柴油机机内净化
内容摘要：柴油机机内净化技术从发动机有害污染物的生成机理及影响因素出发，通过对发动机进行调整或改进，从而达到降低污染物生成量。常有的柴油机机内净化技术有：电控高压燃油喷射技术、废气涡轮增压技术、废气再循环（EGR）、低排放燃烧系统。
关键词：柴油机、排放、机内净化、电控高压燃油喷射、废气涡轮增压、废气再循环（EGR）、低排放燃烧系统。
由于柴油的蒸发差，柴油机靠喷油器将柴油在高压下喷入气缸，分散成数以百万计的细小油滴，这些油滴在气缸内高温、高压的热空气中，经加热、蒸发、扩散、混合和焰前反应等一系列物理、化学准备，最后着火。由于每次喷射要持续一定的时间，一般在缸内着火时喷射过程尚未结束，故混合气形成过程和燃烧是重叠进行的，即：边喷油边燃烧。柴油机是靠调节循环喷油量的多少来调节负荷，而循环进气量基本不变。因此，每循环平均的混合气浓度随负荷变化而变化，这种负荷调节方式被称为“质调节”。这与汽油机的负荷调节方式大不相同。
柴油机燃烧过程的特性，是分析柴油机有害排放物形成特点和研究排放物控制的基础。
就燃烧过程来比较，柴油机远比汽油机复杂得多，因而可用于控制有害物生成的燃烧特性参数也远比汽油机复杂得多，这使得寻求一种兼顾排放、热效率等各种性能的理想放热规律成了柴油机排放控制的核心问题。为达到此目的，研究理想的喷油规律、理想的混合气运动规律以及与之匹配的燃烧室形状是必需的。
然而，降低柴油机NO X排放和微粒排放之间往往存在着矛盾。一般有利于降低柴油机NO X的技术都有使微粒排放增加的趋势，而减少微粒排放的措施，又可能将使NO X排放升高。尽管如此，近年来，柴油机排放控制技术还是取得了很大的进展，研制出了一些低排放、高燃油经济性的柴油机，这些机型不用任何后处理装置即可以达到相关的排放法规要求，显示出柴油机机内净化技术的巨大潜力。
一、低排放燃烧系统
柴油机燃烧室，是进气系统进入的空气与喷油系统喷入的燃油进行混合和燃烧的场所，所以，燃烧室的几何形状对柴油机的性能和排放具有重要的影响。
直喷式燃烧系统的燃烧室相对集中，只在活塞顶上设置一个单独的凹坑，燃油直接喷入其内，凹坑与气缸盖和活塞顶间的容积共同组成燃烧室。常见的有代表性的结构如图5-3所示，分别为浅盆形（a）、深坑形（b、c）和球形（d）。浅盆形燃烧室中的活塞凹坑较浅且开口较大，与凹坑以外的燃烧室空间连通面积大，形成了一个相对统一的燃烧室空间，因而也称为开式燃烧室或统一式燃烧室；相反，深坑形和球形燃烧室由于坑深、开口相对较小，被称为半开式燃烧室。
1. 浅盆形燃烧室
浅盆形燃烧室的结构比较简单，在活塞顶部设有开口大、深度浅的燃烧室凹坑，凹坑口径与活塞直径之比d k/D=0.72～0.88，凹坑口径与凹坑深度之比d k/h=5～7。燃烧室中一般不组织或只组织很弱的进气涡流，混合气形成主要靠燃油喷注的运动和雾化。因此均采用小孔径（0.2～0.4mm）、多孔（6～12孔）喷油器，喷油启喷压力较高（20～40MPa），最高喷油压力可高达100MPa以上，以使燃油尽可能分布到整个燃烧室空间。为了避免过多的燃油喷到燃烧室壁面上而不能及时与空气混合燃烧并产生积炭，喷注贯穿率一般在1左右。
浅盆形燃烧室内的油气混合属于较均匀的空间混合方式，在燃烧过程的滞燃期内，形成
较多的可燃混合气，因而燃烧初期压力升高率和最高燃烧压力均较高，工作粗暴，燃烧温度高，NO X和排气烟度高。这种主要靠喷注的被动混合方式，决定了浅盆形燃烧室的空气利用率低，必须在过量空气系数大于1.6以上才能保证完全燃烧。
2.球形燃烧室
球形燃烧室与浅盆形和深坑形燃烧系统的空间混合方式不同，是以油膜蒸发混合方式为主。球形燃烧室的结构形状如图5-4所示。活塞顶部的燃烧室凹坑为球形。喷油嘴布置在一侧，油束与活塞上球形表面呈很小的角度，利用强进气涡流，顺着空气运动的方向将燃油喷涂到活塞顶的球形凹坑表面上，形成油膜。球型燃烧室壁温控制在200～350℃，使喷到壁面上的燃料在比较低的温度下蒸发，以控制燃料的裂解。蒸发的油气与空气混合形成均匀混合气，喷注中一小部分燃料以极细的油雾形式分散在空间，在炽热的空气中首先着火形成火核，然后点燃从壁面蒸发并形成的可燃混合气。随着燃烧的进行，热量辐射在油膜上，使油膜加速蒸发，燃烧也随之加速。匹配良好的球形燃烧室工作柔和，NO X和炭烟排放都较低，动力性和燃油经济性也较好。
二、多气门技术
以前的发动机每个气缸只有二个气门（进、排气门各一个），如果每个气缸多于二个气门，就称为多气门发动机。
车用柴油机的转速一般可达5500转/分以上，完成一个工作冲程只有极短的时间。高转速的强化柴油机需要燃烧更多的燃料，相应也需要更多的新鲜空气，传统的二气门已经很难在这么短的时间内完成换气工作。在一段时间内气门技术甚至成为阻碍发动机技术进步的瓶颈。唯一的办法只能是扩大气体出入的空间，为此，多气门技术应运而生。
1气流组织
适当的缸内气流运动有利于燃烧室中燃油喷雾与空气的混合，使燃烧更迅速更完全。尤其当喷油系统的压力不够高使得喷雾不够细时，要求较强的涡流运动来促进油气混合。强烈的进气涡流一般由螺旋进气道或切向进气道产生，它们均以不同程度地增加进气阻力为代价获得较强的涡流运动，结果是泵气损失增大，充量系数下降。另外，对于小缸径高速柴油机，其工作转速范围很大，进气系统产生的涡流往往难以同时满足各种转速下的要求，涡流转速过高和过低同样不利于燃烧。多气门柴油机的开发从根本上改变了上述情况。
随着多气门发动机的发展，人们发现，在二进气门的发动机上，传统的进气涡流很难维持到压缩上止点。从缸内气流运动的三维流动模型计算中发现，在平行于气缸轴线平面内也存在涡流，即滚流（或称垂直涡流以区别于水平涡流），而且相当稳定，并可保持到压缩行程的末期，之后在挤流的冲击下破碎成湍流，大大提高了上止点附近的湍流强度。
滚流是多气门发动机缸内气体流动的主要形式，通过对不同进气门处的气流导向来实现。在对称进气的多气门发动机中较易出现进气滚流，当气门升程较小时，进气在缸内的流动比较紊乱，这时存在两个旋转轴相互平行而垂直于气缸轴线的涡团：一个在进气门下方靠进气道一侧，而另一个则在进气道对面大致位于排气门下方，此为非滚流期；当气门升程加大时，位于进气道对面的涡团突然加强进而占据整个燃烧室，与此同时另一个涡团逐渐消失，此为滚流产生期；随着气门升程的加大和活塞下移，滚流不断加强直至进气行程下止点附近，滚流达到最强，此为滚流发展期；压缩行程属滚流持续期，在压缩行程后期，由于燃烧室空间变得扁平不适于滚流而使其衰减，活塞到达上止点前后，滚流几乎被压碎而成为湍流，此为滚流破碎期。湍流的寿命很短，在燃烧过程中很快消失。
进气道结构是影响进气在缸内滚流强度的主要因素。滚流进气道通常设计为俯冲式直气道，将喉口附近截面设计为上大下小可得到较强的滚流。然而滚流的增强是以增加进气阻力
为代价的，难以提高进气的综合性能指标，如果在普通滚流进气道下方加设副气道，就可以达到提高滚流强度15%以上而不损失进气流量的效果。在多气门发动机上，改变进气门数，可以得到不同强度的进气滚流。
2多气门
四气门式发动机在目前的轿车上最为常见。增加了气门数目就要增加相应的配气机构装置，构造也比较复杂。气门排列有两种方式：一种是进气门和排气门混合排；另一种是进气门和排气门各自排成一列。前者的所有气门由一根凸轮轴通过T形杆驱动，但因气门在进气道中所处的位置不同，导致工作条件和效果不好，后者则无此缺点，但需配备两根凸轮轴，即顶置式双凸轮轴（Double Over Head Camshaft，简称DOHC），这两根凸轮轴分别控制排列在气缸中心线两侧的进、排气门。近年来推出的发动机多采用这种形式。气门布置在气缸中心线两侧且倾斜一定角度，目的是为了尽量扩大气门头的直径，加大气流通过面积，改善换气性能。
五气门发动机由于比四气门多一个进气门，进气更充分，燃烧效率也相应得到提高，燃油经济性相对较好。例如，大众公司的系列产品如宝来、帕萨特、POLO等都是采用五气门发动机。
