内燃机排气污染物处理技术分析

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1、内燃机排气污染物处理技术分析一、前言 截至 2014 年年底，我国机动车保有量达 2.64 亿辆，其中汽车 1.54 亿辆；2014 年，新 注册汽车 2188 万辆，保有量净增 1707 万辆，两项指标均达历史最高水平。近 5 年，汽车 占机动车的比例迅速提高，从 43.88%提高到 58.62%，我国小型载客汽车达 1.17 亿辆，其 中私家车达 1.05 亿辆，占 90.16%，与 2013 年相比增长 19.89%。统计数字显示，近五年机 动车年均增量 1500 多万辆。表 1 为民用汽车保有量数据。 表 1 民用汽车保有量数据（国家统计局）环境污染和能源短缺是当前人类社会可持续发展面

2、临的两大问题，而机动车是大气环 境增长最快的一大污染物来源和能源消耗载体。对大气环境和人类健康影响很大且已被各 国排放法规限制的机动车污染物是 CO、HC、NOx 和 PM（Particular Matter）。其中汽油 机的排放污染物主要是 CO、HC、NOx，柴油机的排放污染物主要是 PM、NOx、和 HC。 由于大气污染现状和国家排放法规的日趋严格，排放污染物处理已经变成内燃机研究 的重要方向之一。国内外通行的排气净化的的主要技术途径可分为机内净化和机外净化两 个方面。机内净化可采用：控制空燃比、控制燃烧、燃料蒸气和气缸窜气的回收、控制点 火正时、改变配气相位等，机外净化可采用：热转换器

3、、氧化催化转换器、氧化还原催化 转换器、三效催化转换器和后燃器等。 从汽油机和柴油机排放污染物不同情况出发，结合排放法规要求。对国内外现有发动 机排放后处理技术进行具体阐述： 二、汽油机排放污染物处理技术 1、机内措施： （1）燃烧系统优化设计 （2）低排放供给系统 （3）推迟点火提前角 （4）优化点火系统和点火能量 （5）可变进排气系统 （6）控制汽油机冷启动、暖机和怠速排放控制 （7）控制燃油蒸发装置民用汽车三轮汽 车和低 速货车私人汽车民用轿车私人轿车年份保有量 （万辆）增长 率保有量 （万辆）保有量 （万辆）增长 率保有量 （万辆） 增长率保有量 （万辆）增长 率20141544712

4、.4%9721258415.5%830716.6%759018.4%20131374113.7%10581089217.0%712619.0%641020.8%20121208914.3%1145930918.3%598920.7%530822.8%20111057816.4%1228787220.4%496223.2%432225.5%2010908619.3%1284653925.3%402928.4%344332.2%2009761917.8%1331521825.0%313628.6%260533.8%2008646713.5%1492417318.1%243824.5%194728.

5、0%2007569714.3%1468353420.8%195826.7%152232.5%2006498515.2%1399292523.7%154527.2%114933.5%车用汽油机的蒸发排放有 4 个来源：运转损失、热烤损失、昼夜损失和加油损失。为 了更好控制车用汽油机的 HC 蒸发排放，国外自 20 世纪 70 年代起开始研制并应用燃油蒸 发排放控制装置。燃油蒸发的控制方法大致分为：曲轴箱存储式和活性炭罐吸附式。 （8）采用曲轴箱排放控制装置 汽油机运转过程中，缸内可燃混合气和已燃气体在工作循环中会有部分通过活塞组与 气缸之间的间隙进入曲轴箱内，称为窜气。一般情况，窜气量相当于发动

6、机总排量的 0.5%1.0%。 防止由于窜气造成的缸压升高，早期内燃机工业均采用开式的曲轴箱通风系统，直接 将曲轴箱和大气相通，排出曲轴箱内的气体，由此产生大气污染。 为防止曲轴箱排放物的危害，世界各国先后采用闭式曲轴箱通风系统（PCV Positive Crankcase Ventilation），把曲轴箱排放物吸入进气管，在气缸内烧掉。 （9）采用废气再循环 EGR（Exhaust Gas Recycling）装置 为了降低 NOx 的排放量，广泛应用 EGR。由于 NOx 的生成条件为高温、富氧和一定 的反应时间。而废气中氧含量低，主要为惰性气体 N2 和 CO2 构成，一部分废气经 E

