【畢業(yè)學位論文】（Word原稿）柴油機尾氣處理技術(shù)研究-航海學輪機工程

I 分類號 編號 學 畢 業(yè) 論 文 柴油機尾氣處理技術(shù)研究 請學位： 工學學士 院 系： 院 專 業(yè)： 輪機工程 姓 名： 學 號： 導老師： 學 摘要 柴油機由于能量轉(zhuǎn)換效率高、功率密度大、機動性能 好等優(yōu)點，在各行業(yè)特別是汽車和船舶中獲得廣泛應用。柴油機誕生一百多年來，在動力性、經(jīng)濟性、可靠性等主要性能上，已經(jīng)達到很高的水平。但是，柴油機產(chǎn)生的噪聲和排放的污染物與環(huán)境意識日益提高的人們越來越不相適應。柴油機尾氣有害排放物對環(huán)境的污染已成為嚴重的社會公害之一。減少 微粒的排放是柴油機排放污染物控柴油機氧化催化器主要用來氧化柴油機尾氣中控制的重點。本文通過對柴油機尾氣排放污染物的生成機理的分析 ,提出了控制有害污染物排放的實用技術(shù) ,改進柴油機排放性能 ,以滿足日趨嚴格的排放法規(guī)。 低溫等離子體用于柴油機后 處理研究于 20 世紀 80 年代中期提出 ,在 20 世紀 90 年代有了較大發(fā)展 ,主要研究集中在放電加強微粒荷電并通過電場驅(qū)動捕獲微粒 ,放電產(chǎn)生等離子體 ,化學反應降低 氣態(tài)污染物 ,以及同時捕集炭煙微粒和去除 溫等離子體放電方法具有簡單高效 ,不影響柴油機運行性能以及同時捕集炭煙微粒和降低 潛在優(yōu)勢 ,是柴油機后處理研究的 發(fā)展方向?？傊?,治理內(nèi)燃機所造成的污染工作仍然是很艱巨的 ,還需要我們不斷地探索和研究。 關(guān)鍵詞： 柴油機；尾氣；污染；處理 as in of 00 of of on a of Ox of is in of on of of to to in in 990s of on to Ox at is of at Ox is In of by is we to to 錄 緒 論 . 1 1 柴油機排放物的生成機理及其危害 . 2 . 2 . 2 . 3 粒 ) . 3 . 4 2 柴油機的排放標準 . 5 歐四標準 . 5 國三標準 . 5 3 影響排放物的因素及控制措施 . 6 影響 放的主要參數(shù) . 6 燃燒方式的選擇 . 6 燃油品質(zhì)的改善 . 7 柴油機結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進 . 8 化渦輪增壓器與柴油機的匹配 . 8 采用新型噴嘴 ,控制噴射速率 . 9 控技術(shù)的應用 . 9 控系統(tǒng) . 9 氣渦流電控系統(tǒng) . 9 油蒸發(fā)電控系統(tǒng) . 9 軸箱強制通風電控系統(tǒng) . 10 次空氣噴射系統(tǒng) . 10 4 排氣后處理技術(shù) . 11 氣后處理技術(shù) . 11 氣 處理技術(shù) . 11 柴油機后處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 . 14 柴油機氧化催化器 . 14 柴油機微粒捕集器 . 15 附器 . 16 稀 化還原器 . 17 5 柴油機尾氣排放控制新技術(shù)的應用 . 18 低溫等離子體的應用 . 18 等離子輔助催化系統(tǒng) . 18 低溫等離子技術(shù)凈化尾氣微粒的方法 . 18 V 尾氣中有害氣體的凈化 . 20 等離子發(fā)生器用于實踐所要注意的問題 . 21 結(jié) 論 . 22 致 謝 . 錯誤 !未定義書簽。 參考文獻 . 23 1 緒 論 隨著人們對環(huán)境保護的日趨重視 ,世界各國限制內(nèi)燃機廢氣排放的法規(guī)變得愈來愈嚴格。例如 ,美國的 洲的歐和日本的 000。進入 1999 年后 ,中國的環(huán)保部門采取了一系列的緊急措施 ,加大了治理機動車排放污染的力度。北京市政府為改善首都環(huán)境質(zhì) 量 ,控制大氣污染 ,從 1999 年 1 月 1 日起開始實施北京市輕型汽車排氣污染物排放標準 ,它相當于歐洲 1999 年的 01,這個標準要比我國現(xiàn)行國家標準嚴格許多。