第4章-汽油机后处理净化技术.ppt

1、第四章汽油发动机的后处理净化技术，4.1概要4.2三元催化转化器4.3热反应器和空气喷射4.4稀薄燃烧汽油发动机的排气净化技术，4.1概要，以改善发动机的燃烧过程为主，对降低废气污染起着很大的作用，但在某种程度上汽车的动力随着发动机排放要求的加强，改善发动机工作变得越来越难，能综合兼顾动力性、经济性和排放性能的发动机变得越来越复杂，成本也急剧上升。 为此，世界各国正在开发废气后处理净化技术。机内净化技术，专门用于后处理发动机废气的方法是将净化装置串联连接到发动机排气系统，在废气排出到大气之前，利用净化装置在排气系统中进行处理，以减少排放到大气中的有害成分。 在发达国家，汽车用汽油发动机多采用后

2、处理装置。 这些装置主要有三元催化转化器、热反应器、空气喷射器等。 目前发达国家生产的汽油车几乎配备了三效催化转化器，已有二十多年的商业化应用历史。 随着我国经济的迅速发展，城市汽车越来越多，其废气已经严重污染了大气环境，对三效催化转化器的需求更为迫切。 在尽量不影响发动机性能的同时，在排气系统中设置各种净化装置，利用净化装置在排气系统中处理排气，减少最终排到大气环境中的污染物质。 后处理净化技术、排气系统、4.2三元催化转换器、三元催化转换器是目前应用最多的废气后处理技术。 发动机一启动，废气就通过排气管进入三元催化转化器，把废气中对环境有害的气体变成对环境无害的二氧化碳和水。 三元催化剂将

3、汽车排气系统的有害物质烃、一氧化碳和氮氧化物转化为水蒸气、二氧化碳和氮。 三元催化剂的位置、催化转化器安装在排气歧管后、排气消音器前的排气管上。 其作用为催化剂(通常为金属铂、钯、铑； 稀土材料。 )的作用是将排气中的CO、HC、NOx转换成对人体无害的气体。 催化转换器包括氧化催化转换器和三元催化转换器。 氧化转换器只把废气中的CO、HC氧化成CO2和H2O，也称为二元催化剂转换器，必须作为氧化剂供给二次空气。 三元催化转换器可以同时降低CO、HC和NOx的排放。 以排气中的CO和HC作为还原剂，将NOx还原成氮气(N2 )和氧气(O2 )，CO和HC被氧化成CO2和H2O。 当空燃比在理论

4、空燃比(14.7 )附近时，氧化还原反应达到平衡，CO、HC和NOx的排出同时达到最低。 概述，三元催化转换器是目前使用最多的废气后处理净化技术，三元催化转换器一般采用蜂窝结构载体，蜂窝表面有涂层和活性成分，与废气接触表面积大，发动机空燃比接近理论空燃比时，催化剂占烃和一氧化碳的90%和氮氧化物为我们的环境保护发挥了重要的作用。 三效催化转化器发展最快。 目前，电控汽油喷射和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。HC CO NOx、H2O CO2 N2、4.2.1三元催化剂转换器的基本结构，三元催化剂转换器由外壳、缓冲、载体和催化剂四部分组成。 其中催化剂是催化活性成分和涂层的总

5、称，它是催化转换器整体的核心部分，决定了催化转换器的主要性能指标。twc : threewaycatayticconverter、催化转化器的结构(圆形)、外壳、减振垫圈、载体和催化剂，三元催化转化器主要由外壳、垫圈和涂有催化剂的载体构成，三元催化转化器的基本结构为1外壳通常是将奥氏体或铁氧体镍镉耐热不锈钢板做成双层结构，防止水垢脱落引起的催化剂堵塞。 催化转化器壳体为双重结构，保证催化剂的反应温度。 为了减少催化转化器到汽车底板的高温辐射，路面的积水为了避免催化转化器的激冷损伤及路面飞石引起的冲击损伤，箱体外设置了半周或全周的隔热罩。 外壳的形状设计是，尽可能减少流过催化转换器的气流的涡流和

