第6章 汽油机后处理净化.ppt

汽车排放污染及控制 主讲人 衣丰艳 第1章绪论第2章汽车排放污染物的生成机理和影响因素第3章汽车发动机的排放特性第4章车用汽油机机内净化第5章车用柴油机机内净化第6章车用汽油机后处理净化 汽车排放污染及控制 目录 第7章车用柴油机后处理净化第8章燃料与排放第9章汽车排放污染物净化方案及分析第10章汽车排放及测试第11章排放标准 汽车排放污染及控制 目录 6 1概述6 2三元催化转化器6 3热反应器6 4空气喷射 第6章车用汽油机后处理净化 第6章车用汽油机后处理净化 介绍了车用汽油机后处理净化装置特别是三效催化转化器的基本结构和工作原理 并对三效催化转化器的催化反应机理 性能指标和催化剂及其劣化机理进行了较为详细的描述 给出了三效催化转化器工作过程的数学模型 并在此基础上讨论了转化器与发动机以及汽车的匹配问题 第6章车用汽油机后处理净化 概述 主要内容 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 机内净化技术 第6章车用汽油机后处理净化 在不影响或少影响发动机其它性能的同时 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污染物最终向大气环境的排放 专门对发动机排气进行后处理的方法是将净化装置串接在发动机的排气系统中 利用净化装置在排气系统中对其进行处理 后处理净化技术 第6章车用汽油机后处理净化 排气系统 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 第6章车用汽油机后处理净化 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 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 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 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 第6章车用汽油机后处理净化 三元催化转化器结构 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于多相催化 车用催化剂就是此类型的催化 催化反应过程 第6章车用汽油机后处理净化 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 第6章车用汽油机后处理净化 必要条件 高温和具备化学还原剂总量反应 NO CO 0 5N2 CO2NO H2 0 5N2 H2O 2m 0 5n NO CmHn m 0 25n N2 0 5nH2O mCO2 表面反应过程 CO氧化反应 HC氧化反应 NO还原反应 总量反应 CO 0 5O2 CO2部分CO可通过水煤气反应 CO H2O CO2 H22H2 O2 2H2O 总量反应 CmHn m 0 25n O2 mCO2 0 5nH2O 反应机理 第6章车用汽油机后处理净化 脱附过程 B s B sH s H s H2 s sO s O s O2 s s 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 脱附 表面反应过程完成后 生成的反应分子就会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 脱附方程式 第6章车用汽油机后处理净化 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 三元催化转化器构造 载体 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 涂层 活性组分 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 第6章车用汽油机后处理净化 活性组分 第6章车用汽油机后处理净化 三效催化剂劣化机理 第6章车用汽油机后处理净化 三效催化转化器的性能指标 第6章车用汽油机后处理净化 空燃比特性 转化效率随 或 a的变化称为催化器的空燃比特性 图6 6过量空气系数对三效催化转化器转化效率的影响 第6章车用汽油机后处理净化 起燃特性 图6 7三效催化剂的起然温度特性 催化剂只有达到一定温度才能开始工作 称为起燃 第6章车用汽油机后处理净化 空速特性 空速的大小表示了反应气体在催化剂中的停留时间 tr 空速 SV SV qv VcatVcat 0 5 1 Vst mpm 1 0 2 0 Vcat 贵金属用量mpm tr sV 第6章车用汽油机后处理净化 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 第6章车用汽油机后处理净化 三效催化转化器工作过程模拟 CO 0 5O2 CO2C3H6 4 5O2 3CO2 3H2OCH4 2O2 CO2 2H2OCO NO CO2 0 5N2H2 0 5O2 H2O 工作过程动画 第6章车用汽油机后处理净化 三效催化转化器工作过程 催化转化器工作过程的原理图 蜂窝载体简化成轴对称的二维模型 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 总体反应速率 第6章车用汽油机后处理净化 三效催化转化器的匹配 第6章车用汽油机后处理净化 三效催化器与电控燃油喷射系统的匹配 第6章车用汽油机后处理净化 三效催化器与排气系统的匹配 采用催化器时必须对发动机排气系统重新设计 匹配中应考虑的主要影响因素是排气总管和排气歧管的尺寸以及配气相位 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 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 第6章车用汽油机后处理净化 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 催化器与排放法规之间也应有合理的对应关系 对于油品中有害成分含量 铅 硫 磷等 尚未实行控制的地区 应选用抗中毒劣化性好的催化剂 催化器性能越好 往往贵金属含量越高 成本越高 所以汽车和催化器厂家并不单纯追求催化器性能越高越好 而是更注重催化器性能恰好满足当时排放法规 第6章车用汽油机后处理净化 热反应器 在排气道出口处安装用耐热材料制造的热反应器 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并停留一段时间 使之得到充分氧化从而降低其排放量 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 第6章车用汽油机后处理净化 空气喷射 1 吸气阀 2 空气滤清器 3 进气管 4 喷嘴空气喷射装置 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 第6章车用汽油机后处理净化 作业 6 1何为后处理技术 与机内净化相比有何优缺点 6 2催化器由哪些部分组成 各部分的作用是什么 6 3三元催化剂的由哪些