柴油機的有害排放物主要有 : 粒 )。為了滿足日趨嚴格的排放法規(guī) ,必須采取一系列技術(shù)措施來改進柴油機排放性能?，F(xiàn)代柴油機有害排放控制是一個綜合的、系統(tǒng)的工程 ,以改進柴油機設(shè)計技術(shù)為核心 ,與燃料改質(zhì)和排氣處理系統(tǒng)相結(jié)合將是未來柴油機有害排放控制技術(shù)的研究方向。 2 1 柴油機排放物的生成機理及其危害 C 的 生成取決于發(fā)動機的設(shè)計和運行因素。發(fā)動機運行中 ,混合氣過濃或過稀、燃燒組織不良、竄機油或溫度過低等都會產(chǎn)生 油機排出的未燃燒的 要是未燃燒的燃料、分解的燃料分子和少量的氧化反應的中間產(chǎn)物。 下面簡述生成未完全燃燒的碳氫化合物主要化學機理： 把碳氫化合物一直氧化到 2O,需要一系列基元化學反應步驟，它們涉及很多由碳氫化合物和氧產(chǎn)生的基，生成多種不完全氧化產(chǎn)物。在自由基鏈傳播中其重要的烷基（ 由碳氫化合物的 和 斷裂生成的。氧的舉止象一個雙基，可以生成過過氧化氫基（ 。即： 基（ 容易與氧反應生成烷基過氧化物基，即： 是在碳氫化合物與氧之間形成化學鍵的最初步驟。接下來的步驟包括一系列反復進行的基反應，與各種各樣脫氧反應和異構(gòu)化反應一起，最終生成各種形式的含氧有機物。 某些烴類光化學反應活性很強，可與空氣中的 在陽光下形成以 刺激人的眼晴和呼吸器官 ,造成呼吸困難。 2相對不足 ,燃料中的 或由于混合 氣不均勻燃燒 ,混合氣溫度低 ,能氧化而留在燃氣中排出。 碳氫化合物燃料在燃燒過程中生成的主要中間產(chǎn)物。碳氫化合物經(jīng)氧化過程最后生成 生成是此過程重要的中間步驟，即 R 中， R 代表烴基，所生成的 著通過下面這樣速率較低的反應氧化成 H 燃料的氧化速率取決于可用的氧濃度、反應氣的溫度以及化學反應所占 用的時間，后者取決于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。 影響 成的主要因素是混合氣的空燃比，即過量空氣系數(shù) a。如圖示出 空燃比的變化， 排放量隨空燃比的增大而減少。一般情況下柴油機都是在 a 大于 1 的工況下工作，燃氣為稀混合氣，過剩的 O 在排氣中氧化為 此，與汽油機相比，柴油機的 放量低得多。 吸入人體 ,很容易與血紅蛋白結(jié)合 ,導致缺氧 ,從而使人窒息；嚴重者危及生命。 3 由空氣中 2在燃燒室的高溫、高壓作用下發(fā)生化學反應生成的。 要以 形式出現(xiàn) ,還有少量的 不是來自燃料，而是由空氣中的 2在燃燒室 的高溫、高壓作用下發(fā)生化學反應生成的。 O 的形式出現(xiàn)，還有少量的 反應機理為鏈式反應如下 : 2O， O + ， N + 。 鏈式反應是由缸內(nèi)燃燒達到高溫使 02分解成原子狀態(tài) 0 開始的，根據(jù)化學反應動力 學， 生成量取決于反應物的濃度、反應溫度與時間。 以與某些烴類發(fā)生化學反應 ,生成光化學煙霧 ,對人體有害。 粒 ) 由于柴油機燃 燒時燃料與空氣混合不勻 ,造成局部過濃 ,在高溫缺氧情況下產(chǎn)生并排出。 含有可致癌的物質(zhì) ,容易被人體吸入并積在肺內(nèi)。 與汽油車不同 ,柴油車的 及一個多相反應 ,它的尾氣中有一種特殊的污染物 組成復雜 ,而且變化。 要由煙炱 (碳 )組成。曾有人設(shè)想煙炱的形成過程是燃料離解產(chǎn)生的氫氣被燒掉 ,留下碳在氧耗盡區(qū)中。煙炱是不可溶組分。來自燃油和發(fā)動機潤滑油部分進入尾氣中的高沸點烴類被凝結(jié)和 (或 )吸附在煙炱上 ,形成可溶性有機組分 (揮發(fā)性有機組分 (按定義 :于燃油部分 ,為重烴類， 于潤滑油部分 ,在高溫下可揮發(fā)。燃油中的硫在發(fā)動機中氧化成二氧化硫 ,進一步約在 350下氧化成三氧化硫 ,生成的硫酸鹽凝結(jié)在煙炱上 ,使 量增加。