第4章汽油机后处理净化技术

1、汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 1太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系第第4章章 汽油机后处理净化技术汽油机后处理净化技术4.1 概述概述4.2 三效催化转化器三效催化转化器4.3 热反应器与空气喷射热反应器与空气喷射4.4 稀薄燃烧汽油机尾气净化技术稀薄燃烧汽油机尾气净化技术汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 2太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系4.1 概 述汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆

2、工程系 3太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 以改善发动机燃烧过程为主，对降低排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。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。越来越复杂，成本也急剧上升。因此，世界因此，世界各国都先后开发废气

3、后处理净化技术。各国都先后开发废气后处理净化技术。机内净化技术机内净化技术汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 4太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 专门对发动机排气进行后处理的方法是将净化装置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，在废气排入大气前，串接在发动机的排气系统中，在废气排入大气前，利用净化装置在排气系统中对其进行处理，以减少利用净化装置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

4、些装置主要有三元催化转化用后处理装置较多。这些装置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染了大气环境，对三效催化转化器的需求将更为迫切。切。 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系

5、5太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 在尽量不影响发在尽量不影响发动机性能的同时，在动机性能的同时，在排气系统中安装各种排气系统中安装各种净化装置，利用净化净化装置，利用净化装置在排气系统中对装置在排气系统中对废气进行处理来降低废气进行处理来降低最终向大气环境排放最终向大气环境排放的污染物。的污染物。 后处理净化技术后处理净化技术排气系统排气系统 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 6太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理

6、工大学车辆工程系 7太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系4.2 三效催化转化器 三元催化转化器三元催化转化器是目前应用最多的废是目前应用最多的废气后处理技术。当发气后处理技术。当发动机工作时，废气经动机工作时，废气经排气管进入三效催化排气管进入三效催化转化器，将废气中对转化器，将废气中对环境有害的气体转变环境有害的气体转变成对环境无害的二氧成对环境无害的二氧化碳和水。化碳和水。汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 8太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系三元催化器将汽车排气系统中的三元催化

7、器将汽车排气系统中的有害物质碳氢化合物、一氧化碳有害物质碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物转化为水蒸气、二氧和氮氧化物转化为水蒸气、二氧化碳和氮气。化碳和氮气。 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 9太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系三元催化器的位置三元催化器的位置 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。）的作用将排气中的料。）的作用将排气中的CO

8、、HC和和NOx转换为对人体无害的转换为对人体无害的气体。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转换器只将排气中的CO、HC氧化成氧化成CO2和和H2O，又称为二元，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可以同时降低CO、HC和和NOx的排放。它可以以排气中的的排放。它可以以排气中的CO和和HC作为还原剂，将作为还原剂，将NOx还原成氮气（还原成氮气（N2）和氧气（）和氧气（O2），），而而CO和和HC则被氧化为则被氧化为

9、CO2和和H2O。当空燃比在理论空燃比。当空燃比在理论空燃比（14.7）附近时，氧化）附近时，氧化-还原反应达到平衡，还原反应达到平衡， CO、HC和和NOx的排放同时达到最低。的排放同时达到最低。汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 10太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系概述 三效催化转化器是目前应用最多的废气后处理净化技术三效催化转化器是目前应用最多的废气后处理净化技术 三效催化转化器一般采用蜂窝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，性组分

10、，与废气的接触表面积大，当发动机的空燃比在理论空燃比当发动机的空燃比在理论空燃比附近时，催化剂可将附近时，催化剂可将90%的碳氢的碳氢化合物和一氧化碳及化合物和一氧化碳及70%的氮氧的氮氧化物同时净化。对我们的环境保化物同时净化。对我们的环境保护起到了关键作用。三效催化转护起到了关键作用。三效催化转化器发展最快。化器发展最快。 目前，电子控制汽油喷射加三效催化转化器已成目前，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。为国内外汽油车排放控制技术的主流。汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 11太原理工大学机械工程学院车辆工程

