6第六章内燃机机外净化技术

催化作用的核心
催化剂是一种能改变化学反应速率而本身的质量和组成 在化学反应前后保持不变的物质。 催化剂不能影响化学反应的平衡位置，也不能使热力学 受阻的化学反应得以进行。 催化剂可使热力学允许的反应在适当的化学条件下具有 较低的活化能，从而加速反应的进展。
减小污染物浓度的原理

内燃机的排气成分，与热力学平衡成分有很大不同； 对于CO、HC和NOx等法规限定污染物，可以利用催化反 应加速排气中各成分之间可能进行的化学反应，使其接 近平衡组成，显著减小污染物浓度。
机外净化技术的分类及应用
分 类 处理对象 国外应用现状 汽车已不用，主要 用于摩托车 轿车上已较少，重 型汽油车有应用 已很少用,开发中 NOx HC 应用最广泛，轿车 和轻型车必备装置 少量开始应用 研制开发中 研制开发及中试阶段 基础研究中 法规要求必备装置 法规要求必备装置
热反应器
排 气 后 处 理 汽油机 氧化催化器 还原催化器 ★★ 三效催化器 CO,
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第二节 富氧降NOx催化转化器
一、稀燃汽油机用吸附-还原催化器
稀燃汽油机的优点： 稀燃汽油机可提高燃料的利用率，同时减少CO2的排放。 例如，若将汽油机的过量空气系数从1.0提高到1.5，燃料 消耗可节约15％。排气中CO浓度明显降低，HC有所减少。 NOx排放在过量空气系数 1.1-1.2时达到极大值，此后也逐 渐减少，但仍不能满足严格的法规要求。 由于稀燃汽油机排气中氧含量很高，一般三效催化剂还原 NOx的效率大为降低。因而，近年来对富氧条件下NOx还原 催化剂的研究成为热点。
3、 NO还原机理 供给过量空气时（稀燃点燃式内燃机和压燃机）
在氧化化学还原剂 CO 、 HC 和 H2 的过程中， NO 离解产生的 氧与排气中存在的分子氧之间会发生竞争。如果分子氧 的分压明显高于NO的分压，NO消失的速率会显著下降。
供给不足量空气时（浓混合气）
排气中出现大量化学还原剂，从 NO 离解产生的原子态氮 可以进行更加彻底的还原生成氨：
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第二节 三效催化转化器
二、过量空气系数对三效催化转化器转化效率的影响
当供给发动机的可燃混合气的空燃比严格保持为化学计量比时 （过量空气系数 1.0 ），一种合适的催化剂 ( 称为三效催化剂 ) 可以同时消除三种污染物。

稀混合气(过量空气)：
NO净化效率下降

对浓混合气(过量燃油)： CO和HC氧化效率下降


也可将再生过程设在怠速工况，这时空速小，可以得到较好的 NOx还原效果。
再生过程会影响发动机的燃油经济性，但由于再生相对时间很短 通过优化控制，油耗损失可不超过1％。
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第二节 富氧降NOx催化转化器
一、稀燃汽油机用吸附-还原催化器
吸附-还原催化器的最佳工作温度
吸附- 还原催化器对NOx 的转化效率可达70 ％-90 ％，其最佳工 作温度在250-450℃之间。 原因： 温度350℃以上时，NO与NO2之间的化学平衡向NO偏移，随着 温度的升高，NO被氧化成NO2的可能性越来越小； 温度低，从化学平衡角度有利于 NO2 的生成，但温度过低， 催化剂活性低，NO被氧化成NO2的量仍然很少。

