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文档简介

1、汽车排放及噪声控制第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化2022年4月11日6.1 概述概述6.2 三效催化转化器三效催化转化器6.3 热反应器热反应器6.4 空气喷射空气喷射第第6章章 第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化 车用汽油机后处理净化装车用汽油机后处理净化装置如置如三效催化转化器三效催化转化器的基的基本结构和工作原理;本结构和工作原理; 三效催化转化器三效催化转化器催化反应催化反应机理、性能指标和催化剂机理、性能指标和催化剂及其劣化机理;及其劣化机理; 三效催化转化器三效催化转化器工作过程工作过程的数学模型,转化器与发的数学模型,转化器与发动机以及汽车

2、的匹配问题。动机以及汽车的匹配问题。 第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化概述:主要内容概述:主要内容 以改善发动机燃烧过程为主要内容,对降低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,排气污染起到了较大作用,但其效果有限,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且不同程度地给汽车的动力性和经济性带来负面影响。负面影响。 随着对发动机排放要求的日趋严格,改善发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动力性、经济性和排放性能的发动机将越来越

3、复杂,越复杂,成本也急剧上升成本也急剧上升。机内净化技术机内净化技术第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化 在不影响或少影响发动机其他在不影响或少影响发动机其他性能的同时,在排气系统中安性能的同时,在排气系统中安装各种净化装置,采用装各种净化装置,采用物理的物理的和化学的方法和化学的方法降低排气污染物降低排气污染物最终向大气环境的排放。最终向大气环境的排放。 专门对发动机排气进行后处理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,利用净化动机的排气系统中,利用净化装置在排气系统中对有害排放装置在排气系统中对有害排放进行处理。进行处

4、理。后处理净化技术后处理净化技术第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化排气系统排气系统 概述概述 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。第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化三效催化转化器的载体一般采三效催化转化器的载体一般采用蜂窝结构,用蜂窝结构,蜂窝表面有涂层蜂窝表面有涂层和活性组分和活性组分,与废气的接触表,与废气的接触表面积非常大,净化效率高,当面积非常大,净化效率高,当发动机的空燃比在理论空燃比发动机的空燃比在理论空燃比附近时,附近时,三效催化剂可将三效催化剂可将90%的的HC和和CO及及70%

5、的的NOx同时净同时净化化。 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。车排放控制技术的主流。 TWC:Three Way Catalytic Converter三效催化转化器的基本结构三效催化转化器的基本结构三效催化转化器由三效催化转化器由壳体壳体、垫层垫层和和催化剂催化剂组成,组成,其中,其中,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。第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化三元催化转化器结构三元催化转化器结构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

6、1.圆形圆形2.球场形球场形3.椭圆形椭圆形三元催化剂的外形种类三元催化剂的外形种类按目数分:按目数分:400400目、目、600600目目等等目数:每平方目数:每平方英尺孔的数量英尺孔的数量催化反应机理催化反应机理有催化剂参与的化学反应就称为催化反应。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固体催化剂对气态或液态反应物所起的催化作用属于用属于多相催化多相催化,车用催化剂就是此类型的催,车用催化剂就是此类型的催化。化。 催化反应过程催化反应过程 第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化吸附过程吸附过程吸附作用吸附作用是一种或数种物质的原子、分子

7、或离子附着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。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: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(为吸附质分子(CO、HC或或NOx) s为活性中心(或催化中心)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为在吸附表面上形成的表面络合物 H(s)和和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第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化必要条件:高温和具备化学还原剂必要条件:高温和具备化学还原剂总量反

8、应:总量反应:NO + CO 0.5N 2 + CO 2NO + H 2 0.5N 2 + H 2 O(2m+0.5n)NO + CmHn (m+0.25n)N 2 + 0.5nH 2 O + mCO 2表面反应过程表面反应过程CO氧化反应氧化反应HC氧化反应氧化反应NO还原反应还原反应总量反应:总量反应:CO + 0.5O 2 CO 2部分部分CO可通过水煤气反应:可通过水煤气反应:CO + H 2 O CO 2 + H 22H 2 + O 2 2H 2 O总量反应:总量反应:CmHn + (m+0.25n)O 2 mCO 2 + 0.5nH 2 O反反应应机机理理第第6章章 车用汽油机后处

9、理净化车用汽油机后处理净化脱附过程脱附过程B(s) B + sH(s) + H(s) H2 + s + sO(s) + O(s) O2 + s + sB为反应产物分子为反应产物分子s为活性中心(或催化中心)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为在吸附在催化剂上形成的表面络合物脱附:脱附:表面反应过程完成后,生成物分子就会从催化剂表面反应过程完成后,生成物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。活性位,这个过程称为脱附。脱脱附附方方程程式式第第6章章 车用汽油机后处理净

