汽車發(fā)動機原理9章3(王建昕)

1、第9章 有害排放物的生成與控制9.1 9.1 有害排放物的生成機理與影響因素有害排放物的生成機理與影響因素9.2 9.2 排放法規(guī)及測試方法排放法規(guī)及測試方法9.3 9.3 汽油機的機內(nèi)凈化技術(shù)汽油機的機內(nèi)凈化技術(shù)9.4 9.4 柴油機的機內(nèi)凈化技術(shù)柴油機的機內(nèi)凈化技術(shù)9.5 9.5 汽油機排氣后處理技術(shù)汽油機排氣后處理技術(shù)9.6 9.6 柴油機排氣后處理技術(shù)柴油機排氣后處理技術(shù)9.5 汽油車的機外凈化技術(shù)汽油車的機外凈化技術(shù)p汽油機排氣后處理汽油機排氣后處理見表見表9.8p三效催化劑三效催化劑（TWC）排放控排放控制技術(shù)的一次革命制技術(shù)的一次革命三效催化劑三效催化劑及排放控制系統(tǒng)及排放控制系

2、統(tǒng)的的三效催化劑三效催化劑的凈化效果的凈化效果催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)載體載體陶瓷蜂窩載體、金屬載陶瓷蜂窩載體、金屬載體、氧化鋁球體、氧化鋁球 孔密度孔密度=400-600（孔（孔/in2） 壁厚壁厚=0.150.10mm（陶瓷）陶瓷）貴金屬貴金屬鉑、銠、鈀鉑、銠、鈀催化劑分類：催化劑分類： 氧化型氧化型、還原型還原型、氧化還原型（三效）氧化還原型（三效）、 稀燃型稀燃型 氧化型催化劑（氧化型催化劑（OC，Oxidation Catalyst） 2CO + O2 2CO2 （1-1） 4HC5O2 4CO2 + 2H2O （1-2） 2H2 + O2 2H2O （1-3）汽油車催化劑工作原理三效催化劑三

3、效催化劑（TWC，Three Way Catalyst） 2CO + 2NO2CO2 + N2 （1-4） 4HC + 10NO4CO22H2O5N2 （1-5） 2H2 + 2NO 2H2O + N2 （1-6）氧化還原反應(yīng)氧化還原反應(yīng)沒有沒有O O2 21. 轉(zhuǎn)化效率轉(zhuǎn)化效率2. 空燃比特性（空燃比特性（Sweep ）3. 起燃特性（起燃特性（Light off）起燃溫度特性（起燃溫度特性（Light-off Temperature) T50T起燃時間特性（起燃時間特性（Light-off Time) 50TWC主要性能理論空燃比及足夠溫度時，理論空燃比及足夠溫度時，轉(zhuǎn)化效率轉(zhuǎn)化效率959

4、5100%100%催化轉(zhuǎn)化器的冷起動催化轉(zhuǎn)化器的冷起動THCTHC排放排放n催化劑一旦起燃，實際排放量極少；催化劑一旦起燃，實際排放量極少；n70708080的的HCHC排放排放是在催化器起燃之前產(chǎn)生（方案是在催化器起燃之前產(chǎn)生（方案A A），因此），因此降低冷起動降低冷起動HCHC排放是滿足更加嚴格排放法規(guī)的關(guān)鍵。排放是滿足更加嚴格排放法規(guī)的關(guān)鍵。n對策對策推遲點火時刻推遲點火時刻提高排溫；提高排溫；降低降低T50 T50 和和5050TWCTWC增加貴金屬；增加貴金屬；采用緊湊耦合催化器采用緊湊耦合催化器低熱慣量，起低熱慣量，起燃快（圖中方案燃快（圖中方案B B）。）。冷起動時的冷起動時的

5、NOxNOx排放？排放？“零”排放（ZLEV）控制系統(tǒng)n多級催化劑（多級催化劑（本田本田19981998年）年） HC HC吸附預(yù)熱吸附預(yù)熱TWCTWC 市區(qū)行駛時的市區(qū)行駛時的THCTHC排放低于周圍大氣中的濃度排放低于周圍大氣中的濃度( (暖機后暖機后1 1ppmHCppmHC, ,而環(huán)境而環(huán)境3 34 4 ppmppm) )。1010萬英里老化后，排放僅有加州超低排放法規(guī)（萬英里老化后，排放僅有加州超低排放法規(guī)（ULEVULEV）限值得限值得1/101/10。 汽油機可以實現(xiàn)汽油機可以實現(xiàn)近近零零排放，滿足未來排放，滿足未來十年的排放法規(guī)。十年的排放法規(guī)。NOx吸附還原催化劑吸附還原催化