每 1g 硫酸鹽結(jié)合 113g 水。發(fā)動機在輕至中等負載下工作時 ,溫度 850K,這時 的潤滑油部分較小 ( 14%),而硫酸鹽部分增大 ( 17%)。 料中的 S 在燃燒后形成 易形成酸霧，污染環(huán)境。 內(nèi)燃機 燃料中的硫燃燒后產(chǎn)生二氧化硫 在空氣中會緩慢地轉(zhuǎn)化為 在氧化催化劑作用下會快速地轉(zhuǎn)化為 一種中等程度的刺激劑。它有很強的親水性，與水結(jié)合形成亞硫酸，對人的口鼻黏膜有強烈的刺激性，但不大可能影響肺部。 然硫化物是造成大氣中酸雨的元兇，但內(nèi)燃機排放的硫化物造成全球環(huán)境污染的作用很小。 5 2 柴油機的排放標準 為了控制廢棄污 染，許多國家都制訂了相應的環(huán)保法規(guī)和排放污染物防治的技術(shù)政策，以及控制排放污染物限制的技術(shù)監(jiān)督標準。 歐四標準 歐洲標準是由歐洲經(jīng)濟委員會（ 排放法規(guī)和歐共體（ 排放指令共同加以實現(xiàn)的，歐共體（ 是現(xiàn)在的歐盟（ 排放法規(guī)由 與國自愿認可，排放指令是 與國強制實施的。汽車排放的歐洲法規(guī)（指令）標準 1992 年前巳實施若干階段，歐洲從 1992 年起開始實施歐（歐型式認證排放限值）、 1996 年起開始實施歐（歐型式認證和生產(chǎn)一致性排放限值）、 2000 年起 開始實施歐（歐型式認證和生產(chǎn)一致性排放限值）、 2005 年起開始實施歐（歐型式認證和生產(chǎn)一致性排放限值）。 歐 四 型式認證和生產(chǎn)一致性 ： 排放限值 車輛類別 基準質(zhì)量（ 限值 g/油機 柴油機 汽油機 汽油機 柴油機 柴油機 柴油機 第一類車 ： 全部 二類車 ： 1 級 305 2 級 1305 76 0 級 1760 0 國三標準 國家第三階段的排放標準相當于歐洲號的排放標準，也就是說，尾氣污染物含量相當于歐 含量，不同的只是新車必須安裝一個 載自診斷系統(tǒng)（什么是 車載自診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)特點在于檢測點增多、檢測系統(tǒng)增多，在三元催化轉(zhuǎn)化器的進出口上都有氧傳感器。完全通過實時監(jiān)控車輛排放來控制達標，可以更加保證歐排放標準的執(zhí)行。當車輛因為油品質(zhì) 量等因素，造成排放沒有達到歐標準的時候， 統(tǒng)將自行報警，轉(zhuǎn)而進入系統(tǒng)默認模式，發(fā)動機將不能正常工作，車輛只能進入特約維修站進行檢查和維護。并且 統(tǒng)不能在車輛出廠之后經(jīng)過改造加上，所以實施國三標準會使單車成本上漲 1000 到 2000 左右。）。機動車污染物排放要穩(wěn)定達到國機動車排放標準，車輛必須裝備使污染物排放達到國標準的技術(shù)措施，同時使用達到歐標準的油品。 我國已于 2000 年實施了“壓燃式發(fā)動機和裝用壓燃式發(fā)動機的車輛排氣污染物限值及測試方法 (、“壓燃式發(fā)動機和裝 用壓燃式發(fā)動機的車輛可見污染物限制及測試方法 (等排放標準。這些強制性的國家標準等效采用了聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會 (關(guān)汽車排放控制的全部技術(shù)內(nèi)容，這意味著我國對新車的排放要求已達到歐洲 90 年代初期水平，比舊有的國家標準更加嚴格了。 6 3 影響排放物的因素及控制措施 影響 放的主要參數(shù) 如圖 1 所示為影響 放的主要參數(shù)。 燃燒方式的選擇 為了改善 放之間的折衷 ,多數(shù)柴油機采用推遲噴油定時的高壓燃油噴射措施。噴油定時遲后引起 燃油經(jīng)濟性的破壞 ,應歸于燃燒循環(huán)本身效率的下降。目前正在研究的有先導噴油、多次噴油以及預混合壓縮著火等技術(shù)。 人結(jié)合廢氣再循環(huán) (施研究了多次噴油 (直到一個燃燒循環(huán)內(nèi)噴油 4 次 )實現(xiàn)同時降低 放。