第6章 汽油机后处理净化技术

三效催化器与电控燃油喷射系统的匹配
第6章 汽油机后处理净化技术
三效催化器与排气系统的匹配
1. 排气系统对发动机性能的影响主要 通过压力波对排气干扰产生。
2. 催化器的安装位置显著影响排气系 统波动效应，进而影响发动机动力 性和经济性。
3. 采用催化器时必须对发动机排气系 统重新设计，主要考虑排气总管和 排气歧管的尺寸以及配气相位。
第6章 汽油机后处理净化技术
机内净化技术
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。
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三效催化转化器工作过程模拟
工 作 过 程 动 画
第6章
CO + 0.5O2 → CO2 C3H6 + 4.5O2 → 3CO2 + 3H2O CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O CO + NO → CO2 + 0.5N2 H2 + 0.5O2 → H2O
汽油机后处理净化技术
第6章 汽油机后处理净化技术
稀燃催化技术影响因素分析
吸附还原催化器的影
响因素
硫中毒是造成
吸附还原催化器失活的最主要
因素，当燃料含硫量的较多时
，NOx还原效率会急剧下降, 因为硫化物在催化器表面形成
一层不能穿透的硫酸盐表面层
，从而使NOx不能再被吸收， 造成催化器中毒老化而失效。
选择还原催化器
的影响因素
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表面反应过程
总量反应：
反
CO氧化反应 CO + 0.5O 2 → CO 2 部分CO可通过水煤气反应：
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
应
2H 2 + O 2 → 2H 2 O 总量反应：
HC氧化反应 CmHn + (m+0.25n)O 2 →
机
mCO 2 + 0.5nH 2 O
稀燃技术反应机理
吸附还原催化器
稀燃 技术 反应 机理
选择还原催化器
NOx吸附还原催化 转化器的工作原理
NOx吸附还原催化 转化器的反应原理
HC-SCR选择还原催化 转化器的工作原理
HC-SCR选择还原催化 转化器的反应原理
第6章 汽油机后处理净化技术
NOx吸附还原催化器工作原理
• 当汽油机在稀燃(富氧)状态下运转时，汽油机排出 氮氧化物NOＸ (主要为NO)，在贵金属Ｂ(主要是Pt) 作用下NO氧化，转化为NO２，NO２再与在贵金属B 的催化剂中加入的碱或碱上金属M(主要是Na＋,K＋ 和Ba２＋ )氧化物作用生成硝酸盐，暂存储于稀燃催 化器中以达到吸附NOＸ的目的(吸附阶段)；
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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三效催化转化器的基本结构
三效催化转化器 由壳体、垫层和 催化剂组成，其 中，催化剂包括 载体、涂层和活 性组分。
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三元催化转化器结构
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催化反应机理
有催化剂参与的化学反应就称为催化反应。固 体催化剂对气态或液态反应物所起的催化作用 属多相催化，车用催化剂就是此类型的催化。
发动机排放污染及控制
主讲人 龚金科等
2020年3月21日
第6章 汽油机后处理净化
6.1 概述 6.2 三效催化转化器 6.3 稀燃技术 6.4热反应器和空气喷射
第6章 汽油机后处理净化技术
概述：主要内容
介绍了三效催化转化器的基本结 构工作原理、催化反应机理、性 能指标和催化剂及其劣化机理。
分析介绍了稀燃催化技术的反应 原理、影响因素以及匹配控制及 性能。
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三效催化剂
三效催化剂是三效催化转化器的核心部分，它决定了三效催化转
化器的主要性能指标。
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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HC-SCR选择还原催化转化器反应机理
将NO氧化为NO2，NO的氧化反应方程式： 2NO+O2→2NO2
与NOx反应生成N2的HC部分氧化反应表达式： NO2+HC→[X]+nH2O
将NO2还原成为N2反应方程式： [X]+NO→N2+CO+mH2O；[X] +NO2→N2+CO+mH2O 2CO+O2→2CO2
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选择还原催化器匹配控制
1.控 制 空 速 、 汽 油 机 在 不 同 负 荷 工况下，催化器的空速变化范围 很大。 2.控制混合气浓度比、NOx与还 原性物质HC的摩尔比可以调节 NOX转化效率
选择还原催化器 匹配控制问题
第6章 汽油机后处பைடு நூலகம்净化技术
6.5 热反应器和空气喷射
第6章 汽油机后处理净化技术
后处理净化技术
排气系统
在尽量不影响发动 机性能的同时，在 排气系统中安装各 种净化装置，利用 净化装置在排气系 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。
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概述
三效催化转化器是目前应用最多的废气后处理净化技术。
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。
理
NOX净化还原机理
NOX的净化: 4C3H6+18NO2→12CO2+12H2O+
9N2
4CO+2NO2→4CO2+N2
两种反应机
理
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HC-SCR选择还原催化器工作原理
• 在稀薄燃烧状态下去除NOx的另 一种方法是选择催化还原 (Seleative Catalytic Reduction, SCR)，该方法采用选择性较强的 NH3作为还原剂(NH3 Seleative Catalytic Reduction, NH3-SCR) ，主要应用于柴油机的NOx排放 控制上。另一种受到国内外研究 者普遍关注的是以HC作还原剂 的选择催化还原法（HC Seleative Catalytic Reduction, HC-SCR），它可以像NH3以喷 射的方式加入还原剂，也可以利 用排放尾气中存在的微量HC还 原