11、系太原理工大学机械工程学院车辆工程系222NOHCONOxHCCOTWC汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 12太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系4.2.1 三效催化转化器的基本构造三效催化转化器的基本构造 三效催化转化器是三效催化转化器是由壳体、垫层、载由壳体、垫层、载体及催化剂四部分体及催化剂四部分构成的，如图所示构成的，如图所示。其中催化剂是指。其中催化剂是指催化活性组分和涂催化活性组分和涂层的合称，它是整层的合称，它是整个催化转化器的核个催化转化器的核心部分，决定着催心部分，决定着催化转化器的主要性化转化器

12、的主要性能指标。能指标。汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 13太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系TWC:Three Way Catalytic Converter汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 14太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系催化转化器的结构（圆形）催化转化器的结构（圆形） 外壳外壳减振密封垫减振密封垫载体与催化剂载体与催化剂汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 15太原理工大学机

13、械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系三元催化转化器三元催化转化器主要由壳体、垫片主要由壳体、垫片和涂敷催化剂的载和涂敷催化剂的载体构成体构成三元催化转化器基本构造三元催化转化器基本构造涂敷催化剂的载体涂敷催化剂的载体 垫片垫片 壳体壳体 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 16太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 17太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系1.壳体壳体 催化转化器壳体是催化转

14、化器系统的支撑体。壳体通常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，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。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。撞击损坏，壳体外

15、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的涡流和气流分流现象，使废气尽可能均匀分布在载体的端面上，使附着在载体上的活性涂层可能承担相同的的端面上，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。应的作用，以提高催化转化器的转换效率和使用寿命。汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 18太原

16、理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系壳体材料一般要选取不锈钢和耐热钢：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，壳体的型腔要与载体尺寸相配， 过渡部分应合理引导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和分布气体的流动方向，体积较大的壳体在结构上要设加强筋以提高刚度。加强筋以提高刚度。 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 19太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 20

17、太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系不锈钢外壳催化转化器汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 21太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系2. 垫层垫层 垫层是由软质耐热材料制成，一般有陶瓷密封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、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。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。陶瓷密封垫层由陶瓷纤维、蛭石以及粘接剂组成。陶

18、瓷密封垫层在第一次受热时体积明显膨胀，而在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性、抗冲击性、密封性和高低温下对载体的固定力比钢丝网优越，是目前主要的应用垫层。比钢丝网优越，是目前主要的应用垫层。汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 22太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 催化器使用中，金属外壳

19、的热膨胀系数很大，而陶催化器使用中，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瓷载体的热膨胀系数很小，要靠衬垫的膨胀和弹性加以缓冲，保证载体不会松动。垫片是催化转化器中保护载缓冲，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。体不受损坏的部分。 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 23太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系3. 载体载体 载体是承载活性组分的多孔、耐热固体物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质。汽车尾气就是通过与附着

20、在这种载体表面上的活性催化剂相互作用，加速尾气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：气中废气的目的。载体应具有以下性能：热稳定性；热稳定性；足够的机械强度；足够的机械强度；热膨胀系数小。热膨胀系数小。 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 24太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系载体主要有颗粒状载体、金属载体、陶瓷蜂窝状载载体主要有颗粒状载体、金属载体、陶瓷蜂窝状载体三类。体三类。颗粒状载体存在磨损快、阻力大的特点

21、，在汽车催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化器中已不采用。据统计，目前世界上车用催化器载体的载体的90%是蜂窝整体式陶瓷载体，这种载体是用是蜂窝整体式陶瓷载体，这种载体是用堇青石挤压而成的。堇青石挤压而成的。堇青石是一种铝镁硅酸盐，其化学组成为堇青石是一种铝镁硅酸盐，其化学组成为2AL2O32MgO5SiO2，熔点在，熔点在1450左右，在左右，在1300左右仍能保持足够的弹性，以防止在发动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机正常运转时发生永久变形。堇青石具有热膨胀系数低、抗热冲击性在快速加热

22、或冷却时抵抗破裂的数低、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。骤变的环境。 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 25太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系常见载体外形有圆形、椭圆形、三角形和跑道形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

23、面积上所开孔的数目）和孔载体的孔隙度（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几何面积，载体采用的孔隙度已从早期的47孔孔/cm2到到62孔孔/cm2再到再到93孔孔/cm2，孔壁厚也由，孔壁厚也由0.3mm到到0.15mm再到再到0.1mm。因此在不增加催。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化转化器体积的情况下使单位体积的几何表面积由由2.2m2/L增加到增加到2.8m2/L再到再

