发动机排放污染及控制龚金科车用汽油机后处理净化

1、发动机排放污染及控制主讲人 龚金科等2022年8月25日6.1 概述6.2 三效催化转化器6.3 热反应器和空气喷射第6章 车用汽油机后处理净化 第6章 车用汽油机后处理净化第6章 车用汽油机后处理净化概述：主要内容介绍了车用汽油机后处理净化装置特别是三效催化转化器的基本结构和工作原理.对三效催化转化器的催化反应机理、性能指标和催化剂及其劣化机理进行了较为详细的描述. 以改善发动机燃烧过程为主，对降低排气污染起到很大作用，但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，能统筹兼顾动力性、经济性和排放性能的发动机将越来越复杂，成

2、本也急剧上升。机内净化技术第6章 车用汽油机后处理净化机内净化技术在尽量不影响发动机性能的同时，在排气系统中安装各种净化装置，利用净化装置在排气系统中对废气进行处理来降低最终向大气环境排放的污染物。 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 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一般采用蜂窝结构载体，蜂窝表面有涂层和活性组分，与废气的接触表面积大，当发动机的空燃比在理论空燃比附近时，催化剂可将90%的碳氢化合物和一氧化碳及70%的氮氧化物同时净化。 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油车排放控制技术的主流。

3、三效催化转化器的基本结构三效催化转化器由壳体、垫层和催化剂组成，其中，催化剂包括载体、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请看漂亮动画哦！催化反应机理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用属多相催化，车用催化剂就是此类型的催化。 第6章 车用汽油机后处理净化 催化反应过程 吸附过程A为吸附质分子（CO、HC或NOX） s为活性中心（或催化中心） A(s)为在吸附表面上形成的表面络合物 H(s)和O(s)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第6章 车用汽油机后处理净化三效催化剂上发生化学吸附的一般吸附方程式：吸附作

4、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。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

5、处理净化三种反应脱附过程B(s) B + sH(s) + H(s) H2 + s + sO(s) + O(s) O2 + s + sB为反应产物分子s为活性中心（或催化中心）B(s)为在吸附在催化剂上形成的表面络合物脱附：表面反应完成后，生成的反应分子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。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。催化剂涂覆示意图蜂窝状整体式载体：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。第6章 车用汽油机后处理净化 蜂窝陶

6、瓷载体：本身比表面积很小，常在其壁上涂覆一层多孔性物质，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。 活性组分载体涂层活性组分第6章 车用汽油机后处理净化三效催化剂劣化机理第6章 车用汽油机后处理净化三效催化转化器的性能指标第6章 车用汽油机后处理净化转化效率第6章 车用汽油机后处理净化(i)排气污染物i在催化器中的转化效率； 排气污染物i在催化器进口处的浓度或体积分数； 排污染物i在催化器出口处的浓度或体积分数。转化效率的计算公式空燃比特性转化效率随或a的变化称为催化器的空燃比特性或 的

7、第6章 车用汽油机后处理净化起燃特性 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的大小表示了反应气体在催化剂中的停留时间(tr)：空速(SV)：SV=qv / VcatVcat=(0.51)Vstmpm =(1.02.0) Vcat贵金属用量mpm：tr =/sV第6章 车用汽油机后处理净化我们来了解空速特性！流动特性对扩张管的形状、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。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CO + 0.5O2 CO2C3H6 + 4.5O2 3CO2 + 3H2

8、OCH4 + 2O2 CO2 + 2H2OCO + NO CO2 + 0.5N2H2 + 0.5O2 H2O工作过程动画第6章 车用汽油机后处理净化三效催化转化器工作过程催化转化器工作过程的原理图蜂窝载体简化成轴对称的二维模型： ： 温度低时，总体的催化反应速度几乎完全取决于化学反应速度；温度高时，总体催化反应速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三效催化转化器的匹配第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第6章 车用汽油机后处理净化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。

9、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。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。排气系统如何匹配催化器与燃料及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，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，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6.3热反应器和空气喷射热反应器热反应器作用是使尾气中未燃的碳氢化合物和一氧化碳在热反应器中保持高温，使之得到充分氧化从而降低其排放量。 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1-外筒；2-内孔；3-壳体