《现代汽车排放与控制技术》第七章 汽车排放后处理技术
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汽车排放与控制
第七章 汽车排放后处理技术
学习目标
掌握汽油车的后处理技术。主要包括三元催化器的结 构、原理和工作特点，对于稀薄燃烧的汽油车，后处理技 术是稀燃NOx催化转化器。理解柴油车的后处理技术的技 术路线。掌握柴油车的后处理技术，主要包括：氧化催化 器、微粒捕集器、选择性催化转化器、氮氧化物净化技术、 非选择性还原催化剂等。
CO(NH2)2＋H2O
2NH3＋CO2
NH3的功能是作为选择性催化还原反应中的还原剂， 还原NOx，效率在80%～90%之间或更高，如式（4-12）所 示：
NH3＋NOx＋O2
N2＋H2O
7.2.3 新型后处理技术
1) 纳米金催化剂 2) 电加热转化器(Electric heat converter)。 3) 紧耦合催化器（Close-coupled Catalysts, CCC） 4）HC吸附型三元催化器 5）车用单Pd三元催化剂 6）催化器结构的改进 7） 快速起燃氧传感器 8） 汽车排放的替代催化技术—— PremAir技术
1．三元催化转化器的结构及原理
催化剂可以提高化学反应速度以及降低反应的起始温 度，而本身在反应中并不消耗。催化转化器是目前各类排 气后处理技术中应用最广泛的技术。
三元催化器的结构组成一般基本包括三部分：壳体、 减振密封垫、陶瓷载体及催化剂，如图7-2所示。
图7-2 催化转化器的基本结构
壳体由不锈钢板材制 成，以防因氧化皮脱落造 成催化剂的堵塞。为保证 催化器的反应温度以及减 小对外热辐射，许多催化 器的壳体做成双层结构。 为减少催化器对车底板的 高温辐射或防止进入加油
1 NOx吸附还原法（NSR）
为了能有效地净化稀燃烧汽车尾气中的NOx，人们提出 了所谓的NOx吸附还原法，其原理如图7-10所示。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
当发动机在稀燃烧状态下工作时，即在过量氧的情况 下，形成氧化气氛，将NO与O2在Pt作用下氧化生成NO2，并 以硝酸盐(NO3-)的形式被吸附在碱土金属表面。
图7-10 吸附还原催化剂的工作原理
为保证催化剂能在稀—
浓交替的气氛中工作，而
又不影响发动机的动力经
济性，发动机控制方式的
一例如图7-11所示。即每
隔50～60s，由ECU自动控
制节气门减小开度，使空
燃比由23变到10，同时点
火提前角也由上止点前35º
变为上止点前5º。
图7-11 吸附还原催化剂的空燃比 控制方法
一期间持续5～10s，也称为催化剂的再生过程，也可 将再生过程设定在怠速时，因这时转速低，可以得到高的 NOx还原效果。再生过程尽管会对发动机性能产生负面影 响，但由于时间很短，并通过合理调节，燃油经济性的恶 化可控制在1％以下。
• 知识要点
三元催化转化器，稀燃NOx催化转化器和新型的后处理 技术。
主要汽车公司后处理技术的发展过程、主要技术路线。 氧化催化转化器、微粒捕集器、选择性催化转化器等。
7.2、汽油车排气后处理技术
7.2.1 三元催化转化器
所谓三元型催化转化器是指汽车废气只要通过转化器 本身，就可同时将废气中的三种主要有害物质CO、HC和 NOx转化为无害物质的一种高效率后处理装置。三元催化 转化器的净化效率十分高，与电子控制汽油喷射相结合， 可以净化90%以上的有害物质，是现代轿车上一种标准装 置。
从上面的反应可以看出：
（1）上面最后一个反应生成氨是不希望的，应通过催 化剂材料的合理选择加以避免。
（2）必须严格控制汽油的喷射量。因为NOx在催化器中 的还原需要CO、H2和HC作为还原剂，所以如果排气中氧气 过量，这些还原剂首先和氧反应，则NOx的还原反应就不 能进行。而如果空气不足即氧浓度不足时，CO和HC就不能 被完全氧化，所以必须严格控制汽油的喷射量，才能确保 排气中氧浓度为一定值，保证排气中NOx、HC、CO的浓度 成一定比例，这样这三种有害排放才能被同时高效清除。
2 催化转化法