24、到3.4m2/L，从而大大，从而大大提高了净化率。提高了净化率。 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 26太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系蜂窝载体也可以用金属薄板制成。对于金属载体，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

25、理，可以得到较高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，并可采用寿命长，可适应汽车冷启动排放的要求，并可采用电加热。但造价高。用电加热。但造价高。汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太

26、原理工大学车辆工程系 27太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系三元催化剂的外形种类三元催化剂的外形种类：按横截面分按横截面分1.1.圆形圆形2.2.球场形球场形3.3.椭圆形椭圆形汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 28太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系按目数分：按目数分：400400目、目、600600目等目等目数：每平方英目数：每平方英尺孔的数量尺孔的数量三元催化剂的外形种类三元催化剂的外形种类：汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 2

27、9太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 30太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 31太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系催化剂包括载体、涂层和活性组分。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。和耐冲击。其基

28、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。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。化活性的物质。 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 32太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系

29、4. 涂层涂层 涂层是在载体的表面涂的一层多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。涂孔的活性水洗层，如图所示。涂层主要由层主要由-AL2O3构成，具有较构成，具有较大的比面积（大的比面积（200m2/g）。它粗）。它粗糙多孔的表面可使载体壁面的实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。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，一般为涂层表面分散着作为催化活性材料的贵金属，一般为铂（铂（Pt）、铑（）、铑（Rh）和钯（）和钯（Pd），以及铈（），以及铈（Ce）、）、钡（钡（Ba）和镧（）和镧（La）等稀土元素作为助催化剂。催化）等稀土元素作为

30、助催化剂。催化剂的活性及耐久性除与涂层的成分有关外，也与涂层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。的制备工艺密切相关。 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 33太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系催化剂涂覆示催化剂涂覆示意图意图汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 34太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系三效催化转化器的基本结构三效催化转化器的基本结构请看漂亮请看漂亮动画哦！动画哦！汽车排放与控制汽车排放与控制技术

31、技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 35太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系铑（铑（Rh）：铑是三效催化剂中控制氮氧化物的主）：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要成分，这种高活性与其能有效地分解NO分子有关。分子有关。在催化转化器中，铑的典型用量是在催化转化器中，铑的典型用量是0.180.3g。 铂铂 （Pt）：铂在三效催化剂中的主要作用是转化一）：铂在三效催化剂中的主要作用是转化一氧化碳和碳氢化合物。铂在三效催化剂中的典型用量氧化碳和碳氢化合物。铂在三效催化剂中的典型用量为为1.52.5g。 钯钯 （Pd）：钯同

32、铂一样在三效催化剂中主要起催化）：钯同铂一样在三效催化剂中主要起催化一氧化碳和碳氢化合物的氧化反应的作用。一氧化碳和碳氢化合物的氧化反应的作用。4.2.2 催化剂的种类催化剂的种类汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 36太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系4. 助催化剂（稀土元素）助催化剂（稀土元素） ： 助催化剂是指加到催化剂中另一些物质，本身助催化剂是指加到催化剂中另一些物质，本身不具有活性或活性很小的物质，但能改变催化剂的不具有活性或活性很小的物质，但能改变催化剂的部分性质，从而使催化剂的活性、选择性、抗毒性部

33、分性质，从而使催化剂的活性、选择性、抗毒性或稳定性得以改善。常见的稀土元素包括铈、镧、或稳定性得以改善。常见的稀土元素包括铈、镧、钡等，它们具有稳定的氧化态。氧化铈和氧化镧被钡等，它们具有稳定的氧化态。氧化铈和氧化镧被应用于目前的汽车催化剂中，它的一般用量约为涂应用于目前的汽车催化剂中，它的一般用量约为涂层质量的层质量的10%30%。 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 37太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系载体与催化剂贵金属Pt,Rh,Pd氧化铝助催化剂催化剂涂层载体汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大

34、学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 38太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系4.2.3 催化反应机理氧化反应：OHCOOHCOHOHCOOCO222222222.还原反应：2222222NOHNOHNCONOHCNCONOCO 在三效催化剂的催化反应中，一氧化氮与一氧化碳在三效催化剂的催化反应中，一氧化氮与一氧化碳的反应是最重要的反应。的反应是最重要的反应。 3.水蒸气重整反应22HCOOHHC4.水煤气转换反应222HCOOHCO汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 39太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学