6、气流的分流现象，尽可能使废气均匀地分布在载体的端面，附着在载体上的活性涂层有可能负担相同的废气注入量，所有的活性涂层都对废气发生加速反应外壳材料一般选用不锈钢和耐热钢：外壳的模腔要配合载体的尺寸，过渡部分要合理诱导和分布气体的流动方向。 体积大的箱子必须在结构上设置加强筋来提高刚性。不锈钢壳催化转化器，2 .缓冲层、缓冲层由软质耐热材料制成，一般有陶瓷垫圈层和丝网两种，在载体与壳体之间，起到减振、热应力缓和、载体的固定、保温和密封的作用陶瓷衬垫层由陶瓷纤维、蛭石和粘接剂构成。 陶瓷垫片层在最初的热下体积显着膨胀，冷却时仅部分收缩，金属壳和陶瓷载体之间的间隙完全膨胀而被密封。 陶瓷衬垫层的隔热性

7、、耐冲击性、密封性和高低温度下对载流子的固定力比有线网强，是目前的主要应用缓冲层。 在催化剂使用中，金属壳的热膨胀系数大，而陶瓷载体的热膨胀系数小，因此必须用垫片的膨胀和弹性来缓冲，以保证载体不松弛。 垫圈是催化转化器中保护载体不受损伤的部分。 3 .载体、载体是负载活性成分的多孔质、耐热固体物质。 汽车尾气通过与附着在这种载体表面的活性催化剂相互作用，达到了加速尾气中污染物的氧化还原反应，净化尾气的目的。 载体的热稳定性和充分的机械强度热膨胀系数小。 载体主要有颗粒状载体、金属载体、陶瓷蜂窝载体三种。 粒状载体具有磨损快、阻力大的特点，未被汽车催化剂采用。 据统计，目前世界上90%的车用催化

8、剂载体是蜂窝一体化陶瓷载体，该载体是用堇青石挤出的。 堇青石是硅酸铝，其化学组成为2AL2O32MgO5SiO2，熔点在1450左右，在1300左右保持足够的弹性，能防止发动机正常运转时永久变形。 堇青石热膨胀系数低，耐热冲击性高，在快速加热和冷却时抵抗破裂的能力高，具有良好的热稳定性，适合汽车排气冷热突变的环境。 常见的载体外形有圆形、椭圆形、三角形和跑道形等。 为了获得小的流动阻力和大的几何学表面积，蜂窝载体必须向多孔质的薄壁方向发展，陶瓷蜂窝载体的空隙率(每单位面积的孔数)和孔与孔之间的壁厚是两个重要参数，对催化剂的影响很大。 为了降低压降，提高传热性能，增加几何面积，载体采用的空隙率已

9、经从初期的47孔/cm2到62孔/cm2到93孔/cm2，孔的壁厚也从0.3mm到0.15mm到0.1mm。 因此，不增加催化转换器的体积，使每单位体积的几何表面积从2.2m2/L增加到2.8m2/L，进一步增加到3.4m2/L，大幅度提高了净化率。 蜂窝载体也可以用金属薄板制作。 金属载体通常通过蚀刻和氧化的方法在金属表面形成氧化物，在该金属氧化物表面进一步含浸具有催化活性的物质。 金属载体也可以加工成网状，通过表面氧化处理和催化活性处理，可以得到高催化活性表面，还可以加工成各种尺寸的屏幕，放入催化转化器中。线载体的优点是容易形成各种形状，且具有优异的耐冲击性，起火温度低，起火速度快。 比表

10、面积大，传热快，寿命长，能满足汽车冷起动排放的要求，可以采用电加热。 但是，成本很高。 三元催化剂外形种类：横截面1 .圆形2 .球场形状3 .椭圆形，目数： 400、600等目数：每平方英尺的孔数，三元催化剂外形种类：催化剂包含载体、涂层、活性成分。 蜂窝状一体型载体：排气阻力小，机械强度大，热稳定性好，耐冲击性好。 其基质有两种：陶瓷和金属。 蜂窝陶瓷载体：自身比表面积小，经常在其壁上涂上多孔性物质，提高载体的比表面积。 蜂窝金属载体：涂复基底层的方法不适用，通常通过蚀刻和氧化的方法在金属表面形成氧化物，在该氧化物表面含浸具有催化活性的物质。 4 .涂层、涂层是在载体表面涂层的多孔活性水洗