从二气门、四气门到五气门，燃烧效率越来越高，但并不是气门数目越多，发动机的性能就越好。热力学有一个叫“帘区”的概念，指气门的圆周乘以气门的升程，即气门开启的空间。“帘区”越大说明气门开启的空间越大，进气量也就越大。但并不是气门越多“帘区”值就越大，据计算，当每个气缸的气门数增加到六个时，“帘区”值反而会下降。而且，增加了气门数目就要增加相应的配气机构装置，使结构变得更复杂。
三、增压技术
在发动机中，燃料所供能量中有20%～45%是由排气带走的，对于非增压柴油机可取上述百分比范围的低限值，对高增压柴油机可取高限值。例如，一台平均有效压力为1.8MPa 的高增压中速四冲程柴油机，燃料中将近47%的能量传给活塞作功，约10%的能量通过气缸壁散失掉，约43%的能量随排气流出气缸。涡轮增压系统的作用就在于利用这部分排气能量，使它转换为压缩空气的有效功以增加发动机的充气量。增压是提高柴油机功率密度和改善其排放的主要手段。
涡轮增压在大功率强化柴油机上的应用已半个世纪有余，但作为车用柴油机来说，涡轮增压的应用却相对滞后，增压车用柴油机的广泛应用不过三十年左右的历史。原因有二：一是小型涡轮增压器制造技术不成熟，以至可靠性不符合汽车的要求，同时成本过高；二是增压柴油机过渡工况性能不好，尤其是加速性能较差。当汽车主要在市内或等级较低的公路上行驶时，经常制动、加速，增压柴油机驱动性能不能很好发挥，反而引起加速冒烟等弊病。
但是，随着小型高速涡轮增压器设计技术和制造工艺的成熟，涡轮增压器的效率大大提高，工作可靠性显著改善，成本也明显降低，增压柴油机的加速性得到明显的改善。然而，对于涡轮增压在车用柴油机上的应用，最大的推动力来自于排放控制法规的日趋严格。现在，不仅重型车用柴油机几乎毫无例外地采用增压，且中型、轻型车，甚至轿车用柴油机都采用增压，而且增压度越来越高，增压中冷的应用也越来越多。
1.增压的基本概念和分类
所谓增压，就是利用增压器将空气或可燃混合气进行压缩，再送入发动机气缸的过程。增压后，每循环进入气缸的新鲜空气或混合气充量密度增大，使实际充气量增加，从而达到提高发动机功率和改善经济性及排放性能的目的。增压比是指增压后气体压力与增压前气体压力之比。
根据增压的方式不同，发动机增压可分为下述三种类型。
1、机械增压
在机械增压系统中，增压器的转子，由发动机曲轴通过齿轮增速箱或其它传动装置来驱动，将气体压缩并送入发动机气缸。增压器可用离心式压气机、螺旋转子式压气机或滑片转子式压气机等。
机械增压系统可有效地提高发动机功率并能用于二冲程发动机扫气，以及用于复合增压系统中。但是增压后的气体压力不宜超过160～170kPa，因为增压后的气体压力过高将使驱动压气机的消耗功率急剧增加，最终导致整机性能下降，特别是比油耗上升。
2、废气涡轮增压
利用发动机排出的具有一定能量的废气进入涡轮并膨胀作功，废气涡轮的全部功率用于驱动与涡轮机同轴旋转的压气机，在压气机中将新鲜空气压缩后再送入气缸。废气涡轮与压气机通常装成一体，称为废气涡轮增压器。其结构简单，工作可靠，在一般自吸式发动机上，作必要的改装，即可使功率提高30%～50%，燃油消耗率降低5%左右，有利于改善整机的动力性、经济性和排放性能，因而获得广泛应用。
3、气波增压
由曲轴驱动一个特殊转子，在转子中废气直接与空气接触，利用高压废气流的脉冲气波迫使空气在互相不混合的情况下受到压缩，从而提高进气压力。气波增压器由瑞士Brwon Boveri公司最先研制成功。
与废气涡轮增压相比，气波增压有其独特之处。如具有良好的瞬态响应性，使柴油机加速性能好，具有低速大特点，很适合于工程机械用柴油机。另外还具有排气烟度低、废气污染小等优点。然而，到目前为止，气波增压系统由于其体积大、装配复杂、成本高、噪声大等原因，一直没有被普遍接受。
4.涡轮增压系统
在发动机的涡轮增压系统中，按排气能量利用的方式主要分为定压涡轮增压和脉冲涡轮增压两种基本形式，其它的增压方式可以认为都是由这两种系统演变和发展而来的。
1）定压涡轮增压系统
定压涡轮增压系统将发动机各缸的排气集中排入一个体积较大的排气总管内，排气总管实际起到了集气箱和稳容器的作用，然后再将排气引向涡轮整个喷嘴环。由于排气总管内的压力振荡较小，进入涡轮前的压力基本不变，所以被称为定压增压系统。
定压涡轮增压系统的主要特点是：涡轮在定压下全周进气，气流引起的激振较小，不易引起叶片断裂。但它对排气能量的利用率较低，试验表明，当增压压力较小时，定压增压系统仅仅利用了排气能量的12%～15%。采用定压增压的发动机，低速转矩特性和加速性能较差。
2）脉冲涡轮增压系统
脉冲涡轮增压系统的特点是尽可能将气缸中的废气直接、迅速地送到涡轮机中，在排气管中产生尽可能大的周期性的压力脉动，推动涡轮机工作。为此，将涡轮机靠近气缸，排气管尽量短而细。为了减少各缸排气压力波的相互干扰，用多根排气歧管将点火次序相邻气缸的排气相互隔开。
脉冲系统有两缸共用一排气支管或三缸共用一排气支管的结构，依据发火顺序将扫气不发生干扰的气缸连接在同一根排气支管，这样既可避免扫气干扰，又可较好地利用排气脉冲能量，低速性能好。对于缸数为3的倍数的发动机，三缸共用一排气支管时排气支管内能量供给连续，增压系统效率较高。但如果缸数不是3的倍数，就会剩余一个气缸或两个气缸用一根排气支管的情况，这样，涡轮与该排气支管相连的一段就会在发动机一个循环的某些时间段得不到排气能量，影响增压系统的效率。
脉冲增压系统的特点是：低增压时废气能的利用率比定压增压系统高；背压相对较低，
扫气作用明显，即使在部分负荷下也能保证良好扫气；排气管容积小，负荷变化时排气压力波立即发生变化并迅速传到涡轮，使增压器转速迅速改变，即动态响应好；但脉冲系统的尺寸较大，排气管结构也较复杂。
从以上分析可以看出：低增压时采用脉冲涡轮增压系统较为有利，而在高增压时宜采用定压增压系统。对于车用柴油机，由于大部分时间是在部分负荷下工作，且对加速性能和转矩特性要求较高，因此多采用脉冲涡轮增压系统。
为了弥补定压增压和脉冲增压系统各自的不足，还可以采用一些新型的增压系统。比如脉冲转换增压系统、多脉冲转换增压系统以及模块式脉冲转换器系统等。
四、废气再循环系统
废气再循环（EGR）技术首先应用于汽油机上，长期以来，一直被认为是一种降低汽油机NO X排放的有效措施。从二十世纪七十年代开始，国外就将废气再循环技术转向柴油机，研究表明，它同样适用于柴油机，并能有效地降低柴油机的NO X排放量。
柴油机燃烧时温度高、持续时间长、燃烧时的富氧状态是生成NO X的三个要素。前二个要素随转速和负荷的增加而迅速增加，而富氧状态则与空燃比直接相关。因此，必须采取有效措施降低燃烧峰值温度、缩短高温持续时间，同时采用适当的空燃比，以降低NO X排放。柴油机通过废气再循环来降低NO X排放量的基本原理和汽油机大致相同。
1、系统构成
1.柴油机废气再循环系统
自然吸气柴油机所用的EGR系统与汽油机类似，由于进、排气之间有足够的压力差，EGR的控制比较容易。但在EGR的回流气中的微粒可能引起气缸活塞组和进气门的磨损，为减小这种影响，首先要尽可能降低微粒的排放。
在增压柴油机中，再循环的废气一般直接引入增压器后的进气管中。
增压中冷柴油机则根据EGR外部回路的不同，EGR系统可分为低压回路连接法和高压回路连接法两种。
低压回路连接法，是用外管将废气涡轮增压器的涡轮机出口和压气机入口连接起来，并在回路上加装一个EGR阀，用来控制EGR流量。由于容易获得一个适当的压力差，这种方法在柴油机较大转速范围内均易实现。但是，由于废气流经增压器的压气机及增压中冷器，易造成增压器的腐蚀和中冷器的污损，使柴油机的可靠性和寿命降低。
高压回路连接法，是将涡轮机的入口和压气机的出口用外管连接起来的方法。由于排出的废气不经过压气机和中冷器，故避免了上述问题。但在柴油机大、中负荷时，压气机出口的压力(增压压力)比涡轮机入口的排气压力还高，逆向的压差使EGR难以实现。为了增大EGR实现的范围，人们采取了各种办法。如用节流阀对进气节流，使排气压力高于进气压力，在进气系统中设置一个文丘里管以保证大负荷时所需要的压力差，还有采用专门的EGR 泵强制进行，