在該技術(shù)中 ,通過 低 放 ,同時采用多次噴油降低 放 ,但多次噴油對降低 放的效果不大。 人建議采用稀薄預混合的壓燃方法 ,該方法能使 放降低到標準柴油機放的 1/50。但采用該方法在高負荷條件下易敲缸 ,低負荷條件下易發(fā)生不著火 ,限制了能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn) 定燃燒的預混合氣的可行工作范圍。 人建議采用多次噴射和稀薄預混合壓燃相結(jié)合的一種新燃燒概念 (質(zhì)合理的多次噴射燃燒系統(tǒng) )。 式要求在從進氣行程早期到壓縮行程中期這一時期內(nèi)完成預先噴油 ,形成預混合氣。采用改進的 程序分析了每一種噴油模式對發(fā)動機性能和排放量的影響。模擬結(jié)果明 ,燒系統(tǒng)的燃油耗與 放量之間的折衷關(guān)系可獲得顯著的改進。 7 圖 1 影響 M 排放的主要參數(shù) 燃油品質(zhì)的改善 柴油機燃油的成份對于排放有很大的影響。圖 2 所示為一臺 10 L 增壓中冷柴油機按范試驗所獲得各排放量的降低情況 ,試驗時采用了低芳烴 (體積分數(shù)小于 5%)和低硫 (質(zhì)量分數(shù)小于 燃油替代 03 準油。從圖 2 中可看出 ,各有害氣體排放約降低 10%,顆粒排放約降低 40%。圖 3 為典型的碳黑降低率與燃油含氧量之間的變化關(guān)系。燃油含氧量的增加能使碳黑顯著下降。 燃油的發(fā)展趨勢是 ,改進燃油沸點范圍 ;使之有較高的十六烷值和十六烷指數(shù)值 ;有較低的總芳烴量 ;極低的含 S 量 ;添加氧化劑。改進后可實現(xiàn)低排放 ,延長排氣后處理裝置使用期 ;發(fā)動機采用更合適的噴油定時 ,從而使燃油消耗率降低 . 車輛 車輛總質(zhì)量 動力系統(tǒng) 放 發(fā)動機 功率 轉(zhuǎn)速范圍 設(shè)計 油 料 燃油品種和配方（乳化劑） 潤滑油 混合氣形成與燃燒 過量空氣 進氣溫度 縮 比 中 心 混 合氣的形成 噴油率 空氣燃油混合動力 控 制 動態(tài)特 征 精度 功能（可變渦流） 排氣處理 氫化催化劑 化劑 顆粒捕集 8 柴油機結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進 重新設(shè)計燃燒室 ,使柴油和空氣更好混合。在采用四氣門結(jié)構(gòu)的同時 ,將噴油器中間布置 ,既擴大了進排氣門的總流通面積 ,降低了進氣阻力 ,又改善了燃燒室內(nèi)的柴油和空氣的分布 ,使柴油和空氣充分混合。還可以通過改進活塞環(huán)和槽的設(shè)計 ,減少進入氣缸參與燃燒過程的潤滑油量 ,使顆粒排放和 放減少。這些措施都能有效地改善燃燒過程 ,降低柴油機的排放。 化渦輪增壓器與柴油機的匹配 采用增壓中冷技術(shù)可降低柴油機的燃油消耗率。增壓中冷會帶來兩個效果 ,即進氣密度增大 ,進氣溫度降低。這樣 ,一方面由于進氣量充足 ,燃燒過程更為完善 ;另一方面由于中 9 冷后發(fā)動機的平均循環(huán)溫度有所下降 ,相對散熱損失減少 ,同時發(fā)動機的相對機械損失也會減少 ,因此發(fā)動機的燃油消耗率有所降低。同時 ,由于中冷降低了最高燃燒溫度 ,所以可使 放顯著降低。對于達到歐排放標準的柴油機來說 ,一般都采用增壓中冷。 采用可調(diào)噴嘴渦輪增 壓器 (通過轉(zhuǎn)動渦輪的噴嘴葉片 ,可調(diào)節(jié)發(fā)動機的進氣量和進氣壓力因而可以使柴油機與增壓器在全工況范圍內(nèi)獲得良好的匹配 ,可較為全面地改善發(fā)動機的排放和經(jīng)濟性 ,并可改善柴油機的加速性 ,提高低速扭矩。 采用新型噴嘴 ,控制噴射速率 采用無壓力室噴油嘴降低 放和顆粒排放。這是因為 ,就傳統(tǒng)的標準油嘴而言 ,在噴油結(jié)束時 ,針閥落座關(guān)閉 ,但此時壓力室中還有燃油 ,這部分燃油的一部分在高溫蒸發(fā)下 ,以比較大的油滴形式進入燃燒室內(nèi)燃燒。