第六章 汽油机后处理净化技术课件

1、 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。 因此，世界各国都先后开发废气后处理净化技术，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。 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，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

2、害成分。 在发达国家，车用汽油机采用后处理装置较多。 稀燃催化技术是降低碳氧化合物排放的有效手段，目前在稀薄燃烧汽油机排放的尾气净化技术中，被广泛研究与应用的是吸附还原催化器。一、三效催化转化器的基本结构三效催化转化器的基本结构见图-，它由壳体、垫层和催化剂组成。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。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。二、催化反应机理催化作用的核心是催化剂。 催化剂是一种能够改变化学反应达

3、到平衡的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。化学动力学过程三个步骤的机理如下:)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。)表面反应过程反应物分子吸附在催化剂表面的活性中心后，它们就分别开始与同样吸附在活性中心的氧化剂分子或还原剂分子发生氧化还原反应。)脱附过程当表面反应过程完成后，生成的反应产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活性位，这个过程称为脱附。三、三效催化剂及其劣化机理三效催化剂的组成三效催化剂的组成三效催化剂的劣化机理三效催化剂的劣化机理是一个非常复杂的物理、化学变化过程，除了与催化转化器的设计、

4、制造、安装位置有关外，还与发动机燃烧状况、汽油和润滑油的品质及汽车运行工况等使用过程有着非常密切的关系。 影响催化剂寿命的因素主要有四类，即热失活、化学中毒、机械损伤以及催化剂结焦。 在催化剂的正常使用条件下，催化剂的劣化主要是由热失活和化学中毒造成的。四、三效催化转化器的性能指标 车用汽油机三效催化转化器的性能指标很多，其中最主要的有污染物转化效率和排气流动阻力。 转化效率由下式定义:. 空燃比特性. 起燃特性到目前为止，起燃温度是最常用的起燃特性指标，其试验测定也简便易行。. 空速特性. 流动特性五、三效催化转化器工作过程模拟催化转化器的转化效率是运行参数和设计参数的复杂函数。 如果催化转

5、化器的研究和设计仅依赖经验方法，这不仅费时费力，而且也很难设计出令人满意的产品。 如果能建立一个通用的数学模型，可方便、快捷地了解催化转化器工作过程的各个细节以及各种参数之间的相互影响，从而有力地促进催化转化器的研究与设计。因此，在模型中需要考虑六种物质，其中的反应如下:这里将圆柱蜂窝载体简化成轴对称的二维模型，见图-。在图- 中， 表示气体与载体间的径向传热量， 表示气体与载体间的轴向传热量，表示总的化学反应热量， 表示气体与载体表面的对流传热量。六、三效催化转化器的匹配. 三效催化器与电控燃油喷射系统的匹配()冷起动阶段:在保证发动机运转平稳的前提下，一般采用较小的空燃比，较小的点火提前角

6、和较高的暖机转速，以产生较高的排气温度，使三效催化转化器尽快起燃。()怠速工况:为保证三效催化转化器的转化效率，就要把空燃比控制在化学计量比附近，并采用较小的点火提前角和较高的怠速转速，以保证排气温度高于催化器的起燃温度。 而无催化器的电控系统一般追求怠速的稳定性和经济性。()稳态工况:中小负荷时，要实现空燃比中值和波动的控制，涉及氧传感器中值电压修正和空燃比波动频率、幅值的调节。 大负荷时，要对空燃比进行加浓，以获得好的动力性，但在有催化器时，还要兼顾利用加浓的空燃比来降低排气温度，以防止催化转化器过热。()加减速等过渡工况:涉及加速变浓、减速变稀和减速断油等工况的标定，要兼顾良好的过渡性能

7、和排放性能。 特别是在减速过程中，更要严格控制失火现象，以免未燃混合气在催化器中的燃烧引起催化器过热。. 三效催化器与排气系统的匹配排气系统对发动机性能的影响主要是通过压力波对排气干扰而产生的，其影响程度随排气管长度而变化。 而催化器的安装位置会显著影响排气系统的这种波动效应，进而影响发动机的动力性和经济性。 因此，在采用催化器时必须对发动机排气系统进行重新设计，以达到催化器与排气系统的良好匹配。 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。. 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是指，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

