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同学们好
这节课我们学习
“柴油机有害物后处理技术”
柴油机排放控制的关键是
降低NOx和PM排放
因此后处理系统重点关注
如何降低这两种排放物
柴油机生成的HC和CO较低
很容易用氧化催化剂净化掉
实用化的柴油机排气后处理技术
主要有氧化催化器
NOx吸附还原器
NOx选择催化还原器
以及颗粒过滤器
这些后处理技术往往需要
联合使用才能满足
未来严格的排放法规
下面对这些后处理技术
逐一进行介绍
1.氧化催化器
氧化催化器也称
柴油机氧化催化器
简称DOC
一般用铂或钯做催化剂
堇青石陶瓷做载体
如图所示
DOC可以使柴油机
THC和CO排放进一步降低
并且可以较大幅度降低颗粒物中
可溶性有机物（SOF）
使颗粒物总质量降低
此外
对目前法规尚未限制的
一些有害成分
比如多环芳烃
乙醛 排气臭味等都有净化效果
柴油中的硫燃烧后生成SO2
经过氧化催化器变为SO3
然后与排气中的水蒸气化合
生成硫酸盐
催化剂氧化效果越好
硫酸盐生成越多
如图所示
硫酸盐的大量生成
不但抵消了可溶性有机物的减少
反而使总颗粒物排放上升
此外
硫也是催化剂中毒劣化的重要原因
因此
减少柴油中的硫含量
成了氧化催化器实用化的前提
需要强调的是
DOC还能把排气中NO氧化为NO2
如果DOC后没有其他后处理装置
NO2是一种强氧化剂
直接排到大气中
将加重大气雾霾的形成
但是
如果DOC与其他后处理装置联合使用
如DOC之后集成尿素NOx
选择催化还原器
则DOC氧化得到的NO2
可以加速NH3的选择还原反应
提高NOx转化效率
如果DOC之后耦合
柴油机颗粒过滤器（DPF）
则DOC氧化得到的NO2
可以与过滤器中的碳烟
在低温条件下发生氧化反应
提高碳烟的再生效率
2.颗粒过滤器
颗粒过滤器也称柴油机颗粒过滤器
简称DPF
DPF依据不同的过滤方式和过滤材料
可以分为壁流式
部分流式和开式三种
壁流式DPF采用堇青石
或碳化硅或钛酸铝材料制成
是目前主流的过滤载体
按质量分数计算
其过滤效率可以达到95%以上
按颗粒数量计算
其过滤效率可以达到99%以上
部分流式DPF一般采用金属载体
由特制的多孔金属箔基板
与金属网层构成
尾气被导向邻近的通道时
颗粒物会被暂时截留在金属网上
其余部分经直通道直接排出
能提供30%～80%的颗粒过滤效率
开式DPF主要采用陶瓷纤维
或金属纤维材料进行颗粒过滤
其过滤效果和载体强度
不及壁流式DPF
应用并不广泛
DPF的颗粒物捕集机理
DPF有三种捕集颗粒的机理
即扩散沉积
惯性沉积和拦截沉积
如图所示
扩散沉积是指由于颗粒的
布朗运动引起的沉积
惯性沉积是指当气流流入微孔时
颗粒由于惯性沉积在微孔入口处
拦截沉积是指颗粒与过滤表面距离
小于颗粒半径时被拦截沉积
在DPF实际应用中
直径较小的颗粒以扩散沉积为主
直径较大的颗粒
以惯性沉积和拦截沉积为主
DPF的颗粒物过滤模式
DPF根据过滤模式不同
可分为表层过滤和深层过滤
一般认为
在DPF捕集过程中
前期主要是深层过滤
后期主要是表面过滤
如图所示
DPF的再生及方法
随过滤下来颗粒物的堆积
DPF的过滤孔逐渐堵塞
使排气背压增加
导致发动机动力性
和燃油经济性恶化
因此必须及时清除DPF中的颗粒物
清除DPF中堆积颗粒物的过程
称为再生
另外
捕集的颗粒物如不及时清除
一旦遇合适的温度和氧化气氛
就会急剧氧化燃烧
燃烧温度可高达2000℃以上
很容易把陶瓷过滤载体烧熔
而保证陶瓷过滤体寿命的工作温度
应控制在1000℃以下
因此
DPF的再生控制非常重要
DPF的再生方法有主动再生
和被动再生两种
1）主动再生
主动再生是指采用加热的方法
隔一段时间氧化清除堆积的颗粒物
也称为断续加热再生
主动再生方式有电加热
燃烧加热和微波加热
加热部位有排气和载体两个地方
先看电加热
在DPF前设置电加热器加热排气
或直接将电加热丝
插入DPF入口孔道内进行加热
促使颗粒物起燃
DPF前端颗粒物的氧化放热
引起的高温顺序向后传播
使DPF内的颗粒物全部被氧化清除掉
电加热方法的主要问题是耗电量比较大
（2）燃烧器加热
如图所示
在DPF前设置燃烧器
喷入柴油或其它燃料
以及补充二次空气进行燃烧
形成高温气氛引燃DPF中的颗粒物
燃烧器方法比电加热效果好
但装置和控制系统比较复杂
（3）其他加热方法
如电控共轨柴油机
可以在缸内进行后喷
或推迟喷油时刻
或者利用进气节流提高混合气浓度
或者利用排气节流
提高排气背压等等
可以利用这些方法提高排气温度
促使颗粒物氧化再生
这些方法尽管加热效果
不如电加热和燃烧器加热好
但方法简单
可靠性好
