第六章汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)

1、 機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)以改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程為主要內(nèi)容，對(duì)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)力性和經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)負(fù)面影響。 隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放要求的日趨嚴(yán)格，改善發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的難度越來(lái)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)將越來(lái)越復(fù)雜，成本也急劇上升。 因此，世界各國(guó)都先后開(kāi)發(fā)廢氣后處理凈化技術(shù)，在不影響或少影響發(fā)動(dòng)機(jī)其他性能的同時(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)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(duì)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)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(duì)其進(jìn)行處理，以減少排入大氣的有

2、害成分。 在發(fā)達(dá)國(guó)家，車用汽油機(jī)采用后處理裝置較多。 稀燃催化技術(shù)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(jī)排放的尾氣凈化技術(shù)中，被廣泛研究與應(yīng)用的是吸附還原催化器。一、三效催化轉(zhuǎn)化器的基本結(jié)構(gòu)三效催化轉(zhuǎn)化器的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖-，它由殼體、墊層和催化劑組成。殼體殼體是整個(gè)三效催化轉(zhuǎn)化器的支承體。 殼體的材料和形狀是影響催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率和使用壽命的重要因素。為了使載體在殼體內(nèi)位置牢固，防止它因振動(dòng)而損壞，為了補(bǔ)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(zhì)耐熱材料構(gòu)成的墊層墊層。二、催化反應(yīng)機(jī)理催化作用的核心是催化劑。 催化劑是一種能夠改變化學(xué)反應(yīng)達(dá)

3、到平衡的速率而本身的質(zhì)量和組成在化學(xué)反應(yīng)前后保持不變的物質(zhì)?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程三個(gè)步驟的機(jī)理如下:)吸附過(guò)程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(guò)程。)表面反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)物分子吸附在催化劑表面的活性中心后，它們就分別開(kāi)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(yīng)。)脫附過(guò)程當(dāng)表面反應(yīng)過(guò)程完成后，生成的反應(yīng)產(chǎn)物分子就會(huì)從催化劑表面的活性中心脫離出來(lái)，為表面反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行空出活性位，這個(gè)過(guò)程稱為脫附。三、三效催化劑及其劣化機(jī)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(jī)理三效催化劑的劣化機(jī)理是一個(gè)非常復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過(guò)程，除了與催化轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)、

4、制造、安裝位置有關(guān)外，還與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀況、汽油和潤(rùn)滑油的品質(zhì)及汽車運(yùn)行工況等使用過(guò)程有著非常密切的關(guān)系。 影響催化劑壽命的因素主要有四類，即熱失活、化學(xué)中毒、機(jī)械損傷以及催化劑結(jié)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(xué)中毒造成的。四、三效催化轉(zhuǎn)化器的性能指標(biāo) 車用汽油機(jī)三效催化轉(zhuǎn)化器的性能指標(biāo)很多，其中最主要的有污染物轉(zhuǎn)化效率和排氣流動(dòng)阻力。 轉(zhuǎn)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(biāo)，其試驗(yàn)測(cè)定也簡(jiǎn)便易行。. 空速特性. 流動(dòng)特性五、三效催化轉(zhuǎn)化器工作過(guò)程模擬催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率是運(yùn)行參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)的復(fù)雜函數(shù)。 如果催化轉(zhuǎn)

5、化器的研究和設(shè)計(jì)僅依賴經(jīng)驗(yàn)方法，這不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且也很難設(shè)計(jì)出令人滿意的產(chǎn)品。 如果能建立一個(gè)通用的數(shù)學(xué)模型，可方便、快捷地了解催化轉(zhuǎn)化器工作過(guò)程的各個(gè)細(xì)節(jié)以及各種參數(shù)之間的相互影響，從而有力地促進(jìn)催化轉(zhuǎn)化器的研究與設(shè)計(jì)。因此，在模型中需要考慮六種物質(zhì)，其中的反應(yīng)如下:這里將圓柱蜂窩載體簡(jiǎn)化成軸對(duì)稱的二維模型，見(jiàn)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(xué)反應(yīng)熱量， 表示氣體與載體表面的對(duì)流傳熱量。六、三效催化轉(zhuǎn)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(dòng)階段:在保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的前提下，一般采用較小的空燃比，較小的點(diǎn)火提前角

