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发动机排气后处理技术

[日期:2012-05-31]   来源:admin  作者:admin   阅读:4717次[字体: ]
发动机排气后处理技术
1.1     简介
日渐严格的排放法规以及汽车技术的发展要求对传统的发动机排放控制手段进行革新。对于汽油机来说,缸内直喷稀燃技术的应用使得传统的三效催化器不再适用,需要开发新的后处理技术。而对于柴油机来说,机内排放控制技术已经不能满足法规的要求,必须增加排气后处理装置。此外使用CNG、LNG等代用燃料的发动机也需要采用特殊的后处理技术。
除了发动机排放台架,工程院还拥有催化剂开发试验室、专业的催化器评价设备、以及排气系统CAE开发能力,能够提供催化剂配方开发及评价、催化转化器设计开发及优化、以及排气系统匹配标定试验服务。
1.2     发展综述
随着汽车行业的发展(2009年底国内汽车销量超过一千万辆,跃居世界首位),我国的能源和机动车环保问题变得非常严峻,人们的健康已受到极大的威胁,我国也相继出台了日益严格的排放法规。
目前绝大多数汽油机的排气后处理系统采用三效催化转化器。在理论当量空燃比下,该产品可同时除去排气中的CO、HC和NOx气态污染物。该技术经过多年的发展应用已经成熟,现今主要需要克服的问题是如何有效地处理冷起动阶段的排放并尽量降低贵金属的使用量。然而随着汽油机稀薄燃烧技术开始得到应用,带来了如何在富氧条件下降低NOx排放的新问题。其中一种技术是选择性催化还原,即使用选择性催化还原剂在富氧条件下还原NOx,但这种方法转化效率低,耐水及热稳定性差,不利于大规模推广应用。另外一种技术是采用吸附还原催化方法,该方法在较宽的温度范围内能够保持较高的NOx转化效率,但对于燃油中的含硫量比较敏感。由于我国的油品品质普遍不高,因此对于稀燃汽油机的后处理技术还有待继续开发完善。
与汽油机相比,柴油机油耗较低,温室气体排放也少,更加利于环保。现在新型柴油机排出的二氧化碳比汽油发动机要低20%,排出的CO、HC也较少但是,柴油机的NOX排放和微粒排放比汽油机严重,也成为其发展的阻碍。相比汽油机,柴油机排放升级的技术难度更大,如从国Ⅲ升级到国Ⅳ水平往往需要增加排气后处理装置。从发达国家的使用经验来看,柴油机的后处理技术主要有两种:EGR+DPF,或者SCR。其中前者对于柴油中的含硫量非常敏感,因此短期内不被业内看好。而后者除了选择性催化还原转化器意外,还包括一套独立的还原剂喷射系统,结构复杂且涉及多个零部件以及供应商,对于系统集成的能力要求较高。如对于一套完整的SCR系统来说,催化剂企业将催化剂涂敷到外购的载体上以后,交给封装企业进行封装后再提供给主机厂,主机厂再将催化系统和还原剂喷射系统集成。而喷射系统本身包括了尿素罐、管路、传感器、喷射泵、喷嘴以及控制器等诸多部件,因此整套系统是一个非常繁杂的集成过程。和发动机的控制器发展趋势相似,部分主机厂也开始倾向于采用独立或协作开发的后处理控制策略,从而保证了自身技术的安全性及独特性。
除了控制器以外,SCR系统中的喷射装置以及催化剂也是业内研究的难点和热点。为了提高还原剂喷射的雾化质量,部分喷射系统采用了压缩空气辅助的设计,但需要使用车上的气源,而没有采用空气辅助的喷射系统则存在如何提高雾化质量及零部件耐高温性等诸多挑战。不管是何种设计,喷射系统的发展趋势都是相同的,就是提高雾化质量和喷射精度、改善系统的可靠性、降低系统成本以及复杂性。目前SCR催化剂研究主要集中在以下四个方面:一是新型催化剂配方开发的研究。如Fe2O3、MnOx、 In2O3等作为活性组分,pillared clay、sepolite等作为新型载体,反应物在催化剂活性基团上的吸附机理,生成的前驱体化学性质及其在催化反应中的作用机理及载体的性质及其与活性组分、助催化剂之间的协调机理等。二是催化剂成型技术。在目前的蜂窝状基础上,开发新材料,增大催化剂的孔隙率,使催化剂变得强度更大、重量更轻、比表面积更大。三是在抗失活机理和抗失活成分上研究的更深入。对添加很多稀土元素(Ce, In,Se等)化合物的抗失活性能进行研究。四是反应动力学方面的研究。
1.3     成功案例
1.3.1  CNG发动机专用催化转化器开发
采用先进的柠檬酸-溶胶凝胶制备技术和低贵金属“钙钛矿+贵金属”集成催化剂的新型制备工艺完成了CNG发动机专用后处理催化转化器的研究开发。制备的催化器整体大样按照GBT18377标准进行了后处理催化器性能台架试验,并按照GB 18352.3-2005 和HJ438-2008标准进行了整机认证试验,检测结果满足国Ⅳ标准排放限值和耐久性要求。

 

催化剂配方筛选、粉末样品制备
催化剂小样评价,对样品初步验证
催化剂整体样制备蜂窝陶瓷浸渍涂敷
整体催化剂封装,催化器制作
催化器性能台架试验验证

 

1.3.2  柴油机SCR后处理系统开发与集成
除了还原剂喷射系统控制器的开发,工程院还对包括还原剂供应和喷射装置、催化转化器、排气管路以及排气传感器等部件进行了系统集成开发。其中使用CAE技术对排气管、催化器的设计以及喷射装置的布置位置进行了优化,并对催化反应进行了化学动力学仿真计算,在发动机台架上进行了试验验证。
1.4     标准法规(部分)
标准法规全文请访问机动车环保网:www.vecc-mep.org.cn/laws/lawslist.jsp.

标准编号
标准名称
实施日期
HJ 438-2008
车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排放控制系统耐久性技术要求
2008年7月
HJ 451-2008
环境保护产品技术要求 柴油车排气后处理装置
2009年3月

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