第4章 汽油机后处理净化技术

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三元催化转化器基本构造
壳体
垫片
三元催化转化器 主要由壳体、垫片 和涂敷催化剂的载 体构成
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涂敷催化剂的载体
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1.壳体
催化转化器壳体是催化转化器系统的支撑体。壳体通常 由奥氏体或铁素体镍镉耐热不锈钢板材做成双层结构， 以防氧化皮脱落造成催化剂的堵塞。催化转化器的壳体 作成双层结构，用来保证催化剂的反应温度。 为了减少催化转化器对汽车底板的高温辐射，避免路面 积水飞溅对催化转化器的激冷损坏以及路面飞石造成的 撞击损坏，壳体外面还装有半周或全周的隔热罩。 壳体的形状设计，要求尽可能减少流经催化转化器气流 的涡流和气流分流现象，使废气尽可能均匀分布在载体 太原理工大学车辆工程系 的端面上，使附着在载体上的活性涂层可能承担相同的 废气注入量，让所有的活性涂层都能对废气产生加速反 应的作用，以提高催化转化器的转换效率和使用寿命。
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三元催化剂的外形种类：
按横截面分 1.圆形
2.球场形
3.椭圆形
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三元催化剂的外形种类：
按目数分： 400目、600目等
目数：每平方英 尺孔的数量
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催化剂包括载体、涂层和活性组分。
蜂窝状整体式载体：排气阻力小、机械强度大、热稳定性好 和耐冲击。其基质有两大类，陶瓷和金属。 蜂窝陶瓷载体：本身比表面积很小，常在其壁上涂覆一层多孔性 物质，以提高载体的比表面积。 蜂窝金属载体：涂底层的方法并不适用，通常采用刻蚀和氧化的 方法在金属表面形成一层氧化物，在此氧化物表面上浸渍具有催 化活性的物质。
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三效催化转化器是目前应用最多的废气后处理净化技术
目前，电子控制汽油喷射加三效催化转化器已 成为国内外汽油车排放控制技术的主流。
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H 2O CO2 HC CO NOx N2
CO HC NOx CO2 H2O N2
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专门对发动机排气进行后处理的方法是将净化装臵 串接在发动机的排气系统中，在废气排入大气前， 利用净化装臵在排气系统中对其进行处理，以减少 排入大气的有害成分。在发达国家，车用汽油机采 用后处理装臵较多。这些装臵主要有三元催化转化 器、热反应器和空气喷射器等。目前，在发达国家 生产的汽油车几乎都装备了三效催化转化器，并已 有二十多年的商业化应用历史。随着我国经济的高 速发展，城市机动车辆日益增多，其废气已严重污 染了大气环境，对三效催化转化器的需求将更为迫 切。
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催化剂涂覆示 意图
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三效催化转化器的基本结构
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4.2.2 催化剂的种类
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TWC
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4.2.1 三效催化转化器的基本构造 三效催化转化器是 由壳体、垫层、载 体及催化剂四部分 构成的，如图所示 。其中催化剂是指 催化活性组分和涂 层的合称，它是整 个催化转化器的核 心部分，决定着催 太原理工大学车辆工程系 化转化器的主要性 能指标。
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三元催化器将汽车排气系统中的 有害物质碳氢化合物、一氧化碳 太原理工大学车辆工程系 和氮氧化物转化为水蒸气、二氧 化碳和氮气。
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三元催化器的位置
催化转换器安装在排气歧管之后、排气消声器之前的排气 管中。其作用是利用催化剂（通常是金属铂、钯和铑；稀土材 料。）的作用将排气中的CO、HC和NOx转换为对人体无害的 气体。催化转换器有氧化催化转换器和三元催化转换器。氧化 转换器只将排气中的CO、HC氧化成CO2和H2O，又称为二元 催化转换器，必须提供二次空气作为氧化剂。三元催化转换器 可以同时降低CO、HC和NOx的排放。它可以以排气中的CO 和HC作为还原剂，将NOx还原成氮气（N2）和氧气（O2）， 而CO和HC则被氧化为CO2和H2O。当空燃比在理论空燃比 太原理工大学车辆工程系 （14.7）附近时，氧化-还原反应达到平衡， CO、HC和NOx 的排放同时达到最低。
1. 铑（Rh）： 铑是三效催化剂中控制氮氧化物的主 要成分，这种高活性与其能有效地分解NO分子有关。 在催化转化器中，铑的典型用量是0.18~0.3g。
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不锈钢外壳催化转化器
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2. 垫层
垫层是由软质耐热材料制成，一般有陶瓷密封垫层 和钢丝网两种，加在载体与壳体之间，起到减振、 缓解热应力、固定载体、保温和密封作用。 陶瓷密封垫层由陶瓷纤维、蛭石以及粘接剂组成。 陶瓷密封垫层在第一次受热时体积明显膨胀，而在 冷却时仅部分收缩，这样就使金属壳体与陶瓷载体 之间的缝隙完全胀死并密封。陶瓷密封垫层的隔热 性、抗冲击性、密封性和高低温下对载体的固定力 太原理工大学车辆工程系 比钢丝网优越，是目前主要的应用垫层。
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4. 涂层