由于這部分燃油是在燃燒后期進入燃燒室的 ,而且霧化不好 ,所以燃燒不完全 ,會導 致較高的排放。就排放而言 ,壓力室容積對 放的影響最大 ,壓力室容積越小 ,放量越低 ;壓力室容積對微粒排放也有一定影響 ,微粒排放量也隨著壓力室的容積的減小而減小 ,這是因為微粒的成分中含有來自燃油的有機成分。有研究表明 ,無壓力室油嘴可使 放得到一定程度的降低。 控技術(shù)的應用 采用電子控制不僅可以提高噴油定時和噴油量的控制精度 ,而且象 氣閥或可變幾何渦輪增壓等空氣控制部件也可以用電子控制技術(shù)進行柔性或精確控制?？刂葡到y(tǒng)最理想的方案應是能使燃油經(jīng)濟性和廢氣排放均獲得優(yōu)化。 控系統(tǒng) 用專門的管道將部分廢氣引至進氣管 ,由 制 改變流通截面來調(diào)節(jié)廢氣量 ,實現(xiàn) 的變化。 制的一般過程是 ,據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度和冷卻水溫等信號 ,計算最佳 ,再通過控制 開度來實現(xiàn) 制。 的控制是通過對真空調(diào)節(jié)閥的控制來實現(xiàn)的。真空調(diào)節(jié)閥一般是電磁式的 ,將 出的電信號轉(zhuǎn)換為氣壓變化 ,從而實現(xiàn)對氣動式 的控制。 氣渦流電控系統(tǒng) 進氣渦流可以促進燃油蒸發(fā)以及與空氣的均勻混合 ,提高燃燒效率。在進氣口附近 增設(shè)一渦流控制閥 ,通過 集轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度以及冷卻水溫等信號 ,并加以處理后控制其旋轉(zhuǎn)角度 ,引導氣流偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生渦流 ,調(diào)節(jié)渦流比 ,實現(xiàn)渦流控制。 油蒸發(fā)電控系統(tǒng) 燃油蒸發(fā)電控系統(tǒng)用來降低燃油箱中燃油蒸氣排向大氣所造成的污染。目前 ,活性炭罐蒸發(fā)電控裝置得到了廣泛應用。停車期間 ,利用活性炭罐吸收燃油蒸氣 ,防止向大氣擴散 ;發(fā)動機運行時 ,制活性炭罐與進氣管之間的導通 ,并利用進氣真空度將活性炭罐中吸 10 附的燃油蒸氣吸入進氣管 ,可有效防止燃油蒸氣的外逸 ,降低 排放污染。 軸箱強制通風 電控系統(tǒng) 該控制系統(tǒng)的目的是將氣缸中經(jīng)活塞環(huán)間隙滲入曲軸箱內(nèi)的氣體再次循環(huán)進入進氣管中 ,以減少該部分氣體直接排向大氣造成的污染。現(xiàn)代電控系統(tǒng)中 ,由 據(jù)節(jié)氣門位置和轉(zhuǎn)速信號等控制通風閥 ,從而實現(xiàn)曲軸箱內(nèi)氣體與進氣管之間的導通使曲軸箱內(nèi)氣體再次利用。 次空氣噴射系統(tǒng) 二次空氣噴射作為早期控制污染物排放的措施之一 ,目前與催化轉(zhuǎn)換器配合使用。它由 制二次空氣噴射氣道的導通 ,將空氣引入催化轉(zhuǎn)換器中 ,實現(xiàn)對 催化轉(zhuǎn)換。在將空氣引入排氣管的方式中 ,除了空氣泵控制外 ,還可利用排氣 脈沖波來實現(xiàn)。未來的電控技術(shù)將對柴油機全面控制 ,以達到柴油機工作過程的最佳匹配。 11 4 排氣后處理技術(shù) 氣后處理技術(shù) 作為柴油機排氣的首要污染物質(zhì) ,主要成分是未燃碳粒 ;此外 ,由于吸咐、凝結(jié)等作用 ,碳粒表面還附著有可溶性有機化合物、 硫酸鹽等 (見圖 4)。柴油機 處理技術(shù)包括催化氧化和過濾。利用催化氧化技術(shù)減少載重車和城市公交車柴油機尾氣 放始于 20 世紀 90 年代初。催化劑為蜂窩整體直通式 ,主要活性成分是貴金屬。這種催化劑能部分氧化去除排氣 可溶性有機組分以及氣態(tài)污染物 除效果與發(fā)動機負荷、排氣溫度和燃料含 S 量密切相關(guān)。