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技術(shù)知識
汽車作為現(xiàn)代化交通工具, 在給人們的生產(chǎn)與生活帶來方便的同時, 它排放的尾氣,給大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。因此,我們必須加強和提高對保護(hù)環(huán)境的意識。根據(jù)尾氣污染物的形成機理,提出研究凈化廢氣中的主要有害成分co、ch、nox和so2的方法。本論文講述了當(dāng)今世界主流的兩種尾氣后處理系統(tǒng),詳細(xì)講述了汽油機和柴油機的處理方式。
汽車尾氣 凈化 三元催化 污染
前言
汽車雖然是21世紀(jì)重要的交通工具,但他有許多弊端。汽車尾氣污染是由汽車排放的廢氣造成的環(huán)境污染??梢哉f,汽車是一個流動的污染源。在世界各國,汽車污染早已不是新話題。20世紀(jì)40年代以來,光化學(xué)煙霧事件在美國洛杉磯、日本東京 汽車排氣管排出內(nèi)燃機廢氣等城市多次發(fā)生,造成不少人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失
進(jìn)入21世紀(jì),汽車污染日益成為全球性問題。隨著汽車數(shù)量越來越多、使用范圍越來越廣,它對世界環(huán)境的負(fù)面效應(yīng)也越來越大,尤其是危害城市環(huán)境,引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病,造成地表空氣臭氧含量過高,加重城市熱島效應(yīng),使城市環(huán)境轉(zhuǎn)向惡化。有關(guān)專家統(tǒng)計,到21世紀(jì)初,汽車排放的尾氣占了大氣污染的30~60%。隨著機動車的增加,尾氣污染有愈演愈烈之勢,由局部性轉(zhuǎn)變成連續(xù)性和累積性,而各國城市市民則成為汽車尾氣污染的直接受害者。
1.當(dāng)前世界上主流的尾氣后處理系統(tǒng)
由于汽油機和柴油機尾氣特征的不同,兩者的尾氣后處理技術(shù)有著很大的差別。
1.1汽油機尾氣后處理技術(shù)路線
汽油機尾氣排放特征:常規(guī)污染物為hc,co,nox,尾氣溫度有時超過1000℃以上,高空速(30,000-100,000h-1), 高水蒸氣(10%左右)濃度和sox存在的條件下具有高活性和10萬公里耐久性要求,且要求低貴金屬。
目前國際上普遍采用的滿足歐ⅳ及以上排放標(biāo)準(zhǔn)的汽油機尾氣凈化技術(shù)路線為密偶催化劑(ccc)+三元催化劑(twc)。
2)三元催化劑(twc):
在密偶催化劑(ccc)后,一般安裝在汽車底盤下部,低貴金屬,高性能及高溫抗老化性(10-16萬km耐久試驗)。
1.2柴油機尾氣后處理技術(shù)路線
柴油機尾氣排放特征:排放污染物為co、hc、nox、pm四種;排放溫度低(200-450℃),o2過量,高空速(30, 000-100, 000h-1)和sox存在。
由于hc和co的含量較汽油機低,故柴油機尾氣凈化的重點在于nox和pm這兩種成分,二者是此消彼長的關(guān)系。目前滿足歐ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機尾氣凈化技術(shù)路線有如下幾種:
1)egr(廢氣再循環(huán)系統(tǒng))+doc(柴油催化氧化器)
doc功能為:氧化hc和co;氧化pm中的可溶性有機物(sof);部分氧化pm中的碳顆粒(soot),起燃溫度很低。該系統(tǒng)通過滯后噴油配合egr技術(shù)降低nox。
2)egr+doc+dpf(微粒捕集器)
dpf為一般為壁流式微粒捕集器,有sic和堇青石兩種,sic耐熱震性能好,價格高,制備困難,堇青石價格較低,耐熱震不如sic。dpf能降低pm80%-95%,pm的凈化效率是四種技術(shù)路線中高的,但需另加再生裝置,否則會使dpf堵塞。
4)scr(選擇性催化還原)
該系統(tǒng)通過噴油提前達(dá)到機內(nèi)凈化pm的目的,然后利用尿素溶液對nox進(jìn)行機外催化凈化,反應(yīng)溫度在200°c以上,復(fù)合氧化物低溫scr催化劑起燃溫度能達(dá)到150°c以下。系統(tǒng)使用尿素與水混合成32.5% 的溶液。這種溶液公認(rèn)的工業(yè)商品名稱是adblue。其成分在din 標(biāo)準(zhǔn)no.70070 中有規(guī)定。固體或水溶液中的尿素(adblue)被分類為非危險品。adblue 是一種透明液體,有淡淡的氨水氣味。如果濺出,水分蒸發(fā),形成結(jié)晶。
