汽车尾气处理系统
探讨汽车尾气处理系统
[摘 要] 汽车作为现代化交通工具, 在给人们的生产与生活带
来方便的同时, 它排放的尾气,给大气环境造成了严重污染。因此,
我们必须加强和提高对保护环境的意识。根据尾气污染物的形成机
理,提出研究净化废气中的主要有害成分co、ch、nox和so2的方
法。本论文讲述了当今世界最主流的两种尾气后处理系统,详细讲
述了汽油机和柴油机的处理方式。
[关键词] 汽车尾气 净化 三元催化 污染
前言
汽车虽然是21世纪最重要的交通工具,但他有许多弊端。 汽
车尾气污染是由汽车排放的废气造成的环境污染。可以说,汽车是
一个流动的污染源。在世界各国,汽车污染早已不是新话题。20世
纪40年代以来,光化学烟雾事件在美国洛杉矶、日本东京 汽车
排气管排出内燃机废气等城市多次发生,造成不少人员伤亡和巨大
的经济损失
进入21世纪,汽车污染日益成为全球性问题。随着汽车数量越来
越多、使用范围越来越广,它对世界环境的负面效应也越来越大,
尤其是危害城市环境,引发呼吸系统疾病,造成地表空气臭氧含量
过高,加重城市热岛效应,使城市环境转向恶化。有关专家统计,
到21世纪初,汽车排放的尾气占了大气污染的30~60%。随着机动
车的增加,尾气污染有愈演愈烈之势,由局部性转变成连续性和累
积性,而各国城市市民则成为汽车尾气污染的直接受害者。
1.当前世界上主流的尾气后处理系统
由于汽油机和柴油机尾气特征的不同,两者的尾气后处理技术有
着很大的差别。
1.1汽油机尾气后处理技术路线
汽油机尾气排放特征:常规污染物为hc,co,nox,尾气温度有时
超过1000℃以上,高空速(30,000-100,000h-1), 高水蒸气(10%
左右)浓度和sox存在的极端条件下具有高活性和10万公里耐久
性要求,且要求低贵金属。
目前国际上普遍采用的满足欧ⅳ及以上排放标准的汽油机尾气净
化技术路线为密偶催化剂(ccc)+三元催化剂(twc)。
1)密偶催化剂(ccc):
靠近发动机、解决发动机冷启动时尾气排放。主要功能是降低冷
启动时hc的排放量, 大部分hc是冷启动时排出的,这时催化剂未
达到起燃温度不能进行反应和发动机启动时处于富油工况,氧化过
程因贫氧而不完全。其关键是催化剂的低温活性、高温稳定性、抑
制co的转化和hc的高转化率。
2)三元催化剂(twc):
在密偶催化剂(ccc)后,一般安装在汽车底盘下部,低贵金属,
高性能及高温抗老化性(10-16万km耐久试验)。
1.2柴油机尾气后处理技术路线
柴油机尾气排放特征:排放污染物为co、hc、nox、pm四种;排
放温度低(200-450℃),o2过量,高空速(30, 000-100, 000h-1)
和sox存在。
由于hc和co的含量较汽油机低,故柴油机尾气净化的重点在于
nox和pm这两种成分,二者是此消彼长的关系。目前满足欧ⅳ排放
标准的柴油机尾气净化技术路线有如下几种:
1)egr(废气再循环系统)+doc(柴油催化氧化器)
doc功能为:氧化hc和co;氧化pm中的可溶性有机物(sof);
部分氧化pm中的碳颗粒(soot),起燃温度很低。该系统通过滞后
喷油配合egr技术降低nox。
2)egr+doc+dpf(微粒捕集器)
dpf为一般为壁流式微粒捕集器,有sic和堇青石两种,sic耐热
震性能好,价格高,制备困难,堇青石价格较低,耐热震不如sic。
dpf能降低pm80%-95%,pm的净化效率是四种技术路线中最高的,
但需另加再生装置,否则会使dpf堵塞。
3)egr+doc+poc(颗粒催化氧化器)
poc可以捕捉并氧化部分颗粒物,其结构是使废气通过一个多皱褶
而不堵塞的通道,排气阻力小,可降低颗粒物中可挥发的有机成分,