10、化车用汽油机后处理净化三效催化剂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。化器的主要性能指标。三元催化转化器构造三元催化转化器构造载体载体蜂窝状整体式载体:排气阻力蜂窝状整体式载体:排气阻力小、机械强度大、热稳定性好小、机械强度大、热稳定性好和耐冲击,其基质有两大类,和耐冲击,其基质有两大类,陶瓷和金属。陶瓷和金属。涂层涂层活性组分活性组分蜂窝陶瓷载体:本身比表面积蜂窝陶瓷载体:本身比表面积很小,常在其壁上涂覆一层多很小,常在其壁上涂覆一层多孔性物质,以提高载体的比表孔性物质,以提高载体的比表面

11、积。面积。蜂窝金属载体:涂底层的方法蜂窝金属载体:涂底层的方法并不适用,通常采用刻蚀和氧并不适用,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氧化物,在此氧化物表面上浸渍具有催化活性的物质。渍具有催化活性的物质。 第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化 活性组分活性组分第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化三效催化剂劣化机理三效催化剂劣化机理第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化三效催化转化器的性能指标三效催化转化器的性能指标第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化空燃比特性空燃比特性转化效

12、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。 图图6-6 过量空气系数对三效催化转化器过量空气系数对三效催化转化器转化效率的影响转化效率的影响或或 的的 第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化起燃特性起燃特性 图图6-7 三效催化剂的起然温度特性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。催化剂只有达到一定温度才能开始工作,称为起燃。第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化空速特性空速特性空速的大小表示了反应气体在催化剂中的停空速的大小表示了反应气体在催化剂中的停留时间留时间(tr):-催化床的空隙率,常数

13、催化床的空隙率,常数空速空速(SV):SV=qv / VcatVcat=(0.51)Vstmpm =(1.02.0) Vcat贵金属用量(贵金属用量(g):tr =/sV第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化流动特性流动特性 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。化转化器流动均匀性的一种有效方法。第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化三效催化转化器工作过程模拟三效催化转化器工作过程模拟CO + 0.5O2 CO2C3H6 + 4.5O2 3CO2 + 3H2OCH4 + 2O2 CO2 +

14、2H2OCO + NO CO2 + 0.5N2H2 + 0.5O2 H2O工工作作过过程程动动画画第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化三效催化转化器工作过程三效催化转化器工作过程催化转化器工作过程的原理图催化转化器工作过程的原理图蜂窝载体简化成轴对称蜂窝载体简化成轴对称的二维模型的二维模型: : 温度低时,总体的温度低时,总体的催化反应催化反应速度速度几乎完全取决于几乎完全取决于化学反化学反应速度应速度;温度高时,总体催化反应速温度高时,总体催化反应速度几乎完全取决于度几乎完全取决于传质速率传质速率。总体反应速率总体反应速率第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化i

15、SR111iiiSmCRRR三效催化转化器的匹配三效催化转化器的匹配第第6章章 车用汽油机后处理净化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三效催化器与电控燃油喷射系统的匹配第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化混合气混合气混合气混合气三效催化器与排气系统的匹配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。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排气系统对发动机性能的影响主要

16、通过压力波对排气干扰产生。波对排气干扰产生。催化器的安装位置显著影响排气系统催化器的安装位置显著影响排气系统波动效波动效应应,进而影响发动机动力性和经济性。,进而影响发动机动力性和经济性。第第6章章 车用汽油机后处理净化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。行控制的地区,应选用抗中毒劣化性好的催化剂。

17、催化器性能越好,往往贵金属含量越高,成本越高,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。越好,而是更注重催化器性能恰好满足当时排放法规。第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化热反应器热反应器在排气道出口处安装在排气道出口处安装用用耐热材料制造的热耐热材料制造的热反应器反应器,使尾气中未,使尾气中未燃的碳氢化合物和一燃的碳氢化合物和一氧化碳在热反应器中氧化碳在热反应器中保持高温并停留一段保持高温并停留一段时间,使之得到充分时间,使之得到充分氧化从而降低其排放氧化从而降低其排放量。量。 1-外筒;外筒;2-内孔;内孔;3-壳体;壳体; 4-排气口;排气口;5-空气喷射孔空气喷射孔图图6-12 热反应器热反应器1-外筒;外筒;2-内孔;内孔;3-壳体;壳体;4-排气口;排气口;5-空气喷射孔空气喷射孔 热反应器热反应器第第6章章 车用汽油机后处理净化车用汽油机后处理净化空气喷射空气喷射

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