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下,adblue 存儲在一個安裝在底盤上的尿素罐中。尿素罐向安裝在底盤上的定量給料單元(du) 供應(yīng)溶液。du 由發(fā)動機控制模塊(ecm) 控制。du使用來自車輛系統(tǒng)的壓縮空氣來產(chǎn)生adblue噴霧,通過非常精的計量和泵送系統(tǒng)輸送到發(fā)動機排氣系統(tǒng)內(nèi)的噴嘴處。噴入排氣中的adblue 數(shù)量由ecm 控制,在任意轉(zhuǎn)速和負(fù)載狀況下都能與發(fā)動機的nox 輸出相匹配。當(dāng)與高溫排氣接觸時,水迅速蒸發(fā),尿素變成氨。氨與nox 在催化器內(nèi)反應(yīng),這一過程的結(jié)果就是從排氣管中排放出無害的n2 和h2o。
該系統(tǒng)中能夠有效地減少汽車尾氣中的含量,降低由于nox所引起的污染。但是scr系統(tǒng)存在不少的不足之處,導(dǎo)致其普及率不高。
(1)scr系統(tǒng)安裝復(fù)雜,設(shè)備成本較高,而且必須在汽車出廠前進(jìn)行安裝;
(2)scr系統(tǒng)需要消耗由尿素配成的adblue溶液,使得汽車使用成本大大上升,尿素的生產(chǎn)消耗也會引起二級污染;
(3)scr系統(tǒng)對于汽車尾氣中的co、ch、微粒等污染物沒有效果、必須加 裝其它凈化設(shè)備;
(4)scr系統(tǒng)對汽車智能要求較高,容易引起發(fā)動機無法點火。
2.三元催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率的影響因素
2.1溫度的影響
每一種催化劑都有其活性溫度的上限和下限,溫度過高可加快催化劑表面結(jié)晶長大,表面積減小,使其活性下降,嚴(yán)重者會產(chǎn)生裂變,使催化劑喪失活性;溫度過低,催化活性則不能發(fā)揮。發(fā)動機的排氣溫度直接影響著催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的反應(yīng)溫度。
2.2空速的影響
空速(即空間速度,sv,space velocity)為每小時流過催化劑的排氣體積流量(換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))與催化劑容積之比,其單位為h-1??账俚拇笮嶋H上表示了反應(yīng)氣體在催化劑中的停留時間t(單位一般為s)。對于同樣的催化劑,在一定條件下,發(fā)動機轉(zhuǎn)速大則空速增大,停留時間短,轉(zhuǎn)化率低;相反,發(fā)動機轉(zhuǎn)速小則空速降低,停留時間長,其轉(zhuǎn)化率可提高。
2.3排放濃度的影響
排放濃度是指催化轉(zhuǎn)化器入口處污染物的濃度。對汽油機來說,co和hc的排放濃度在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷時高,在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷時則較低。在某一確定的工況下,催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)口處排放濃度高時轉(zhuǎn)化效率相對較低,進(jìn)口處排放濃度低時則轉(zhuǎn)化效率相對較高。
2.4空燃比的影響
當(dāng)twc工作在空燃比為理論空燃比附近時,才能同時使co, hc氧化和nox還原的轉(zhuǎn)化效率都較高。為了??杖急鹊目刂?,發(fā)動機一般采用由氧傳感器作為回饋組件的空燃比回饋(死循環(huán))電控系統(tǒng)。
2.5燃油和潤滑油的品質(zhì)
汽油中含的鉛和潤滑油及其添加劑中含的硫、鋅、磷等元素易與催化劑活性材料發(fā)生反應(yīng)使其發(fā)生相變或覆蓋在催化劑活性表面造成催化轉(zhuǎn)化器中毒失效。有實驗表明:僅一箱含鉛汽油就會使一個新裝twc失效。故使用中應(yīng)選用無鉛汽油或含硫、鋅、磷低的潤滑油。
汽車尾氣 凈化 三元催化 污染
前言