已经成为柴油机后处理
热管理常用的方法
2）被动再生
被动再生也称为连续催化再生
是指DPF在捕集颗粒的同时进行
颗粒催化再生的方式
连续再生一般离不开催化剂
催化剂降低碳烟氧化反应活化能
使碳烟在柴油机正常排温条件下
能发生氧化反应
DPF被动再生有两种途径
一种途径是在燃油中添加微量的
燃油助燃催化剂
如氧化铈或铁基复合添加剂
降低碳烟与氧气反应的温度
由600°C降低到450°C
另一种是在DPF载体通道内
涂覆铂或钯催化剂
利用排气中的NO2
在250°C~300°C低温条件下氧化碳烟
图所示是庄信公司
提出的CRT连续再生捕集器
工作原理
排气首先经过氧化催化器（DOC）
在THC和CO被净化的同时
NO被氧化为NO2
NO2本身是一种活性很强的氧化剂
在随后的颗粒过滤器中
NO2与碳烟的氧化反应
能够在250℃左右的低温下进行
而碳烟与O2氧化反应的起燃温度
在600℃以上
但连续再生捕集系统
对柴油中的硫含量要求非常高
要求是低硫柴油
3.NOx还原催化器
柴油机稀燃使排气
具有很高的氧化氛围
难以进行NOx还原反应
此外
还原催化剂要求的工作温度
一般要高于氧化催化剂
或氧化还原催化剂像三效催化剂
而柴油机排温明显低于汽油机
柴油机NOx后处理方法主要有两种
选择性催化还原（SCR）
和吸附还原（LNT）
其中
以尿素为还原剂的SCR催化剂
是目前应用最广泛的
NOx催化净化技术
如图所示
下面将重点进行介绍
而对有应用可能的
以碳氢化合物为还原剂的
SCR催化剂进行简要介绍
吸附还原催化剂与前述
稀燃汽油机NOx
吸附还原催化器基本相同
这里做不介绍
（1）尿素SCR催化器
目前产业化的尿素-SCR催化剂
主要用V2O5-TiO2催化剂
这种钒基催化剂具有
对NOx选择性好
高效温度窗口宽
以及抗硫中毒的特点
尿素-SCR催化反应中的还原剂
实际是氨气
但由于氨气具有较强腐蚀性
存储和运输比较困难
因而现在都使用尿素水溶液作为还原剂
尿素水溶液浓度为32.5%时
它的凝固点最低为-11 ℃
国际上将此浓度作为
SCR还原剂的标准
命名为AdBlue
图所示是重型柴油机尿素SCR
后处理系统工作原理图
尿素水溶液在压缩空气辅助下喷入
或直接喷入排气管
受热分解产生氨气
与排气混合后进入SCR催化剂
进行NOx还原反应
前置的氧化催化器
是为了生成足够的NO2
提高NOx转化效率
后置的氧化催化器
也称为氨存储催化器
是为了氧化SCR反应剩余的NH3
尿素SCR催化剂的主要反应机理
如下所示
由于柴油机NOx排气中90%以上是NO
因此NOx还原反应主要途径是式（1）
这一反应也被称为
“标准SCR反应”
O2在此反应中是不可或缺的
低温时
式（2）的反应速率比式（1）快17倍
被称为“快速SCR反应”
这有利于提高催化剂的低温活性
应对柴油机排温偏低的问题
实际研究也表明
当NO2/NO摩尔比等于1时
可以获得最佳NOx转化效率
但NO2比例过高时
转化效率反而下降
这是因为经由式（3）的反应增多
而该反应速率比较缓慢
尿素SCR在反应温度为
250℃～450℃时
可得到最佳转化效率
低于200℃反应难以进行
尿素也不能充分水解
温度过高时不仅作为还原剂的
NH3与O2氧化反应导致损耗
而且还由此反应生成新的NOx
以及强温室气体N2O俗称笑气
近年来
随着欧6排放法规的实施
尿素SCR之前耦合DPF成为
重型柴油机的一种主流构型
如图所示
当DPF主动再生时
DPF之后的排温急剧升高
可以超过600 ℃
此时钒基催化剂
在高温条件下氧化失效
排入大气中
需要采用耐高温的沸石基催化剂
如铁沸石 铜沸石
或铜铁复合沸石催化剂
另外铜沸石催化剂
具有良好的低温起燃特性
因此
铜铁沸石基SCR催化剂
将在欧6柴油车上得到应用
尿素-SCR催化器具有很多优点
NOx转化效率高
工作温度较低且宽广
催化剂不用贵金属
成本较低
催化剂耐久性好
钒基催化剂系统被证明
能持续工作100万km以上
钒基催化剂原理上是耐硫的
甚至可用350～500ppm的
含硫柴油正常工作
但当尿素SCR加装前置DOC时
必须使用硫含量低于30ppm的柴油
尿素SCR催化器最大的问题是
系统复杂
成本高
使用中需经常添加尿素
（2）HC-SCR催化器
利用燃料或未燃碳氢作还原剂
进行NOx催化还原
是HC-SCR催化剂的最大优势
主要催化剂材料有Cu分子筛
Ag-Al2O3 Pt-Al2O3
研究表明
用柴油机排气中的HC
作还原剂的Cu分子筛催化剂
其NOx的转化效率可达60%以上
用排气管喷射乙醇作还原剂的
Ag-Al2O3催化剂
可达90%以上的转化效率
HC-SCR催化剂的主要问题是
工作温度区域较高
起燃温度一般300°C以上
