三元催化转化器

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二、三元催化转化器的作用、特点
1.作用
三元催化转化器通常亦被称为触媒。催化剂本 身乃是一种特殊的化学混合物质,它用以加快介质 的化学反应的速率,而催化剂本身的元素或成分则 并不产生任何化学变化。催化剂必须通过采用某些 特定的浸镀并烘干等复杂工艺处理,被可靠地涂敷 在陶瓷载体的蜂窝孔的表面上。 三元催化转化器的作用是将发动机运转工作过 程所产生的燃烧废气中所含的有害气体排放物,主
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六、三元催化转化器主要影响 因素和失效模式
催化剂在正常的工作状况下,如果接触到 某些成分的化合物(浓度较高时),会导致催 化剂中毒,毒化物将通过其物理或化学作用直 接影响到催化剂的活性。常见的液体毒化物质 将存在于如下参与发动机的正常燃烧和运转过 程的物质之中。 1.三元催化转化器主要影响因素 车用燃油品质:车用燃料中所含的重金属 添加剂将由于其自身无法燃烧转化为气态而将
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北京、广州、上海、重庆等大城市,单车污染物排 放量较大,导致市区的大气污染以机动车为首要污 染源。据环保部门的研究结果,北京市机动车排放 对大气污染物中CO、HC、NO的分担率分别为63.4%、 73.5%和46%;上海市中心地区机动车排放对大气中 CO、HC、NO的分担率分别为86%、96%和56%。许多 国家的大中城市的空气污染有五成以上来源于汽车 所排出的废气。人类的生存环境已经遭到严重污染, 生态平衡日趋恶化,且直接危害到人们的健康,而 汽车已成为主要的污染源。 机内净化技术以改善发动机燃烧过程为主要内 容,对降低排气污染起到了较大作用,但其效果有 限,且不同程度地给汽车的动力性和经济性带来负
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面影响。随着对发动机排放的日趋严格,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,世界各国都先后开发废气后处理 净化技术,在不影响发动机其他性能的同时,在排 气系统中安装各种净化装置,采用物理的和化学的 方法降低排气中的污染物最终向大气环境的排放。 采用排气后处理装置可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置较多。这 些装置主要有三效催化转化器、热反应器和空气喷 射器等。随着我国经济高速的发展,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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将载体制成壁厚非常薄的蜂窝状,以充分利用有限 的空间。
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2.工作原理 在发动机燃烧废气流经蜂窝状陶瓷载 体表面,且载体表面的温度达到特定的温 度范围时,燃烧废气中的化学有害成分、、 将会与载体壁面上的化学涂层产生相应的 化学反应。其过程分为和的氧化反应与的 还原反应两种,如下: 4HC 5O 2H O 4CO 氧化反应:2CO O 2CO 还原反应:2NO 2CO N 2CO 10NO 4HC 5N 2H O 4CO
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于10G RMS连续交变扫频振动考核和10~20G RMS 短期扫频振动考核。 7.三元催化转化器的温度适应性能 三元催化转化器总成应能够满足-40℃到 950℃的实际车辆排气系统常规工作温度范围的 长期使用要求。德尔福公司的三元催化转化器在 各种不同温度条件下的物理及化学特性详见下图 所示。
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三元催化转化器的高温保护功能需要通过发动机 管理系统的标定控制数据调整。即在客户车辆的 发展过程中,在这些实际可能的恶劣工作条件下, 适度对发动机的空燃比进行调整,加浓这些工况 下的混合气浓度,以降低燃烧温度,进而降低发 动机的排气温度。这一标定调整过程称为三元催 化转化器的高温保护标定。三元催化转化去高温 保护标定一般需要进行最苛刻的夏季炎热环境与 高原低气压稀薄空气环境的考核和验证试验考核, 以便确保在车辆的任何条件下,都不会造成三元 催化转化器总成的高温破坏。