6、和較高的暖機(jī)轉(zhuǎn)速，以產(chǎn)生較高的排氣溫度，使三效催化轉(zhuǎn)化器盡快起燃。()怠速工況:為保證三效催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率，就要把空燃比控制在化學(xué)計(jì)量比附近，并采用較小的點(diǎn)火提前角和較高的怠速轉(zhuǎn)速，以保證排氣溫度高于催化器的起燃溫度。 而無(wú)催化器的電控系統(tǒng)一般追求怠速的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。()穩(wěn)態(tài)工況:中小負(fù)荷時(shí)，要實(shí)現(xiàn)空燃比中值和波動(dòng)的控制，涉及氧傳感器中值電壓修正和空燃比波動(dòng)頻率、幅值的調(diào)節(jié)。 大負(fù)荷時(shí)，要對(duì)空燃比進(jìn)行加濃，以獲得好的動(dòng)力性，但在有催化器時(shí)，還要兼顧利用加濃的空燃比來(lái)降低排氣溫度，以防止催化轉(zhuǎn)化器過(guò)熱。()加減速等過(guò)渡工況:涉及加速變濃、減速變稀和減速斷油等工況的標(biāo)定，要兼顧良好的過(guò)渡性能

7、和排放性能。 特別是在減速過(guò)程中，更要嚴(yán)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(guò)熱。. 三效催化器與排氣系統(tǒng)的匹配排氣系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響主要是通過(guò)壓力波對(duì)排氣干擾而產(chǎn)生的，其影響程度隨排氣管長(zhǎng)度而變化。 而催化器的安裝位置會(huì)顯著影響排氣系統(tǒng)的這種波動(dòng)效應(yīng)，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。 因此，在采用催化器時(shí)必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以達(dá)到催化器與排氣系統(tǒng)的良好匹配。 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。. 催化器與燃料及潤(rùn)滑油的匹配催化器與燃料及潤(rùn)滑油的匹配是指，對(duì)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

8、劣化性好的催化劑。 另外，催化器與排放法規(guī)之間也應(yīng)有合理的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 如僅滿足以 和 為控制目標(biāo)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(cè)試程序，應(yīng)選用空速特性好的催化器。 實(shí)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(dāng)時(shí)的排放法規(guī)。 因?yàn)榇呋餍阅茉胶?，往往是貴金屬含量越高，因而成本越高。稀薄燃燒技術(shù)是降低 排放的有效手段。 所謂稀薄燃燒指發(fā)動(dòng)機(jī)在空燃比大于化學(xué)計(jì)量比的條件下運(yùn)行，其排放尾氣與普通發(fā)動(dòng)機(jī)有相似的化學(xué)成分，但其中還原性及氧化性氣體的相對(duì)含量不同于普通發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣，因而其排放尾氣的凈化處理技術(shù)有明顯區(qū)別。 采用稀薄

9、燃燒技術(shù)，可提高燃料的利用率，從而提高燃料的經(jīng)濟(jì)性， 減少、 排放濃度，在一定空燃比范圍內(nèi)， 和 也有所減少，但 的濃度卻明顯升高，導(dǎo)致 的轉(zhuǎn)化效率會(huì)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(shù)的關(guān)鍵所在。 目前針對(duì)稀燃催化技術(shù)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(lái)采用的催化劑涂層等，但都因?yàn)榭杖急鹊牟僮鞔翱谔?，要求燃油?含量較低，因此難以廣泛應(yīng)用。一、反應(yīng)原理. 吸附還原催化的工作原理. 吸附還原催化反應(yīng)機(jī)理) 的吸附機(jī)理在吸附階段，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在稀薄燃燒狀態(tài)，空燃比要大于理論空燃比，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣處于富氧狀態(tài)， 被吸附于吸附劑上。 吸附還原催化轉(zhuǎn)化器稀