2、废气再循环率对柴油发动机性能的影响
EGR系统对发动机性能的影响实质上就是通过对混合气成分的改变来影响发动机动力性、经济性和排放性能的。
EGR对发动机性能的影响主要体现在空燃比的改变上，随着EGR率的提高，空燃比逐渐降低。且随发动机工况的不同，它对空燃比的影响也不同。发动机在怠速、小负荷及常用工况下，A/F均很大，EGR对混合气的稀释作用不大，允许采用较大的EGR率，但在小负荷时会影响发动机的着火稳定性；在大负荷时，A/F约为25∶1，过大的EGR率会降低燃烧速度，燃烧波动增加，降低燃烧热效率，功率和燃油经济性恶化，随之带来CO、HC和
烟度的大幅增加。由此可见，EGR对发动机的负面影响主要表现在大负荷工况，尤其使HC 及微粒增加，燃油消耗量增大。
尽管在柴油机大负荷工况下采用EGR对其性能不利，但由于柴油机60%～70%的NO X 是在大、中负荷工况下产生的，只有EGR增加才能使NO X迅速减少。EGR率为15%时，NO X排放可以减少50%以上；EGR率为25%时，NO X排放可减少80%以上。
在最大限度地提高EGR率的同时，减少由于EGR对发动机性能带来的负面影响，可在柴油机上同时辅以其它技术措施，比如涡轮增压中冷技术，电控高压共轨燃油喷射技术等。
五、电控柴油喷射系统
车用汽油机采用电控技术、增压技术和三效催化转化器后，使燃油经济性显著改善，升功率也进一步提高，HC、CO和NO X的排放量均可满足目前排放法规要求。然而，柴油机却面临日趋严格的排放法规对NO X和微粒排放量限制的挑战。在未作净化处理的条件下，由于过量空气系数较大，柴油机的燃烧通常较汽油机充分，CO和HC的排放量较汽油机少很多，NO X排放量约为汽油机的一半，但对人类健康极有害的微粒排放则是汽油机的30～80倍。为减少柴油机的NO X排放，较有效的方法是采用废气再循环技术，但它会使柴油机经济性受到影响。其它为降低微粒排放而采取的机内净化措施往往又与降低NO X排放相矛盾。所以，现代车用柴油机是以降低NO X和微粒排放、降低噪声和燃油消耗为目的的。然而影响和制约它们的因素太多，且相互关系复杂。这些问题的处理通常是在一定约束条件下，优化目标函数中的变量参数。这就要求柴油机的控制系统能自动获取有关信息，并按预定的“理想性能”，对循环喷油量、喷油正时、喷油速率、喷油压力、配气正时等进行全面的柔性控制，保证系统在结构参数、初始条件变化或目标函数极值点漂移时，能够自动维持在最优运行状态。对柴油机燃油喷射系统的要求是：在实现喷油量的精确控制前提下，实现可独立于喷油量和发动机转速的高压喷射，同时实现对喷油正时的柔性控制和对喷油速率的优化控制。
只有在柴油机上应用电控和其它相关技术，实现对发动机的各种参数在不同工况下的最佳匹配，才能满足车用柴油机在提高动力性、降低油耗、改善排放等各个方面越来越严格的要求。
二十世纪九十年代以来，电控技术在柴油机上的应用逐渐增多，控制精度不断提高，控制功能不断增加，配合增压技术和直喷式燃烧在小缸径柴油机上的应用也逐渐成熟，加上多气门结构和高压喷射技术，大大提高了柴油机轿车和轻型车的竞争力。
燃油供给系统的性能是影响缸内燃烧过程的重要因素，改进燃油供给系统是改善柴油机排放的重要措施之一。对柴油机采用电控燃油喷射技术，能够获得更高的燃烧效率，同时降低燃烧峰值温度，从而减少柴油机的各种有害排放。在传统的柴油喷射系统基础上，首先发展起来的电控喷射系统是位置控制系统，称之为第一代电控喷射系统。基于电磁阀的时间控制系统则称为第二代电控喷射系统。第三代电控系统——电控高压共轨系统被世界发动机行业公认为二十世纪三大突破之一，将成为二十一世纪柴油机燃油喷射系统的主流。
高压共轨燃油喷射系统简介
高压共轨电控燃油喷射系统主要由电控单元（ECU）、高压油泵、共轨管和高压油管、电控喷油器以及各种传感器和执行器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压共轨管，高压共轨管中的压力由电控单元根据共轨压力传感器信号以及需要进行调节，高压共轨管内的燃油经过高压油管，根据柴油机的运行状态，由电控单元从预置的脉谱图中确定合适的喷油定时、喷油持续期，由电控喷油器将燃油喷入气缸。
1）电控单元
电控单元一般是由逻辑模块和驱动模块两个集成电路板组成。其中逻辑模块是电控柴油机的控制核心，它接收柴油机工况的各传感器输入的信号，进行控制决策的运算处理，然后向驱动模块发出相应的指令；驱动模块具有电压电流放大的作用，把逻辑模块发出的指令信号放大后变成能直接驱动执行电磁阀的电压或电流。
2）高压油泵
高压油泵由柴油机驱动，根据其结构和布置的不同，可分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵；根据喷油压力对发动机转速的依赖性，可分为全柔性喷油压力控制系统和半柔性喷油压力控制系统；根据喷油压力控制原理，则可分为单阀控制式和双阀控制式。
3）共轨管
共轨管是连接高压油泵和喷油器的桥梁，也是一个蓄压器。它将已经相互独立的高压燃油的供给过程与燃油的喷射过程联系起来。高压油泵不直接向喷油器提供高压燃油，而将高压燃油泵入共轨管中，燃油喷射所需要的燃油由共轨管供给，这样就减小了供油和喷油过程中的燃油压力的波动。
4）电控喷油器
每个喷油器上都有一个电磁阀，当电磁阀的电磁线圈通电时，喷油嘴针阀在高压燃油作用下升起，开始喷油，并且通过单向阀和节流孔控制针阀缓慢升起，以达到初期喷油速率的柔性控制；电磁线圈断电时喷油结束，单向阀和节流孔也控制断电时针阀下行的速度，以实现快速停止喷射。每个喷油器通电喷油持续时间决定于柴油机工况所需要的喷油量。
5）高压油管
高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它必须能够承受系统中的最大压力，在喷油停止时还要承受高频的压力波动，同时它还应满足足够的燃油流量以减小燃油流动时的压降。各缸高压油管的长度应尽量相等且尽可能短，这样才能保证从共轨管到喷油嘴的压力损失最小，而每个喷油器具有相同的燃油喷射压力。
陆观成
汽检一班
200905120112
柴油机尾气后处理技术
基础开发室性能组
李兴民 2009.4
内容
尾气后处理技术简介 柴油机尾气的组成 后处理基础知识 典型后处理布置方案
DEUTZ (DALIAN) ENGINE CO.,LTD
尾气后处理技术简介
为什么要采用尾气后处理技术？ 为了满足越来越苛刻的环保法 规要求，仅仅依靠发动机本体 的技术措施已经不能满足法规 的要求，专门针对发动机尾气 采用物理、化学方法进行净化 处理的方法叫做发动机尾气后 处理技术
DEUTZ (DALIAN) ENGINE CO.,LTD
排放法规
2 (8%)
cu rve
8 (9%) 10 (8%)
Torque
Fu ll l oa d
6 (5%)
4 (10%) 75% load
12 (5%)
5 (5%)
3 (10%) 50% lo ad
13 (5%)
7 (5%)
9 (10%)
25% load
11 (5%)
1 (15%) idle
250
A
B
C
Engine speed
100 Torque [%]
200
50
150
0
Engine speed [%]
100
-50
50
-100
0 0
Urban
600
Rural Time [sec]
-150 1200 Motorway 1800
DEUTZ (DALIAN) ENGINE CO.,LTD