汽車雖然是21世紀(jì)重要的交通工具,但他有許多弊端。汽車尾氣污染是由汽車排放的廢氣造成的環(huán)境污染??梢哉f,汽車是一個流動的污染源。在世界各國,汽車污染早已不是新話題。20世紀(jì)40年代以來,光化學(xué)煙霧事件在美國洛杉磯、日本東京 汽車排氣管排出內(nèi)燃機廢氣等城市多次發(fā)生,造成不少人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失
進(jìn)入21世紀(jì),汽車污染日益成為全球性問題。隨著汽車數(shù)量越來越多、使用范圍越來越廣,它對世界環(huán)境的負(fù)面效應(yīng)也越來越大,尤其是危害城市環(huán)境,引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病,造成地表空氣臭氧含量過高,加重城市熱島效應(yīng),使城市環(huán)境轉(zhuǎn)向惡化。有關(guān)專家統(tǒng)計,到21世紀(jì)初,汽車排放的尾氣占了大氣污染的30~60%。隨著機動車的增加,尾氣污染有愈演愈烈之勢,由局部性轉(zhuǎn)變成連續(xù)性和累積性,而各國城市市民則成為汽車尾氣污染的直接受害者。
1.當(dāng)前世界上主流的尾氣后處理系統(tǒng)
由于汽油機和柴油機尾氣特征的不同,兩者的尾氣后處理技術(shù)有著很大的差別。
1.1汽油機尾氣后處理技術(shù)路線
汽油機尾氣排放特征:常規(guī)污染物為hc,co,nox,尾氣溫度有時超過1000℃以上,高空速(30,000-100,000h-1), 高水蒸氣(10%左右)濃度和sox存在的條件下具有高活性和10萬公里耐久性要求,且要求低貴金屬。
目前國際上普遍采用的滿足歐ⅳ及以上排放標(biāo)準(zhǔn)的汽油機尾氣凈化技術(shù)路線為密偶催化劑(ccc)+三元催化劑(twc)。
1)密偶催化劑(ccc):
靠近發(fā)動機、解決發(fā)動機冷啟動時尾氣排放。主要功能是降低冷啟動時hc的排放量, 大部分hc是冷啟動時排出的,這時催化劑未達(dá)到起燃溫度不能進(jìn)行反應(yīng)和發(fā)動機啟動時處于富油工況,氧化過程因貧氧而不完全。其關(guān)鍵是催化劑的低溫活性、高溫穩(wěn)定性、抑制co的轉(zhuǎn)化和hc的高轉(zhuǎn)化率。2)三元催化劑(twc):
在密偶催化劑(ccc)后,一般安裝在汽車底盤下部,低貴金屬,高性能及高溫抗老化性(10-16萬km耐久試驗)。
1.2柴油機尾氣后處理技術(shù)路線
柴油機尾氣排放特征:排放污染物為co、hc、nox、pm四種;排放溫度低(200-450℃),o2過量,高空速(30, 000-100, 000h-1)和sox存在。
由于hc和co的含量較汽油機低,故柴油機尾氣凈化的重點在于nox和pm這兩種成分,二者是此消彼長的關(guān)系。目前滿足歐ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機尾氣凈化技術(shù)路線有如下幾種:
1)egr(廢氣再循環(huán)系統(tǒng))+doc(柴油催化氧化器)
doc功能為:氧化hc和co;氧化pm中的可溶性有機物(sof);部分氧化pm中的碳顆粒(soot),起燃溫度很低。該系統(tǒng)通過滯后噴油配合egr技術(shù)降低nox。
2)egr+doc+dpf(微粒捕集器)
dpf為一般為壁流式微粒捕集器,有sic和堇青石兩種,sic耐熱震性能好,價格高,制備困難,堇青石價格較低,耐熱震不如sic。dpf能降低pm80%-95%,pm的凈化效率是四種技術(shù)路線中高的,但需另加再生裝置,否則會使dpf堵塞。
3)egr+doc+poc(顆粒催化氧化器)
poc可以捕捉并氧化部分顆粒物,其結(jié)構(gòu)是使廢氣通過一個多皺褶而不堵塞的通道,排氣阻力小,可降低顆粒物中可揮發(fā)的有機成分,對顆粒物的轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到60%以上。poc與doc配合使用,doc為poc提供較高的再生溫度(250°c-500°c),可實現(xiàn)連續(xù)被動再生4)scr(選擇性催化還原)
該系統(tǒng)通過噴油提前達(dá)到機內(nèi)凈化pm的目的,然后利用尿素溶液對nox進(jìn)行機外催化凈化,反應(yīng)溫度在200°c以上,復(fù)合氧化物低溫scr催化劑起燃溫度能達(dá)到150°c以下。系統(tǒng)使用尿素與水混合成32.5% 的溶液。這種溶液公認(rèn)的工業(yè)商品名稱是adblue。其成分在din 標(biāo)準(zhǔn)no.70070 中有規(guī)定。固體或水溶液中的尿素(adblue)被分類為非危險品。adblue 是一種透明液體,有淡淡的氨水氣味。如果濺出,水分蒸發(fā),形成結(jié)晶。