在柴油机排气温度条件下
它的转化效率总体偏低
耐水蒸汽中毒性能不理想
因此目前尚未得到产业化应用
4.四效催化剂
如果能使碳烟 NOx CO和THC
互为氧化和还原剂
则有可能在同一催化剂上
同时去除这四种有害成分
这种“四效催化剂”将是一种
较为理想的柴油机排气净化技术
丰田公司的DPNR系统
是目前唯一商品化的四效催化器
DPNR系统将NOx吸附还原技术
与DPF技术组合在一起
采用壁流式DPF
NOx吸附还原催化剂
涂覆在载体孔道上
通过稀 浓混合气的切换
对NOx进行吸附和还原
过滤下来的颗粒和碳烟
通过Pt基催化剂进行连续再生
NOx吸附后处理的
稀 浓混合气切换过程为
稀混合气大约60s
浓混合气大约1~3s
浓混合气空燃比A/F=11.5～12.5
最后介绍一下柴油机后处理技术路线
我国为满足排放法规提升
所采用的典型技术路线
国Ⅳ轻型柴油车
主要采用EGR+DOC技术路线
国Ⅳ和国Ⅴ重型柴油车
有两条技术路线
一条是EGR+DPF技术路线
另一条是SCR技术路线 如图所示
未来轻型柴油车
和中重型柴油车排放标准
和技术路线选择分别见表1和表2所示
从表中可以看出
欧Ⅴ 欧Ⅵ阶段柴油机
后处理系统将采用DOC DPF及SCR等
多个后处理装置进行集成
图所示为里卡多公司提出的
满足重型柴油机欧Ⅵ法规的
两种后处理系统布置方案
a方案将DPF布置在SCR上游
DOC产生了大量的热
满足了DPF主动再生所需的温度
同时DOC将部分NO氧化为NO2
提高了DPF被动再生的能力
剩余的NOx会被SCR系统转化掉
保证了整个系统
去除PM和NOx的高效率
这种系统布置的缺点是
SCR需要承受发动机运行
及DPF再生时所产生的高温
影响SCR的使用寿命
b方案将SCR放在DOC后
DPF放在气流的最下游
这种布置可以使SCR
避免承受DPF再生时的高温
可以采用钒基催化剂
具有较高的NOx净化效率
但由于耦合DPF的第二个DOC布置靠后
冷起动和低负荷工况运转时
DOC和DPF的转化效率不高
关于“柴油机有害物后处理技术”
就介绍到这里
同学们 再见
-0.1 总论
--Video
-0.2 车用发动机的种类
--Video
-1.1 示功图及其测取
--Video
-1.2 四冲程发动机示功图分析
--Video
-1.3 二冲程发动机示功图分析
--Video
-1.4 性能指标分类与循环指示功
--Video
-1.5 动力、经济性能指标与测定换算
--Video
-1.6 影响动力、经济性能指标的环节和因素
--Video
-第一章习题(计入课程成绩)--作业
-2.0 导论
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-2.1 燃料的分类
--Video
-2.2 汽油、柴油的炼制
--Video
-2.3 汽油的理化特性
--Video
-2.4 柴油的理化特性
--Video
-2.5 燃料构成与理化特性
--Video
-2.6 汽油、柴油质量标准
--Video
-2.7 燃料与发动机工作模式
--Video
-2.8 工质主要热力参数
--Video
-2.9 燃烧热化学
--Video
-第二章习题(计入课程成绩)--作业
-3.0 导论
--Video
-3.1 热力过程与热机循环的简化
--Video
-3.2 理论循环分类及循环热效率
--Video
-3.3 理论循环热力参数对热效率的影响
--Video
-3.4 工质对循环热效率的影响
--Video
-3.5 真实循环对热效率的影响
--Video
-3.6 机械损失的构成
--Video
-3.7 机械损失的测量方法
--Video
-3.8 机械效率的影响因素
--Video
-3.9 发动机的能量分配与转化效率
--Video
-3.10 发动机的节能途径与技术
--Video
-第三章：工作循环与能量利用--第三章习题(计入课程成绩)
-4.0 导论
--Video
-4.1 四冲程发动机换气系统及换气过程
--Video
-4.2 配气相位对发动机性能的影响
--Video
-4.3 充量系数的解析式
--Video
-4.4 进气阻力对充量系数的影响
--Video
-4.5 其他因素对充量系数的影响
--Video
-4.6 充量系数的速度特性
--Video
-4.7 压力波及其传播特性
--Video
-4.8 单缸机的进排气动态效应
--Video
-4.9 多缸机的进排气动态效应与进气不均匀性
--Video
-4.10 四冲程发动机增压系统及性能
--Video
-4.11 二冲程发动机的换气过程与换气质量
--Video
