第六章 汽油機后處理凈化技術

1、 機內凈化技術以改善發(fā)動機燃燒過程為主要內容，對降低排氣污染起 到了較大作用，但其效果有限，且不同程度地給汽車的動力性和經濟性帶 來負面影響。 隨著對發(fā)動機排放要求的日趨嚴格，改善發(fā)動機工作過程的 難度越來越大，能統(tǒng)籌兼顧動力性、經濟性和排放性能的發(fā)動機將越來越 復雜，成本也急劇上升。 因此，世界各國都先后開發(fā)廢氣后處理凈化技術， 在不影響或少影響發(fā)動機其他性能的同時，在排氣系統(tǒng)中安裝各種凈化裝 置，采用物理的和化學的方法降低排氣中的污染物最終向大氣環(huán)境的排放。 專門對發(fā)動機排氣進行后處理的方法是將凈化裝置串接在發(fā)動機的排 氣系統(tǒng)中，在廢氣排入大氣前，利用凈化裝置在排氣系統(tǒng)中對其進行處理， 以

2、減少排入大氣的有害成分。 在發(fā)達國家，車用汽油機采用后處理裝置較 多。 稀燃催化技術是降低碳氧化合物排放的有效手段，目前在稀薄燃燒汽 油機排放的尾氣凈化技術中，被廣泛研究與應用的是吸附還原催化器。 一、三效催化轉化器的基本結構 三效催化轉化器的基本結構見圖-，它由殼體、墊層和催化劑組成。 殼體殼體是整個三效催化轉化器的支承體。 殼 體的材料和形狀是影響催化轉化器轉化效率 和使用壽命的重要因素。 為了使載體在殼體內位置牢固，防止它因振 動而損壞，為了補償陶瓷與金屬之間熱膨脹 性的差別，保證載體周圍的氣密性，在載體 與殼體之間加有一塊由軟質耐熱材料構成的 墊層墊層。 二、催化反應機理 催化作用的核

3、心是催化劑。 催化劑是一種能夠改變化學反應達到平衡的速率 而本身的質量和組成在化學反應前后保持不變的物質。 化學動力學過程三個步驟的機理如下: )吸附過程 吸附作用是一種或數(shù)種物質的原子、分子或離子附著在另一種物質表面上 的過程。 )表面反應過程 反應物分子吸附在催化劑表面的活性中心后，它們就分別開始與同樣吸附 在活性中心的氧化劑分子或還原劑分子發(fā)生氧化還原反應。 )脫附過程 當表面反應過程完成后，生成的反應產物分子就會從催化劑表面的活性中心 脫離出來，為表面反應的繼續(xù)進行空出活性位，這個過程稱為脫附。 三、三效催化劑及其劣化機理 三效催化劑的組成三效催化劑的組成 三效催化劑的劣化機理三效催化

4、劑的劣化機理是一個非常復雜 的物理、化學變化過程，除了與催化轉 化器的設計、制造、安裝位置有關外， 還與發(fā)動機燃燒狀況、汽油和潤滑油的 品質及汽車運行工況等使用過程有著非 常密切的關系。 影響催化劑壽命的因素 主要有四類，即熱失活、化學中毒、機 械損傷以及催化劑結焦。 在催化劑的正 常使用條件下，催化劑的劣化主要是由 熱失活和化學中毒造成的。 四、三效催化轉化器的性能指標 車用汽油機三效催化轉化器的性能指標很多，其中最主要的有污 染物轉化效率和排氣流動阻力。 轉化效率由下式定義: . 空燃比特性 . 起燃特性 到目前為止，起燃溫度是最 常用的起燃特性指標，其試 驗測定也簡便易行。 . 空速特性

