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柴油车后处理净化技术分析


2015-04-14

  摘 要:人类在认识到汽车尾气排放污染物的危害之后,就不断的探索新的方法来改善汽车排放性能。其中美国、日本和欧洲各国还最早建立了严格的排放法规,这更促进了相关技术的革新。我国对汽车尾气排放控制的研究起步较晚,与发达国家的差距较大。他们开发和使用的各项技术对我们的研究有一定的参考价值。从我国的国情出发,从环境保护的源头出发,研究和探讨符合我国的环保措施。为了减少汽车尾气污染物的排放,我们根据各种污染物的生成机理和影响因素出发,采取相应的改善柴油机后处理净化技术,对于改善汽车尾气污染物的排放有重要意义。

  关键词:柴油车 后处理净化
  1 柴油车后处理净化概述
  随着柴油机在汽车中的应用日益广泛以及排放法规日趋严格,在对柴油发动机进行机内净化的同时,必须进行后处理净化。机内净化措施有效的降低了微粒排放,但由于一是润滑油的消耗只能减少到一定的程度,任何一种发动机不可能不消耗润滑油,二是机内净化主要以油气充分混合为目的,如高压喷射技术对大微粒的减少是以增加细小微粒数量为代价,而细小微粒对人体和环境的危害更大,三是降低微粒与降低 NOx之间存在一定的矛盾。因此仅仅依靠机内净化技术是不够的,必须同时采取机外净化技术。国内外研究的微粒机外净化主要有等离子净化、静电分离、溶液清洗、离心分离及微粒捕集器等
  (1)等离子净化技术:可同时降低柴油机排气中的多种有害成分。柴油机排气中的有害成分经过等离子反应器,会发生复杂的化学反应,其中NO 很容易氧化成NO2 。由于NO2 有很强的氧化性,在柴油机排气温度下就可将碳烟微粒氧化成碳的氧化物,从而降低污染。
  (2)静电分离技术:是用电场对排气微粒进行静电吸附,达到微粒净化的目的。虽然柴油机排气微粒整体上呈电中性,但是85%左右的微粒都为带电粒子,每个带电粒子有1-5个基本正电荷或负电荷。在排气通道中建立高压强电场,排气气流流过电场时,带电粒子分别被异性电极吸附。静电捕集技术的主要问题是设备体积大、结构复杂、成本高,且气流流速对静电捕集效率的影响较大。
  (3)溶液清洗技术:让排气通过水或油来清洗微粒的方法。这种方法简单,适合于固定的排气设备。瑞典研究人员曾尝试将车用柴油机的排气管做成文氏管,利用喉管处的负压将水分吸入排气中,稀释和清洗排气中的微粒和 NOx,获得一定的效果。
  2 微粒捕集器
  采用过滤材料对排气进行过滤捕集,即微粒捕集器法。柴油机微粒捕集器被公认为是柴油机微粒排放后处理的主要方式,微粒捕集器的关键技术是过滤材料的选择与过滤体的再生。下面主要介绍微粒捕集器的过滤机理、过滤体材料及其结构、过滤体再生等三个方面的问题。
  2.1 过滤机理
  柴油机排气微粒捕集,宜采用多孔介质或纤维过滤材料对排气进行过滤,目前应用最多的是壁流式蜂窝陶瓷。微粒捕集过程可以按过滤体结构特征不同分为表面过滤型和体积过滤型两种。前者主要用比较密实的过滤表面阻挡微粒,后者主要用比较疏松的过滤体积容纳微粒。采用不同过滤材料的微粒捕集器结构可能各不相同,但过滤机理基本一致。用由细孔或纤维构成的过滤体来捕集柴油机排气中的微粒时,存在以下四种过滤机理:扩散机理、拦截机理、惯性碰撞机理和重力沉积机理。
  (1)扩散机理
  在排气气流中,微粒由于受到气体分子运动的碰撞而作布朗运动,初始排气中的微粒浓度分布是均匀的,布朗运动不会使微粒浓度分布的均匀性发生改变。当流场中出现捕集物后,捕集物对微粒的运动起汇的作用,从而造成排气中微粒分布的浓度梯度,引起微粒的扩散输运,使微粒脱离原来的运动轨迹而被捕集。
  (2)拦截机理
  拦截机理与微粒的尺寸有关,认为微粒只有大小而没有质量,不同大小的微粒都将随流线绕流捕集物流动。当微粒接近过滤表面,一旦微粒与过滤表面的距离小于或等于其半径,即微粒半径大于或等于过滤微孔直径时,微粒就被拦截捕集,过滤体起了筛子的作用,这就是拦截机理。
  (3)惯性碰撞机理
