模塊五 汽油機(jī)后處理凈化

1、 復(fù)習(xí)提問n 降低車用柴油機(jī)排放的技術(shù)措施低排放燃燒系統(tǒng)應(yīng)該滿足要求導(dǎo)入新課n前面我們學(xué)習(xí)了發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，在實(shí)際生活中，為了進(jìn)一步降低汽車尾氣的排放，在車上還配置了機(jī)后凈化處理技術(shù)6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 三元催化轉(zhuǎn)化器三元催化轉(zhuǎn)化器6.3 6.3 熱反應(yīng)器熱反應(yīng)器6.4 6.4 空氣噴射空氣噴射第6章 第第6 6章章 車用汽油機(jī)后處理凈化車用汽油機(jī)后處理凈化教學(xué)目標(biāo)n知識目標(biāo)：知識目標(biāo)：掌握后處理凈化技術(shù)的概念掌握三元催化轉(zhuǎn)換器的工作原理及結(jié)構(gòu)懂三效催化劑劣化機(jī)理n能力目標(biāo)：能力目標(biāo)：知道三元催化轉(zhuǎn)換器在車上的位置能夠懂催化劑的作用n素質(zhì)目標(biāo)：素質(zhì)目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生的安全環(huán)

2、保意識介紹了車用汽油機(jī)后處理凈介紹了車用汽油機(jī)后處理凈化裝置特別是三效催化轉(zhuǎn)化化裝置特別是三效催化轉(zhuǎn)化器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并對三效催化轉(zhuǎn)化器的催化并對三效催化轉(zhuǎn)化器的催化反應(yīng)機(jī)理、性能指標(biāo)和催化反應(yīng)機(jī)理、性能指標(biāo)和催化劑及其劣化機(jī)理進(jìn)行了較為劑及其劣化機(jī)理進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述，給出了三效催詳細(xì)的描述，給出了三效催化轉(zhuǎn)化器工作過程的數(shù)學(xué)?；D(zhuǎn)化器工作過程的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上討論了轉(zhuǎn)型，并在此基礎(chǔ)上討論了轉(zhuǎn)化器與發(fā)動(dòng)機(jī)以及汽車的匹化器與發(fā)動(dòng)機(jī)以及汽車的匹配問題。配問題。 第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化概述：主要內(nèi)容概述：主要內(nèi)容 以改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程為主要內(nèi)容，以改善

3、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程為主要內(nèi)容，對降低排氣污染起到了較大作用，但其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(dòng)力效果有限，且不同程度地給汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性帶來負(fù)面影響。隨著對發(fā)動(dòng)性和經(jīng)濟(jì)性帶來負(fù)面影響。隨著對發(fā)動(dòng)機(jī)排放要求的日趨嚴(yán)格，改善發(fā)動(dòng)機(jī)工機(jī)排放要求的日趨嚴(yán)格，改善發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的難度越來越大，能統(tǒng)籌兼顧動(dòng)作過程的難度越來越大，能統(tǒng)籌兼顧動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的發(fā)動(dòng)機(jī)將越力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的發(fā)動(dòng)機(jī)將越來越復(fù)雜，成本也急劇上升。來越復(fù)雜，成本也急劇上升。機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化在不影響或少影響發(fā)動(dòng)機(jī)其它性在不影響或少影響發(fā)動(dòng)機(jī)其它性能的同

4、時(shí)，在排氣系統(tǒng)中安裝各能的同時(shí)，在排氣系統(tǒng)中安裝各種凈化裝置，采用物理的和化學(xué)種凈化裝置，采用物理的和化學(xué)的方法降低排氣污染物最終向大的方法降低排氣污染物最終向大氣環(huán)境的排放。氣環(huán)境的排放。 專門對發(fā)動(dòng)機(jī)排氣進(jìn)行后處理的專門對發(fā)動(dòng)機(jī)排氣進(jìn)行后處理的方法是將凈化裝置串接在發(fā)動(dòng)機(jī)方法是將凈化裝置串接在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)中，利用凈化裝置在的排氣系統(tǒng)中，利用凈化裝置在排氣系統(tǒng)中對其進(jìn)行處理。排氣系統(tǒng)中對其進(jìn)行處理。后處理凈化技術(shù)后處理凈化技術(shù)第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化排氣系統(tǒng) 概述概述 三效催化轉(zhuǎn)化器是目前應(yīng)用最多的廢氣后處理凈化技術(shù)。三效催化轉(zhuǎn)化器是目前應(yīng)用最多的廢氣后處理凈化技術(shù)。第6章 車用汽油