6、劑NOxNOx吸附還原催化劑吸附還原催化劑用于稀燃條件下的用于稀燃條件下的NOxNOx催化還原催化還原 (ARC (ARC，Adsorption Reduction Catalyst)Adsorption Reduction Catalyst)n 稀薄燃燒時，稀薄燃燒時，NOxNOx被以硝酸鹽被以硝酸鹽MNO3MNO3形式吸附在堿土金屬上；形式吸附在堿土金屬上；n 在過濃燃燒條件下，脫附，并在在過濃燃燒條件下，脫附，并在PtPt貴金屬上還原反應(yīng)。貴金屬上還原反應(yīng)。n隨排放法規(guī)加嚴，還原劑隨排放法規(guī)加嚴，還原劑所占燃油消耗率由所占燃油消耗率由1 1個點個點增加至增加至5 5個點以上，節(jié)油個點以上

7、，節(jié)油效果逐漸減小。效果逐漸減小。NOx吸附還原催化劑吸附還原催化劑aa 1 1aa 1 1并推遲點火并推遲點火a = 1n為使為使ARCARC能在稀能在稀- -濃交替條濃交替條件下工作，稀燃發(fā)動機需要件下工作，稀燃發(fā)動機需要每隔一定時間多噴油過濃燃每隔一定時間多噴油過濃燃燒，并推遲點火時刻，以產(chǎn)燒，并推遲點火時刻，以產(chǎn)生還原氛圍；生還原氛圍；稀燃催化劑（稀燃催化劑（ARCARC）與稀燃）與稀燃GDIGDI稀燃催化劑開發(fā)困難，導(dǎo)致第一代稀燃催化劑開發(fā)困難，導(dǎo)致第一代GDI發(fā)動機在發(fā)動機在05年后停產(chǎn)；年后停產(chǎn)；節(jié)能與排放的雙重要求，導(dǎo)致了汽油機技術(shù)的螺旋式進步。節(jié)能與排放的雙重要求，導(dǎo)致了汽油

8、機技術(shù)的螺旋式進步。9.6 柴油機后處理技術(shù)分類柴油機后處理技術(shù)分類（1）氧化催化轉(zhuǎn)化器氧化催化轉(zhuǎn)化器 用于降低用于降低SOF、HC和和CO；（2）微粒捕集器微粒捕集器 用于過濾和除去排氣微粒；用于過濾和除去排氣微粒；（3） NOx還原催化劑還原催化劑 用于降低用于降低NOx排放。排放。1、柴油機氧化催化器、柴油機氧化催化器氧化催化劑對降低氧化催化劑對降低CO、HC、PM（SOF）有一定效果。有一定效果。但氧化催化劑同時會造成：硫酸鹽但氧化催化劑同時會造成：硫酸鹽，使，使 PM PM 因此：柴油硫含量應(yīng)小于因此：柴油硫含量應(yīng)小于5050100ppm100ppm2、微粒捕集器（、微粒捕集器（DP

9、F）nDPFDPF通過過濾等物通過過濾等物理方法捕集凈化排氣理方法捕集凈化排氣中的中的PMPM。nDPF過濾材料：過濾材料： 陶瓷蜂窩載體，陶瓷蜂窩載體， 陶瓷纖維編織物，陶瓷纖維編織物， 金屬纖維編織物。金屬纖維編織物。n應(yīng)用最多的是應(yīng)用最多的是: 壁流式蜂窩陶瓷壁流式蜂窩陶瓷過濾效率可達過濾效率可達90%以上。以上。DPFDPF再生再生（regeneration）柴油機排溫過低，柴油機排溫過低，PMPM不易氧不易氧化；化；一旦起燃，又易高溫?zé)?。一旦起燃，又易高溫?zé)?。再生方式再生方式?） 斷續(xù)加熱再生斷續(xù)加熱再生交替工作交替工作/再生，一般采用加熱方法再生，一般采用加熱方法, 電加熱、

10、噴油后燃加熱；電加熱、噴油后燃加熱；Inlet of DPFOutlet of DPF需要電控噴油以實現(xiàn)多次噴射需要電控噴油以實現(xiàn)多次噴射2、微粒捕集器（、微粒捕集器（DPF）以以NO2作氧化劑（下圖，作氧化劑（下圖，JMJM公司），公司），降低碳粒氧化起燃溫度；降低碳粒氧化起燃溫度；載體表面（或入口處）涂催化劑；載體表面（或入口處）涂催化劑；燃料中添加催化劑（鈰）。燃料中添加催化劑（鈰）。（2） 連續(xù)催化再生連續(xù)催化再生2、微粒捕集器（、微粒捕集器（DPF）3、柴油機、柴油機NOx后處理方法后處理方法（1）選擇性非催化還原選擇性非催化還原 （SNCR，Selective Noncatalyt