10、燃吸附時(shí)的主要化學(xué)反應(yīng)可以認(rèn)為有兩個(gè)步驟:第一步:稀燃時(shí) 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(yīng)生成() 的反應(yīng)如下: () 的凈化還原機(jī)理在凈化還原階段，發(fā)動(dòng)機(jī)處于濃燃狀態(tài)，空燃比小于理論空燃比，在此過(guò)程中被吸附的 首先被釋放，然后在還原劑的作用下反應(yīng)生成，從而實(shí)現(xiàn)凈化還原。 吸附還原催化轉(zhuǎn)化器濃燃凈化還原時(shí)的主要化學(xué)反應(yīng)可以認(rèn)為有兩個(gè)步驟:第一步:被吸附的 在濃燃階段脫附。 化學(xué)反應(yīng)為:() 第二步: 的凈化。 與三效催化轉(zhuǎn)化

11、器中的還原機(jī)理一樣， 在還原劑 、的作用下被還原為無(wú)害的氮?dú)?，具體化學(xué)反應(yīng)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(shí)的 儲(chǔ)存能力非常關(guān)鍵，當(dāng)排氣中 濃度低于時(shí)， 儲(chǔ)存量急劇下降。 儲(chǔ)存單元堿度越高，儲(chǔ)存的 量就越大，但這將降低 的活性，尤其是 的轉(zhuǎn)化率，因此在應(yīng)用這種催化器時(shí)，應(yīng)優(yōu)化其含堿量。 此外，貴金屬 顆粒的大小對(duì) 轉(zhuǎn)化率影響顯著， 尺寸越小，其活性越大，則的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化效率較高，還原劑與 的最佳摩爾比應(yīng)選為。硫中毒是造成吸附還原催化器失活的最主要因素，當(dāng)燃料含硫量較多

12、時(shí)， 還原效率會(huì)急劇下降， 因?yàn)榱蚧镌诖呋鞅砻嫘纬梢粚硬荒艽┩傅牧蛩猁}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(shù)匹配控制及性能吸附還原催化器的吸附能力是有限的，當(dāng)催化器在稀燃工況下連續(xù)運(yùn)行時(shí)，吸附量將達(dá)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，可以在催化器后安裝氧傳感器，檢測(cè) 還原過(guò)程是否結(jié)束，從而使 排放和燃油經(jīng)濟(jì)性都達(dá)到最優(yōu)。熱反應(yīng)器一般采用耐熱耐腐蝕的不銹鋼制成，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖-。熱反應(yīng)器由殼體、外筒和內(nèi)筒三層構(gòu)成，中間加保溫層，使內(nèi)部保持高溫。 熱反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)部的溫度可高達(dá) 。 同時(shí)在緊靠排氣門處噴入空氣(即二次空氣)，以保證 和 氧化反應(yīng)的進(jìn)行。 進(jìn)行氧化反應(yīng)的溫度應(yīng)高于， 進(jìn)行完全反應(yīng)的溫度應(yīng)至少超過(guò)。 熱反應(yīng)器必須為熱反應(yīng)提供必要的反應(yīng)條件，通常在濃混合氣工作條件下，熱反應(yīng)器產(chǎn)生大于 的高溫。通入二次空氣時(shí)， 和 的轉(zhuǎn)化率最高，但會(huì)使燃油經(jīng)濟(jì)性惡化。 對(duì)于稀混合氣工作的汽油機(jī)，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(yīng)器對(duì) 和 的轉(zhuǎn)化率可達(dá)?？諝鈬娚渚褪菍⑿迈r空氣噴射到排氣門的后面，使尾氣中的 化合物和 在排