较为理想的措施就是使用催化剂直接分解NOx，如式 （4-8）所示：
NO
N2＋O2
但目前没有这样的催化剂，所以只能利用车上的燃油产 生的HC选择性的催化降低NOx。其主要的反应见式（4-9）和 式（4-10）
HC＋NOx＋O2
CO2＋H2O＋N2
HC＋O2
CO2＋H2O
还有一种方式就是选择性催化还原方式。由于利用 燃油不能产生足够的HC，可以采用NH3作还原剂，这种方 法就是选择性催化还原法。尿素的水溶液可以看作是NH3 的载体，它在排气系统中水解，如式（4-11）所示：
站时催化器炽热表面引起火灾，以及避免路面积水飞溅对 催化器的激冷损坏和路面飞石造成的撞击损坏，壳体外面 还装有半周或全周的隔热罩。
三元催化反应器的主要原理是利用排气自身的组分 的化学特点来促成反应，即排气中的HC和CO的还原性比 较强，而排气中的NOx有一定的氧化性，在催化剂的作用 下，这三者可发生氧化还原反应，使HC和CO氧化为H2O和 CO2，使NOx还原为N2。在三元催化反应器中，铂（Pt） 主要催化HC和CO的氧化反应，铑（Ph）催化NOx的还原反 应。
2 三元催化转化器的工作特点: （1）催化剂转化效率的高低与温度有密切关系。
(2）催化剂转化效率与空燃比密切相关。 （3）催化剂对燃油和润滑油品质提出要求。
图7-4 起燃温度特性
图7-5 空燃比特性
在实际使用中为使催化 剂能保持在这个高效窗口 内工作，就是采用根据氧 传感器的信号来控制空燃 比的闭环电子控制燃油供 给系统。如图7-6所示。
图7-6 闭环电控系统与三元催化器
（3）催化剂对燃油和润滑油品质提出要求。燃料和润 滑油中的Pb、S和P会引起催化剂中毒，因此它只能适 用于无铅汽油。
3 影响三元催化剂寿命的因素 1)热失活 2)化学中毒 3)机械损伤 4)催化剂结焦
7.3.3 稀薄燃烧NOx催化转化器
稀薄燃烧尾气中含大量的O2，使得原有的三元催化剂 对NOx的净化效率大大降低，几乎不起净化作用，无法满 足排放法规要求。日本和欧洲已进行了稀燃发动机排放处 理催化剂的开发研究。富氧条件下，NOx的消除是一项具 有相当难度的工作，是当今世界环保最具挑战性的课题之 一。
第七章 汽车排放后处理技术
学习目标
掌握汽油车的后处理技术。主要包括三元催化器的结 构、原理和工作特点，对于稀薄燃烧的汽油车，后处理技 术是稀燃NOx催化转化器。理解柴油车的后处理技术的技 术路线。掌握柴油车的后处理技术，主要包括：氧化催化 器、微粒捕集器、选择性催化转化器、氮氧化物净化技术、 非选择性还原催化剂等。
CO(NH2)2＋H2O
2NH3＋CO2
NH3的功能是作为选择性催化还原反应中的还原剂， 还原NOx，效率在80%～90%之间或更高，如式（4-12）所 示：
NH3＋NOx＋O2
N2＋H2O
7.2.3 新型后处理技术
1) 纳米金催化剂 2) 电加热转化器(Electric heat converter)。 3) 紧耦合催化器（Close-coupled Catalysts, CCC） 4）HC吸附型三元催化器 5）车用单Pd三元催化剂 6）催化器结构的改进 7） 快速起燃氧传感器 8） 汽车排放的替代催化技术—— PremAir技术
1．三元催化转化器的结构及原理
催化剂可以提高化学反应速度以及降低反应的起始温 度，而本身在反应中并不消耗。催化转化器是目前各类排 气后处理技术中应用最广泛的技术。
三元催化器的结构组成一般基本包括三部分：壳体、 减振密封垫、陶瓷载体及催化剂，如图7-2所示。
图7-2 催化转化器的基本结构
壳体由不锈钢板材制 成，以防因氧化皮脱落造 成催化剂的堵塞。为保证 催化器的反应温度以及减 小对外热辐射，许多催化 器的壳体做成双层结构。 为减少催化器对车底板的 高温辐射或防止进入加油
1 NOx吸附还原法（NSR）
为了能有效地净化稀燃烧汽车尾气中的NOx，人们提出 了所谓的NOx吸附还原法，其原理如图7-10所示。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