-第四章习题(计入课程成绩)--作业
-5.0 导论
--Video
-5.1 发动机运行工况
--Video
-5.2 发动机特性曲线分类
--Video
-5.3 发动机速度特性
--Video
-5.4 发动机负荷特性
--Video
-5.5 发动机全特性
--Video
-5.6 发动机外特性与整车动力性
--Video
-5.7 发动机全特性与整车经济性
--Video
-5.8 混合动力专用发动机及其运行特性
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-第五章习题(计入课程成绩)--作业
-期中考试（只有一次答题机会！）--期中测试题（占30%总分）
-6.0 导论
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-6.1 燃烧现象及其分类
--Video
-6.2 可燃混合气的着火与着火理论
--Video
-6.3 湍流及其在燃烧中的作用
--Video
-6.4 均质混合气中的火焰传播
--Video
-6.5 液体燃料的雾化
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-6.6 油滴的蒸发与燃烧
--Video
-6.7 示功图与燃烧放热率
--Video
-第六章习题(计入课程成绩)--作业
-7.1 柴油机燃烧过程分析
--Video
-7.2 柴油机燃烧放热规律
--Video
-7.3 柴油机燃油喷射系统
--Video
-7.4 柴油机喷油过程
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-7.5 柴油机缸内气流运动
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-7.6 柴油机燃烧室的分类及其特性
--Video
-7.7 柴油机混合气形成方式
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-7.8 柴油机粗暴燃烧与燃烧噪声
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-第七章习题(计入课程成绩)--作业
-8.1 汽油机燃烧过程分析
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-8.2 汽油机的不正常燃烧：爆燃和表面点火
--Video
-8.3 汽油机的不规则燃烧：循环波动和各缸不均匀性
--Video
-8.4 汽油机燃油喷射系统及其演变
--Video
-8.5 非直喷汽油机燃烧室及其特性
--Video
-8.6 汽油机进气道喷射与混合气形成
--Video
-8.7 汽油机缸内直喷与混合气形成
--Video
-第八章习题(计入课程成绩)--作业
-9.1 有害排放物种类及其危害
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-9.2.1 NO的生成机理
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-9.2.2 CO和HC的生成机理
--Video
-9.2.3 PM和Soot的生成机理
--Video
-9.3 有害排放物生成的影响因素
--Video
-9.4 汽油机机内净化技术
--Video
-9.5 柴油机机内净化技术
--Video
-9.6 汽油机后处理技术
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-9.7 柴油机后处理技术
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-第九章习题(计入课程成绩)--作业
-10.1 燃烧模式及其分类
--Video
-10.2 汽油机均质混合气压燃（HCCI）模式
--Video
-10.3 柴油机均质混合气压燃（HCCI）模式
--Video
-10.4 内燃机部分预混压燃（PCCI）模式
--Video
-10.5 均质混合气引燃（HCII）模式
--Video
-10.6 天然气发动机
--Video
-10.7 氢燃料发动机
--Video
-10.8 二甲醚发动机
--Video
-10.9 甲醇发动机
--Video
-10.10 乙醇发动机
--Video
-10.11 生物柴油发动机
--Video
-第十章习题(计入课程成绩)--作业
-期末考试--期末测试题（占30%总分）