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要指废气中的碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO) 和氮氧化合物(NOx),转化成对人类社会环境 无害的排放物,如二氧化碳、水蒸气和氮气。三 效催化转化器的载体一般采用蜂窝结构,蜂窝表 面有涂层和活性组分,与废气的接触表面积非常 大,所以其净化效率高,当发动机的空燃比在理 论空燃比附近时,三效催化剂可将90%的碳氢化 合物和一氧化碳及70%的氮氧化物同时净化,因 此这种催化器被称为三效催化转化器。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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5.机械性能 在23℃的常温条件下,三元催化转化器总成 应能承受最大扭转力矩为: SI—44技术配方产品为:177N.m SI—3700技术配方产品为:235N.m 6.振动耐久性 三元催化转化器总成应既能承受车辆在颠簸 路面上低速行驶条件的低频震动,又能承受车辆 在高速公路上高速行驶条件的高频震动的长期工 作要求。为此,要求三元催化转化器总成应能承 受三维任意方向的20到2000赫兹振动频率、不大
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4.涂层 浆状物涂在载体上后烘干,典型涂层的主要 成分是氧化铝和二氧化铈。该涂层为贵金属催化 剂提供一个巨大的表面积,将贵金属催化剂涂布 其上,可防止催化剂发生热退化作用。 催化转化器的涂层如下图所示,在载体孔道 的壁面上涂有一层非常疏松的活性层(英文为 Washcoat),即催化剂涂层。它以γ -Al2O3为主, 其粗糙多孔的表面可使壁面的实际催化反应表面 积扩大7000倍左右。在涂层表面散布着作为活性 材料的贵金属,一般为铂(Pt)、铑(Rh)和钯 (Pd)以及作为助催化剂成分的铈(Ce)、钡 (Ba)和镧(La)等稀土材料。助催化剂主要
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1.壳体 壳体是整个三效催化转化器的支承体。壳体 的材料和形状是影响催化转化器转化效率和使用 寿命的重要因素。目前用得最多的壳体材料是含 铬、镍等金属的不锈钢,这种材料具有热膨胀系 数小、耐腐蚀性强等特点,适用于催化转化器恶 劣的工作环境。 2.垫层 为了使载体在壳体内位置牢固,防止它因振 动而损坏,为了补偿陶瓷与金属之间热膨胀性的 差别,保证载体周围的气密性,在载体与壳体之 间加有一块由软质耐热材料构成的垫层。垫层具 有特殊的热膨胀性能,可以避免载体在壳体内部
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时,催化剂自身所处的温度值被称为该催化剂的 起燃温度。
德尔福研究的三元催化转化器的催化剂的起 燃温度约在300℃左右。
3.催化剂最佳催化转化效率工作温度 最佳催化剂床温:375℃~800℃(在略微偏 浓或在理想空燃比状态下) 4.催化剂反应床允许最高承受温度 在略微偏浓或在理想空燃比状态下: 900℃~970℃(两种涂层配方) 在空燃比偏稀的情况下: 800℃~950℃(SI—44涂层配方) 700℃~800℃(SI—3700涂层配方)
三元催化转化器
动力机械及工程
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• 一、概述 • 二、三元催化转化器的作用、特点 • 三、三元催化转化器的基本结构 • 四、结构特征与工作原理 • 五、催化剂使用工作环境条件 • 六、三元催化转化器主要影响
因素和失效模式
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一、概述
随着汽车工业的迅速发展,汽车保有量急剧 增加,汽车排放对大气的污染已成为世界公害, 直接危害着人类的健康,并破坏着自然界的生态 平衡,已引起了各个国家的高度重视。汽车排放 污染,不仅是一个环境保护问题,而且本身也造 成能源浪费。汽车排气中的CO、HC对大气产生很 大的污染。北京、广州、上海、重庆等大城市, 单车污染物排放量较大,导致市区的大气污染以 机动车为首要污染源。据环保部门的研究结果, 北京市机动车排放对大气污染物中CO、HC对大气 产生很大的污染。
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发生窜动而导致载体破碎。另外,为了减小载体 内部的温度梯度,以减小载体承受的热应力和壳 体的热变形,垫层还应具有隔热性。常见的垫层 有金属网和陶瓷密封垫层两种形式。 3.载体 早期的催化剂曾采用氧化铝的球状载体,这 种载体存在磨损快、阻力大的缺点,目前在汽车 催化器中已不采用。美国康宁(Corning)公司于 70年代初发明了陶瓷蜂窝载体,并很快占据了车 用催化器载体的主导地位。之后,日本NGK公司也 掌握了这种技术并开始大量生产。据统计,目前 在世界上车用催化器载体的90%是陶瓷载体,其余 为金属载体,而陶瓷载体年产量的95%以上由康宁 公司和NGK公司生产。
