第6章车用汽油机后处理净化

1、第第1 1章章 绪论绪论第第2 2章章 汽车排放污染物的生成汽车排放污染物的生成 机机理和影响因素理和影响因素第第3 3 章章 汽车发动机的排放特性汽车发动机的排放特性第第4 4章章 车用汽油机机内净化车用汽油机机内净化第第5 5章章 车用柴油机机内净化车用柴油机机内净化第第6 6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化 汽车排放污染及控制汽车排放污染及控制目录目录 第第7 7章章 车用柴油机后处理净化车用柴油机后处理净化第第8 8章章 燃料与排放燃料与排放第第9 9章章 汽车排放污染物净化方案及分析汽车排放污染物净化方案及分析第第1010章章 汽车排放及测试汽车排放及测试第第1111章

2、章 排放标准排放标准6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 三元催化转化器三元催化转化器6.3 6.3 热反应器热反应器6.4 6.4 空气喷射空气喷射第6章 第第6 6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化介绍了车用汽油机后处理净介绍了车用汽油机后处理净化装置特别是三效催化转化化装置特别是三效催化转化器的基本结构和工作原理，器的基本结构和工作原理，并对三效催化转化器的催化并对三效催化转化器的催化反应机理、性能指标和催化反应机理、性能指标和催化剂及其劣化机理进行了较为剂及其劣化机理进行了较为详细的描述，给出了三效催详细的描述，给出了三效催化转化器工作过程的数学模化转化器工作过程的数学模

3、型，并在此基础上讨论了转型，并在此基础上讨论了转化器与发动机以及汽车的匹化器与发动机以及汽车的匹配问题。配问题。 第6章 车用汽油机后处理净化概述：主要内容概述：主要内容 以改善发动机燃烧过程为主要内容，以改善发动机燃烧过程为主要内容，对降低排气污染起到了较大作用，但其对降低排气污染起到了较大作用，但其效果有限，且不同程度地给汽车的动力效果有限，且不同程度地给汽车的动力性和经济性带来负面影响。随着对发动性和经济性带来负面影响。随着对发动机排放要求的日趋严格，改善发动机工机排放要求的日趋严格，改善发动机工作过程的难度越来越大，能统筹兼顾动作过程的难度越来越大，能统筹兼顾动力性、经济性和排放性能的

4、发动机将越力性、经济性和排放性能的发动机将越来越复杂，成本也急剧上升。来越复杂，成本也急剧上升。机内净化技术机内净化技术第6章 车用汽油机后处理净化在不影响或少影响发动机其它性在不影响或少影响发动机其它性能的同时，在排气系统中安装各能的同时，在排气系统中安装各种净化装置，采用物理的和化学种净化装置，采用物理的和化学的方法降低排气污染物最终向大的方法降低排气污染物最终向大气环境的排放。气环境的排放。 专门对发动机排气进行后处理的专门对发动机排气进行后处理的方法是将净化装置串接在发动机方法是将净化装置串接在发动机的排气系统中，利用净化装置在的排气系统中，利用净化装置在排气系统中对其进行处理。排气系

5、统中对其进行处理。后处理净化技术后处理净化技术第6章 车用汽油机后处理净化排气系统 概述概述 三效催化转化器是目前应用最多的废气后处理净化技术。三效催化转化器是目前应用最多的废气后处理净化技术。第6章 车用汽油机后处理净化三效催化转化器的载体一般采三效催化转化器的载体一般采用蜂窝结构，蜂窝表面有涂层用蜂窝结构，蜂窝表面有涂层和活性组分，与废气的接触表和活性组分，与废气的接触表面积非常大，净化效率高，当面积非常大，净化效率高，当发动机的空燃比在理论空燃比发动机的空燃比在理论空燃比附近时，三效催化剂可将附近时，三效催化剂可将90%90%的的碳氢化合物和一氧化碳及碳氢化合物和一氧化碳及70%70%的

6、的氮氧化物同时净化。氮氧化物同时净化。 目前，电子控制汽油喷射加三效催化转化器已成为国内外汽目前，电子控制汽油喷射加三效催化转化器已成为国内外汽油车排放控制技术的主流。油车排放控制技术的主流。三效催化转化器的基本结构三效催化转化器的基本结构 三效催化转化三效催化转化器由壳体、垫层和器由壳体、垫层和催化剂组成，其中，催化剂组成，其中，催化剂包括载体、催化剂包括载体、涂层和活性组分。涂层和活性组分。第6章 车用汽油机后处理净化三元催化转化器结构催化反应机理催化反应机理有催化剂参与的化学反应就称为催化反应。有催化剂参与的化学反应就称为催化反应。固体催化剂对气态或液态反应物所起的催化作固体催化剂对气态