  在惯性碰撞机理中,一般把微粒理想化为只有质量而没有体积的质点。当气流在流入微孔内时,气流收缩导致流线弯曲,由于微粒的质量是气体微团的几十倍甚至上百倍,当气流转折时,微粒仍有足够的动量按原运动方向继续对着捕集物前进而偏离流线,偏离的结果使一些微粒碰撞到捕集物而被捕集分离,这就是所谓的惯性碰撞机理。
  2.2 再生系统
  利用微粒捕集器在过滤过程中,微粒会积存在过滤器内,导致柴油机排气背压增加,使柴油机工作开始明显恶化,导致动力性、经济性等性能降低,必须及时除去沉积的微粒,才能使微粒捕集器继续正常工作。除去微粒捕集器内沉积的微粒的过程称为再生,这是微粒捕集器能否在柴油机上正常使用的关键技术。
  (1)主动再生系统
  主动再生系统是通过外加能量提高气流温度到微粒的起燃温度使捕集的微粒燃烧,达到再生过滤体的目的,主动再生系统通过传感器监视微粒在过滤器内的沉积量和产生的背压,当排气背压超过预定的限值时就启动再生系统。根据外加能量的方式,这些系统主要有:喷油助燃再生系统、电加热再生系统、微波加热再生系统、红外加热再生系统以及反吹再生系统。
  (2)电加热再生系统
  电加热再生在微粒捕集器工作一段时间后,采用电热丝或其它电加热方法,周期性的对微粒捕集器加热使微粒燃烧。用电阻加热器供热再生可避免采用复杂昂贵的燃烧器,同时电加热可消除二次污染。为了提高电阻加热器的再生效率,一般力求使电阻丝与沉积的微粒直接接触。
  (3)微波加热再生系统
  上述的喷油助燃再生系统和电加热再生系统一样,均有突然加热过滤体而浪费能量的缺点,实际有效的能量是把已沉积的微粒本身加热到起燃温度,于是尝试利用微波独具的选择加热及体积加热特性再生微粒捕集器再生过程中过滤体内部温度梯度小,热应力引起的过滤体损坏的可能性减小,再生窗口宽,再生过程易于控制,但加热的均匀性有待进一步的改善。微波再生效率高,没有二次污染,是一种很有前途的热再生技术。
  (4)红外加热再生系统
  当物体的温度高于绝对零度时,物体向外放射辐射能,且辐射能在某一温度范围内可达到最大。在柴油机微粒捕集器的再生过程中,加热器的辐射能量主要集中在红外波段。利用这一原理,选择控制的温度所对应辐射能大的波长范围内的红外辐射材料,将其涂覆在基体上,当基体受热并达到所选择的温度和波长范围时,涂层便放射出最大辐射能。红外再生提高了加热速率和热量利用率,从而使被加热物体迅速升温而达到快速加热的目的,减少再生过程的能量消耗。
  3 氧化催化转化器
  由于柴油机排气含氧量较高,可用氧化催化转化器(OCC),进行处理,消耗微粒中的可溶性有机成分SOF来降低微粒排放,同时也降低 HC和 CO的排放。氧化催化转化器采用沉积在面容比很大的载体表面上的催化剂作为触媒元件,降低化学反应的活化能,让发动机排出的废气通过,使消耗HC 和 CO的氧化反应能在较低的温度下很快地进行,使排气中的部分或大部分HC 和 CO 与排气中残留的 O2化合,生成无害的CO2 和 H2O。柴油机用氧化催化剂原则上可与汽油机的相同,常用的催化反应效果较好的催化剂是由铂(Pt)系、钯(Pd)系等贵金属和稀土金属构成。用有多孔的氧化铝作催化剂载体的材料并做成多面体形粒状(直径一般为2~4mm)或是蜂窝状结构。尽管柴油机排气温度低,微粒中的碳烟难以氧化,但氧化催化剂可以氧化微粒中SOF的大部分(SOF可下降40%~90%),降低微粒排放,也可使柴油机的CO 排放降低30%左右, 排放降低50%左右。此外,氧化催化转化器可净化多环芳烃(PAH)50%以上,净化醛类达50%~100%,并能够减轻柴油机的排气臭味。虽然氧化催化转化器对微粒的净化效果远远不如微粒捕集器,但由于碳氢化合物的起燃温度较低(在170℃以下就可再生),所以氧化催化转化器不需要昂贵的再生系统,投资费用较低。轻型汽车柴油机使用氧化催化转化器效果较好。
  作者简介:张金友, 汽车维修技师, 主讲 :发动机、底盘、汽车专业英语。

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