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NOx,通常需要对这三种元素的输出含量加以平 衡。如图所示,将发动机的空燃比控制在理想空 燃比(14.6:1亦称 =1)附近或略低些时,发动 机的有害排放物输出较低。
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五、催化剂使用工作环境条件
1.空气—燃料混合比要求 a.空燃比(A/F)应保持在理论空燃比附近; b.为保证催化剂的最大使用寿命,空燃比偏差值 应尽可能的小; c.系统的灵敏反应和较小的空燃比偏差会使催化 剂发挥最佳性能。 2.催化剂起燃温度 催化剂起燃温度参数是表征三元催化转化器技术 的重要技术指标。 当催化剂对于有害废气的转化率达到50%
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由于发动机在高速和高负荷工况下,发动机 的燃烧温度很高,因此致使发动机的排气温度在 这些状况下也会很高。此时的发动机排气温度将 会超过三元催化转化器内涂装的催化剂涂层,甚 至陶瓷载体本身所能承受的最高允许温度范围。 由于不同地区和不同的使用环境要求的各异性, 要求商用汽车必须要满足这些特殊的复杂工作过 程和过环境实际状况和技术要求,并且需要考虑 到实际使用环境下的最为恶劣的工作状况。具体 应用必须适应这些极端工况和环境要求。 为了使三元催化转化器总成能够在极端恶劣 的条件下,不致由于工作温度过高造成任何损坏, 必须对三元催化转化器加以适当的保护。
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2.特点 (1)内部隔热结构提高了耐久性、发动机 仓的热量管理,降低了噪声。 (2)高温涂层技术使在高温环境下能够保 持良好的排放性能。 (3)牢固的催化床设计,提高耐久性。 (4)针对客户车型的专项设计,理想实现 发动机性能和排放达标匹配。
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三、三元催化转化器的基本结构
三元催化转化器是现代汽车发动机管 理系统的排气再(后)处理子系统的主要 零部件。其构成主要由作为催化转化反应 床的、涂敷有促进化学转化反应的催化剂 特制配方的涂层的金属薄板载体或陶瓷烧 结载体、不锈钢焊接结构的外壳和介于载 体与壳体之间,起耐热、隔热和减震作用 的衬垫等元件构成,如下图:
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源自文库
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三元催化转化器的工作原理
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现代点燃式(汽油)发动机在燃烧时,空 气—燃料混合比对于其所产生燃烧废气含量的 成分有直接的影响。这是由于汽油的构成成分为 碳氢化合物决定的。当发动机的空燃比脚浓时, 意味着混合气中有更多的燃料(汽油)参与燃烧, 因此,相对而言,发动机排出燃烧废气中的碳氢 化合物成分含量会较高;当发动机的空燃比较稀 时,意味着混合气中有较少的燃料(汽油)参与 燃烧,由于发动机的工作特点,发动机此时非常 容易造成高温燃烧过程。相对而言,此时容易产 生更多的氮氧化合物。为了更有效地控制发动机 在燃烧过程中产生较少的有害废气HC、CO、
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用于提高催化剂活性和高温稳定性。催化剂的活 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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5.锥管 不锈钢冲压件,引导排气从前端排气 管进入催化床和引导排气从催化床后段进 入后端排气管。内部隔热设计还采用附加 内层锥管,防止高温排气接触到外层锥管 或壳体,保护绝缘层和衬垫层边缘以及降 低噪音。 6.贵金属 铂(Pt)、钯(Pd)及铑(Rh),是三 元催化剂的主要反应元素,是催化转化器 中最昂贵的部分。
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四、结构特征与工作原理
1.结构特征 目前所生产的大多数三元催化转化器产品 为整体式蜂窝状陶瓷载体型的催化转化器。载 体的物理性状有圆柱体、椭圆柱体和梯形柱体 等多种选择,可根据整车总体的布局实际进行 载体形状的选择。陶瓷载体的主要构成成分为 堇青石,通常采用陶瓷材料挤压、干燥并采用 高温烧结而成。陶瓷载体从断面观察为蜂窝状 实体,壁厚非常薄。其目的是设法极大地利用 现有容积增加催化剂反应床的化学反应面积, 还可以起到防止催化剂热退化的作用。为了使 催化转化器流拥有更大的表面流通面积,通常
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