柴油机微粒排放净化技术 摘要：近年来随着环境保护的日趋重视，世界各国对环境的要求都很高。柴油机的微粒排放技术更是不同程度的危害人类和破坏着生态环境，所以柴油机的微粒净化技术问题也是备受关注的。文章就现在已经采用的柴油机微粒净化技术和未来的发展趋势，做到柴油机排放标准化，尽量做到污染小或者无污染。 关键词：柴油机微粒；机外净化；机内净化 学习本课程的目的和意义：本课程是以经济性、动力性、排放、振动、噪声等深入到工作过程的各个阶段，分析影响这些性能的各个因素，确定奋斗的极限，分析和比较内燃机不同的热力循环。 学习体会：通过这段时间的学习，使我从对发动机知识的一无所知到有所了解，明白了内燃机汽缸工作的流程，发动机动力性和经济性的相关知识，怎样进行废气涡轮增压，还有废气排放等等。虽然只是对内燃机有了大概的了解，但对我今后学习更深层次的相关知识奠定了基础。 1柴油机微粒排放 柴油机排放物中的有害成分主要有c0、HC、NO、微粒等，而微粒的成分主要包括碳烟颗粒(占30%)、可溶碳氢有机物(占35%)、硫及水(占35%).由于排放的微粒比表面积大、吸附力强(吸附有多环芳香烃、苯并花等)且微粒直径小(只有0.01一0.05林m)、重量轻，故能长时间悬浮在大气中，易被人体吸人并沉积在肺胞中，对人类的健康有极大的危害。柴油机排放的烟粒主要由燃油中的碳生成，并受燃油种类、燃油分子中碳原子数及氢原子比的影响。柴油机碳烟也是不完全燃烧的产物，是燃料在高温缺氧条件下进行过裂解脱氢以后的产物。从高温裂解的角度出发，碳烟微粒是在扩散火焰中燃油较浓的燃烧处形成的。柴油机的烟粒生成和长大一般分为两个阶段： （1）烟粒生长阶段：这是一个诱导期，期间燃料分子经过其氧化中间产物或热解产物萌生凝聚相。 （2）烟粒长大阶段：包括表面生长和聚集两种形式。表面生长指烟粒粘住来自气相的物质使其质量增大，同时发生脱氢反映，但不会改变烟粒数量。而聚集过程指通过碰撞使烟粒长大，烟粒数量减少，生成链状或团絮状的聚集无。在柴油机中，烟粒聚集过程与烟粒在空气中的氧化过程同时发生，
中国环境保护产业协会标 T/CAEPI □□－20□□ 柴油机排气后处理装置技术要求 第5部分：后处理器机械性能 Technical Requirements of Diesel Emission Aftertreatment Devices Part 5: Mechanical Performance of After-treatment Converter （征求意见稿） 中国环境保护产业协会发布
T/CAEPI XXX-201X 目 录 前 言...........................................................................III 1 范围 (1) 2 规范性引用文件 (1) 3 术语和定义 (1) 4 技术要求.......................................................错误！未定义书签。 4.1 一般要求 (3) 4.2 机械性能要求 (3) 5 试验程序 (4) 6 试验方法 (4) 6.1 密封性试验 (4) 6.2 轴向推力试验 (4) 6.3 水急冷试验 (4) 6.4 热振动试验 (5) 6.5 热疲劳试验 (6) 7 检验规则 (7) 7.1 检验分类 (7) 7.2 检验项目 (7) 8 标志、包装、运输、储存 (8)
T/CAEPI XXX-201X 前 言 为贯彻《中华人民共和国环境保护法》，促进环保技术装备发展，规范柴油机排气后处理装置的技术要求和试验方法，降低柴油机尾气排放中的污染物对空气质量的影响，制定本标准。 CAEPI XXX-201X《柴油机排气后处理装置技术要求》分为如下5个部分： ——第1部分：氧化型催化转化器（DOC）； ——第2部分：选择性催化还原器（SCR）； ——第3部分：柴油机颗粒捕集器（DPF）； ——第4部分：氨逃逸催化器（ASC）； ——第5部分：后处理器机械性能； 本部分为T/CAEPI XXX-201X 第5部分。 本部分规定了柴油机排气后处理装置后处理器的机械性能技术要求和试验方法。 本部分是对HJ451-2008《环境保护产品技术要求柴油车排气后处理装置》的修订，与原标准相比主要变化如下 ——增加了后处理器封装单元的技术要求和测试方法 ； ——增加了后处理器总成热疲劳要求和试验方法 ； ——修改了密封性技术要求，将压降要求改为泄漏量要求； ——修改了轴向推力试验方法，根据载体的大小，线性关系增加轴向力； ——修改了预处理条件，调整了预处理温度； ——修改了水急冷试验方法，将四段式循环方式改为两段式； ——修改了振动试验方法； ——修改了试验条件和试验程序； ——修改了检验规则。 本标准由中国环境保护产业协会组织制订。 本标准起草单位： 本标准主要起草人：
柴油机后处理净化技术 1.氧化催化转化器 氧化催化转化器是利用催化剂，象滤清器那样通过排气，将有害成分HC、CO、NOx进行化学反应转化为无害的CO2、H2O和N2的反应器。 减小污染物浓度的原理： 把一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和颗粒中的可溶性有机物SOF成分氧化成二氧化碳和水。 氧化催化转化器的结构： 主要由壳体、衬垫（减震层）、载体和催化剂涂层四个部分组成。 ①壳体通常为不锈钢材料，防止高温氧化脱落。 ②衬垫通常为陶瓷材料；隔热性、抗冲击性、密封性和高低温冲 击性优于金属网。 ③载体材料主要有蜂窝陶瓷载体和金属载体两种。 ④催化剂涂层。涂层（γ-Al2O3）+主催化剂（铂Pt、钯Pd） 2.NOx机外净化技术 （1）吸附催化还原法(LNT) 催化剂活性成分：贵金属和碱土金属 在富氧气氛下，用吸附剂MO先将NOx储存起来： 然后在贫氧的还原气氛下进行分解和还原，其反应如下：
（2）选择性催化还原(SCR) NOx的催化还原技术有：选择性非催化还原（SNCR）、非选择性催化还原（NSCR）和选择性催化还原（SCR）三种方式，其中以选择性催化还原（SCR）技术在柴油机上的研究最为广泛。 工作原理： 以NH3或者HC作为还原剂，在催化剂的作用下将NOx转化为无害的氮气（N2）和水蒸气（H2O）。 （3）等离子辅助催化还原(NTP) 机理：空气经过低温等离子体作用后，产生一系列氧化性极强的自由基（OH*、HO2*）、原子氧（O）、臭氧（O3）等强氧化物质，这些物质将发动机尾气中的NO氧化，并转化为NO2
3. 颗粒物机外净化技术 微粒捕集器（DPF ）对颗粒物进行捕集是最可行的一种后处理技术。此外，也有使用等离子体净化技术和静电分离技术等法对颗粒物进行脱除。 （1）DPF 结构 陶瓷蜂窝载体 陶瓷纤维编织物 22O O ??→2O N NO N +??→+2N O NO O +??→+*N OH NO H +??→+2NO O NO +??→*222NO OH NO H O ++??→** 22NO HO NO OH +??→+323NO O NO +??→
现代动力技术之二 现代高效低排放柴油机技术 (五)柴油机排气后处理 石磊 上海交大内燃机研究所
1. 排放污染物的成分 2. 污染物的形成与危害 3. 污染物的来源 4. 污染物的净化方式（1）一氧化碳（CO）：不完全燃烧产物。 （2）碳氢化合物（HC）：未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化产物。 （3）氮氧化合物（NOx）：在燃烧过程中和排入大气后造成的氮的各种氧化物（NO、NO2为主）的总称。 （4）颗粒排放物(PM）：主要是碳烟、未燃燃油和润滑油液态颗粒，以及其他碳氢化合物、硫化物、含金属的灰分等。 （5）二氧化碳（CO2）：燃烧的必然产物。
1. 排放污染物的成分 2. 污染物的形成与危害 3. 污染物的来源 4. 污染物的净化方式 一氧化碳（CO） （1）形成原因 汽油机——主要是由可燃混合气过 浓造成的。 柴油机——主要是由燃烧室内部缺 氧或温度过低造成的。 （2）危害 是一种无色、无味的有毒气体，吸 入人体后，能以比氧强210倍的亲和 力同血液中的血红蛋白结合，形成 碳氧血红蛋白，阻碍血液向心脏、 脑等器官输送氧气，从而引起各种 中毒症状，直至使人窒息死亡。