發(fā)動機負荷低時 ,溶性有機組分含量高 ,催化氧化降低 放效果明顯 ;而發(fā)動機負荷高時 ,可溶性有機組分含量低 ,催化氧化降低放效果較弱常規(guī)工況條件下 ,典型的 放降低值為 20% 50%,而且隨著排氣溫度提高 ,降低率增大。但排氣溫度提高也會導致 見圖 5)。燃料含 S 量也是影響這類催化劑性能的主要因素 ,美國最近針對新型柴油機進行的一項示范研究表明 ,當使用 S 的質(zhì)量分數(shù)為 368 10催化氧化可使瞬態(tài)工況條件下的 放降低23% 29%,低 52% 58%;若改用 S 的質(zhì)量分數(shù)為 54 10降低 13%。 過濾是降低 放的最直接方法 ,過濾器包括壁流蜂窩陶瓷整體、陶瓷泡沫、陶瓷纖維、金屬纖維和金屬線網(wǎng)等。目前 ,對壁流蜂窩陶瓷整體過濾器的研究最為充分 ,且早已商業(yè)化。由于蜂窩孔道兩端交替堵塞 ,氣流從進氣端進入蜂窩孔后 ,穿過孔壁從另一端排出 ,阻留在孔壁表面。 無論采用何種形式的過濾器 ,其原理皆是借助慣性碰撞、截留、擴散和重力沉降等機理將 氣流中分離出來。 隨著 濾料表面和床層堆積 ,過濾阻力將增大。為了防止過濾器背壓過高影響發(fā)動機正常工作 ,必須對過濾器進行再生處理。再生技術(shù)有非催化和催化兩種。非催化再生的原理是周期性提高溫度 ,促使碳料燃燒。具體方法包括過濾器前置燃燒器、電加熱器、增大尾氣 量和微波輻射等 ;此外 ,逆流吹掃也被認為是一種有效的方法。催化再生是在過濾器表面涂覆催化劑或向氣流噴入催化劑 ,使碳粒在較低溫度下氧化。美國進行的一項試驗表明 ,當使用 S 的質(zhì)量分數(shù)為 54 10配催化再生的過濾器 除率達 87%。目前 ,世界上已有不少公交車和卡 車配備了 濾器 ,有些累計使用里程已達近 5 105 除過濾之外 ,人們還對靜電及靜電旋風等技術(shù)捕集去除柴油機 效果進行了探索性研究。結(jié)果表明 ,借助高壓脈沖靜電作用不僅能較好地捕集柴油機排氣 且尾氣中的 有一定的去除作用。靜電旋風捕集器具有排氣阻力小、清灰簡單等優(yōu)勢。 氣 柴油機排氣中 汽油機低 ,但由于柴油機機內(nèi) 制與 制存在所謂的應 ,而機外的 制又因排氣中含有大量 際上 ,正是由于富 挑戰(zhàn)性 ,使得柴油機和稀燃汽油機排氣 凈化處理成為最 12 近 10 多年來學術(shù)界和汽車制造業(yè)的研究熱點。柴油機排氣 主要成分是 于 人們曾試圖用催化分解方法使 化為 2。但是在 因而這種方法的實用前景渺茫。目前 ,柴油機排氣 化研究主要從選擇性催化還原和吸咐 催化還原兩條技術(shù)路線入手。 人們對 進行過嘗試 ,結(jié)果表明 其凈化率可達 65%以上。但是 ,這種方法只適合于固定式柴油機排氣的凈化處理 ,對于運行工況多變的柴油車 ,因存在 漏問題而不適用。 1990 年 , 別報道在 5 催化劑上 ,選擇性催化還原 作為凈化柴油機和稀燃汽油機排氣 13 圖 5 催化氧化導致 量濃度變化率 盡管因試驗條件不盡相同而給出的研究結(jié)果可比性不強 ,但可以看出 ,在一定的試驗條件下 3 類催化劑均有較高活 性 ,活性溫度排序為貴金屬、離子交換的沸石、金屬氧化物 ,依次增高。除催化劑以外 ,還原劑種類也影響著催化性能 ,尤其是活性溫度。目前 ,研究較多的還原劑是為 1 個 C 3 個 C 的烯烴、烷烴以及甲醇和乙醇之類含氧碳氫化合物 ,其活性溫度排序為含氧碳氫化合物小于烯烴 ,烯烴小于烷烴。盡管在試驗室條件下 ,不少催化劑或催化劑 還原劑組合表現(xiàn)出優(yōu)良的性能 ,但整車試驗結(jié)果并不理想。美國能源部進行一項研究表明 ,以柴油為還原劑時 ,化率僅為 30%。一個主要原因是催化劑的活性溫度較高 ,活性溫度范圍較窄 ,而柴油機排氣溫度較低 ,范圍較寬。目 前 ,人們正致力于通過催化劑改性來改善催化劑的溫度性能。此外 ,對于貴金屬催化劑還存在可選擇性差 ,要還原為溫室氣體 離子交換的沸石催化劑在柴油機尾氣的高水熱環(huán)境下活性很快下降。 吸附 催化還原 基于發(fā)動機周期性進行稀燃和富燃工作的一種 化技術(shù)。在稀燃階段將 附儲存起來 ,而在短暫的富燃階段 ,放并被排氣中的 原 (見圖 6)。