟的，而另一個(gè)是關(guān)閉的，這時(shí)開(kāi)啟的那個(gè)排氣分管的DPF裝置開(kāi)始用它的多孔陶瓷的內(nèi)在結(jié)構(gòu)吸附排氣中的微粒，隨著微粒的累積，排氣分管兩端的壓差越來(lái)越大，這個(gè)排氣管末端的排氣背壓傳感器將壓差的數(shù)據(jù)反饋給ECU，當(dāng)壓差的數(shù)值大于ECU的設(shè)定值時(shí)，ECU發(fā)出脈沖指令，輸出脈沖電流，使得這個(gè)電控電磁氣門閥關(guān)閉，另一個(gè)電磁氣門閥開(kāi)啟。然后，對(duì)被關(guān)閉的那個(gè)排氣分管的DPF裝置前端噴入一定量的燃油，對(duì)微粒進(jìn)行燃燒再生。此時(shí)，NOX傳感器將氮氧化物的濃度信號(hào)傳給ECU，對(duì)電控尿素噴射控制器發(fā)出指令，向SCR裝置噴入一定量的尿素水溶液。不然

40、，尿素水溶液過(guò)少，導(dǎo)致氮氧化物不能得到徹底的還原；尿素水溶液過(guò)多，導(dǎo)致裝置下端的DOC裝置的負(fù)荷過(guò)大，降低裝置的使用壽命，同時(shí)浪費(fèi)尿素原料。然后空氣經(jīng)過(guò)干燥處理，就可以將排氣中的水分吸收，降低硫酸鹽生成量。在這個(gè)同時(shí)，節(jié)氣門位置傳感器和氮氧化物傳感器分別將油門踏板位置和氮氧化物的濃度反饋給ECU，以控制電控冷卻EGR系統(tǒng)中的電控EGR閥，綜合控制EGR率，降低氮氧化物的生成，這樣就能達(dá)到降低污染物排放的目的。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油路中冷器增壓器排氣進(jìn)氣電控EGR閥EGR冷卻器電控共軌系統(tǒng)電控尿素噴射控制器DPFECU電磁氣門閥DPFSCRDOC排氣背壓傳感器干燥處理尿素灌NOX傳感信號(hào)圖4-2 低排放柴

41、油機(jī)凈化方案意圖方案二：將幾種凈化裝置集成在一起，組合一整套的排氣后處理系統(tǒng)，則可以同時(shí)除去CO、HC、PM和氮氧化物四種污染物，但是這種集成系統(tǒng)的體積之龐大和成本之昂貴難以在輕型柴油車上實(shí)現(xiàn)，只有待于將其運(yùn)用到3.5噸以上的非輕型車上。因此，考慮到降低成本，減小這種凈化裝置的復(fù)雜程度，考慮在同一裝置內(nèi)可同時(shí)除去CO、HC、PM和氮氧化物，達(dá)到四種主要污染物同時(shí)催化的效果。由此設(shè)置一個(gè)裝置，達(dá)到讓這幾種污染物同時(shí)達(dá)到催化的目的，該同時(shí)催化器的構(gòu)造與多孔陶瓷顆粒過(guò)濾器類似，不同之處是在顆粒過(guò)濾器的表面涂抹了一種吸附氮氧化物的吸附劑，以及在裝置器壁添加氮氧化物催化劑的涂層，避免使用了SCR技術(shù)，而

42、是采用NOX吸附催化還原技術(shù)，以符合我國(guó)柴油的品質(zhì)，且使裝置得到簡(jiǎn)化。為了使PM、CO和HC 進(jìn)一步降低，在該裝置的下游布置了氧化催化器。具體裝置示意圖見(jiàn)圖4-3，同時(shí)凈化裝置?？刂茊卧烷T踏板發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速EGR冷卻器出口入口進(jìn)氣電控冷卻EGR閥電控燃油噴射器NOX傳感信號(hào)排氣活性炭吸附干燥處理DOC排氣背壓信號(hào)同時(shí)凈化裝置圖4-3 低排放柴油機(jī)同時(shí)凈化裝置圖中的NOX和微粒凈化裝置是在多孔陶瓷材料的微粒捕集器的基礎(chǔ)上改裝的，就是在捕集器表面涂抹吸附氮氧化物的堿性金屬吸附劑以及催化微粒再生的催化劑，在凈化裝置前添加一個(gè)活性炭罐，還有一個(gè)燃油噴射器。活性炭罐的作用有兩個(gè)，一是使一部分顆粒狀物質(zhì)得以

43、吸附，降低微粒的含量；二是除去大部分SO2，防止那些SO2影響氮氧化物的催化劑的活性，提高氮氧化物的催化轉(zhuǎn)化效率。燃油噴射器就是制造還原氛圍，使得氮氧化物得以還原。PM的凈化依靠DPF實(shí)現(xiàn)，CO、HC和氮氧化物的凈化依靠氮氧化物催化劑和燃油噴射系統(tǒng)共同完成。在正常的工作條件下，柴油機(jī)使用的是稀薄混合氣，排氣中氧氣和氮氧化物充足，此時(shí)二氧化氮直接被堿性金屬吸附生成硝酸鹽，NO被催化氧化為二氧化氮后再生成硝酸鹽并被吸附，當(dāng)排氣背壓超過(guò)一定時(shí)，進(jìn)行催化再生，過(guò)濾在DPF表面的微粒在催化劑的作用下被氧化為二氧化碳。燃油噴射系統(tǒng)額外噴入燃油形成瞬間濃混合氣時(shí)，此時(shí)排氣中氧含量減少，吸附的二氧化氮被釋放回

44、排氣，與瞬間濃混合氣中大量的CO、HC發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成水、二氧化碳和氮?dú)?。于是氮氧化物催化劑又可重新吸附氮氧化物，飽和之后重新再生，然后循環(huán)往復(fù)，與微粒捕集器同時(shí)再生，同時(shí)凈化微粒和氮氧化物。ECU通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置傳感器傳來(lái)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，以及油門踏板位置傳感器傳來(lái)的信號(hào)來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，進(jìn)而控制電控冷卻EGR閥的開(kāi)度，改變EGR率，利用廢氣循環(huán)，來(lái)降低NOX的生成量。再經(jīng)過(guò)活性炭對(duì)顆粒狀物質(zhì)，二氧化硫還有二氧化氮的吸附，減少一定量的微粒，同時(shí)除去大量的SO2。然后經(jīng)過(guò)干燥罐可以將排氣中的水分吸收，防止其影響氧化催化器的效率。同時(shí)，氮氧化物傳感器將氮氧化物的濃度信號(hào)傳給控制模塊，進(jìn)而精確控制燃油噴射器的噴射量，即可以使得微粒捕集器再生