排气系统如何匹配
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催化器与燃料及润滑油的匹配 催化器与燃料及润滑油的匹配
选用抗中毒劣化性好的催化剂。
催化器与排放法规之间也应有合理的对应关系
催化器性能越好，贵金属含量越高，成 本越高，应更注重催化器性能恰好满足 当时排放法规。
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6.3 稀燃催化技术
coi—排污染物i在催化器出口处的浓度或体积分数。
转化效率的 计算公式
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或的
空燃比特性
转化效率随α或Фa的变化称为催化器的空燃比特性
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起燃特性
催化剂只有达到一定图6温-7 三度效催化才剂的能起然开温度特始性 工作，称为起燃。
第6章 汽油机后处理净化技术
第6章 汽油机后处理净化技术
空气喷射
将新鲜空气喷射到排气门后，使尾气中的HC和 CO在排气管内与空气混合，继续氧化，又称 二次空气法。
1-吸气阀；2-空气滤清器；3-进气管；4-喷嘴
空气喷射装置
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思考题
思考题
1 三效催化转化器的组成及催化反应机理是什么？ 2 三效催化转化器的性能指标及转化效率的影响因素有哪些？ 3 吸附还原催化技术的影响有哪些？
热反应器
1-外筒；2-内孔；3-壳体； 4-排气口；5-空气喷射孔
图6-12 热反应器
热反应器作用是使尾气 中未燃的碳氢化合物和 一氧化碳在热反应器中 保持高温，使之得到充 分氧化从而降低其排放 量。
热反应器是 安装在排气 管出口处的！
1-外筒；2-内孔；3-壳体； 4-排气口；5-空气喷射孔
热反应器
1) 温度影响 2) 还原剂浓度和氧浓度 的影响 3) 活性金属含量的影响
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稀然技术的匹配控制与性能
吸附还原催化器匹配控制吸附还原催化器应用的关键问
题在于采用合适的空燃比控制策略，使NOX 转换效率最高， 燃油消耗量最小。为保证发动机的动力性与经济性，在调节 空燃比的同时，也应该相应改变点火提前角。
催化剂涂覆示意图
第6章
汽油机后处理净化技术
活性组分 载体 涂层
活性组分
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三效催化剂劣化机理
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三效催化转化器的性能指标
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转化效率
ηi
cii coi cii
100%
η(i)—排气污染物i在催化器中的转化效率；
cii—排气污染物i在催化器进口处的浓度或体积分数；
空速特性
空速(SV)：
SV=qv / Vcat
Vcat=(0.5~1)Vst
空速的大小表示了反应气体在催化剂中的停
留时间(tr)： tr =ε/sV
贵金属用量mpm：mpm =(1.0~2.0) Vcat
我们来了 解空速特
性！
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流动特性
对扩张管的形状、结构进行优化设计是改善催化 转化器流动均匀性的一种有效方法。
催化反应过程
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吸附过程
吸附作用是一种或数种物质的原子、分子或 离子附着在另一种物质表面上的过程。
三效催化剂上发生 化学吸附的一般吸
附方程式：
A为吸附质分子（CO、HC或NOX） s为活性中心（或催化中心） A(s)为在吸附表面上形成的表面络合物 H(s)和O(s)分别为氢原子和氧原子吸附在活性中心形成的表面络合物
必要条件：高温和具备化学还原剂
总量反应：
理
NO还原反应 NO + CO → 0.5N 2 + CO 2 NO + H 2 → 0.5N 2 + H 2 O
(2m+0.5n)NO + CmHn
→ (m+0.25n)N 2 + 0.5nH 2 O + mCO 2
三种反应
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脱附过程
：
三效催化转化器工作过程
蜂窝载体简化成轴对称 的二维模型
催化转化器工作过程的原理图
总体反应速率 RSi
1 RSi
1 Rmi
1 RCi
温度低时，总体的催化反应 速度几乎完全取决于化学反 应速度；
温度高时，总体催化反应速 度几乎完全取决于传质速率。
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三效催化转化器的匹配
第6章 汽油机后处理净化技术
第6章 汽油机后处理净化技术
NOx吸附还原催化转化器反应机理
稀燃时NO在贵金属B(Pt)作用下
反
NOX吸附机理
首先被氧化为NO2： NO+ O2→NO2
在富氧条件下 NO2与BaO反应生
应
成Ba(NO3)2的反应： NO2 + BaO + O2→Ba(NO3)2
机
被吸附的NOX在浓燃阶段脱附：
2Ba(NO3)2→2BaO+4NO2+O2
脱附： 表面反应完成后，生成的反应分子从催化剂表面的活性中心脱离 出来，为表面反应的继续进行空出活性位，这个过程称为脱附。
脱
B(s) → B + s
附 方
H(s) + H(s) → H2 + s + s
程
O(s) + O(s) → O2 + s + s
式
B为反应产物分子 s为活性中心（或催化中心） B(s)为在吸附在催化剂上形成的表面络合物
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同时排气中的HC和CO被直接氧化成H2O和和CO2 ，并排出稀燃催化转化器；当汽油机短暂地进入 浓混合气状态下运转时，排气中产生足够多的还 原剂(如HC、CO、H2等)，形成还原气氛，此时发 动机处于浓燃(贫氧)状态下，以硝酸盐形式暂存储 于稀燃催化器中的硝酸盐不稳定，分解并且释放 出NO2，与还原气体CO、 HC、 H2等反应，生成 无害的Ｎ2、CO2和水。