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 rve8 (9%) 10 (8%)TorqueFu ll l oa d6 (5%)4 (10%) 75% load12 (5%)5 (5%)3 (10%) 50% lo ad13 (5%)7 (5%)9 (10%)25% load11 (5%)1 (15%) idle250ABCEngine speed100 Torque [%]200501500Engine speed [%]100-5050-1000 0Urban600Rural Time [sec]-150 1200 Motorway 1800DEUTZ (DALIAN) ENGINE CO.,LTD尾气后处理主要技术路线DEUTZ (DALIAN) ENGINE CO.,LTDDOC (Diesel Oxidation Catalyst)DOC的功能 1、降低HC和CO 效率达到85%； 2、去除PM中的部分SOF ，降低PM效率可达10-30%； 3、将NO氧化为NO2 DOC的应用 1、乘用车单独应用，降低HC和CO； 2、与DPF或POC连用，提升再生温度，NO2氧化C颗粒； 3、作为SCR系统前级，调整NO和NO2比例DEUTZ (DALIAN) ENGINE CO.,LTDPOC (Particulate Oxidation Catalyst) POC的功能 降低PM排放，过滤效率50% POC的优点 1、没有堵塞的风险 2、完全被动再生（CRT），不 需要ECU控制，不需要额外 设备 3、装车尺寸小，易于布置 POC的缺点 1、要求低含硫燃油 2、相对于DPF转化效率低DEUTZ (DALIAN) ENGINE CO.,LTDDPF (Diesel Particulate Filter)DPF的功能 降低PM排放，过滤效率90% DPF技术的难点在于再生技术 主动再生： 燃烧器再生 HC+DOC再生 电加热再生（应用工程机械） 被动再生 CRT再生技术DEUTZ (DALIAN) ENGINE CO.,LTDSCR (Selective Catalytic Reaction)在排气管中喷入尿素作为还原剂 催化器保证化学反应速度及还原反 应的选择性 有利于改善油耗 欧洲卡车欧4的主流技术DEUTZ (DALIAN) ENGINE CO.,LTD柴油机尾气的组成21% 78%DEUTZ (DALIAN) ENGINE CO.,LTD典型柴油机颗粒的来源可溶性有机物39%SOF (soluble organic fraction)颗粒物柴油（66%）润滑油（34%）可溶润滑油（29%）不可溶润滑油（10%）干碳烟soot （43%）硫酸盐SO4.nH2O （13%）可溶燃油（10%）柴油机颗粒的组成柴油机颗粒是由固体碳烟，在碳的外面吸收了一层可溶于有机物的碳氢化合物和可溶于水的硫酸盐三部分组成颗粒物大小分布典型发动机不同转速负荷颗粒物组成碳氢化合物的蒸发特性蒸发温度分子中碳原子数碳氢化合物的蒸发特性主要取决于碳原子数注意的问题在排气管道中SOF成分通常为气态，在测量时需要冷却到52 ℃，只有碳原子数小于5的有机物为气态，其余成分为液态附着在碳粒表面。

通常认为碳原子数大于20的碳氢化合物来源于机油。

在DPF过滤系统中，SOF也能被部分捕集，这种捕集作用受温度的影响很大，排气温度较低时沉积在壁面的碳氢成分将在排温升高时重新挥发出来，并排向大气。

NOxNO的生成机理：1、高温途径，即在已燃区产生的NO称热NO（Thermal NO）2、瞬发途径，即在火焰区产生的NO称为瞬发NO（Prompt NO）NO2的生成机理：在柴油机中，NO2与NO之比可达10％～30％，一般认为NO在火焰区可以迅速转变成NO2。

NO+HO2 NO2+OHNO2又会通过下列反应转变为NONO2+O NO+O2生成后的NO2通过与较冷的气体混合而冻结，NO2才能保存下来。

化学平衡计算表明，在一般火焰温度下，已燃气中NO2含量与NO相比可以忽略不计。

柴油机在大部分工况下，这个比值在0.1以下，但在小负荷下此比值最高可达0.3左右。

因此在柴油机低负荷运转时NO2/NO比值较高。

从形成机理来看，NOX形成的三个必要条件为：高温、富氧和高温持续时间，控制其中之一均能较好的降低柴油机NOX排放。

发动机排气中摩尔比（体积比）NO:NO2=9:1HCHC的生成机理柴油机排气中未燃HC是由原始燃油分子或被分解的燃油分子、再化合的中间产物组成，其中一部分来自润滑油，另一部分主要是由于混合气的不均匀（局部过浓或过稀）和壁面的冷激效应，使缸内的燃料不能燃烧或只能部分燃烧而引起的。

其中，后者占极大部分。

CO生成机理CO是烃基燃料在缺氧或低温情况下燃烧不完全的产物，其生成过程按烃类链反应机理进行：当混合气达到一定的温度，且在氧存在的条件下，将会继,反应式为续反映生成CO2CO在喷油结束后10o CA时，由于燃油与空气的混合不均匀,燃烧不完全而达到最大值，后因燃烧情况的改善，CO被大量的氧化，其浓度逐渐的减小。