其催化劑構(gòu)成除增加了 類堿土金屬氧化物 附劑外 ,其它成分類似于常規(guī)三效催化劑 ;原活性成分是 。影響吸附 還原催化劑性能的主 要因素是吸附劑在柴油機尾氣溫度下吸附 容量及其抗 提高這兩方面的性能是今后的努力目標。對于超低 S 燃料 ,現(xiàn)有吸附 催化還原技術(shù)可將 低 90%,但燃料經(jīng)濟性會因此降低。適用于高含 S 量燃料的吸附 催化技術(shù)目前尚在開發(fā)之中。 除了上述 化氧化和過濾技術(shù)以及選擇性還原 吸附 催化還原 術(shù)之外 ,人們對同時凈化 技術(shù)也進行了研究。結(jié)果表明 ,在鈣鈦和貴金屬催化劑上碳粒能還原 助等離子體耦合催化技術(shù)可使 除率達 70%,除率達 30%。最近 ,日本豐 田公司開發(fā)出一種連續(xù)式同時催化凈化 對 具有較好的凈化作用 ,所以有望在同一種催化劑上同時凈化 O,C,即開發(fā)出謂的“四效催化劑”。 14 圖 6 吸附 催化還原 理 圖 7 同時脫微粒和 化劑構(gòu)造圖 柴油機后處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 柴油機后處理裝置從凈化原理上可分為四種，即氧化催化器、微粒捕集器、 附器和稀 化還原器。 柴油機氧化催化器 柴油機氧化催化器主要用來氧化柴油機尾氣中的 氧化原理與汽油機三效催化器氧化 原理基本一樣。柴油機氧化催化器還能氧化掉 的一部分可溶性有機物 同時也將尾氣中的部分 化成硫酸鹽。所以對于含硫量較高的柴油來說，使用氧化催化器將使微粒物排放中的硫酸鹽比例增大，這樣就降低了氧化 效果，甚至使 排放增加。另外燃料中的硫還會引起催化劑中毒。所以使用高硫柴油會極大地影響氧化催化器的凈化效果，還會降低催化器的壽命。因此，選擇合適的催化器和使用低硫化燃油就顯得尤為重要。 15 氧化催化器的載體主要有陶瓷單體和不銹鋼金屬兩種，它降低 有害排放物的效果主要取決于所能達到的催化劑涂層技術(shù)。其催化劑主要是鉑、銠、鈀等貴金屬。 催化器的老化主要包括熱老化和催化劑中毒。國外研究表明，尾氣溫度長期處于 650以上，易引起催化器熱老化。但柴油機在正常工作條件下，尾氣溫度幾乎不可能達到 650，除非操作不當，譬如噴嘴發(fā)生泄漏。毒化是催化器老化的主要形式。易引起催化器中毒的物質(zhì)有磷、鋅、鉛和砷等。磷常被作為添加劑加到柴油機的機油里。研究證實，若機油泄漏到尾氣管，可以在幾小時內(nèi)讓催化器中毒。 司研究出兩種方法可以抑制硫酸鹽的 生成，同時維持對 是將 化劑在 1050的高溫下煅燒 6h 以改變鉑晶粒的尺寸，即將鉑晶粒從 m 變化到 40 m。實驗表明，煅燒之后，催化器對 轉(zhuǎn)化效率影響很小，但能大幅降低對 氧化；二是改變催化劑貴金屬成分。該公司研究表明，向 (釩 )，可以較有效地抑制 氧化，同時能保持對 高活性，但稍微降低了 氧化。研究人員還發(fā)現(xiàn)，改變 V 的比例，催化器對 氧化催化器在國內(nèi)外的柴油機 上應用較多，其技術(shù)也趨于成熟。目前的難點在于如何選取可抑制硫酸鹽生成的催化劑。 柴油機微粒捕集器 微粒捕集器是國內(nèi)外近年來研究的熱點之一。微粒捕集器的關(guān)鍵技術(shù)包括過濾體材料和過濾體再生技術(shù)。國外在過濾體材料方面已有了商業(yè)化的產(chǎn)品，但對于捕集器的再生技術(shù)仍未取得突破性的進展。結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，目前微粒捕集器的難點在于尋求一既可靠又實用的再生方法。對過濾體材料的要求是，高的過濾效率，低的排氣流動阻力和較高的機械強度。其中過濾效率和流動阻力是一對矛盾，高的微粒過濾效率一般會導致高的流動阻力。因此 在選擇過濾體材料時要綜合考慮這幾方面的性能。目前應用較多的過濾體材料主要有壁流式蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纖維、多孔性金屬以及碳化硅。