5、機(jī)后處理凈化三效催化轉(zhuǎn)化器的載體一般采三效催化轉(zhuǎn)化器的載體一般采用蜂窩結(jié)構(gòu)，蜂窩表面有涂層用蜂窩結(jié)構(gòu)，蜂窩表面有涂層和活性組分，與廢氣的接觸表和活性組分，與廢氣的接觸表面積非常大，凈化效率高，當(dāng)面積非常大，凈化效率高，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比在理論空燃比發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比在理論空燃比附近時(shí)，三效催化劑可將附近時(shí)，三效催化劑可將90%90%的的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸技疤細(xì)浠衔锖鸵谎趸技?0%70%的的氮氧化物同時(shí)凈化。氮氧化物同時(shí)凈化。 目前，電子控制汽油噴射加三效催化轉(zhuǎn)化器已成為國內(nèi)外汽目前，電子控制汽油噴射加三效催化轉(zhuǎn)化器已成為國內(nèi)外汽油車排放控制技術(shù)的主流。油車排放控制技術(shù)的主流。三效催化轉(zhuǎn)化器的基

6、本結(jié)構(gòu)三效催化轉(zhuǎn)化器的基本結(jié)構(gòu) 三效催化轉(zhuǎn)化三效催化轉(zhuǎn)化器由殼體、墊層和器由殼體、墊層和催化劑組成，其中，催化劑組成，其中，催化劑包括載體、催化劑包括載體、涂層和活性組分。涂層和活性組分。第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化三元催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)催化反應(yīng)機(jī)理催化反應(yīng)機(jī)理有催化劑參與的化學(xué)反應(yīng)就稱為催化反應(yīng)。有催化劑參與的化學(xué)反應(yīng)就稱為催化反應(yīng)。固體催化劑對氣態(tài)或液態(tài)反應(yīng)物所起的催化作固體催化劑對氣態(tài)或液態(tài)反應(yīng)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用屬于多相催化，車用催化劑就是此類型的催化?；４呋磻?yīng)過程催化反應(yīng)過程 吸附過程表面反應(yīng)過程脫附過程第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化吸附過程吸附過程

7、 吸附作用是一種或數(shù)種物質(zhì)的原子、分子或離吸附作用是一種或數(shù)種物質(zhì)的原子、分子或離子附著在另一種物質(zhì)表面上的過程。子附著在另一種物質(zhì)表面上的過程。三效催化劑上發(fā)生化學(xué)吸附的一般吸附方程式：三效催化劑上發(fā)生化學(xué)吸附的一般吸附方程式： A A為吸附質(zhì)分子（為吸附質(zhì)分子（COCO、HCHC或或NOXNOX） s s為活性中心（或催化中心）為活性中心（或催化中心） A(sA(s) )為在吸附表面上形成的表面絡(luò)合物為在吸附表面上形成的表面絡(luò)合物 H(sH(s) )和和O(sO(s) )分別為氫原子和氧原子吸附在活性中心形成分別為氫原子和氧原子吸附在活性中心形成的表面絡(luò)合物的表面絡(luò)合物A + s A(s)

8、H2 + s + s H(s) + H(s)O2 + s + s O(s) + O(s) 第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化必要條件：高溫和具備化學(xué)還原劑總量反應(yīng)：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表面反應(yīng)過程CO氧化反應(yīng)HC氧化反應(yīng)NO還原反應(yīng)總量反應(yīng)：CO + 0.5O 2 CO 2部分CO可通過水煤氣反應(yīng)：CO + H 2 O CO 2 + H 22H 2 + O 2 2H 2 O總量反應(yīng)：CmHn + (m+0.25n)O 2 mCO 2

9、 + 0.5nH 2 O反應(yīng)機(jī)理第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化脫附過程脫附過程B(s) B + sH(s) + H(s) H2 + s + sO(s) + O(s) O2 + s + sB B為反應(yīng)產(chǎn)物分子為反應(yīng)產(chǎn)物分子s s為活性中心（或催化中心）為活性中心（或催化中心）B(sB(s) )為在吸附在催化劑上形成的表面絡(luò)合物為在吸附在催化劑上形成的表面絡(luò)合物脫附：表面反應(yīng)過程完成后，生成的反應(yīng)分子就會(huì)從催脫附：表面反應(yīng)過程完成后，生成的反應(yīng)分子就會(huì)從催化劑表面的活性中心脫離出來，為表面反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行化劑表面的活性中心脫離出來，為表面反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行空出活性位，這個(gè)過程稱為脫附?？粘龌钚晕唬@個(gè)過程