1. 排放污染物的成分 2. 污染物的形成与危害 3. 污染物的来源 4. 污染物的净化方式 碳氢化合物（HC） （1）形成原因 汽油机——主要是因为低温缸壁的 冷激作用，使火焰消失；电火花太 弱，不能点燃混合气；进排气门重 叠期间，新鲜混合气泄漏；曲轴箱 窜气，汽油箱或化油器浮子室内汽 油蒸发等。 柴油机——主要是混合气形成不良 或温度过低而形成。 （2）危害 HC吸入人体后会破坏造血机能，造 成贫血、神经衰弱等，同时也会致 癌。
石家庄蓝宇净化机械设备有限公司创立于2003年，作为综合性的专业环保企业，公司核心业务集中于内燃机尾气后处理、噪声与振动控制领域。蓝宇净化是内燃机尾气后处理设备研究、开发、设计、生产的高科技环保企业，拥有独立的催化载体涂装车间与封装车间。公司凝结近十年在国内尾气净化领域辛勤耕耘的丰硕成果，获得多项国家专利，已通过ISO9001国际质量体系认证，是中国内燃机工业协会内燃机排放后处理专业委员会会员单位。 蓝宇净化内燃机排放控制产品线覆盖各种应用柴油机与汽油机为动力的车辆与机械。针对汽油机的尾气处理装置为三元催化转换器(即三元催化器Catalytic Converter)，适用市场上的各类车型，可以达到欧洲IV号标准；针对柴油内燃机排放控制产品为氧化型催化器DOC(Diesel Oxidation Converter）与柴油颗粒捕集器DPF（Diesel Particulate Filter），适用于柴油发电机组、矿山井下设备、大型工程机械、柴油叉车、隧道牵引车、装载机、推土机、挖掘车、重型卡车、军用特种车辆等配套使用。D系列、DG系列、DM系列柴油机尾气净化器，能够有效去除尾气中的颗粒物PM、碳氢化物HC、一氧化碳CO、氮氧化物NOx、硫化物等，并能有效去除黑烟、臭味和降低噪音。特别适用于室内、隧道、矿井、仓库、食品车间等封闭环境污染物排放控制，已经成功应用于高档楼宇备用发电机的尾气处理，内河船舶废气治理等领域。 蓝宇净化具有产品研发能力，能够针对客户不同的个性化需求，进行产品定制开发，来满足不同客户的实际需要。其中包括：客户新
产品上市前的配套开发，在用设备改造用途的定制匹配设计，各类尾气净化、噪声控制工程的设计与施工。 公司产品曾应用于南水北调工程、广州亚运会、岩滩水力发电等国家重点工程项目。蓝宇净化服务于工程机械、石油化工、矿山开采、航天军工等众多高端应用领域，为中铁集团、中国铁建集团、中铁隧道集团、中海油集团、中航工业、航天五院、泰安特种车辆厂、汉阳特种车辆厂、广西柳工、比亚迪汽车、上海东风、山东潍柴、河南柴油机重工、壳牌石油、山东信通铝业、江西西华山钨业、江西泰豪、无锡开普等一大批优质客户提供高品质产品与服务。 “诚实、速度、微笑、服务”是我们坚持的理念，蓝宇人将会为您提供专业的咨询，快速的技术支持以及完善的售后服务，满足您的需求。 蓝宇净化：杨莎
当下常用柴油机后处理技术： 1SCR（Selective Catalytic Reduction选择性催化还原技术） 1.1NH3- SCR 1.1.1反应原理 使用尿素水溶液作为氨气来源，这种溶液尿素质量分数为32.5%，符合DIN V70070国际标准，市 场上也称之为“AdBlue”溶液。当尿素水溶液被喷射到排气管中后，与高温的废气混合，尿素水溶 液经过气化、热解和水解等一系列复杂的化学反应生成氨气和二氧化碳，简单可以分为两步。 第一步: 热解反应 CO(NH2)2→加热→NH3+ HNCO 第二步: 水解反应 HNCO+H2O→催化剂→NH3+CO2 尿素分解释放出的氨气与废气中的NO x发生化学反应，具体反应方程式如下 4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O 4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O 8NH3+6NO2→7N2+12H2O 1.1.2控制方法 尿素SCR系统主要由后处理控制单元( DCU)、尿素泵( SM)、喷嘴( DM)、尿素罐、SCR 催化器及 相应液力管路和电气线束构成，如下图所示。 DCU为主控制单元，处理传感器信号、计算尿素喷射量并对各种执行器进行控制。SCR 系统开始 工作时，DCU首先确认系统是否处于正常状态，然后发出指令使尿素泵开始加压，压力使尿素水溶 液开始流动。控制单元通过CAN总线与发动机的ECU进行通讯，获得发动机的运行参数，再加上 催化器上游温度信号，计算出尿素喷射量，驱动喷嘴将适量的尿素水溶液喷射到排气管内，按反应 机理还原尾气中的NO x，多余的尿素被送回到尿素罐内。 1.1.3存在的问题 1.1.3.1低温工况下NO x转化率低 尿素在废气温度为160℃左右时，开始发生热解反应产生异氰酸(HNCO)和一部分氨气。由于尿 素热解需要吸收大量的热量，当排气温度较低时热解速度较慢。有关研究表明，温度为330℃时 仅有20%左右的尿素可以发生热解，而400℃时有50%的尿素发生热解，剩下的尿素只能到达
柴油机排放的环境保护 赖可坚邹颂宇田少民 工程机械对环境的影响主要有三：一是柴油机的废气排放物对大气的污染；二是噪声对人居环境的污染；三是废油、废水对土壤或地表水的污染。其中，尤以废气排放对人类健康的危害最大。 1、废气中的污染物及其危害 柴油机排放的废气中包含有气态、液态及固态的污染物。气态污染物中含有CO2、CO、H2、NOx、SO2、HC、氧化物，有机氮化物及含硫混合物等；液态污染物中含有H2SO4、HC、氧化物等；固态污染物有碳、金属、无机氧化物、硫酸盐，以及多环芳烃(PAH)和醛等碳氢化合物。 上述污染物中，最主要的是CO、HC、NOx以及固体微粒(PM)。CO 是柴油不完全燃烧产生的无色无味气体；HC也是柴油不完全燃烧和气缸壁淬冷的产物；NOx是NO2与NO的总称，它们都是在燃烧时空气过量、温度过高而生成的氮气燃烧产物，NO在空气中即被氧化成NO2，NO2呈红褐色并有强烈气味；PM是所排气体中可见污染物，它是由柴油燃烧中裂解的碳(干烟灰)、未燃碳氢化合物、机油与柴油在燃烧时生成的硫酸盐等组成的微粒，也就是我们常见的由排气管冒出的黑
烟。相对汽油机而言，柴油机的CO和HC排放量较少，主要排放的污染物是NOx和PM。 CO通过呼吸道进入人体后，会同血红蛋白结合，破坏血液中的氧交换机制，使人缺氧而损害中枢神经，引起头痛、呕吐、昏迷和痴呆等后果，严重时会造成CO中毒。 HC中含有许多致癌物质，长期接触会诱发肺癌、胃癌和皮肤癌。 NO2刺激人眼黏膜，引起结膜炎、角膜炎，吸入肺脏还会引起肺炎和肺水肿。 HC和NOx在阳光强烈时的紫外线照射下，会产生光化学烟雾，使人呼吸困难、植物枯黄落叶、加速橡胶制品与建筑物的老化。 PM被吸入人体后会引起气喘、支气管炎及肺气肿等慢性病；在碳烟微粒上吸附的PAH等有机物，更是极有害的致癌物。 2、柴油机的排放标准 为了控制废弃污染，许多国家都制订了相应的环保法规和排放污染物防治的技术政策，以及控制排放污染物限制的技术监督标准。欧盟柴油机稳态试验(试验程序ESC)时的排放标准如附表所示。 我国已于2000年实施了“压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气污染物限值及测试方法(GB17691-1999)”、“压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆可见污染物限制及测试方法 (GB3847-1999)”等排放标准。这些强制性的国家标准等效采用了联合国欧洲经济委员会(ECE)有关汽车排放控制的全部技术内容，这意味着我国对新车的排放要求已达到欧洲90年代初期水平，比旧有的