7、或液态反应物所起的催化作用属于多相催化，车用催化剂就是此类型的催用属于多相催化，车用催化剂就是此类型的催化。化。催化反应过程催化反应过程 吸附过程表面反应过程脱附过程第6章 车用汽油机后处理净化吸附过程吸附过程 吸附作用是一种或数种物质的原子、分子吸附作用是一种或数种物质的原子、分子或离子附着在另一种物质表面上的过程。或离子附着在另一种物质表面上的过程。三效催化剂上发生化学吸附的一般吸附方程三效催化剂上发生化学吸附的一般吸附方程式：式： A A为吸附质分子（为吸附质分子（COCO、HCHC或或NOXNOX） s s为活性中心（或催化中心）为活性中心（或催化中心） A(sA(s) )为在吸附表面

8、上形成的表面络合物为在吸附表面上形成的表面络合物 H(sH(s) )和和O(sO(s) )分别为氢原子和氧原子吸附在活性中心分别为氢原子和氧原子吸附在活性中心形成的表面络合物形成的表面络合物A + s A(s)H2 + s + s H(s) + H(s)O2 + s + s O(s) + O(s) 第6章 车用汽油机后处理净化必要条件：高温和具备化学还原剂总量反应：NO + CO 0.5N 2 + CO 2NO + H 2 0.5N 2 + H 2 O(2m+0.5n)NO + CmHn (m+0.25n)N 2 + 0.5nH 2 O + mCO 2表面反应过程CO氧化反应HC氧化反应NO还

9、原反应总量反应：CO + 0.5O 2 CO 2部分CO可通过水煤气反应：CO + H 2 O CO 2 + H 22H 2 + O 2 2H 2 O总量反应：CmHn + (m+0.25n)O 2 mCO 2 + 0.5nH 2 O反应机理第6章 车用汽油机后处理净化脱附过程脱附过程B(s) B + sH(s) + H(s) H2 + s + sO(s) + O(s) O2 + s + sB B为反应产物分子为反应产物分子s s为活性中心（或催化中心）为活性中心（或催化中心）B(sB(s) )为在吸附在催化剂上形成的表面络合物为在吸附在催化剂上形成的表面络合物脱附：表面反应过程完成后，生成的

10、反应分子就脱附：表面反应过程完成后，生成的反应分子就会从催化剂表面的活性中心脱离出来，为表面反会从催化剂表面的活性中心脱离出来，为表面反应的继续进行空出活性位，这个过程称为脱附。应的继续进行空出活性位，这个过程称为脱附。脱附方程式第6章 车用汽油机后处理净化三效催化剂三效催化剂 三效催化剂是三效催化转化器的核心部分，三效催化剂是三效催化转化器的核心部分，它决定了三效催化转化器的主要性能指标。它决定了三效催化转化器的主要性能指标。三元催化转化器构造载体蜂窝状整体式载体：排气阻力小、机械强度大、热稳定性好和耐冲击，其基质有两大类，陶瓷和金属。涂层活性组分蜂窝陶瓷载体：本身比表面积很小，常在其壁上涂

11、覆一层多孔性物质，以提高载体的比表面积。蜂窝金属载体：涂底层的方法并不适用，通常采用刻蚀和氧化的方法在金属表面形成一层氧化物，在此氧化物表面上浸渍具有催化活性的物质。 第6章 车用汽油机后处理净化 活性组分活性组分催化氮氧化物还原反应的主要成分铑Rh主要起催化一氧化碳和碳氢化合物的氧化反应的作用铂Pt催化一氧化碳和碳氢化合物的氧化反应钯Pd 本身没有活性或活性很小，但能提高活性组分的性能活性、选择性和稳定性助催化剂（铈、镧等稀土元素）第6章 车用汽油机后处理净化三效催化剂劣化机理三效催化剂劣化机理 在850以上的高温中，涂层组织发生相变、载体烧熔塌陷、贵金属间发生反应、贵金属氧化及其氧化物与载

12、体发生反应，导致比表面积急剧减小、活性降低热失活 一些毒性化学物质吸附在催化剂表面的活性中心不易脱附，导致尾气不能接近催化剂，使催化转化器对有害排放物的转化效率降低化学中毒 催化剂及其载体在受到外界激励负荷的冲击、振动乃至共振作用，产生磨损甚至破碎机械损伤 简单的物理遮盖现象：发动机不正常燃烧产生的碳烟沉积在催化剂上，导致催化剂被沉积物覆盖和堵塞，不能发挥其应有作用催化剂结焦第6章 车用汽油机后处理净化三效催化转化器的性能指标三效催化转化器的性能指标性能指标转化效率空燃比特性起燃特性空速特性排气流动阻力流动特性第6章 车用汽油机后处理净化空燃比特性空燃比特性 转化效率随转化效率随或或a a的变

13、化称为的变化称为催化器的空燃比特性催化器的空燃比特性 图6-6 过量空气系数对三效催化转化器转化效率的影响第6章 车用汽油机后处理净化起燃特性起燃特性 图6-7 三效催化剂的起然温度特性催化剂只有达到一定温度才能开始工作，称为起燃。第6章 车用汽油机后处理净化空速特性空速特性空速的大小表示了反应气体在催化剂中的停留空速的大小表示了反应气体在催化剂中的停留时间时间( (trtr) )：空速空速( (SV)SV)：SV=qv / VcatVcat=(0.51)Vstmpm =(1.02.0) Vcat贵金属用量贵金属用量m mpmpm：tr =/sV第6章 车用汽油机后处理净化流动特性流动特性 对