7、GR 阀流回进气系统，与新鲜混合气混合后稀释了新鲜混合气中氧的浓度，导致燃烧速率下降， 同时废气比热容高，大量吸收燃烧热量，降低缸内温度，抑制了 NOx 的生成。 2、机外净化措施： 机内净化措施是以改善发动机燃烧过程为主要内容，这些技术对于控制排气污染有很 大的作用，但是效果有限，难以将动力性、经济性和排放性能同时平衡发展。此时将关注 点转移到了废气后处理净化技术。 当今世界上的车用汽油机的后处理净化装置主要有三效催化转换器 TWC（Three Way Catalyst）和热反应器另外还有空气喷射器等。这其中 TWC 是现今使用最广泛的汽油机废 气后处理净化技术。当高温的汽车尾气通过净化装置

8、时，三效催化器中的净化剂将增强 CO、碳氢化合物和 NOx 三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中 CO 在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；碳氢化合物在高温下氧化成水(H2O)和 二氧化碳；NOx 还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化， 如图 1 示。一般情况下如图 2 示 TWC 的载体用的是蜂窝状结构，这种结构是蜂窝表面有 涂层和活性组分，因此它和废气的接触表面积非常大。研究表明如果空燃比处于理论空燃 比附近时，TWC 就能将 90的碳氢化物和 CO 及 70的氮氧化物一起在催化剂的作用下 得到净化，所以这种催化器也就被称为三效催化转化器

9、，它已然是国内外汽油车排放控制 的主流技术。图 1 汽油机尾气后处理装置布置示意图图 2 三效催化转化器结构图 燃汽油中铅的含量导致三效催化器的转换效率严重下降，也是导致其烧缩、烧结的主 要原因之一。对硫、磷等杂质的含量也有要求。三效催化器必须和闭环电喷控制发动机同 时使用。才能保持比较高的转换效率，即发动机理论空燃比为 14.7，三效催化转换效率与 空燃比的关系如图 3 示。在 350到 850，低于或高于正常的工作温度就会导致三效催化 器的转换效率和使用寿命的降低。图 3 三效催化转换效率与空燃比的关系三、柴油机排放污染物处理技术 柴油机与汽油机工作过程不同，其污染物浓度也大不相同。柴油机

10、的污染物中 CO 和 HC 比汽油机少得多，NOx 排放量和汽油机相当，排放中的颗粒物较多。 据统计，废气排放中超过 85的 NOx 和 PM 以及超过 70的 HC 和 CO 是由汽车排 放产生的。按燃料分类，全国汽车排放 NOx 总量的 60是由柴油车产生的；而汽油车 CO 和 HC 排放量则较高，超过排放总量的 70。由此可见，治理柴油机的尾气排放的重点就 是降低 NOx 和 PM，当前世界各地区的柴油机排放控制也都是在降低 NOx 和 PM 上做研究 开发，表 2 为降低柴油机排放的技术措施，图 4 为按欧洲柴油机排放法规开展的污染物控制技术发展示意图。分类对策技术实施方法控制对象推迟

11、喷油提前角NOxEGREGR，中冷 EGRNOx加水燃烧进气喷水（水蒸气），缸内喷水，乳化油NOx燃烧室设计各种燃烧室，设计参数优化，新型燃烧方 式NOx，PM喷油规律改进喷油规律曲线形状，预喷射，多段喷射NOx高压喷射电控高压油泵，共轨系统，泵管嘴PM进排气系统进排气动态效应，可变进气涡流，多气门PM燃烧增压增压，增压中冷，可变几何参数增压 （VNT）PM燃料降低含硫量含氧 燃料合成燃料含硫量0.05% 醇类燃料，二甲醚（DME）PM后处理后处理装置氧化催化器，颗粒补集器，NOx 催化器PM，NOx其他降低机油消耗量PM表 2 降低柴油机排放的技术措施图 4 欧洲柴油机排放法规相应技术措施1