35、机械工程学院车辆工程系根据红外光谱，推断和之间可能存在下列反应步骤，其根据红外光谱，推断和之间可能存在下列反应步骤，其中中M代表金属活性位，（代表金属活性位，（g）表示气相，（）表示气相，（a）表示吸附）表示吸附态。态。 （1）吸附步骤）吸附步骤COMMgCO)(NOMMgNO)(（2）解离步骤)(aOMNMMNOM汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 40太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系(3)表面重组和表面反应表面重组和表面反应MgNNMNM2)(2MgONNOMNM2)(2MgONgNONM)()(2MgCOg

36、COOM)()(2NCOMgCONM)(汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 41太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系废气转化效率与空燃比的关系废气转化效率与空燃比的关系当发动机混合气的空燃比在理论空燃比附近时，当发动机混合气的空燃比在理论空燃比附近时，COCO、HCHC、和氮氧化物的、和氮氧化物的转化效率最高；转化效率最高；对于稀混合气（对于稀混合气（ ），），NOxNOx的净化效率下降；的净化效率下降；对于浓混合气（对于浓混合气（ ），），COCO和和HCHC的氧化效率会下降。的氧化效率会下降。1a1a汽车排放与控

37、制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 42太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 43太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系为了与三效催化剂相配，现代汽油机均采用由排气氧传为了与三效催化剂相配，现代汽油机均采用由排气氧传感器反馈控制空燃比的电控汽油机喷射系统。感器反馈控制空燃比的电控汽油机喷射系统。汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 44太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工

38、大学机械工程学院车辆工程系转化效率转化效率空燃比特性空燃比特性起燃特性起燃特性空速特性空速特性流动特性流动特性4.2.4 4.2.4 三效催化转化器的性能指标三效催化转化器的性能指标汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 45太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系转化效率转化效率(i)排气污染物排气污染物i在催化器中的转化效率；在催化器中的转化效率； 排气污染物排气污染物i在催化器进口处的浓度或体积分数；在催化器进口处的浓度或体积分数； 排污染物排污染物i在催化器出口处的浓度或体积分数。在催化器出口处的浓度或体积分数。 i

39、oc转化效率的计算公式%100)()()()(iiioiiiccc)(iic)(ioc 汽车发动机排出的废气在三效催化器中进行催化反汽车发动机排出的废气在三效催化器中进行催化反应后，其有害污染物浓度得到不同程度的降低。催化器应后，其有害污染物浓度得到不同程度的降低。催化器转化效率由下式定义：转化效率由下式定义：汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 46太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系空燃比特性空燃比特性 转化效率随转化效率随或或a的变化称为催化器的空燃比特性的变化称为催化器的空燃比特性。三元催化。三元催化器在不同空

40、燃比时的转换效率如图所示，只有在理论空燃比附近器在不同空燃比时的转换效率如图所示，只有在理论空燃比附近的被叫做的被叫做“窗口窗口”的狭窄空燃比范围，才能使三种成分同时获得的狭窄空燃比范围，才能使三种成分同时获得较高的净化效率。较高的净化效率。 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 47太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系起燃特性起燃特性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有明显的催化作用（起燃）。一定温度以上才能有明显的催化作用（起燃）

41、。 起燃特性有两种评价方法：起燃温度特性和起燃时间特性。起燃特性有两种评价方法：起燃温度特性和起燃时间特性。起燃温度特性主要取决于催化剂配方，它评价的是催化剂的起燃温度特性主要取决于催化剂配方，它评价的是催化剂的低温活性。低温活性。整个催化转化器系统的起燃特性用起燃时间来评价。起燃时整个催化转化器系统的起燃特性用起燃时间来评价。起燃时间特性除与催化剂配方有关外，在很大程度上取决于催化转化间特性除与催化剂配方有关外，在很大程度上取决于催化转化器总体的热惯性、绝热程度以及流动传热传质过程，其评价试器总体的热惯性、绝热程度以及流动传热传质过程，其评价试验结果与实车冷起动特性的关系更为直接和全面。验结