柴油汽车尾气净化催化剂及制备方法和净化装置 2016-11-23 13:29来源：内江洛伯尔材料科技有限公司作者：研发部 柴油汽车尾气净化催化剂及制备方法和净化装置柴油车尾气具有复杂的化学組成，且随着发动机的エ况变化，尾气组成也显著不同，其排放的污染物中含有碳烟颗粒物(PM)、烃类(HC)、C0和NOx等。因为尾气中02含量较高，故HC和C0排放量较少，一般只有汽油机的1/10，NOx排放量与汽油机大致相同，而PM的排放量约为汽油机的几十倍。近年来，国内在单一四效净化催化剂研究方面取得了积极进展，如中科院生态环境研究中心开发了一种在含S02气氛下能选择性去除HC、C0和N0X的催化体系，主要包括多孔无机物载体和贵金属Pt、Au和Ag等，N0X的转化率最高超过90%，但是对PM的消除非常有限。中国石油大学(专利号为200710307416.8，名称为:同时消除柴油机尾气四种污染物的组合催化剂和净化方法)公开了ー种在不同比表面的A1203上负载钙钛矿复合氧化物 La0.8K0.2Mn03催化剂，该催化剂对于C0和碳颗粒的燃烧活性较好，起燃温度显著降低，生成C02的选择性高于95%，烃类在较低温度下的转化率为90%，但是对N0选择还原为N2的催化性能还有待进ー步提高。目前国内柴油车尾气净化器产品总的来说技术还比较落后，无法满足国IV及以上柴油车尾气排放标准要求。 本文的第一目的是提供一种柴油汽车尾气净化催化剂，所述催化剂和装置采用D0C 与⑶PF组合技术，通过前端D0C将尾气中的HC、C0以及PM中的有机物(S0F)氧化去除，同时将N0转化为还原性更强的N02，以利于N02与C的反应，达到去除N0的目的，同时降低C的燃烧温度，依靠柴油车自身温度实现微粒过滤器的再生，具有净化效率高，使用方便等特点。技术方案如下： (1)载体的活化处理：用去离子水或PH = 8?10的弱碱性溶液分别浸泡第一载体和第二载体lOmin.?30min.，300°C?450°C下焙烧 30min ； (2)涂层的制备： 1)第一涂层 ①按权利要求1所述的第一涂层组分的配比称取除Ba盐外的相应硝酸盐，用少量去离子水加热溶解，得混合硝酸盐溶液； ②称取权利要求1所述的第一涂层配比中Ba量的Ba(CH3C00)2，加去离子水溶解，得到含Ba离子溶液；
柴油机后处理技术
Legislation
Emission Reductions Evolution
16 14
* PM scale x10 *
NOx -86%
18 years
PM -95%
13 years
12 10 8 6 4 2 0
98 00 90 94
Euro 0 Euro 1
-43%
g/kW.hr
-12% -29% -56%
Euro 2
-30% -80%
Euro 4
-33%
Euro 3
-43%
Euro 5
02
96
04
92
06
08 20
19
19
19
20
20
19
20
19
20
20
10
Aftertreatment Technology Options
Diesel Engine Emission Technology Approach
Emissions Level Euro-Ⅱ Euro-Ⅲ Euro-Ⅳ Euro-Ⅴ Euro-Ⅵ
Fuel Sulfur(ppm) 2000 Electric Control Fuel Injection Pressure (MPa) Turbocharging and Intercooling 80 Turbocharge
300 √ 120 Turbocharge
<10 √ 160 Variable Geometry Turbochgar ge(VGT)
<10 √ 200 Variable Geometry Turbochgar ge(VGT)
<10 √ 240 Variable Geometry or Multistag Turbochar ge LTC
Exhaust Gas Recirculation at Full Load Aftertreatment
None
<5%
<15%
<20%
None
None
DPF
SCR+DPF
SCR+DPF
柴油机NOx排放控制技术 ( 本站提供 应用行业： 阅读次数：4 )【字体：大中小】 柴油机自1892年问世以来，凭借其良好的动力性、经济性和耐久性等优点在各种动力装置、船舶和车辆上得到日益广泛的应用。欧洲和日本在70年代就基本实现了载货汽车和大型客车的柴油机化。从80年代后期开始，轿车上也越来越多的应用柴油机，例如目前德国生产的1.4L-2.0L排量的小轿车中，柴油机轿车占61%，而法国轿车柴油机的比例高达88%。从世界范围来看，汽车柴油化已经成为一种不可逆转的趋势。柴油机与同等功率的汽油机相比，微粒和NOX是排放中两种最主要的污染物。目前，世界各国都在致力于减少柴油机颗粒排放的技术研究，并且已经取得了实质性的进展。由于柴油机排气微粒与NOX的生成机理不同，因此减少微粒的同时又增加了NOX的排放，同时微粒的减少又使得催化剂中毒得以有效的扼制，从而使采用机外催化技术净化NOX成为可能。今后研究的重点应转向使柴油机排放的微粒与NOX同时减少。 2 柴油机NOX排放的危害和生成机理 2.1 柴油机NOX排放的危害 柴油机排出的NOX中，NO约占90%，NO2只是其中很少的一部分。NO无色无味、毒性不大，但高浓度时能导致神经中枢的瘫痪和痉挛，而且NO排入大气后会逐渐被氧化为NO 2。NO2是一种有刺激性气味、毒性很强(毒性大约是NO的5倍)的红棕色气体，可对人的呼吸道及肺造成损害，严重时能引起肺气肿。当浓度高达100×10-6体积浓度以上时，会随时导致生命危险。 NOX和HC在太阳光作用下会生成光化学烟雾，NOX还会增加周围臭氧的浓度，而臭氧则会破坏植物的生长。此外，NOX还对各种纤维、橡胶、塑料、电子材料等具有不良影响。 基于上述原因，柴油机排放物中的NOX对环境的严重污染引起了世界范围的普遍关注，因此各国限制其排放的法规亦越来越严格，表1是美国、日本、欧洲对重型柴油载货车NOX排放的有关规定。 表1 柴油机NOX排放的限值 单位：g/kW.h 试验循环工况 过渡工况 日本十三工况 欧洲十三工况 采用年份 美国 日本 欧洲 1997 6.67 7.75(直喷)6.76(非直喷) 7.96 1998 5.33 - - 1999 - 4.48(建议) 4.97(建议) 2004 2.67 - -
柴油机尾气处理 抛开油品问题，其实柴油机的尾气处理要比汽油机复杂的多，排放清洁是要付出代价的。 柴油机的排放目前主要是氮氧化物NOx和微粒PM，主要的难点在于NOx 的处理上；而汽油机的排放主要是NOx、碳氢化合物HC和一氧化碳CO等，如果是直喷汽油机也会有微粒PM的排放。 柴油机一般是富氧燃烧，HC和CO比汽油机少多了；但是柴油机的烟是一个问题，这是因为其燃烧方式的原因，柴油机为扩散燃烧，而汽油机为预混燃烧。因此柴油机工作时如果混合气组织不好，就会导致滚滚黑烟，所以造成了柴油机在我们心中的印象总是很差，总觉得柴油机就是不环保的机器，即使汽油机排出大量的无色不可见的有毒气体HC和CO。但有一点你要知道，柴油机的尾气经过完善处理之后，其污染指标全面秒杀汽油机。正如标题所言，这个完善处理到底有多棘手？ 我们知道汽油机的尾气处理一般只需一个大铁壳，也就是三元催化转化器就可以解决了，不保险？那加个氮氧化物存储式催化转化器（NSC）就稳了。燃鹅，柴油机却用不了…为熟么呢？还是因为柴油机为富氧压燃，空燃比相当大，三元催化器在处理NOx时如果氧分压过高，转化效率将会大大下降。所以呢，还得想别的方法… 一、EGR（Exhaust Gas Recirculation 废气再循环） 内燃机在燃烧后将排出气体的一部分分离出、并导入进气侧使其再度燃烧的技术，主要目的为降低排出气体中的NOx与分担部分负荷时可提高燃料消耗率。燃鹅…EGR是很讲求控制策略和实现的，为柴油机加装EGR后动力下降油耗升高再正常不过… 二、DOC（Disel Oxidation Catalyst 柴油氧化催化器） DOC是将柴油燃烧后的排放物，例如CO、HC和SOF等，进行氧化，然后产生CO2和H2O。但DOC并不能将污染物完全氧化，其转换效率分别为：CO：70-90%；HC：60-80%；SOF：40-50%。所以，仅仅DOC是不够的… 三、NSC（NOx Storage Catalyst 氮氧化物存储式催化转化器）