5、 . 流動特性 五、三效催化轉化器工作過程模擬 催化轉化器的轉化效率是運行參數(shù)和設計參數(shù)的復雜函數(shù)。 如果催化轉化器 的研究和設計僅依賴經驗方法，這不僅費時費力，而且也很難設計出令人滿 意的產品。 如果能建立一個通用的數(shù)學模型，可方便、快捷地了解催化轉化 器工作過程的各個細節(jié)以及各種參數(shù)之間的相互影響，從而有力地促進催化 轉化器的研究與設計。 因此，在模型中需要考慮六種物質，其中的反應如下: 這里將圓柱蜂窩載體簡化成軸對稱的二維模型，見圖-。 在圖- 中， 表示氣體與載體間的徑向傳熱量， 表示氣體與 載體間的軸向傳熱量，表示總的化學反應熱量， 表示氣體與載 體表面的對流傳熱量。 六、三效催化轉

6、化器的匹配 . 三效催化器與電控燃油噴射系統(tǒng)的匹配 ()冷起動階段:在保證發(fā)動機運轉平穩(wěn)的前提下，一般采用較小的空燃比， 較小的點火提前角和較高的暖機轉速，以產生較高的排氣溫度，使三效催化 轉化器盡快起燃。 ()怠速工況:為保證三效催化轉化器的轉化效率，就要把空燃比控制在化學 計量比附近，并采用較小的點火提前角和較高的怠速轉速，以保證排氣溫度 高于催化器的起燃溫度。 而無催化器的電控系統(tǒng)一般追求怠速的穩(wěn)定性和 經濟性。 ()穩(wěn)態(tài)工況:中小負荷時，要實現(xiàn)空燃比中值和波動的控制，涉及氧傳感器 中值電壓修正和空燃比波動頻率、幅值的調節(jié)。 大負荷時，要對空燃比進 行加濃，以獲得好的動力性，但在有催化器

7、時，還要兼顧利用加濃的空燃比 來降低排氣溫度，以防止催化轉化器過熱。 ()加減速等過渡工況:涉及加速變濃、減速變稀和減速斷油等工況的標定， 要兼顧良好的過渡性能和排放性能。 特別是在減速過程中，更要嚴格控制 失火現(xiàn)象，以免未燃混合氣在催化器中的燃燒引起催化器過熱。 . 三效催化器與排氣系統(tǒng)的匹配 排氣系統(tǒng)對發(fā)動機性能的影響主要是通過壓力波對排氣干擾而產生的，其影 響程度隨排氣管長度而變化。 而催化器的安裝位置會顯著影響排氣系統(tǒng)的這 種波動效應，進而影響發(fā)動機的動力性和經濟性。 因此，在采用催化器時必 須對發(fā)動機排氣系統(tǒng)進行重新設計，以達到催化器與排氣系統(tǒng)的良好匹配。 匹配中應考慮的主要影響因素

8、是排氣總管和排氣歧管的尺寸以及配氣相位。 . 催化器與燃料及潤滑油的匹配 催化器與燃料及潤滑油的匹配是指，對于油品中有害成分含量(鉛、硫、 磷等)尚未實行控制的地區(qū)，應選用抗中毒劣化性好的催化劑。 另外， 催化器與排放法規(guī)之間也應有合理的對應關系。 如僅滿足以 和 為控制目標的排放法規(guī)，則可選用氧化型催化器 為滿足帶有城郊 高速行駛工況的排放測試程序，應選用空速特性好的催化器。 實際上， 汽車和催化器廠家并不單純追求催化器性能越高越好，而是更注重催 化器性能恰好滿足當時的排放法規(guī)。 因為催化器性能越好，往往是貴 金屬含量越高，因而成本越高。 稀薄燃燒技術是降低 排放的有效手段。 所謂稀薄燃燒指

9、發(fā)動機在空 燃比大于化學計量比的條件下運行，其排放尾氣與普通發(fā)動機有相似的 化學成分，但其中還原性及氧化性氣體的相對含量不同于普通發(fā)動機的 尾氣，因而其排放尾氣的凈化處理技術有明顯區(qū)別。 采用稀薄燃燒技術， 可提高燃料的利用率，從而提高燃料的經濟性， 減少、 排放 濃度，在一定空燃比范圍內， 和 也有所減少，但 的濃度 卻明顯升高，導致 的轉化效率會大大降低，在這種富氧條件下， 催化還原其中的 是稀燃催化技術的關鍵所在。 目前針對稀燃催化 技術研究較多的是- 氧化還原催化劑、- 三效催化 劑、全 催化劑和后來采用的催化劑涂層等，但都因為空燃比的操作 窗口太窄，要求燃油中 含量較低，因此難以廣泛