8、劣化性好的催化剂。 另外，催化器与排放法规之间也应有合理的对应关系。 如仅满足以 和 为控制目标的排放法规，则可选用氧化型催化器 为满足带有城郊高速行驶工况的排放测试程序，应选用空速特性好的催化器。 实际上，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的排放法规。 因为催化器性能越好，往往是贵金属含量越高，因而成本越高。稀薄燃烧技术是降低 排放的有效手段。 所谓稀薄燃烧指发动机在空燃比大于化学计量比的条件下运行，其排放尾气与普通发动机有相似的化学成分，但其中还原性及氧化性气体的相对含量不同于普通发动机的尾气，因而其排放尾气的净化处理技术有明显区别。 采用稀薄

9、燃烧技术，可提高燃料的利用率，从而提高燃料的经济性， 减少、 排放浓度，在一定空燃比范围内， 和 也有所减少，但 的浓度却明显升高，导致 的转化效率会大大降低，在这种富氧条件下，催化还原其中的 是稀燃催化技术的关键所在。 目前针对稀燃催化技术研究较多的是- 氧化还原催化剂、- 三效催化剂、全 催化剂和后来采用的催化剂涂层等，但都因为空燃比的操作窗口太窄，要求燃油中 含量较低，因此难以广泛应用。一、反应原理. 吸附还原催化的工作原理. 吸附还原催化反应机理) 的吸附机理在吸附阶段，发动机运行在稀薄燃烧状态，空燃比要大于理论空燃比，发动机排气处于富氧状态， 被吸附于吸附剂上。 吸附还原催化转化器稀

10、燃吸附时的主要化学反应可以认为有两个步骤:第一步:稀燃时 在贵金属()作用下首先被氧化为: 第二步: 与贵金属 中加入的碱或碱土金属(主要是 ， 和 )氧化物作用生成硝酸盐，以硝酸盐的形式吸附在碱土金属氧化物表面。 以碱土金属氧化物 为例，在富氧条件下 与 反应生成() 的反应如下: () 的净化还原机理在净化还原阶段，发动机处于浓燃状态，空燃比小于理论空燃比，在此过程中被吸附的 首先被释放，然后在还原剂的作用下反应生成，从而实现净化还原。 吸附还原催化转化器浓燃净化还原时的主要化学反应可以认为有两个步骤:第一步:被吸附的 在浓燃阶段脱附。 化学反应为:() 第二步: 的净化。 与三效催化转化

11、器中的还原机理一样， 在还原剂 、的作用下被还原为无害的氮气，具体化学反应为: 二、影响因素分析吸附还原催化器主要工作在稀燃状态下，因此这种催化器在富氧时的 储存能力非常关键，当排气中 浓度低于时， 储存量急剧下降。 储存单元碱度越高，储存的 量就越大，但这将降低 的活性，尤其是 的转化率，因此在应用这种催化器时，应优化其含碱量。 此外，贵金属 颗粒的大小对 转化率影响显著， 尺寸越小，其活性越大，则的转化率越高。 在吸附还原催化器不同气体还原 的能力中，、 最高，烯烃、烷烃次之。 为使 的转化效率较高，还原剂与 的最佳摩尔比应选为。硫中毒是造成吸附还原催化器失活的最主要因素，当燃料含硫量较多

12、时， 还原效率会急剧下降， 因为硫化物在催化器表面形成一层不能穿透的硫酸盐表面层，从而使 不能再被吸收，造成催化器中毒劣化而失效。三、稀燃催化技术匹配控制及性能吸附还原催化器的吸附能力是有限的，当催化器在稀燃工况下连续运行时，吸附量将达到饱和，不能继续起作用。为了精确控制 吸附的稀燃阶段和 还原的浓燃阶段，可以在催化器后安装氧传感器，检测 还原过程是否结束，从而使 排放和燃油经济性都达到最优。热反应器一般采用耐热耐腐蚀的不锈钢制成，其结构见图-。热反应器由壳体、外筒和内筒三层构成，中间加保温层，使内部保持高温。 热反应器安装在排气总管出口处，由于有较大的容积和绝热保温部分，反应器内部的温度可高达 。 同时在紧靠排气门处喷入空气(即二次空气)，以保证 和 氧化反应的进行。 进行氧化反应的温度应高于， 进行完全反应的温度应至少超过。 热反应器必须为热反应提供必要的反应条件，通常在浓混合气工作条件下，热反应器产生大于 的高温。通入二次空气时， 和 的转化率最高，但会使燃油经济性恶化。 对于稀混合气工作的汽油机，不需供给二次空气，并可减少空气泵的能量消耗。 一般情况下，热反应器对 和 的转化率可达。空气喷射就是将新鲜空气喷射到排气门的后面，使尾气中的 化合物和 在排