当发动机在稀燃烧状态下工作时，即在过量氧的情况 下，形成氧化气氛，将NO与O2在Pt作用下氧化生成NO2，并 以硝酸盐(NO3-)的形式被吸附在碱土金属表面。
图7-10 吸附还原催化剂的工作原理
为保证催化剂能在稀—
浓交替的气氛中工作，而
又不影响发动机的动力经
济性，发动机控制方式的
一例如图7-11所示。即每
隔50～60s，由ECU自动控
制节气门减小开度，使空
燃比由23变到10，同时点
火提前角也由上止点前35º
变为上止点前5º。
图7-11 吸附还原催化剂的空燃比 控制方法
一期间持续5～10s，也称为催化剂的再生过程，也可 将再生过程设定在怠速时，因这时转速低，可以得到高的 NOx还原效果。再生过程尽管会对发动机性能产生负面影 响，但由于时间很短，并通过合理调节，燃油经济性的恶 化可控制在1％以下。
• 知识要点
三元催化转化器，稀燃NOx催化转化器和新型的后处理 技术。
主要汽车公司后处理技术的发展过程、主要技术路线。 氧化催化转化器、微粒捕集器、选择性催化转化器等。
7.2、汽油车排气后处理技术
7.2.1 三元催化转化器
所谓三元型催化转化器是指汽车废气只要通过转化器 本身，就可同时将废气中的三种主要有害物质CO、HC和 NOx转化为无害物质的一种高效率后处理装置。三元催化 转化器的净化效率十分高，与电子控制汽油喷射相结合， 可以净化90%以上的有害物质，是现代轿车上一种标准装 置。
从上面的反应可以看出：
（1）上面最后一个反应生成氨是不希望的，应通过催 化剂材料的合理选择加以避免。
（2）必须严格控制汽油的喷射量。因为NOx在催化器中 的还原需要CO、H2和HC作为还原剂，所以如果排气中氧气 过量，这些还原剂首先和氧反应，则NOx的还原反应就不 能进行。而如果空气不足即氧浓度不足时，CO和HC就不能 被完全氧化，所以必须严格控制汽油的喷射量，才能确保 排气中氧浓度为一定值，保证排气中NOx、HC、CO的浓度 成一定比例，这样这三种有害排放才能被同时高效清除。
2 催化转化法
较为理想的措施就是使用催化剂直接分解NOx，如式 （4-8）所示：
NO
N2＋O2
但目前没有这样的催化剂，所以只能利用车上的燃油产 生的HC选择性的催化降低NOx。其主要的反应见式（4-9）和 式（4-10）
HC＋NOx＋O2
CO2＋H2O＋N2
HC＋O2
CO2＋H2O
还有一种方式就是选择性催化还原方式。由于利用 燃油不能产生足够的HC，可以采用NH3作还原剂，这种方 法就是选择性催化还原法。尿素的水溶液可以看作是NH3 的载体，它在排气系统中水解，如式（4-11）所示：
站时催化器炽热表面引起火灾，以及避免路面积水飞溅对 催化器的激冷损坏和路面飞石造成的撞击损坏，壳体外面 还装有半周或全周的隔热罩。
三元催化反应器的主要原理是利用排气自身的组分 的化学特点来促成反应，即排气中的HC和CO的还原性比 较强，而排气中的NOx有一定的氧化性，在催化剂的作用 下，这三者可发生氧化还原反应，使HC和CO氧化为H2O和 CO2，使NOx还原为N2。在三元催化反应器中，铂（Pt） 主要催化HC和CO的氧化反应，铑（Ph）催化NOx的还原反 应。
2 三元催化转化器的工作特点: （1）催化剂转化效率的高低与温度有密切关系。
(2）催化剂转化效率与空燃比密切相关。 （3）催化剂对燃油和润滑油品质提出要求。
图7-4 起燃温度特性
图7-5 空燃比特性
在实际使用中为使催化 剂能保持在这个高效窗口 内工作，就是采用根据氧 传感器的信号来控制空燃 比的闭环电子控制燃油供 给系统。如图7-6所示。
图7-6 闭环电控系统与三元催化器
（3）催化剂对燃油和润滑油品质提出要求。燃料和润 滑油中的Pb、S和P会引起催化剂中毒，因此它只能适 用于无铅汽油。
3 影响三元催化剂寿命的因素 1)热失活 2)化学中毒 3)机械损伤 4)催化剂结焦
7.3.3 稀薄燃烧NOx催化转化器
稀薄燃烧尾气中含大量的O2，使得原有的三元催化剂 对NOx的净化效率大大降低，几乎不起净化作用，无法满 足排放法规要求。日本和欧洲已进行了稀燃发动机排放处 理催化剂的开发研究。富氧条件下，NOx的消除是一项具 有相当难度的工作，是当今世界环保最具挑战性的课题之 一。