10、應用。 一、反應原理 . 吸附還原催化的工作原理 . 吸附還原催化反應機理 ) 的吸附機理 在吸附階段，發(fā)動機運行在稀薄燃燒狀態(tài)，空燃比要大于理論空燃比，發(fā)動機排 氣處于富氧狀態(tài)， 被吸附于吸附劑上。 吸附還原催化轉化器稀燃 吸附時的主要化學反應可以認為有兩個步驟: 第一步:稀燃時 在貴金屬()作用下首先被氧化為: 第二步: 與貴金屬 中加入的堿或堿土金屬(主要是 ， 和 )氧化物作用生成硝酸鹽，以硝酸鹽的形式吸附在堿土金屬氧化物表面。 以堿土金屬氧化物 為例，在富氧條件下 與 反應生成( ) 的反應如下: () ) 的凈化還原機理 在凈化還原階段，發(fā)動機處于濃燃狀態(tài)，空燃比小于理論空燃比，在

11、此過 程中被吸附的 首先被釋放，然后在還原劑的作用下反應生成， 從而實現(xiàn)凈化還原。 吸附還原催化轉化器濃燃凈化還原時的主要化 學反應可以認為有兩個步驟: 第一步:被吸附的 在濃燃階段脫附。 化學反應為: () 第二步: 的凈化。 與三效催化轉化器中的還原機理一樣， 在 還原劑 、 的作用下被還原為無害的氮氣，具體化學反應為: 二、影響因素分析 吸附還原催化器主要工作在稀燃狀態(tài)下，因此這種催化器在富氧時的 儲存能力非常關鍵，當排氣中 濃度低于時， 儲存量急劇 下降。 儲存單元堿度越高，儲存的 量就越大，但這將降低 的 活性，尤其是 的轉化率，因此在應用這種催化器時，應優(yōu)化其含堿量。 此外，貴金屬

12、 顆粒的大小對 轉化率影響顯著， 尺寸越小， 其活性越大，則的轉化率越高。 在吸附還原催化器不同氣體還原 的能力中，、 最高，烯烴、烷烴次之。 為使 的轉化 效率較高，還原劑與 的最佳摩爾比應選為。 硫中毒是造成吸附還原催化器失活的最主要因素，當燃料含硫量較多時， 還原效率會急劇下降， 因為硫化物在催化器表面形成一層不能穿透 的硫酸鹽表面層，從而使 不能再被吸收，造成催化器中毒劣化而失 效。 三、稀燃催化技術匹配控制及性能 吸附還原催化器的吸附能力是有限的， 當催化器在稀燃工況下連續(xù)運行時， 吸附量將達到飽和，不能繼續(xù)起作用。 為了精確控制 吸附的稀燃階段 和 還原的濃燃階段，可以在催 化器后

13、安裝氧傳感器，檢測 還 原過程是否結束，從而使 排放 和燃油經濟性都達到最優(yōu)。 熱反應器一般采用耐熱耐腐蝕的不銹鋼制成，其結構見圖-。 熱反應器由殼體、外筒和內筒三層構成，中 間加保溫層，使內部保持高溫。 熱反應器安 裝在排氣總管出口處，由于有較大的容積和 絕熱保溫部分，反應器內部的溫度可高達 。 同時在緊靠排氣門處噴 入空氣(即二次空氣)，以保證 和 氧 化反應的進行。 進行氧化反應的溫度 應高于， 進行完全反應的溫度 應至少超過。 熱反應器必須為熱反 應提供必要的反應條件，通常在濃混合氣工 作條件下，熱反應器產生大于 的高 溫。通入二次空氣時， 和 的轉化 率最高，但會使燃油經濟性惡化。 對于稀混 合氣工作的汽油機，不需供給二次空氣，并 可減少空氣泵的能量消耗。 一般情況下，熱 反應器對 和 的轉化率可達。 空氣噴射就是將新鮮空氣噴射 到排氣門的后面，使尾氣中的 化合物和 在排氣管 內與空