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第ຫໍສະໝຸດ Baidu节 氧化催化转化器
二、压燃式内燃机应用
柴油中含有硫对SO2排放的影响
柴油中含有较高硫时，燃烧会生成SO2。 在过量空气系数不变时，排气中的SO2 浓度基本与柴油含硫量成正比。 SO2经催化器氧化后会变成SO3，然后生 成硫酸盐，成为微粒的一部分。催化 氧化效果越好，硫酸盐生成越多，甚 至达到无催化器时的10倍。 当柴油机用普通高硫柴油运转时，大负荷时由于排温高，催化氧化强烈， 硫酸盐的增加不但抵消了SOF减小的效果，甚至反而使总微粒上升，只有 用低硫柴油才能保证氧化催化器的效果。同时硫也是催化剂中毒的原因。
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第二节 排气后处理技术详解
评价催化转化器性能的指标
1、转化率： 发动机排气在催化转化器进出口浓度差与排气在 入口处的浓度比值。
转化率取决于污染物的本性、催化剂的活性、工作温度、 空间速度及流速在催化空间中分布的均匀性等因素。
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第二节 排气后处理技术详解
评价催化转化器性能的指标
2、空燃比特性 催化剂转化效率的高低与发动机可燃混合气的空燃 比或过量空气系数有关，转化效率随空燃比或过量 空气系数的变化关系称为催化器的空燃比特性。
为使CO、HC和NOx三种法规限制排放物均有＞80％的转化效率 过量空气系数必须保持1±0.01
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第二节 排气后处理技术详解
评价催化转化器性能的指标
3、起燃特性 定义： 催化剂转化效率的高低与温度有密切关系，催化剂只 有达到一定温度以上才能开始工作，称为起燃特性。 起燃特性的两种评价方法： 催化剂的起燃持性常用起燃温度评价； 整个催化转化器系统的起燃特性用起燃时间评价。
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第二节 排气后处理技术详解
评价催化转化器性能的指标
3、起燃特性 转化效率达到50％所对应的温度称为起燃温度t50。 t50 越 低 ， 催 化 器 在 汽车起动时越能迅速 起燃。 t50 是 催 化 剂 活 性 的 重要指标，可以在化 学实验室或发动机台 架上针对催化剂或催 化器进行试验测定。
催化剂将氧分子吸附在固体表面，截断 O-O 键，使它 们成为容易与CO和HC反应的活性基，促进氧化反应。
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第一节 氧化催化转化器
二、点燃式内燃机应用
主要应用在二冲程汽油机（二冲程汽油机排气成分含NOx很少）



由于二冲程机排气温度比四冲程机低，一般把二冲 程机的氧化催化器分割成两部分； 第一部分直接装在排气管出口，温度较高，使催化 器容易起燃； 第二部分装在它的下游二次空气喷射口后面，用来 完成HC的氧化。两者之间用绝热管道连接，这时催 化活性物质可以用铂Pt或钯Pd。
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第二节 富氧降NOx催化转化器
一、稀燃汽油机用吸附-还原催化器
吸附-还原法 研究表明，利用吸附 - 还原法的催化器是解决稀燃汽油机 NOx 排放问题的较有希望的途径。在富氧的气氛下，通过 下列反应用吸附剂MO先将NOx储存起来：
然后在贫氧的还原气氛下进行分解和还原，其反应如下：
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第二节 富氧降NOx催化转化器
一、稀燃汽油机用吸附-还原催化器
催化剂的再生过程

为使催化器能在富氧 - 贫氧交替的气氛中工作，而同时又不显 著恶化发动机的燃料经济性，发动机的控制要特别设计。 正常运转保持 a ＝ 1.5 ，每隔 50-60s 由电控器自动控制节气门 减小开度，使 a 由 1.5 减小到 0.7 ，同时把点火提前角推迟到 5°CA，这样的期间持续5-10s，也称为催化剂的再生过程。
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第一节 氧化催化转化器
二、压燃式内燃机应用
排气温度对微粒排放量的影响

排气温度﹤150℃，催化剂基本不起作用。 温度增高，SOF被氧化，微粒排放下降； 排温﹥350 ℃，硫酸盐大量生成，微粒排放增加。
柴油机氧化催化器的最佳工作 温度范围是200-350 ℃，但仅 靠调整发动机工况很难控制排 温总在这一最佳范围内。
二、技术缺点
1. 由于在第一级还原 NO ，发动机要用浓混合气运行， 这意味着较高的燃油消耗。
2. 在第一级生成的氨，可能在第二级通过反应氧化成
分子态氮，还可能进行更深度的氧化回到原始的 NO ； 3. 需要安装两级催化段，机构布置有难度。
基本已经被一级催化方式的三效催化转化器所取代
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第二节 三效催化转化器
一、催化反应机理
1、CO催化氧化机理
当排气中有自由氧时，氧化催化剂促进如下的总量反应：
氧化反应一般认为包括下列四个基本步骤（g表示气相，a表 示吸附相）：
导致生成CO2
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水煤气反应
第二节 三效催化转化器
一、催化反应机理
2、HC催化氧化机理
有多余的氧和氧化催化剂时，会发生如下的总量氧化反应：
2H2O+2HC
3H2+2CO
NO和CO对碳氢化合物的氧化反应起抑制作用。
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第二节 三效催化转化器
一、催化反应机理
3、 NO还原机理 理论上NO的分解反应（这种放热反应很难进行） NO得以还原的必要条件：较高的温度和具备化学还原剂
水煤气反应式
水蒸气重整反应
H2的 来源
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第二节 三效催化转化器
一、催化反应机理
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因此，减少柴油中的硫含量就成了十分重要的问题。
第一节 还原氧化催化转化器
一、催化反应机理（二元催化转化系）



