第6章車用汽油機后處理凈化

第1章緒論第2章汽車排放污染物的生成機理和影響因素第3章汽車發(fā)動機的排放特性第4章車用汽油機機內凈化第5章車用柴油機機內凈化第6章車用汽油機后處理凈化

《汽車排放污染及控制》目錄

第7章車用柴油機后處理凈化第8章燃料與排放第9章汽車排放污染物凈化方案及分析第10章汽車排放及測試第11章排放標準《汽車排放污染及控制》目錄6.1概述6.2三元催化轉化器6.3熱反應器6.4空氣噴射第6章車用汽油機后處理凈化

第6章車用汽油機后處理凈化介紹了車用汽油機后處理凈化裝置特別是三效催化轉化器的基本結構和工作原理，并對三效催化轉化器的催化反應機理、性能指標和催化劑及其劣化機理進行了較為詳細的描述，給出了三效催化轉化器工作過程的數(shù)學模型，并在此基礎上討論了轉化器與發(fā)動機以及汽車的匹配問題。第6章車用汽油機后處理凈化概述：主要內容以改善發(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(jīng)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(jīng)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。機內凈化技術第6章車用汽油機后處理凈化在不影響或少影響發(fā)動機其它性能的同時，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，利用凈化裝置在排氣系統(tǒng)中對其進行處理。后處理凈化技術第6章車用汽油機后處理凈化排氣系統(tǒng)概述

三效催化轉化器是目前應用最多的廢氣后處理凈化技術。第6章車用汽油機后處理凈化三效催化轉化器的載體一般采用蜂窩結構，蜂窩表面有涂層和活性組分，與廢氣的接觸表面積非常大，凈化效率高，當發(fā)動機的空燃比在理論空燃比附近時，三效催化劑可將90%的碳氫化合物和一氧化碳及70%的氮氧化物同時凈化。

目前，電子控制汽油噴射加三效催化轉化器已成為國內外汽油車排放控制技術的主流。三效催化轉化器的基本結構三效催化轉化器由殼體、墊層和催化劑組成，其中，催化劑包括載體、涂層和活性組分。第6章車用汽油機后處理凈化三元催化轉化器結構催化反應機理有催化劑參與的化學反應就稱為催化反應。固體催化劑對氣態(tài)或液態(tài)反應物所起的催化作用屬于多相催化，車用催化劑就是此類型的催化。催化反應過程

吸附過程表面反應過程脫附過程第6章車用汽油機后處理凈化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。三效催化劑上發(fā)生化學吸附的一般吸附方程式：

A為吸附質分子（CO、HC或NOX）s為活性中心（或催化中心）A(s)為在吸附表面上形成的表面絡合物H(s)和O(s)分別為氫原子和氧原子吸附在活性中心形成的表面絡合物A+s→A(s)

H2+s+s→H(s)+H(s)

O2+s+s→O(s)+O(s)第6章車用汽油機后處理凈化必要條件：高溫和具備化學還原劑總量反應：NO+CO→0.5N2+CO2NO+H2→0.5N2+H2O(2m+0.5n)NO+CmHn→(m+0.25n)N2+0.5nH2O+mCO2表面反應過程CO氧化反應HC氧化反應NO還原反應總量反應：CO+0.5O2→CO2部分CO可通過水煤氣反應：CO+H2O→CO2+H22H2+O2→2H2O總量反應：CmHn+(m+0.25n)O2→mCO2+0.5nH2O反應機理第6章車用汽油機后處理凈化脫附過程B(s)→B+sH(s)+H(s)→H2+s+sO(s)+O(s)→O2+s+sB為反應產物分子s為活性中心（或催化中心）B(s)為在吸附在催化劑上形成的表面絡合物脫附：表面反應過程完成后，生成的反應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。脫附方程式第6章車用汽油機后處理凈化三效催化劑三效催化劑是三效催化轉化器的核心部分，它決定了三效催化轉化器的主要性能指標。三元催化轉化器構造載體蜂窩狀整體式載體：排氣阻力小、機械強度大、熱穩(wěn)定性好和耐沖擊，其基質有兩大類，陶瓷和金屬。涂層活性組分蜂窩陶瓷載體：本身比表面積很小，常在其壁上涂覆一層多孔性物質，以提高載體的比表面積。蜂窩金屬載體：涂底層的方法并不適用，通常采用刻蝕和氧化的方法在金屬表面形成一層氧化物，在此氧化物表面上浸漬具有催化活性的物質。