涂层是在载体的表面涂的一层多 孔的活性水洗层，如图所示。涂 层主要由γ-AL2O3构成，具有较 大的比面积（>200m2/g）。它粗 糙多孔的表面可使载体壁面的实 际催化反应表面积大大增加。
涂层表面分散着作为催化活性材料的贵金属，一般为 铂（Pt）、铑（Rh）和钯（Pd），以及铈（Ce）、 钡（Ba）和镧（La）等稀土元素作为助催化剂。催 太原理工大学车辆工程系 化剂的活性及耐久性除与涂层的成分有关外，也与涂 层的制备工艺密切相关。
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壳体材料一般要选取不锈钢和耐热钢： 壳体的型腔要与载体尺寸相配， 过渡部分应合理引导
和分布气体的流动方向，体积较大的壳体在结构上要设 太原理工大学车辆工程系
加强筋以提高刚度。
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太原理工大学车辆工程系 TWC:Three Way Catalytic Converter
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催化转化器的结构（圆形）
减振密封垫 外壳
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载体与催化剂
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蜂窝载体也可以用金属薄板制成。对于金属载体， 通常采用刻蚀和氧化方法，在金属表面形成一层氧 化物，在这种金属氧化物表面上可进一步浸渍具有 催化活性的物质。金属载体还可以加工成网状，并 通过表面氧化处理和催化活性处理，可以得到较高 的催化活性表面，并进一步加工成各种尺寸大小的 丝网，装入催化转化器中。金属丝载体的优点是容 易做成各种形状，并且具有优异的抗冲击弹性，起 燃温度低、起燃速度快。比表面积大、传热快和使 用寿命长，可适应汽车冷启动排放的要求，并可采 太原理工大学车辆工程系 用电加热。但造价高。
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第4章 汽油机后处理净化技术 4.1 4.2 4.3 4.4 概述 三效催化转化器 热反应器与空气喷射 稀薄燃烧汽油机尾气净化技术
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4.1
概
述
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4.2 三效催化转化器
三元催化转化器 是目前应用最多的废 气后处理技术。当发 动机工作时，废气经 排气管进入三效催化 转化器，将废气中对 环境有害的气体转变 太原理工大学车辆工程系 成对环境无害的二氧 化碳和水。
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后处理净化技术
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在尽量不影响发 动机性能的同时，在 排气系统中安装各种 净化装臵，利用净化 装臵在排气系统中对 废气进行处理来降低 最终向大气环境排放 的污染物。
排气系统
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机内净化技术 以改善发动机燃烧过程为主，对降低排 气污染起到很大作用，但不同程度地给汽车 的动力性和经济性带来负面影响。 随着对发动机排放要求的日趋严格，改 善发动机工作过程的难度越来越大，能统筹 兼顾动力性、经济性和排放性能的发动机将 越来越复杂，成本也急剧上升。因此，世界 太原理工大学车辆工程系 各国都先后开发废气后处理净化技术。
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常见载体外形有圆形、椭圆形、三角形和跑道形 等。为了获得较小的流动阻力和较大的几何表面 积，蜂窝载体应向多孔薄壁方向发展，陶瓷蜂窝 载体的孔隙度（单位面积上所开孔的数目）和孔 与孔之间的壁厚是两个重要的参数，对催化剂的 影响很大。为了降低压降、提高传热性能和增大 几何面积，载体采用的孔隙度已从早期的47孔 /cm2到62孔/cm2再到93孔/cm2，孔壁厚也由 0.3mm到0.15mm再到0.1mm。因此在不增加催 化转化器体积的情况下使单位体积的几何表面积 太原理工大学车辆工程系 2 由2.2m /L增加到2.8m2/L再到3.4m2/L，从而大 大提高了净化率。
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催化器使用中，金属外壳的热膨胀系数很大，而陶 瓷载体的热膨胀系数很小，要靠衬垫的膨胀和弹性加以
太原理工大学车辆工程系 缓冲，保证载体不会松动。垫片是催化转化器中保护载
体不受损坏的部分。
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载体主要有颗粒状载体、金属载体、陶瓷蜂窝状载 体三类。 颗粒状载体存在磨损快、阻力大的特点，在汽车催 化器中已不采用。据统计，目前世界上车用催化器 载体的90%是蜂窝整体式陶瓷载体，这种载体是用 堇青石挤压而成的。 堇青石是一种铝镁硅酸盐，其化学组成为 2AL2O3· 2MgO· 5SiO2，熔点在1450℃左右，在 1300℃左右仍能保持足够的弹性，以防止在发动 机正常运转时发生永久变形。堇青石具有热膨胀系 太原理工大学车辆工程系 数低、抗热冲击性在快速加热或冷却时抵抗破裂的 能力好、良好的热稳定性，因而适合汽车排气冷热 骤变的环境。
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概述
三效催化转化器一般采用蜂 窝结构载体，蜂窝表面有涂层和 活性组分，与废气的接触表面积 大，当发动机的空燃比在理论空 燃比附近时，催化剂可将90%的 碳氢化合物和一氧化碳及70%的 氮氧化物同时净化。对我们的环 境保护起到了关键作用。三效催 化转化器发展最快。
3. 载体
载体是承载活性组分的多孔、耐热固体物 质。汽车尾气就是通过与附着在这种载体 表面上的活性催化剂相互作用，加速尾气 中污染物的氧化还原反应从而达到净化尾 气中废气的目的。载体应具有以下性能： ①热稳定性； ②足够的机械强度； 太原理工大学车辆工程系 ③热膨胀系数小。
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