12、、机内措施： 为了降低 NOx 和颗粒物排放的并保证高的热效率，可以在燃烧过程加以控制。主要目 的是改善发动机的燃烧状态和性能，措施有两点：a.抑制预混燃烧以降低 NOx；预混燃烧 时的高温、富氧环境促进了 NOx 的生成。b.促进扩散燃烧以降低颗粒。柴油机燃烧过程生 成的颗粒都要经过生成和氧化两个阶段，颗粒物氧化主要发生在扩散燃烧阶段。主要包括：(1)优化进气系统 通过提高充气效率以及合理组织进气涡流来优化进气。它主要包括两个方法：一个是 采用可变涡流进气道技术使涡流比在 0225 范围内变化；另一个是采用增压中冷技术， 通过涡轮增压器，使进气密度增大从而增加进气量，然后通过中冷器降低进气温

13、度，有效 降低 NOx。 (2)采用低排放喷油系统：优化喷油系统的重要参数如喷油提前角、喷油压力、喷油规 律等，减少预混合燃烧发生的可能性。(3)低排放燃烧室设计：优化压缩比和燃烧室型式。 (4)喷水冷却技术：向进气道内喷水冷却；油水乳化后喷入优化燃烧；在气缸增加喷嘴 喷水。 (5)改进燃料：通过使用代用燃料和柴油添加剂减少尾气排放。 (6)均质压燃技术：通过在进气系统中预混合空气和燃油形成均质混合气来缩短燃烧周 期，从而降低排气中的 NOx。 (7)采用 EGR 技术 2、机外措施 通过改善内燃机的工作过程来降低有害尾气的排放，常常是需要在提高功率及增加油 耗条件下完成的，在追求节能减排的今

14、天显然是不能被完全接受的。例如，在改善了柴油 机工作过程后，虽然降低了微粒排放，但往往导致增加了 N0x 的排放。燃烧系统由于其复 杂的过程，影响因素的多样化，使得找到一个能兼顾各方面性能的办法非常困难。而且， 排放标准将会越来越严格，留给改善内燃机工作过程的空间也就越来越小。因此，各工业 国家都加大研究发动机的机外净化技术的力度，排气后处理技术也就由此被人们发掘，它 在不影响发动机其它性能的情况下，降低有害尾气的排放。下面介绍几种常用机后处理技 术。 (1)稀 NOx 补集器技术(LNT LeanNOx Trap) 工作原理：LNT 结构包括上层和下层，两层分别含有贵金属 Rh 催化剂；贵金

15、属 Pt 及 碱金属 Sr 等。其反应原理分为捕集吸附和还原两个阶段：前一阶段是 LNT 吸附尾气中的 NOx；后一阶段是当吸附剂饱和后在富燃条件下又分解成 NOx，再与 HC、CO 反应转化为 N2。 技术特点：受贵金属吸附限值及价格影响，应用不是非常广泛，并且对油品有较高要 求，不然易造成硫中毒。 (2)柴油机氧化催化技术(DOC Diesel Oxidation Catalyst) 工作原理：采用贵金属 Pt、Pd 等为催化剂，通过氧化剂在控制 PM 排放的同时可以有 效降低排气中的 HC、CO 含量。 技术特点：同样会对燃油中的硫比较敏感，会造成催化剂中毒而降低氧化催化器的使 用寿命，

16、而且对 NOx 的排放不能有效抑制。 (3)颗粒捕集技术(DPF Diesel Particulate Filter ) 工作原理：如图 2 所示，粒捕集技术是先通过 DPF 中的过滤网捕集尾气中的 PM，然 后对捕集到的 PM 进行氧化来使 DPF 再生。DPF 再生的方法主要是主动再生和被动再生这 两种形式。主动再生利用外界能量来使得颗粒捕集器的温度升高，当达到一定温度后就会 燃烧颗粒物，DPF 就可重新再次使用，加热再生法和燃料助燃再生法是如今广泛使用的方 法。被动再生原理与主动再生类似，都是使颗粒物燃烧，不过它是降低其燃点以达到排气 温度的温度范围里。图 5 DPF（Diesel Particulate Filter ）壁流式颗粒捕集器 技术特点：这是一种降低尾气中 PM 行之有效的方法，能过滤 90以上的颗粒物。难 点在于如何使得 DPF 可以再次使用，因为其再生的特殊性，常常可能导致微粒堵塞过滤孔， 从而使得排气压力增大，降低了柴油机的工作效率。目前采用的方法有添加燃油添加剂或 者涂催化剂在 DPF 内表面等。同样，DPF 也容易硫中毒，使