对颗粒物的转化效率可达到60%以上。poc与doc配合使用,doc为
poc提供较高的再生温度(250°c-500°c),可实现连续被动再生
4)scr(选择性催化还原)
该系统通过喷油提前达到机内净化pm的目的,然后利用尿素溶液
对nox进行机外催化净化,反应温度在200°c以上,复合氧化物
低温scr催化剂起燃温度能达到150°c以下。系统使用尿素与水
混合成32.5% 的溶液。这种溶液公认的工业商品名称是adblue。
其成分在din 标准no.70070 中有规定。固体或水溶液中的尿素
(adblue)被分类为非危险品。adblue 是一种透明液体,有淡淡
的氨水气味。如果溅出,水分蒸发,形成结晶。
该系统结构图如下,adblue 存储在一个安装在底盘上的尿素罐
中。尿素罐向安装在底盘上的定量给料单元(du) 供应溶液。du 由
发动机控制模块(ecm) 控制。du使用来自车辆系统的压缩空气来产
生adblue喷雾,通过非常精确的计量和泵送系统输送到发动机排
气系统内的喷嘴处。喷入排气中的adblue 数量由ecm 控制,在任
意转速和负载状况下都能与发动机的nox 输出相匹配。当与高温排
气接触时,水迅速蒸发,尿素变成氨。氨与nox 在催化器内反应,
这一过程的结果就是从排气管中排放出无害的n2 和h2o。
该系统中能够最有效地减少汽车尾气中的含量,降低由于nox所
引起的污染。但是scr系统存在不少的不足之处,导致其普及率不
高。
(1)scr系统安装复杂,设备成本较高,而且必须在汽车出厂前进
行安装;
(2)scr系统需要消耗由尿素配成的adblue溶液,使得汽车使用成
本大大 上升,尿素的生产消耗也会引起二级污染;
(3)scr系统对于汽车尾气中的co、ch、微粒等污染物没有效果、
必须加 装其它净化设备;
(4)scr系统对汽车智能要求较高,容易引起发动机无法点火。
2.三元催化转化器转化效率的影响因素
2.1温度的影响
每一种催化剂都有其活性温度的上限和下限,温度过高可加快催
化剂表面结晶长大,表面积减小,使其活性下降,严重者会产生裂
变,使催化剂丧失活性;温度过低,催化活性则不能发挥。发动机
的排气温度直接影响着催化转化器内的反应温度。
2.2空速的影响
空速(即空间速度,sv,space velocity)为每小时流过催化剂的
排气体积流量(换算到标准状态)与催化剂容积之比,其单位为h-1。
空速的大小实际上表示了反应气体在催化剂中的停留时间t(单位
一般为s)。对于同样的催化剂,在一定条件下,发动机转速大则空
速增大,停留时间短,转化率低;相反,发动机转速小则空速降低,
停留时间长,其转化率可提高。
2.3排放浓度的影响
排放浓度是指催化转化器入口处污染物的浓度。对汽油机来说,
co和hc的排放浓度在低转速、低负荷时高,在高转速、高负荷时
则较低。在某一确定的工况下,催化转化器进口处排放浓度高时转
化效率相对较低,进口处排放浓度低时则转化效率相对较高。
2.4空燃比的影响
当twc工作在空燃比为理论空燃比附近时,才能同时使co, hc氧
化和nox还原的转化效率都较高。为了保证空燃比的精确控制,发
动机一般采用由氧传感器作为回馈组件的空燃比回馈(死循环)电
控系统。
2.5燃油和润滑油的品质
汽油中含的铅和润滑油及其添加剂中含的硫、锌、磷等元素易与
催化剂活性材料发生反应使其发生相变或覆盖在催化剂活性表面
造成催化转化器中毒失效。有实验表明:仅一箱含铅汽油就会使一
个新装twc完全失效。故使用中应选用无铅汽油或含硫、锌、磷低
的润滑油。
参考文献
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