第6章車用汽油機(jī)后處理凈化

第1章緒論第2章汽車排放污染物的生成機(jī)理和影響因素第3章汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排放特性第4章車用汽油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化第5章車用柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化第6章車用汽油機(jī)后處理凈化

《汽車排放污染及控制》目錄

第7章車用柴油機(jī)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(cè)試第11章排放標(biāo)準(zhǔn)《汽車排放污染及控制》目錄6.1概述6.2三元催化轉(zhuǎn)化器6.3熱反應(yīng)器6.4空氣噴射第6章車用汽油機(jī)后處理凈化

第6章車用汽油機(jī)后處理凈化介紹了車用汽油機(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(duì)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(guò)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(wèn)題。第6章車用汽油機(jī)后處理凈化概述：主要內(nèi)容以改善發(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。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，利用凈化裝置在排氣系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行處理。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

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章車用汽油機(jī)后處理凈化三效催化轉(zhuǎn)化器的載體一般采用蜂窩結(jié)構(gòu)，蜂窩表面有涂層和活性組分，與廢氣的接觸表面積非常大，凈化效率高，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比在理論空燃比附近時(shí)，三效催化劑可將90%的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸技?0%的氮氧化物同時(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(guó)內(nèi)外汽油車排放控制技術(shù)的主流。三效催化轉(zhuǎn)化器的基本結(jié)構(gòu)三效催化轉(zhuǎn)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(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(duì)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化。催化反應(yīng)過(guò)程

吸附過(guò)程表面反應(yīng)過(guò)程脫附過(guò)程第6章車用汽油機(jī)后處理凈化吸附過(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。三效催化劑上發(fā)生化學(xué)吸附的一般吸附方程式：

A為吸附質(zhì)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(luò)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(luò)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(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→0.5N2+CO2NO+H2→0.5N2+H2O(2m+0.5n)NO+CmHn→(m+0.25n)N2+0.5nH2O+mCO2表面反應(yīng)過(guò)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+0.5O2→CO2部分CO可通過(guò)水煤氣反應(yīng)：CO+H2O→CO2+H22H2+O2→2H2O總量反應(yīng)：CmHn+(m+0.25n)O2→mCO2+0.5nH2O反應(yīng)機(jī)理第6章車用汽油機(jī)后處理凈化脫附過(guò)程B(s)→B+sH(s)+H(s)→H2+s+sO(s)+O(s)→O2+s+sB為反應(yīng)產(chǎn)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(luò)合物脫附：表面反應(yīng)過(guò)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(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。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)。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銠Rh催化氮氧化物還原反應(yīng)的主要成分鉑Pt主要起催化一氧化碳和碳?xì)浠衔锏难趸磻?yīng)的作用鈀Pd催化一氧化碳和碳?xì)浠衔锏难趸磻?yīng)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(jī)后處理凈化三效催化劑劣化機(jī)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(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、活性降低化學(xué)中毒一些毒性化學(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(duì)有害排放物的轉(zhuǎn)化效率降低機(jī)械損傷催化劑及其載體在受到外界激勵(lì)負(fù)荷的沖擊、振動(dòng)乃至共振作用，產(chǎn)生磨損甚至破碎催化劑結(jié)焦簡(jiǎn)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)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轉(zhuǎn)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(guò)量空氣系數(shù)對(duì)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

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的大小表示了反應(yīng)氣體在催化劑中的停留時(shí)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(jī)后處理凈化流動(dòng)特性對(duì)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。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)后處理凈化三效催化轉(zhuǎn)化器工作過(guò)程模擬CO+0.5O2→CO2C3H6+4.5O2→3CO2+3H2OCH4+2O2→CO2+2H2OCO+NO→CO2+0.5N2H2+0.5O2→H2O工作過(guò)程動(dòng)畫化學(xué)反應(yīng)忽略NO20.86C3H6

+0.14CH4代表HC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(guò)程催化轉(zhuǎn)化器工作過(guò)程的原理圖蜂窩載體簡(jiǎn)化成軸對(duì)稱的二維模型：

：

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)反應(yīng)速度；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?？傮w反應(yīng)速率第6章車用汽油機(jī)后處理凈化三效催化轉(zhuǎn)化器的匹配催化器匹配發(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(rùn)滑油整車設(shè)計(jì)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)的匹配冷起動(dòng)階段較小的空燃比較小的點(diǎn)火提前角較高的暖機(jī)轉(zhuǎn)速怠速工況空燃比控制在化學(xué)計(jì)量比附近較小的點(diǎn)火提前角較高的怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)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(lái)降低排溫加減速等過(guò)渡工況兼顧良好的過(guò)渡性能和排放性能第6章車用汽油機(jī)后處理凈化三效催化器與排氣系統(tǒng)的匹配采用催化器時(shí)必須對(duì)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響主要通過(guò)壓力波對(duì)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(rùn)滑油的匹配催化器與燃料及潤(rùn)滑油的匹配催化器與排放法規(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(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)器在排氣道出口處安裝用耐熱材料制造的熱反應(yīng)器，使尾氣中未燃的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸荚跓岱磻?yīng)器中保持高溫并停留一段時(shí)間，使之得到充分氧化從而降低其排放量。

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

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。主動(dòng)式帶空氣泵主要用于化油器式的發(fā)動(dòng)機(jī)被動(dòng)式不帶空氣泵用于控發(fā)動(dòng)機(jī)上第6章車用汽油機(jī)后處理凈化作業(yè):6.1何為后處理技術(shù)？與機(jī)內(nèi)凈化