14、扩张管的形状、结构进行优化设计是改对扩张管的形状、结构进行优化设计是改善催化转化器流动均匀性的一种有效方法。善催化转化器流动均匀性的一种有效方法。流动均匀性扩张管结构空速载体阻力其他因素第6章 车用汽油机后处理净化三效催化转化器工作过程模拟三效催化转化器工作过程模拟CO + 0.5O2 CO2C3H6 + 4.5O2 3CO2 + 3H2OCH4 + 2O2 CO2 + 2H2OCO + NO CO2 + 0.5N2H2 + 0.5O2 H2O工作过程动画 忽略NO2 0.86C3H6 +0.14CH4代表HC化学反应第6章 车用汽油机后处理净化三效催化转化器工作过程三效催化转化器工作过程催化

15、转化器工作过程的原理图蜂窝载体简化成轴对称蜂窝载体简化成轴对称的二维模型的二维模型： ： 温度低时，总体的催化反应温度低时，总体的催化反应速度几乎完全取决于化学反速度几乎完全取决于化学反应速度；应速度；温度高时，总体催化反应速温度高时，总体催化反应速度几乎完全取决于传质速率。度几乎完全取决于传质速率。总体反应速率第6章 车用汽油机后处理净化iSR111iiiSmCRRR三效催化转化器的匹配三效催化转化器的匹配催化器发动机特性电控燃油喷射系统排气系统燃料及润滑油整车设计匹配第6章 车用汽油机后处理净化三效催化器与电控燃油喷射系统的匹配三效催化器与电控燃油喷射系统的匹配 较小的空燃比 较小的点火提

16、前角 较高的暖机转速冷起动阶段 空燃比控制在化学计量比附近 较小的点火提前角 较高的怠速转速怠速工况 中小负荷 大负荷:空燃比加浓，并兼顾利用加浓的空燃比来降低排温稳态工况兼顾良好的过渡性能和排放性能加减速等过渡工况第6章 车用汽油机后处理净化三效催化器与排气系统的匹配三效催化器与排气系统的匹配采用催化器时必须对发动机排气系统重新设计，匹配中应考虑的主要影响因素是排气总管和排气歧管的尺寸以及配气相位。排气系统对发动机性能的影响主要通过压力波对排气干扰产生。催化器的安装位置显著影响排气系统波动效应，进而影响发动机动力性和经济性。第6章 车用汽油机后处理净化催化器与燃料及润滑油的匹配催化器与燃料及

17、润滑油的匹配催化器与燃料及润滑油的匹配催化器与排放法规之间也应有合理的对应关系对于油品中有害成分含量（铅、硫、磷等）尚未实对于油品中有害成分含量（铅、硫、磷等）尚未实行控制的地区，应选用抗中毒劣化性好的催化剂。行控制的地区，应选用抗中毒劣化性好的催化剂。催化器性能越好，往往贵金属含量越高，成本越高，所催化器性能越好，往往贵金属含量越高，成本越高，所以汽车和催化器厂家并不单纯追求催化器性能越高越好，以汽车和催化器厂家并不单纯追求催化器性能越高越好，而是更注重催化器性能恰好满足当时排放法规。而是更注重催化器性能恰好满足当时排放法规。第6章 车用汽油机后处理净化热反应器热反应器在排气道出口处安装在排

18、气道出口处安装用耐热材料制造的热用耐热材料制造的热反应器，使尾气中未反应器，使尾气中未燃的碳氢化合物和一燃的碳氢化合物和一氧化碳在热反应器中氧化碳在热反应器中保持高温并停留一段保持高温并停留一段时间，使之得到充分时间，使之得到充分氧化从而降低其排放氧化从而降低其排放量。量。 1-外筒；2-内孔；3-壳体； 4-排气口；5-空气喷射孔图6-12 热反应器第6章 车用汽油机后处理净化空气喷射空气喷射 1-吸气阀；2-空气滤清器；3-进气管；4-喷嘴 空气喷射装置将新鲜空气喷射到排气门后，使尾气中的HC和CO在排气管内与空气混合，继续氧化，又称二次空气法。 带空气泵 主要用于化油器式的发动机主动式 不带空气泵 用于控发动机上被动式第6章 车用汽油机后处理净化作业作业: :n6.1 6.1 何为后处理技术？与机内净化相比何为后处理技术？与机内净化相比有何优缺点？有何优缺点？n6.2 6.2 催化器由哪些部分组成？各部分的催化器由哪些部分组成？各部分的作用是什么？作用是什么？n6.3 6.3 三元催化剂的由哪些贵金属组成？三元催化剂的由哪些贵金属组成？各自的作用是什么？各自的作用是什么？n6.4 6.4 试简单阐述催化剂的反