42、果与实车冷起动特性的关系更为直接和全面。汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 48太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 由于冷起动阶段排气温度未能达到催化剂起燃温度以由于冷起动阶段排气温度未能达到催化剂起燃温度以及空燃比发生偏离使得催化转化器的转化效率很低。及空燃比发生偏离使得催化转化器的转化效率很低。汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 49太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 20042004年我国汽车排放从欧年我国汽车排放从欧到欧到欧，不

43、是像欧，不是像欧到欧到欧那样那样技术简单，而是上了一个台阶，需要三项技术。技术简单，而是上了一个台阶，需要三项技术。 首先是增加了对车辆冷启动时排放达标的要求。实验过程要首先是增加了对车辆冷启动时排放达标的要求。实验过程要求车辆在零下求车辆在零下7 7摄氏度的低温条件下搁置摄氏度的低温条件下搁置6 6小时以上，点火着小时以上，点火着车之后，立刻测量车辆排放，达到标准。这项技术要求是欧车之后，立刻测量车辆排放，达到标准。这项技术要求是欧标准中没有的。标准中没有的。 其次是在车辆的电控系统中增加了专门监测排放控制系统工其次是在车辆的电控系统中增加了专门监测排放控制系统工作状态的功能（作状态的功能（

44、OBDOBD，车载诊断系统）。它能够随时监测汽，车载诊断系统）。它能够随时监测汽车尾气排放状况，一旦出现超标，会做出提示。这个车尾气排放状况，一旦出现超标，会做出提示。这个OBDOBD在在欧欧标准的车辆上是没有的。标准的车辆上是没有的。 第三项是针对厂家提出的，要对车载诊断系统有保修措施。第三项是针对厂家提出的，要对车载诊断系统有保修措施。在美国，要求厂家对排放系统有在美国，要求厂家对排放系统有8 8万公里的质保期，并作为万公里的质保期，并作为汽车召回项目中的一项。汽车召回项目中的一项。 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 50太原理工大学机械工程

45、学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 污染物污染物(HC(HC、COCO、NONOX X) )的的70%70%80%80%产生在冷起动阶段。例产生在冷起动阶段。例如，如，美国的美国的 Test Test Program)75Program)75 在测试循环下，三种污染物在测试循环下，三种污染物HCHC、COCO、NONOX X在冷起动阶段排放量占整个循环的在冷起动阶段排放量占整个循环的84%84%、83%83%、51%51%。降低车辆冷起动排放已经成为新的工作重点。表。降低车辆冷起动排放已经成为新的工作重点。表1 1 给给出了欧洲不同阶段的排放标准限值，单从排放限值来看，从出了欧洲

46、不同阶段的排放标准限值，单从排放限值来看，从欧欧到欧到欧的过渡并无太大变化，但由于在新的测试方法的过渡并无太大变化，但由于在新的测试方法(NEDC)(NEDC)上取消了前上取消了前40 40 秒怠速过程，使得冷起动阶段排放量秒怠速过程，使得冷起动阶段排放量大大增加。大大增加。 表表1 欧洲不同阶段的排放标准限值欧洲不同阶段的排放标准限值 (g/km) 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 51太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 从欧从欧到欧到欧的过渡主要就在于新的测试方法的过渡主要就在于新的测试方法(NEDC)(NE

47、DC)同同以前相比以前相比(UDC+EUDC)(UDC+EUDC)取消了前取消了前40 40 秒怠速过程，同时，将欧秒怠速过程，同时，将欧标准下对标准下对HC+NOXHC+NOX总量的限制改为对总量的限制改为对HCHC、NOXNOX分别进行限制分别进行限制。欧。欧标准下的测试循环图见图标准下的测试循环图见图 由于在取样点上取消了前由于在取样点上取消了前40 秒怠速过程，使得欧秒怠速过程，使得欧测试方法下，同测试方法下，同一车辆一车辆CO、HC 排放量将增加约排放量将增加约30%40%。 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 52太原理工大学机械工程学