通过二级催化将排气中 NO、CO和HC净化； 一级利用CO和HC为还原剂，借助排气高温将NO还原为N2； 二级净化导入二次新鲜空气，氧化未反应的HC和CO。
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第一节 还原催化转化器
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第二节 排气后处理技术详解
催化转化器
1、催化剂 贵金属：铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rh） 贱金属：Ni、Cu、V、Cr 2、载体 承载活性组分的多孔、耐热固体物质，是 催化剂的重要组成部分。 球型载体催 化转化器
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陶瓷载体催 化转化器
金属载体催 化转化器
第二节 排气后处理技术详解
催化剂

CO、HC
CO、HC NOx HC, CO, NOx PM NOx HC HC
氧化催化器 柴油机 ★ ★ 还原催化器 微粒捕集器
SOF,
碳纤维吸附净化 非排气 污染处理
3
汽、柴油机 曲轴箱强制通风装置 汽油机 燃油蒸发控制系统
第二节 排气后处理技术详解
催化转化器
利用催化剂，象滤清器那样通过排气，将有害成分 HC 、 CO 、 NOx 进行化学反应转化为无害的 CO2 、 H2O 和 N2 的一种反应器。
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第二节 排气后处理技术详解
评价催化转化器性能的指标
4、空速特性
空速是空间速度的简称，定义为每小时流过催化转化 器换算到标准状态的排气体积流量与转化器容积之比。 空速的大小实际上表示了反应气体在催化剂中的停留时间
空速与转化效率的关系 空速 SV 越高，反应气体在催化剂中停留的时间越短，会使 转化效率降低； 同时由于反应气体流速提高，湍流强度加大，有利于反应 气体向催化剂表面的扩散以及反应产物的脱附； 因此，在一定范围内，转化效率对空速的变化并不敏感。
N 2 O2 2 NO
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1 NO O2 NO2 2
第二节 富氧降NOx催化转化器
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第二节 排气后处理技术详解
评价催化转化器性能的指标
5、流动特性 排气催化转化器给发动机的排气系统增加了阻力，使 其排气背压加大。 后果：发动机动力性经济性恶化 1.进排气泵气损失增大，使有效功率减小
2.排气背压增大使缸内残余废气量增加
3.发动机充量系数降低，功率下降 3.残余废气使燃烧恶化 有必要探讨其流动阻力的影响因素，研究减小阻力的途径
第六章 排气后处理技术
排气后处理技术分类
排气后处理技术详解 非排气污染物控制技术 车用燃料和排放


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第一节 排气后处理技术分类
排气后处理技术
热 反 应 器
催 化 转 换 器
微 粒 捕 集 器
吸 附 净 化 技 术
非排气污染物控制技术
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燃油蒸发控制装置
曲轴箱强制通风装置
第一节 排气后处理技术分类

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第二节 排气后处理技术详解
评价催化转化器性能的指标
3、起燃特性 起燃时间特性描述整个催化转化系统的起燃时间历程， 将达到50％转化效率所需要的时间称为起燃时间τ 50。


起燃温度主要取决于催化剂配方（还与被催化物种以及空速 等有关），它评价的是催化剂的低温活性。 起燃时间除与催化剂配方有关外，在很大程度上取决于催化 转化器系统的热容量、绝热程度以及流动传热传质过程，影 响因素更复杂，但实用性更好。
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第二节 排气后处理技术详解
汽车排气催化转化系统
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第二节 排气后处理技术详解
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氧化催化转化器 还原氧化催化转化器 三效催化转化器 富氧降NOx催化转化器
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柴油机排气微粒捕集器
第一节 氧化催化转化器
一、催化反应机理
针对 NOx 排放量较低的发动机，只对排气中的 CO 和 HC进行净化处理：
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第一节 氧化催化转化器
二、压燃式内燃机应用
应用于柴油机的主要功能：

降低微粒排放，尽管因柴油机排气温度低，微粒中的 碳烟难以氧化，但是氧化催化剂可以氧化微粒中 SOF的 大部分（使SOF下降40％-90％）。

可使柴油机的 CO 排放降低 30 ％左右， HC 排放降低 50 ％ 左右。 氧化催化可净化PAH(50％以上)和醛类(50％-100％)， 并减轻柴油机排气臭味。