第6章車用汽油機后處理凈化活性組分銠Rh催化氮氧化物還原反應的主要成分鉑Pt主要起催化一氧化碳和碳氫化合物的氧化反應的作用鈀Pd催化一氧化碳和碳氫化合物的氧化反應助催化劑（鈰、鑭等稀土元素）本身沒有活性或活性很小，但能提高活性組分的性能——活性、選擇性和穩(wěn)定性第6章車用汽油機后處理凈化三效催化劑劣化機理熱失活在850℃以上的高溫中，涂層組織發(fā)生相變、載體燒熔塌陷、貴金屬間發(fā)生反應、貴金屬氧化及其氧化物與載體發(fā)生反應，導致比表面積急劇減小、活性降低化學中毒一些毒性化學物質吸附在催化劑表面的活性中心不易脫附，導致尾氣不能接近催化劑，使催化轉化器對有害排放物的轉化效率降低機械損傷催化劑及其載體在受到外界激勵負荷的沖擊、振動乃至共振作用，產生磨損甚至破碎催化劑結焦簡單的物理遮蓋現(xiàn)象：發(fā)動機不正常燃燒產生的碳煙沉積在催化劑上，導致催化劑被沉積物覆蓋和堵塞，不能發(fā)揮其應有作用第6章車用汽油機后處理凈化三效催化轉化器的性能指標性能指標轉化效率空燃比特性起燃特性空速特性排氣流動阻力流動特性第6章車用汽油機后處理凈化空燃比特性轉化效率隨α或Фa的變化稱為催化器的空燃比特性

圖6-6過量空氣系數(shù)對三效催化轉化器

轉化效率的影響第6章車用汽油機后處理凈化起燃特性

圖6-7三效催化劑的起然溫度特性催化劑只有達到一定溫度才能開始工作，稱為起燃。第6章車用汽油機后處理凈化空速特性空速的大小表示了反應氣體在催化劑中的停留時間(tr)：空速(SV)：SV=qv/VcatVcat=(0.5~1)Vstmpm=(1.0~2.0)Vcat貴金屬用量mpm：tr=ε/sV第6章車用汽油機后處理凈化流動特性對擴張管的形狀、結構進行優(yōu)化設計是改善催化轉化器流動均勻性的一種有效方法。流動均勻性擴張管結構空速載體阻力其他因素第6章車用汽油機后處理凈化三效催化轉化器工作過程模擬CO+0.5O2→CO2C3H6+4.5O2→3CO2+3H2OCH4+2O2→CO2+2H2OCO+NO→CO2+0.5N2H2+0.5O2→H2O工作過程動畫化學反應忽略NO20.86C3H6

+0.14CH4代表HC第6章車用汽油機后處理凈化三效催化轉化器工作過程催化轉化器工作過程的原理圖蜂窩載體簡化成軸對稱的二維模型：

：

溫度低時，總體的催化反應速度幾乎完全取決于化學反應速度；溫度高時，總體催化反應速度幾乎完全取決于傳質速率。總體反應速率第6章車用汽油機后處理凈化三效催化轉化器的匹配催化器匹配發(fā)動機特性電控燃油噴射系統(tǒng)排氣系統(tǒng)燃料及潤滑油整車設計第6章車用汽油機后處理凈化三效催化器與電控燃油噴射系統(tǒng)的匹配冷起動階段較小的空燃比較小的點火提前角較高的暖機轉速怠速工況空燃比控制在化學計量比附近較小的點火提前角較高的怠速轉速穩(wěn)態(tài)工況中小負荷大負荷:空燃比加濃，并兼顧利用加濃的空燃比來降低排溫加減速等過渡工況兼顧良好的過渡性能和排放性能第6章車用汽油機后處理凈化三效催化器與排氣系統(tǒng)的匹配采用催化器時必須對發(fā)動機排氣系統(tǒng)重新設計，匹配中應考慮的主要影響因素是排氣總管和排氣歧管的尺寸以及配氣相位。排氣系統(tǒng)對發(fā)動機性能的影響主要通過壓力波對排氣干擾產生。催化器的安裝位置顯著影響排氣系統(tǒng)波動效應，進而影響發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性。第6章車用汽油機后處理凈化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催化器與排放法規(guī)之間也應有合理的對應關系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。催化器性能越好，往往貴金屬含量越高，成本越高，所以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排放法規(guī)。第6章車用汽油機后處理凈化熱反應器在排氣道出口處安裝用耐熱材料制造的熱反應器，使尾氣中未燃的碳氫化合物和一氧化碳在熱反應器中保持高溫并停留一段時間，使之得到充分氧化從而降低其排放量。

1-外筒；2-內孔；3-殼體；

4-排氣口；5-空氣噴射孔圖6-12熱反應器第6章車用汽油機后處理凈化空氣噴射

1-吸氣閥；2-空氣濾清器；3-進氣管；4-噴嘴

空氣噴射裝置將新鮮空氣噴射到排氣門后，使尾氣中的HC和CO在排氣管內與空氣混合，繼續(xù)氧化，又稱二次空氣法。主動式帶空氣泵主要用于化油器式的發(fā)動機被動式不帶空氣泵用于控發(fā)動機上第6章車用汽油機后處理凈化作業(yè):6.1何為后處理技術？與機內凈化