10、稱為脫附。脫附方程式第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化三效催化劑三效催化劑 三效催化劑是三效催化轉(zhuǎn)化器的核心部分，三效催化劑是三效催化轉(zhuǎn)化器的核心部分，它決定了三效催化轉(zhuǎn)化器的主要性能指標(biāo)。它決定了三效催化轉(zhuǎn)化器的主要性能指標(biāo)。三元催化轉(zhuǎn)化器構(gòu)造載體蜂窩狀整體式載體：排氣阻力小、機(jī)械強(qiáng)度大、熱穩(wěn)定性好和耐沖擊，其基質(zhì)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(zhì)，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(zhì)。 第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化 活性組分活性

11、組分催化氮氧化物還原反應(yīng)的主要成分銠Rh主要起催化一氧化碳和碳?xì)浠衔锏难趸磻?yīng)的作用鉑Pt催化一氧化碳和碳?xì)浠衔锏难趸磻?yīng)鈀Pd 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)定性助催化劑（鈰、鑭等稀土元素）第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化三效催化劑劣化機(jī)理三效催化劑劣化機(jī)理 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(yīng)、貴金屬氧化及其氧化物與載體發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致比表面積急劇減小、活性降低熱失活 一些毒性化學(xué)物質(zhì)吸附在催化劑表面的活性中心不易脫附，導(dǎo)致尾氣不能接近催化劑，使催化轉(zhuǎn)化器對有害排放物的轉(zhuǎn)化效率降低化學(xué)中毒 催化劑及其載體在受到外界激勵(lì)負(fù)荷的沖

12、擊、振動(dòng)乃至共振作用，產(chǎn)生磨損甚至破碎機(jī)械損傷 簡單的物理遮蓋現(xiàn)象：發(fā)動(dòng)機(jī)不正常燃燒產(chǎn)生的碳煙沉積在催化劑上，導(dǎo)致催化劑被沉積物覆蓋和堵塞，不能發(fā)揮其應(yīng)有作用催化劑結(jié)焦第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化三效催化轉(zhuǎn)化器的性能指標(biāo)三效催化轉(zhuǎn)化器的性能指標(biāo)性能指標(biāo)轉(zhuǎn)化效率空燃比特性起燃特性空速特性排氣流動(dòng)阻力流動(dòng)特性第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化空燃比特性空燃比特性 轉(zhuǎn)化效率隨轉(zhuǎn)化效率隨或或a a的變化稱為的變化稱為催化器的空燃比特性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(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率的影響第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化起燃特性起燃特性 圖6-7 三效催化劑的起然溫度特性催化劑只有達(dá)到一定溫度才

13、能開始工作，稱為起燃。第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化空速特性空速特性空速的大小表示了反應(yīng)氣體在催化劑中的停留空速的大小表示了反應(yīng)氣體在催化劑中的停留時(shí)間時(shí)間( (trtr) )：空速空速( (SV)SV)：SV=qv / VcatVcat=(0.51)Vstmpm =(1.02.0) Vcat貴金屬用量貴金屬用量m mpmpm：tr =/sV第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化流動(dòng)特性流動(dòng)特性 對擴(kuò)張管的形狀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是改對擴(kuò)張管的形狀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是改善催化轉(zhuǎn)化器流動(dòng)均勻性的一種有效方法。善催化轉(zhuǎn)化器流動(dòng)均勻性的一種有效方法。流動(dòng)均勻性擴(kuò)張管結(jié)構(gòu)空速載體阻力其他因素第6章 車用汽油機(jī)后處理

14、凈化三效催化轉(zhuǎn)化器工作過程模擬三效催化轉(zhuǎn)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(dòng)畫 忽略NO2 0.86C3H6 +0.14CH4代表HC化學(xué)反應(yīng)第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化三效催化轉(zhuǎn)化器工作過程三效催化轉(zhuǎn)化器工作過程催化轉(zhuǎn)化器工作過程的原理圖蜂窩載體簡化成軸對稱蜂窩載體簡化成軸對稱的二維模型的二維模型： ： 溫度低時(shí)，總體的催化反應(yīng)溫度低時(shí)，總體的催化反應(yīng)速度幾乎完全取決于化學(xué)反速度幾乎完全取決于化學(xué)反應(yīng)速度；應(yīng)速度；溫度高時(shí)