48、院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 空速（空间速度的简称）是指每小时流过催化剂的排空速（空间速度的简称）是指每小时流过催化剂的排气体积流量气体积流量( (换算到标准状态换算到标准状态) )与催化剂容积之比。转化效与催化剂容积之比。转化效率随空速的变化称为催化剂的空速特性。率随空速的变化称为催化剂的空速特性。 4.4.空速特性空速特性VRqSVVSV-空速空速VR-催化器的容积。催化器的容积。qV-发动机排气体积流量发动机排气体积流量 在催化剂的实际应用中，人们总希望用较小体积的在催化剂的实际应用中，人们总希望用较小体积的催化剂实现较高的转化效率，以降低催化剂和整个催化转催化剂实现较

49、高的转化效率，以降低催化剂和整个催化转化器的成本。这就要求催化剂有很好的空速特性。一般来化器的成本。这就要求催化剂有很好的空速特性。一般来说，催化剂体积与发动机总排量之比为说，催化剂体积与发动机总排量之比为0.51.0， 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 53太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系空速特性空速特性tr =/sV 式中：式中： 催化床的空隙率，是由催化剂结构参数决定催化床的空隙率，是由催化剂结构参数决定的常数的常数 空速空速sV越高，反应气体在催化剂中停留的时间越短，会越高，反应气体在催化剂中停留的时间

50、越短，会使转化效率降低；但同时由于反应气体流速提高，湍流使转化效率降低；但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。应产物的脱附。空速的大小表示了反应气体在催化剂中的停留时间空速的大小表示了反应气体在催化剂中的停留时间(tr)汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 54太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 车用催化器的流动阻力增大了发动机的排气背压，车用催化器的流动阻力增大了发动机的排气背压，背压过大会使排气过程的推出功增加

51、，消耗同样燃料所输背压过大会使排气过程的推出功增加，消耗同样燃料所输出的有用功减少；背压过大还会使残余废气量增大，发动出的有用功减少；背压过大还会使残余废气量增大，发动机的充气效率降低，每循环同样气缸容积所能利用的燃料机的充气效率降低，每循环同样气缸容积所能利用的燃料化学能减少；同时残余废气量的增加，由引起燃烧热效率化学能减少；同时残余废气量的增加，由引起燃烧热效率下降下降这些都使发动机的经济性和动力性降低。这些都使发动机的经济性和动力性降低。5.5.流动特性流动特性 汽车需要装三元催化器（减排用）、消音器（一般是要汽车需要装三元催化器（减排用）、消音器（一般是要装装24个）和涡轮增压器等，都

52、会增加发动机的排气背压，个）和涡轮增压器等，都会增加发动机的排气背压，使排气不顺畅使排气不顺畅.汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 55太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系流动特性流动特性 催化器横截面上流速分布不均匀，不仅会使流催化器横截面上流速分布不均匀，不仅会使流动阻力增加，而且会使催化器转化效率下降和劣化加动阻力增加，而且会使催化器转化效率下降和劣化加速。流速分布不均匀一般是中心区域流速高，外围区速。流速分布不均匀一般是中心区域流速高，外围区域流速低，这样一来中心部分的温度过高，使该区催域流速低，这样一来中心

53、部分的温度过高，使该区催化剂很容易劣化，缩短了使用寿命，而外围温度又过化剂很容易劣化，缩短了使用寿命，而外围温度又过低，使该区催化剂得不到充分利用，造成总体转化效低，使该区催化剂得不到充分利用，造成总体转化效率的降低。另外，流速分布不均匀还会导致载体径向率的降低。另外，流速分布不均匀还会导致载体径向温度梯度增大，产生较大热应力，加大了载体热变形温度梯度增大，产生较大热应力，加大了载体热变形和损坏的可能性。影响催化转化器流动均匀性的因素和损坏的可能性。影响催化转化器流动均匀性的因素是多方面的，扩张管的结构、催化转化器的空速以及是多方面的，扩张管的结构、催化转化器的空速以及载体阻力等都对流动均匀性

54、有很大影响。载体阻力等都对流动均匀性有很大影响。 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 56太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系流动特性流动特性 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。器流动均匀性的一种有效方法。汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 57太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系热失活热失活化学中毒化学中毒机械老化机械老化结焦与堵塞结焦与堵塞 三效催化剂