其中綜合性能最好的是壁流式蜂窩陶瓷，其壁內(nèi)小孔的尺寸都在微米級，過濾效率可達 90%以上，且耐高溫，機械強度高。缺點是由于微粒都沉積在孔道內(nèi)，因此再生過程中受熱不均勻，易發(fā)生熱應力損壞。另外，微粒在蜂窩內(nèi)成板狀結(jié)構(gòu)，不利于著火燃燒。隨著微粒在過濾體中的沉積，過濾體逐漸被堵塞，使柴油機排氣系統(tǒng)阻力增大，背壓升高。當排氣背壓超過一定值后，柴油機的性能開始明顯惡化，因此需要定期清除沉積 在過濾體中的微粒，使排氣背壓降低到原有水平。這就是過濾體的再生。再生技術(shù)主要分為兩大類，即主動再生和被動再生。主動再生利用外界能量來提高捕集器的溫度，使微粒著火燃燒。被動再生一般利用燃油添加劑或者催化劑來降低微粒的著火溫度，使微粒能在正常的柴油機排氣溫度下著火燃燒。目前主動再生方法有噴油助燃再生、電加熱再生、微波加熱再生、逆向噴氣再生等。被動再生有燃油添加劑再生、連續(xù)再生、催化劑輔助再生等?，F(xiàn)在傾向于被動再生和被動與主動再生結(jié)合。因為被動再生有較好的燃油經(jīng)濟性、較低的成本，整個系統(tǒng)也比主動再生簡單。每種再生 方法適合于不同行駛特點的車輛。例如被動再生不太適合公交車。因為公交車排氣溫度比其它柴油車低，易引起再生不可靠。 16 法國 致雪鐵龍公司在微粒捕集器方面居全球領(lǐng)先地位。該公司使用的柴油車排放后處理系統(tǒng)利用燃油添加劑降低微粒的著火溫度，并且結(jié)合高壓共軌噴射系統(tǒng)產(chǎn)生二次噴射來提高尾氣溫度，使捕集器再生，達到主動與被動再生相結(jié)合。在微粒捕集器前安裝氧化催化器可有效降低 能產(chǎn)生氧化熱。這套系統(tǒng)能有效地凈化柴油機尾氣，已成功地應用于該公司的多種柴油車上。 附器 如何降低 是柴油 機有害排放物控制的難點與重點。由于柴油機尾氣中含有較多的氧氣，使得僅用汽油機上的三效催化器不能有效凈化柴油機尾氣中的 附器最初用于 油機和稀燃汽油機，后來才逐漸研究用于柴油機。具有 附能力的物質(zhì)有貴金屬和堿金屬 (或堿土金屬）的混合物。吸附器是一個臨時存儲 裝置。發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)時，將 吸附劑以硝酸鹽的形式存儲起來，當尾氣處于富燃而貧氧條件下，硝酸鹽又分解釋放出 吸附達到飽和時，也需要再生吸附器，即調(diào)整發(fā)動機的工作狀況，使其產(chǎn)生一富燃條件，使硝酸鹽分解釋放出 與 貴金屬催化器作用下被還原為 N。以含堿金屬鋇的吸附劑為例，在富氧狀況下， 化劑使 化成 富燃狀況下，硝酸鋇又分解并釋放出 與 應被還原成 貧燃或富燃交替變換的環(huán)境下，堿金屬鋇分別以硝酸鋇、氧化鋇或碳酸鋇的形態(tài)存在，起著吸附和釋放 作用。再生時也需要一定的溫度，這主要取決于所使用的催化劑。催化器采用汽油機上的三效催化器 此， 附器也能凈化一部分 際使用時需要發(fā)動機管理 系統(tǒng)，以便及時改變發(fā)動機工作狀況而產(chǎn)生富燃條件。其中的時間間隔和富燃時間尤為重要，富燃時間過長使得燃油消耗犧牲太多，過短則 化率不高。吸附器的吸附能力也是很重要的參數(shù)。當吸附器具有較大的吸附容量時，可減少產(chǎn)生富燃的頻次，從而降低成本并提高燃油經(jīng)濟性。 吸附器對硫有很強的親和力，因為 和吸附催化劑發(fā)生類似 反應而生成硫酸鹽，而且硫酸鹽一旦形成，就顯得特別穩(wěn)定。國外的研究表明，使該硫酸鹽分解不但需要富燃氣氛，而且要超過 600的溫度。因此硫?qū)?附器的性能影響很大。如圖 8 是美國 劃中評價的燃油含硫量對 化效率的影響。 17 圖 8 燃油硫量在兩種尾氣溫度（ 400， 450）下對 化率的影響 該項技術(shù)目前在車輛上的應用不多，主要難點在于如何形成吸附器再生時所需的還原氛圍，并克服硫的影響。例如在電控噴油柴油機上，有可能通過燃燒后期向缸內(nèi)二次噴油的方法產(chǎn)生足夠的還原氛圍。 稀 化還原器 這種還原器能直接將柴油機尾氣中的 原，它與 附器的