一、排气后处理的原因与意义 随着我国工业快速崛起与经济迅猛发展，我国人民的生活水平不断提高，对于生活品质的要求也越来越高，汽车作为一种非常便捷的交通工具也越来越普及，汽车工业也得到了飞速的发展。 然而，汽车的普及与汽车工业的快速发展给人们生活带来便利的同时也产生了能源与环境问题。近年来，节能、能源与环境相容问题成为备受关注的重大科学问题。而汽车发动机作为汽车动力的问题的根本所在，因此改善汽车性能的关键在于开发汽车发动机节能减排技术。 因而，随着对内燃机低排放的要求不断严格，能兼顾动力性、经济性、排放性的内燃机越来越复杂，成本急剧上升。因此，世界各国都先后开发排气后处理技术，在不影响或者少影响内燃机其他性能的同时，降低最终向大气环境的排放。 如何解决好发展过程中的能源与环境问题成为当前汽车工业面临的两项难题。一直以来汽车发动机以石油作为主要的燃料来源，但是，石油资源具有不可再生性，连续开采已使得石油资源日益枯竭。尾气排放带来的环境污染问题也是汽车工业急需解决的问题，制定并实施汽车尾气排放标准是一项较为有效的控制措施。 在能源与环保的双重压力下，我国汽车发动机行业引进了许多先进的技术。就汽车发动机而言，汽车发动机排气后处理技术等先后应用到实际的生产生活中，其技术可以有效改善汽车发动机的尾气的排放与污染，降低废气污染的排放。 进入二十一世纪，世界汽车发动机技术的研究重点与目标趋向于节能和二氧化碳减排取代排放控制的方面上。因此发动机排气后处理技术正处于上升趋势，而且国际上发动机排气后处理技术近年来已经有了很大的提高，其基础理论与机制有了巨大的进步，因此研制、设计、和试验汽车发动机系统的技术得到了很大的革新。 二、排气后处理技术的原理与分类 在讨论汽车发动机排气后处理技术之前，我们应该首先讨论一下汽车发动机所排放的尾气与其对于人体与社会的危害。 首先汽车发动机的尾气的主要危害物有一氧化碳、碳氢化合物与氮氧化合物等众多有毒有害的气体。它们产生的原因多是有由于燃油的不充分的燃烧所引起的，并且在高温的情况下，更容易产生更多的上述的有害气体，这些有害气体会对环境造成极大的污染，对人体造成呼吸系统、血液、神经系统的人体重要的系统形成极大的损伤。 而发动机的排气后处理技术就是用来减缓与解决上述的问题的。按目前主要的方法，汽车发动机排气后处理技术按照汽车发动机的燃油的种类，可以分为汽油机排气后处理技术与柴油机排气后处理技术。 下面首先介绍汽油机排气后处理技术，汽油机排气后处理技术主要包括热反应器、催化转化器、HC捕集器，其中催化转化器又可以分为氧化性、还原性、氧化还原（三效）型以及稀燃型，目前单纯还原型的催化剂已很少用。下面对汽油机排气后处理技术的各个部分进行较为详细的介绍： 首先是热反应器：处理对象为CO和HC。随着三效催化器的普及，20世纪90年代开始生产的新车已不采用热反应器。由于摩托车的排气后处理装置要求
柴油机机内净化技术 秦海华 1、概述 （1）柴油机的燃烧过程 ①第Ⅰ阶段--滞燃期：指柴油开始喷入气缸到着火开始的这一段时间。 ②第Ⅱ阶段--速燃期：指从着火开始到出现最高压力的这一段时间。 ③第Ⅲ阶段--缓燃期：指从最高压力点开始到出现最高温度时的这一段时间。 ④第Ⅳ阶段--后燃期：指从缓燃期终点到燃烧基本烧完的这一段时间。 （2）柴油机的主要排放污染物：微粒、HC、CO、NO X （3）柴油机的主要机内净化技术 降低柴油机NOX和微粒排放的相关机内净化技术措施
2、低排放燃烧系统 （1）非直喷式燃烧系统 ①涡流式燃烧室：由于涡流式燃烧室的燃烧过程采用浓、稀两段混合燃烧 的生成和燃烧温度，而后段的稀混合气和二次方式，前段的浓混合气抑制了NO X 和微粒排放量都比较低。 涡流又加速了燃烧，促使炭烟的快速氧化，因而NO X ②预燃室式燃烧室 （2）直喷式燃烧系统 ①浅盆形燃烧室：浅盆型燃烧室内的油气混合属于空间混合方式，在燃烧过程的滞燃期内，形成较多的可燃混合气，因而燃烧初期压力升高率和最高燃烧温 和排气烟度高。 度均较高，工作粗暴，然撒后温度高，NO X ②深坑形燃烧室：a.ω形燃烧室 b.挤流口形燃烧室：挤流口形燃烧室的燃烧过程较柔和，挤流口抑制了较浓的混合气过早地流出燃烧室凹坑，使初期燃烧减慢，压力升高排放较ω形燃烧室低。 率较低，因此NO X ③球形燃烧室：球形燃烧室与浅盆形和深坑形燃烧系统的空间混合方式不同，是以油膜蒸发混合方式为主。 3、低排放柴油喷射系统 低排放燃烧系统应满足以下条件： ①各种工况下都应有较高的喷油压力，以得到足够高的燃油流出的初速度，使燃油粒度细化以提高雾化质量并加快燃烧速度，从而改善排放性能。 ②优化喷油规律，实现每循环多次喷射。 ③没循环的喷油量能适应各种工况的实际需要。 ④各种不同工况有合理的喷油正时，实现柴油机动力性、经济性和排放性能
柴油叉车尾气危害巨大，世界上很多国家现都针对这个问题研究出很多种解决方案，其中应用最为广泛的有四种：SCR、DPF以及直通式的DOC&FTF方案，我公司国内唯一总代理加拿大DCL柴油机尾气净化装置，上述四种净化方案的产品，DCL都拥有世界领先的专利技术。 DCL 是世界领先的致力于内燃机尾气排放控制系统研发、设计、生产的跨国公司。始建于1986 年，设于多伦多的公司总部集所有产品研发，设计，生产，测试于一体，销售网络涵盖了亚美欧大陆20 余个国家。产品先后得到了欧、美、日等大多数发达国家政府认证。公司拥有多项世界领先技术专利，发表了大量技术文章并多次获得美国SAE 最杰出论文奖。在过去的20 余年间，公司为相关行业的全球各大跨国公司提供原装零件配套及售后服务用零件生产，例如斯堪尼亚，丰田，日产，劳斯莱斯，卡特彼勒，GE 能源集团，JCB，凯斯，山猫，瓦锡兰集团，耶鲁集团，阿特拉斯?科普柯等。DCL 是世界顶级的催化转化器综合生产厂家，与世界一流的相关研究机构长期合作，致力于催化剂载体制造，载体涂层技术，催化器总成封装，消声器及尾气排放系统装配的生产与研发。公司产品包括SCR 选择性催化器、三元催化器、氧化催化转换器、催化转换消声器、柴油机尾气微粒过滤器、催化转化消声器及金属催化剂载体等，DCL 为各类道路行驶车辆,非道路移动机械和工业发动机、包括卡车、客车、工程机械、发电机组、内燃机车、轮船、及气体压缩机等，提供最创新的发动机尾气排放控制解决方法. 根据各个国家的国情和产品的技术特点，尾气净化主流的四种方案的应用领域各有不同，就柴油叉车行业，我们对四种净化方案对比如下： SCR系统是一种车用催化尿素喷淋的尾气后处理技术，该方案技术要求最高，系统最复杂，对柴油车尾气中的NOx等剧毒气体有相当好的净化效率，在环保要求比较高的国家，该系统应用广泛。但同时，SCR系统售价昂贵，而且需要及时补充车用尿素，油耗与尿素的比例约在100：2，加上SCR系统需要足够的安装空间，所以对于国内对叉车尾气普遍零处理的叉车用户，SCR系统不是一种可行的选择，我们就重点就DPF方案和直通式的DOC&FTF方案作一下全方位的比较。 根据我公司近期从客户那里得到的反馈，我们认为有必要站出来替广大饱受叉车尾气困扰的工友们说几句话，也给企业领导选取尾气治理方案引导下正确方向。DPF方案是采用陶瓷载体壁流式强制催化转化PM微粒和有毒气体，该方案短期效果明显，但壁流式设计增大了柴油机排气背压，同时也会有部分未转化的颗粒物沉积，并迅速堵塞通道致排气不畅，必须经常拆卸下来加以维护，此外DPF相对昂贵，约在2-3万左右，是我们强烈建议叉车用户不予考虑的。DCL的每个MINE-X®叉车直通式尾气净化器（DOC、FTF）都是由金属制催化剂载体元件和高厚度不锈钢壳体组成。MINE-X® 直通式过滤器是个革命性的专利产品. 直通式柴油机尾气过滤器能有效的去除柴油尾气微粒及与常规的壁流式过滤器相比能提供更低的背压.DOC、和FTF方案都是直流式催化氧化原理，柴油机排气只强制通过过滤器，而开放式的蜂巢载体设计绝不会产生过大背压（1KPa左右），合金催化剂高密度牢固粘附在镀膜处理的载体表面，催化氧化CO、HC效率高达80%-90%，同时促进可燃微粒的二次燃烧从而提升净化效果，黑烟净化效率在30%-70%。DOC报价按不同柴油机功率在3000-6000元，而FTF改造增加了过滤单元，价格稍贵在5000-10000元之间，最难能可贵的是两种方案催化剂均是循环再生，长时间免维护，从实用和经济性方面考虑，DOC和FTF方案是当前技术水平下叉车尾气最优解决方案。 DOC、和FTF方案国内也有很多厂家可以做，但是目前国产的DOC、FTF存在较大的技术缺陷，一是载体结构不牢，二是催化剂效果不佳，虽然价格便宜，但是基本解决不了任何问题，另外有可能加重柴油机负担（背压升高）。 给大家贴几张相关尾气净化产品的图吧：