15、，總體催化反應(yīng)速溫度高時(shí)，總體催化反應(yīng)速度幾乎完全取決于傳質(zhì)速率。度幾乎完全取決于傳質(zhì)速率。總體反應(yīng)速率第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化iSR111iiiSmCRRR三效催化轉(zhuǎn)化器的匹配三效催化轉(zhuǎn)化器的匹配催化器發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)匹配第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化三效催化器與電控燃油噴射系統(tǒng)的匹配三效催化器與電控燃油噴射系統(tǒng)的匹配 較小的空燃比 較小的點(diǎn)火提前角 較高的暖機(jī)轉(zhuǎn)速冷起動(dòng)階段 空燃比控制在化學(xué)計(jì)量比附近 較小的點(diǎn)火提前角 較高的怠速轉(zhuǎn)速怠速工況 中小負(fù)荷 大負(fù)荷:空燃比加濃，并兼顧利用加濃的空燃比來降低排溫穩(wěn)態(tài)工況兼顧良好的過渡性能和排放性能加減速等過

16、渡工況第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化三效催化器與排氣系統(tǒng)的匹配三效催化器與排氣系統(tǒng)的匹配采用催化器時(shí)必須對發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)，匹配中應(yīng)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(dòng)機(jī)性能的影響主要通過壓力波對排氣干擾產(chǎn)生。催化器的安裝位置顯著影響排氣系統(tǒng)波動(dòng)效應(yīng)，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。第6章 車用汽油機(jī)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燃料及潤滑油的匹配催化器與排放法規(guī)之間也應(yīng)有合理的對應(yīng)關(guān)系對于油品中有害成分含量（鉛、硫、磷等）尚未實(shí)對于油品中有害成分含量（鉛、硫、磷等）尚未實(shí)行控制的地區(qū)，應(yīng)選用抗中毒劣化性好的催化劑。

17、行控制的地區(qū)，應(yīng)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，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(dāng)時(shí)排放法規(guī)。而是更注重催化器性能恰好滿足當(dāng)時(shí)排放法規(guī)。第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化熱反應(yīng)器熱反應(yīng)器在排氣道出口處安裝在排氣道出口處安裝用耐熱材料制造的熱用耐熱材料制造的熱反應(yīng)器，使尾氣中未反應(yīng)器，使尾氣中未燃的碳?xì)浠衔锖鸵蝗嫉奶細(xì)浠衔锖鸵谎趸荚跓岱磻?yīng)器中氧化碳在熱反應(yīng)器中保持高溫并停留一段保持高溫并停留一段時(shí)間，使之得到充

18、分時(shí)間，使之得到充分氧化從而降低其排放氧化從而降低其排放量。量。 1-外筒；2-內(nèi)孔；3-殼體； 4-排氣口；5-空氣噴射孔圖6-12 熱反應(yīng)器第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化空氣噴射空氣噴射 1-吸氣閥；2-空氣濾清器；3-進(jìn)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(nèi)與空氣混合，繼續(xù)氧化，又稱二次空氣法。 帶空氣泵 主要用于化油器式的發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)式 不帶空氣泵 用于控發(fā)動(dòng)機(jī)上被動(dòng)式第6章 車用汽油機(jī)后處理凈化小結(jié)n本項(xiàng)目主要介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)的后將化處理技術(shù)。介紹了車用汽油機(jī)后處理凈化裝置特別是三效催化轉(zhuǎn)化器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并對三效催化轉(zhuǎn)化器的催化反應(yīng)機(jī)理、性能指標(biāo)和催化劑及其劣化機(jī)理進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述，給出了三效催化轉(zhuǎn)化器工作過程的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上討論了轉(zhuǎn)化器與發(fā)動(dòng)機(jī)以及汽車的匹配問題。 作業(yè)作業(yè): :n6.1 6.1 何為后處理技術(shù)？與機(jī)內(nèi)凈化相比何為后處理技術(shù)？與機(jī)內(nèi)凈化相比有何優(yōu)缺點(diǎn)？有何優(yōu)缺點(diǎn)？n6.2 6.2 催化器由哪些部分組成？各部分的催化器由哪些部分組成？各部分的作用是什么？作用是什么？n6.3 6.3 三元催化劑的由哪些貴金屬組成？三元催化劑的由哪些貴金屬組成？各自的作用是什么？各自的作用是什么？n6.4 6.4 試簡單闡述催化劑