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下,adblue 存儲在一個安裝在底盤上的尿素罐中。尿素罐向安裝在底盤上的定量給料單元(du) 供應(yīng)溶液。du 由發(fā)動機控制模塊(ecm) 控制。du使用來自車輛系統(tǒng)的壓縮空氣來產(chǎn)生adblue噴霧,通過非常精的計量和泵送系統(tǒng)輸送到發(fā)動機排氣系統(tǒng)內(nèi)的噴嘴處。噴入排氣中的adblue 數(shù)量由ecm 控制,在任意轉(zhuǎn)速和負(fù)載狀況下都能與發(fā)動機的nox 輸出相匹配。當(dāng)與高溫排氣接觸時,水迅速蒸發(fā),尿素變成氨。氨與nox 在催化器內(nèi)反應(yīng),這一過程的結(jié)果就是從排氣管中排放出無害的n2 和h2o。
該系統(tǒng)中能夠有效地減少汽車尾氣中的含量,降低由于nox所引起的污染。但是scr系統(tǒng)存在不少的不足之處,導(dǎo)致其普及率不高。
(1)scr系統(tǒng)安裝復(fù)雜,設(shè)備成本較高,而且必須在汽車出廠前進(jìn)行安裝;
(2)scr系統(tǒng)需要消耗由尿素配成的adblue溶液,使得汽車使用成本大大上升,尿素的生產(chǎn)消耗也會引起二級污染;
(3)scr系統(tǒng)對于汽車尾氣中的co、ch、微粒等污染物沒有效果、必須加 裝其它凈化設(shè)備;
(4)scr系統(tǒng)對汽車智能要求較高,容易引起發(fā)動機無法點火。
2.三元催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率的影響因素
2.1溫度的影響
每一種催化劑都有其活性溫度的上限和下限,溫度過高可加快催化劑表面結(jié)晶長大,表面積減小,使其活性下降,嚴(yán)重者會產(chǎn)生裂變,使催化劑喪失活性;溫度過低,催化活性則不能發(fā)揮。發(fā)動機的排氣溫度直接影響著催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的反應(yīng)溫度。
2.2空速的影響
空速(即空間速度,sv,space velocity)為每小時流過催化劑的排氣體積流量(換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))與催化劑容積之比,其單位為h-1??账俚拇笮嶋H上表示了反應(yīng)氣體在催化劑中的停留時間t(單位一般為s)。對于同樣的催化劑,在一定條件下,發(fā)動機轉(zhuǎn)速大則空速增大,停留時間短,轉(zhuǎn)化率低;相反,發(fā)動機轉(zhuǎn)速小則空速降低,停留時間長,其轉(zhuǎn)化率可提高。
2.3排放濃度的影響
排放濃度是指催化轉(zhuǎn)化器入口處污染物的濃度。對汽油機來說,co和hc的排放濃度在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷時高,在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷時則較低。在某一確定的工況下,催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)口處排放濃度高時轉(zhuǎn)化效率相對較低,進(jìn)口處排放濃度低時則轉(zhuǎn)化效率相對較高。
2.4空燃比的影響
當(dāng)twc工作在空燃比為理論空燃比附近時,才能同時使co, hc氧化和nox還原的轉(zhuǎn)化效率都較高。為了??杖急鹊目刂?,發(fā)動機一般采用由氧傳感器作為回饋組件的空燃比回饋(死循環(huán))電控系統(tǒng)。
2.5燃油和潤滑油的品質(zhì)
汽油中含的鉛和潤滑油及其添加劑中含的硫、鋅、磷等元素易與催化劑活性材料發(fā)生反應(yīng)使其發(fā)生相變或覆蓋在催化劑活性表面造成催化轉(zhuǎn)化器中毒失效。有實驗表明:僅一箱含鉛汽油就會使一個新裝twc失效。故使用中應(yīng)選用無鉛汽油或含硫、鋅、磷低的潤滑油。
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