55、的劣化直接与催化剂的使用寿命和周期三效催化剂的劣化直接与催化剂的使用寿命和周期密切相关。催化剂的劣化或失活主要是热效应以及受尾密切相关。催化剂的劣化或失活主要是热效应以及受尾气中铅、磷和硫的化学中毒引起的。有时催化剂的中毒气中铅、磷和硫的化学中毒引起的。有时催化剂的中毒是由各种因素的综合作用引起的。是由各种因素的综合作用引起的。 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 58太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系净化气态污染物对催化剂的要求 a.a.高活性：要求催化剂具有去除有害物质的极高效率，因为气高活性：要求催化剂具有去

56、除有害物质的极高效率，因为气体中所含有害物质浓度低，只有催化剂的活性很高，才能有体中所含有害物质浓度低，只有催化剂的活性很高，才能有效地去除有害物质。效地去除有害物质。b.b.高机械强度：因要处理的气体量往往很大，故要求催化剂具高机械强度：因要处理的气体量往往很大，故要求催化剂具有能承受流体冲刷压力的强度。有能承受流体冲刷压力的强度。c.c.高选择性：要处理的气体中往往成分复杂，因此，要求催化高选择性：要处理的气体中往往成分复杂，因此，要求催化剂有高的选择性。剂有高的选择性。d.d.高稳定性：被处理的气体中通常含有催化剂毒物，因此要求高稳定性：被处理的气体中通常含有催化剂毒物，因此要求催化剂抗

57、毒能力强，化学稳定性高，寿命长。除此，要求催催化剂抗毒能力强，化学稳定性高，寿命长。除此，要求催化剂还要有高的热稳定性和比较宽的温度范围。化剂还要有高的热稳定性和比较宽的温度范围。e.e.其它其它: : 要求催化剂易于制造、价廉、使用性能好、耐磨、具要求催化剂易于制造、价廉、使用性能好、耐磨、具有较小的压力降等。有较小的压力降等。汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 59太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系1.热失活 热失活是指催化剂由于长时间工作在热失活是指催化剂由于长时间工作在850以上的高温环以上的高温环境中，涂

58、层组织发生相变、载体烧熔塌陷、贵金属间发生境中，涂层组织发生相变、载体烧熔塌陷、贵金属间发生反应、贵金属氧化及其氧化物与载体发生反应而导致催化反应、贵金属氧化及其氧化物与载体发生反应而导致催化剂中氧化铝载体的比表面积急剧减小、催化剂活性降低的剂中氧化铝载体的比表面积急剧减小、催化剂活性降低的现象。现象。 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 60太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系引起高温失活的原因有以下三点： 发动机失火如突然刹车、点火系统不良、进行点火和压缩发动机失火如突然刹车、点火系统不良、进行点火和压缩试验等，

59、使未燃混合气在催化剂中产生激烈燃烧，引起温试验等，使未燃混合气在催化剂中产生激烈燃烧，引起温度大幅度升高，从而引起严重的热老化；度大幅度升高，从而引起严重的热老化； 汽车连续在高速大负荷工况行驶、产生不正常燃烧等，导汽车连续在高速大负荷工况行驶、产生不正常燃烧等，导致催化剂的温度急剧升高；致催化剂的温度急剧升高； 安装位置离发动机过近。安装位置离发动机过近。 汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 61太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工程学院车辆工程系 催化剂的化学中毒主要是指一些毒性化学物吸附在催化剂催化剂的化学中毒主要是指一些毒性

60、化学物吸附在催化剂表面上并不易脱附，导致废气中的有害气体不能接近催化表面上并不易脱附，导致废气中的有害气体不能接近催化剂进行化学反应，使催化转化器对有害排放物的转换效率剂进行化学反应，使催化转化器对有害排放物的转换效率降低的现象。降低的现象。 2. 化学中毒化学中毒1) 铅中毒铅中毒 2) 硫中毒硫中毒 3) 磷中毒磷中毒 机械老化（损伤）是指催化剂及其载体在外界激励负荷的冲击、振动乃至共振的作用下产生磨损甚至破碎的现象.3.机械老化（损伤）机械老化（损伤）汽车排放与控制汽车排放与控制技术技术太原理工大学车辆工程系太原理工大学车辆工程系 62太原理工大学机械工程学院车辆工程系太原理工大学机械工