后处理基础知识¾后处理主要结构¾载体¾涂层和催化剂¾衬垫¾封装后处理主要结构催化转化器载体的结构1mil=1/1000inch=0.0254mm1inch=25.4mmcpsi：cells per square inchNGK堇青石蜂窝陶瓷载体的参数堇青石蜂窝陶瓷载体的物理特性（6.5/400）催化转化器载体的选择NGK推荐DOC/SCR所用的载体催化剂¾催化剂：加速化学反应而自身不被消耗的物质¾催化剂针对的化学反应：理论上可行但实际上进行很慢或者根本不进行的化学反应。

对于此类化学反应，若找到了合适的催化剂，则反应就可以适当的或很快的速率进行。

催化剂的组成：载体，助剂和活性组分（1）载体：起负载和分散活性组分和助剂作用的物质，大多数具有多孔性。

（2）活性组分：主要起催化化学反应作用的物质（3）助剂：起辅助催化化学反应的物质。

催化剂载体材料和制备催化剂载体材料(1)高性能稀土储氧材料(2)耐高温高比表面材料均为多孔性颗粒材料，颗粒大小:微米（µm ）尺度微孔大小: 几十纳米（nm)左右催化剂的制备:(1)将贵金属和助剂是用特殊的方法装进载体材料的纳米孔内(2)将装有贵金属和助剂的载体(催化剂)涂覆在金属或陶瓷基体上即得到成品催化剂典型的凃敷方法密封衬垫的结构密封衬垫的作用封装方式典型后处理布置方案¾氧化催化转化器-DOC¾颗粒捕集器(PM-cat/POC/PDPF)¾颗粒过滤器(DPF/WF-DPF)¾选择性催化还原（SCR）Diesel Oxidation Catalyst-DOCDOC工作原理乙醛多环芳香烃DOC的主要作用¾氧化HC和CO¾氧化颗粒物中的可溶性有机物部分（SOF）¾小部分氧化颗粒物中的碳颗粒部分¾涂覆在DPF表面，氧化颗粒物¾作为SCR催化剂的前级将NO氧化为NO2,增加SCR催化剂的性能¾作为DPF被动再生系统的前级将NO氧化为NO2,提高再生温度，NO2氧化C颗粒DOC的面临的问题¾尾气中的SO2的氧化问题通过催化剂载体的改性和催化剂的制备来解决¾催化剂的硫中毒实际上是载体的硫中毒进而影响催化剂，通过耐硫载体和催化剂的制备解决，在实际工作中，催化剂是可以通过高温热解，恢复催化剂的活性。

（中毒后可再生）S含量对颗粒的影响－不带DOCSulfate Make with Sulfur00.010.020.030.040.050.06010020030040050060070080090010001100Sulfur (wt.ppm)S u l f a t e (g /k W h )Hyd.ratio 1#/1% S conv.Hyd.ratio 1#/3% S conv.Hyd.ratio 2#/1% S conv.Hyd.ratio 2#/3% S conv.Aver.1#/2%Aver.2#/2%PM by oil ashSulfate Make with Sulfur0.00050.0010.00150.0020.00250.0030102030405060Sulfur (wt.ppm)S u l f a t e (g /k W h )Hyd.ratio 1#/1% S conv.Hyd.ratio 1#/3% S conv.Hyd.ratio 2#/1% S conv.Hyd.ratio 2#/3% S conv.Aver.1#/2%Aver.2#/2%PM by oil ashS含量对颗粒的影响－带DOC（强，中，低氧化性）Sulfate Make with Sulfur00.20.40.60.811.2010020030040050060070080090010001100Sulfur (wt.ppm)S u l f a t e (g /k W h )Low Oxi.2% (w/o DOC)Mid. Oxi. 20%High Oxi.60%Sulfate Make with Sulfur0.010.020.030.040.050.060102030405060Sulfur (wt.ppm)S u l f a t e (g /k W h )Low Oxi. 2% (w/o DOC)Mid. Oxi. 20%High Oxi.60%Linear (Mid. Oxi. 20%)DOC氧化性强弱选择DOCHigh Oxitation Activity强氧化性Medium Oxidation Activity中等氧化性Low Oxidation Activity低氧化性Assumptions:•20 % SOF reduction•0 % Sulfur oxidationAssumptions:•100 % SOF reduction •60 % Sulfur oxidation Assumptions:•60 % SOF reduction •20 % Sulfur oxidation排温对颗粒物氧化的影响PM-cat/POC/PDPF根据过滤材料和结构不同，部分颗粒物被过滤POC工作原理¾POC 属于开放式结构的过滤器, 以波纹状的不锈钢网膜卷制而成，废气可以从整个POC中自由穿过，部分颗粒物被捕捉到金属网膜的网眼上。