柴油机排气后处理技术的探讨 摘要 围绕车用柴油机排放控制这一主题。对国内外柴油机排放法规的发展趋势进行了综述。对满足面向世界排放法规的柴油机排气后处理控制技术进行了探讨。 关键词：柴油机排放法规排气后处理微粒捕集器微粒氧化催化器选择性 催化还原低温等离子 引言 排放方面的优势是包括汽油机在内的所有热力发动机无柴油机在节能与CO 2 法取代的。柴油机排气中有PM, N Ox , HC 和CO 等有害污染物, 其中PM 和NOx 是排放法规的主要控制对象。为减轻柴油机对大气环境的污染, 各国排放法规越来越严格。在发动机常用工况范围内, 仅采用机内措施降低PM 和NOx 排放已逐渐趋于极限, 只有对柴油机排气采取后处理净化措施, 才能满足未来更为严格的排放法规。目前常用的排气后处理技术主要有针对PM的氧化催化转化器DOC、颗粒捕集器DPF,针对NOx排放的选择性催化还原技术SCR、稀燃NOx 捕集技术LNT 、低温等离子技术等。 一、国内外排放法规 目前世界上已形成以美国、欧洲、日本为代表的三大排放法规体系, 其他各国基本上是采纳其中一种。图1 和图2 示出欧美及中国重型柴油机PM 和NOx 的部分排放法规限值的对比。图中欧洲和中国采用的是欧洲稳态测试循环下的限值, 美国采用的是瞬态工况标准测试循环下的限值。 图1 欧洲、美国和中国的NO 图2 欧洲、美国和中国的PM X 排放限值排放限值 由图1 和图2 可以看出: 美国由U S2002 至U S2010, NOx 排放限值由5. 36 g/ ( kW h) 降低到0. 27 g/ ( kW h) , 减少95% , PM 排放限值由0. 13 g/ ( kW h) 降低到0. 013 g / ( kW h) , 减少90%, 过渡时间为8 年; 欧洲从2000 年的欧#标准到2008 年的欧! 标准, NOx 排放限值由5. 0 g / ( kW h) 降低到2. 0 g/ ( kW h) , 减少60%, PM 排放限值由0. 1 g/ ( kW h) 降低到0. 02 g/ ( kW h) , 减少80% , 过渡时间为8 年; 我国自2007 年国III( 欧III) 标准到2012 年的
基于SCR技术的柴油车排气管改装设计研究 武汉商学院付子豪140521008 （武汉商学院，机电工程与汽车服务学院，湖北省武汉市430056） 指导老师：杨建军 中文摘要：如今汽车成为了我们在日常生活中必不可少的一种交通工具，随着经济的发展，在汽车保有量不断提高同时也带来了尾气污染的问题，威胁到环境的保护和我们的健康。如何减少尾气中有害气体的成分一直都是一个难题，本文拟通过理论上的研究来提出对柴油车排气管的改装设计方案来进而到尾气净化的目的。 关键词：汽车尾气；排气管改装；设计方案 引言 柴油机的燃烧过程主要在过量空气系数较大的领域内进行，所以CO和HC排放量相对较少[1]，现在柴油机尾气净化处理技术面临的难题在于如何有效的控制以NO x和微粒为主的有害气体的排放。控制尾气污染的方式主要分为机内净化和机外净化两类，目前能有效的降低柴油机NO x排放量的技术为EGR系统，不过此技术尚受到耐久性和可靠性的影响，并且实施较大的EGR率后，燃油消耗率和黑烟恶化等问题有待解决[2]；而对于柴油机尾气处理较好的机外净化技术为微粒捕捉器和SCR技术，其中微粒捕捉器面临的问题在于如何将滤芯捕集的微粒进行处理，SCR技术面临的问题在于催化装置成本高，泄漏会造成二次污染的问题。所以，探寻一种成本低，效率高的尾气处理技术是当前需要做的工作。 一、控制柴油机尾气排放技术现状 针对柴油机排放的问题，国内外都主要从改进发动机内部结构和尾气后处理技术、发展各种代用燃料（各种代用燃料一般都有降低环境污染的效果，但使用代用燃料成本较高，因而就目前的研究成果来看大面积推广起来较为困难），和研究节能降污的柴油添加剂（由于有灰型添加剂会造成二次污染，因此研制新型的无灰型节能降污添加剂将是今后的发展方向。）这三个方面进行入手解决，无论是哪一种方法都有着各自的不足之处，为了能在现有的尾气处理技术上通过对柴油机排气管进行改装而达到进一步减少尾气污染的目的，本文提出一种设计方案帮助解决柴油机尾气污染的问题。 二、SCR技术 SCR技术
(2014-2015学年第2学期) XXXX大学研究生课程论文 课程论文题目：SCR技术在柴油机尾气后处理上的应用 课程名称内燃机燃烧与排放控制 课程类别□学位课□非学位课 任课教师XXX 所在学院车辆工程学院 学科专业车辆工程 姓名XX 学号 提交日期2015年5月11日
目录 摘要 (2) 1.引言： (2) 2.目前柴油机排放污染物的控制技术路线 (3) 2.1EGR+ DPF 路线 (3) 2.2优化燃烧+SCR 路线 (3) 3.柴油机SCR技术及其发展 (4) 3.1国外柴油机SCR 技术的研究与应用现状 (4) 3.2国内柴油机SCR 技术的研究与应用现状 (4) 4柴油机SCR技术的实现 (5) 4.1 SCR技术 (5) 4.2SCR关键技术的发展 (7) 4.2.1催化转化器 (7) 4.2.2尿素喷射系统 (8) 5.SCR后处理系统对柴油机颗粒物成分的影响 (9) 6.发展前景 (10) 参考文献 (10)
SCR技术在柴油机尾气后处理上的应用 摘要：随着人们对环境问题的关注，排放法规日益严格，对重型柴油机排放控制技术的研究具有重要意义。在欧洲，“优化燃烧+选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，简称SCR）”的排放控制技术以其燃油经济性好、抗硫中毒能力强等优点，已成为重型柴油机满足欧IV欧V排放标准的主流技术路线。在我国，随着国IV国V排放法规的推进，SCR 技术也正在成为国内发动机排放技术研究的一大热点。为了提高SCR系统的控制性能，开发满足国V排放法规的SCR系统。 本文首先对目前柴油机排放污染物的控制技术路线进行分析，对1EGR+ DPF 路线和优化燃烧+SCR 路线进行了阐述，并探究了柴油机SCR技术在国内外的研究和发展情况。而后有针对性的对SCR技术以及其系统中关键技术进行分析。文章最后，对目标发动机进行实验，采用欧洲瞬态循环（ESC）技术，通过气相色谱质谱联用仪、电感耦合等离子体质谱仪、离子色谱仪对安装了SCR后处理系统前后的排气颗粒物成分包括SOF、重金属、阴离子进行了实验分析。 关键字：SCR 发动机排放颗粒SOF 1.引言： 柴油机由于具有动力性强、耗油率低等优势，在中/重型车辆上得到了广泛的应用，但严重的排放问题仍然制约着柴油机的快速发展。柴油机排放的一氧化碳CO和碳氧化合物CH相对汽油机来说要少得多，但氮氧化物NOX排放与汽油机在同一数量级，微粒PM排放要比汽油机高几十倍甚至更多[1,2]，因此柴油机的排放控制重点NOX是与PM(包括碳烟)。柴油机排放的和是大气的重要污染源，被认为具有高致癌性而且已成为市区空气中颗粒悬浮物的主要污染源，NOX 除诱发人类神经和呼吸系统障碍以外也是造成酸雨和形成光化学烟雾的罪魁祸首之一[3],然而，柴油机的主要排放物NOX和PM无法像汽油机排放污染物那样可以通过采用三效催化转化器有效地解决，主要原因是柴油机排气中氧气含量高，使得利用发动机排气中还原剂来还原NOX的反应难以进行，另外，柴油机排气温度也明显低于汽油机，不利于后处理装置中催化剂的高效工作[4]。随着人