11、ic Reduction）（2）選擇性催化還原選擇性催化還原 （歐洲看好）（歐洲看好） (SCR， Selective Catalytic Reduction)（3）非選擇性催化還原非選擇性催化還原 （NSCR， Nonselective Catalytic Reduction ）（4 4）吸附還原催化劑吸附還原催化劑 （美國看好）（美國看好） (NSR， NOx Storage Reduction 或或LNTLNT)（5）四效催化劑四效催化劑COCO、HCHC、NOxNOx、PMPMSCR-NOx催化還原機理催化還原機理噴射量約為油耗的油耗的37NH310ppmUrea-SCR主要反應(yīng)機理主

12、要反應(yīng)機理 4NO + 4NH3 O2 4N2 + 6H2 O （9-21） 6NO + 4NH3 5N2 + 6H2O （9-22） 2NO2 + 4NH3 + O2 3N2 + 6H2O （9-23） 6NO2 + 8NH3 7N2 + 12H2O （ （9-24） ） 2NH3 + NO + NO2 2N23H2O （ （9-25） ）SCR-NOx催化還原機理標準標準SCRSCR反應(yīng)反應(yīng)（O O2 2 不可缺）不可缺）快速快速SCRSCR反應(yīng)反應(yīng)低溫反應(yīng)快低溫反應(yīng)快（NO/NONO/NO2 2 =1 =1）SCR-NOx催化還原系統(tǒng)催化還原系統(tǒng)UreaSCR系統(tǒng)系統(tǒng)在實際中達到在實際中

13、達到90%的凈化效率，已商的凈化效率，已商業(yè)化。業(yè)化。存在問題：存在問題：系統(tǒng)復(fù)雜、成本高，系統(tǒng)復(fù)雜、成本高，防止防止Urea排放，排放，Urea毒性和腐蝕性，毒性和腐蝕性，前置前置DOC的硫中毒。的硫中毒。 排放控制策略的選擇技術(shù)路線技術(shù)路線1：機內(nèi)降：機內(nèi)降PM 機外采用機外采用SCR（燃油經(jīng)濟性好，歐洲是主流）（燃油經(jīng)濟性好，歐洲是主流）技術(shù)路線技術(shù)路線2：EGR降降NOx 機外采用機外采用DPF（成本低一些，美國是主流）（成本低一些，美國是主流）面對更為嚴格的排放法規(guī)，同時需要面對更為嚴格的排放法規(guī)，同時需要SCR和和DPF滿足歐滿足歐4歐歐5的排放控制策略的排放控制策略排放控制技術(shù)小

14、結(jié)排放控制技術(shù)小結(jié)推遲點火時間推遲點火時間EGREGR充分燃燒充分燃燒電控（化學(xué)計量比）電控（化學(xué)計量比）TWCTWC（冷起動對策、精確匹配）冷起動對策、精確匹配） 推遲噴油時間推遲噴油時間 EGR EGR（中冷）中冷） 噴油規(guī)律優(yōu)化（燃燒放熱規(guī)律優(yōu)化）噴油規(guī)律優(yōu)化（燃燒放熱規(guī)律優(yōu)化） 燃燒室優(yōu)化（形狀、渦流比）燃燒室優(yōu)化（形狀、渦流比） 高壓噴射（高壓噴射（120120160 160 MPaMPa） DOC DOC、DPFDPF、SCRSCRn汽油機汽油機：n柴油機柴油機：國（歐）國（歐）4 4法規(guī)后，法規(guī)后，柴油車必須用后處理！柴油車必須用后處理！國（歐）國（歐）1 1法規(guī)后，法規(guī)后，汽油

15、車必須用后處理！汽油車必須用后處理！8章作業(yè)（章作業(yè)（2）4 4、柴油車能否使用三效催化劑？為什么？、柴油車能否使用三效催化劑？為什么？5 5、重型柴油車滿足國、重型柴油車滿足國4 4排放法規(guī)的主要后處理技術(shù)路線有哪排放法規(guī)的主要后處理技術(shù)路線有哪些？分析其利弊；其中那些后處理技術(shù)需要同時使用低硫些？分析其利弊；其中那些后處理技術(shù)需要同時使用低硫柴油？為什么？柴油？為什么？學(xué)習(xí)要點學(xué)習(xí)要點1.1. NONO生成的三個途徑和三要素生成的三個途徑和三要素2.2. HCHC在柴油機和汽油機中生成機理的不同在柴油機和汽油機中生成機理的不同3.3. PMPM生成機理、生成機理、PMPM與碳煙的關(guān)系與碳煙的關(guān)