11、层。 涂层主要由-AL2O3构成，具有大的比面积(200m2/g )。 其粗糙多孔质的表面大大增加了载体壁面的实际催化反应表面积。 在涂层表面分散有作为催化活性材料的贵金属，一般使用铂(Pt )、铑(Rh )和钯(Pd )、铈(Ce )、钡(Ba )和镧(La )等稀土元素作为助催化剂。 催化剂的活性和耐久性除了与涂层的成分有关外，还与涂层的制造技术密切相关。 请看催化包复模式图、三效催化转化器的基本结构、漂亮的动画！ 铑(Rh ) :铑是控制三元催化剂中氮氧化物的主要成分，这种高活性与能有效地分解NO分子有关。 催化转化器中铑的典型使用量是0.180.3g。 铂(Pt ) :三元催化剂中铂的

12、主要作用是一氧化碳和烃的转化。 三元催化剂中铂的典型使用量为1.52.5g。 钯(Pd ) :钯和铂一样，在三元催化剂中主要起着催化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，4 .助催化剂(稀土类元素) : 助催化剂是指添加到催化剂中的另一种物质，其本身不具有活性和活性小的物质，但能改变催化剂的一些性质，改善催化剂的活性、选择性、抗毒性和稳定性。 常见的稀土元素是铈、镧、钡等，具有稳定的氧化状态。 氧化铈和氧化镧应用于目前的汽车催化剂，其一般用量约为涂层质量的100%。，载体和催化剂，贵金属Pt，Rh，Pd，氧化铝，助催化剂，催化剂涂层，载体，4.2.3催化剂反应机构，氧

13、化反应：2 .还原反应：三元催化剂的催化剂反应中，一氧化氮和一氧化碳的反应是最重要的反应。 根据3 .水蒸气重整反应、4 .水蒸气转换反应、红外光谱，估计之间可能存在以下反应步骤。 其中，m表示金属活性位，(g )表示气相，(a )表示吸附状态。 关于(1)吸附工序、(2)解离工序、(3)表面再结合和表面反应、排气的转化效率和空燃比的关系，在发动机混合气的空燃比处于理论空燃比附近时，CO、HC、氮氧化物的转化效率最高为了与、三元催化剂相结合，现代的汽油发动机采用了从排气氧传感器对空燃比进行反馈控制的电子控制汽油发动机喷射系统。 重整效率空燃比特性点火特性的空速特性流动特性、4.2.4三元催化剂

14、转换器的性能指标、重整效率、排气污染物I在催化剂入口的浓度或体积分率催化剂出口的排出污染物I的浓度或体积分率。 转化效率的计算公式是，汽车发动机排出的废气在三元催化剂下进行催化反应后，其有害污染物浓度有所降低。催化转化效率由下式定义：空燃比特性，转化效率a的变化称为催化空燃比特性。 三元催化剂在不同空燃比下的转换效率如图所示，仅在理论空燃比附近的被称为“窗”的狭窄的空燃比范围内，能同时得到高的净化效率。 燃烧特性、催化转化效率的高低与温度密切相关，催化剂达到一定温度以上才有明显的催化作用。 着火特性有着火温度特性和着火时间特性两种评价方法。 起火温度特性主要依赖于催化剂配比，评价催化剂的低温活

15、性。 催化转换器系统整体的着火特性用着火时间进行了评价。 点火时间特性除了与催化配比有关外，还很大程度上取决于催化转化器整体的热惯性、隔热程度及流动传热过程，其评价试验结果与实车冷起动特性的关系更直接且全面。 由于冷启动阶段的排气温度未达到催化剂的起火温度，或者空燃比偏差，因此催化转换器的转化效率低。 2004年，中国的汽车排放从欧洲到欧洲，从欧洲到欧洲这样的技术不简单，要上楼梯，需要三种技术。 首先，车辆冷启动时满足排出标准的要求增加了。 在实验过程中，车辆在零下7度的低温条件下放置6小时以上，点燃车后，马上测量车辆的排放量，达到了标准。 这个技术要求在欧洲标准中没有。 其次，在车辆的电子控

16、制系统中追加了监视排出控制系统的工作状态的功能(OBD、车载诊断系统)。 可以随时监视车的废气情况，如果超过了标准，会给出提示。 这个OBD在欧洲标准车辆上没有。 第三项是向制造商提出的，车载诊断系统需要采取保证措施。 在美国，向制造商要求排放系统的质量保证期间为8万公里，作为汽车召回项目之一。 污染物(HC、CO、NOX )的70%在冷起动阶段产生。 例如，美国的FTP(Federal Test Program)75是一个测试周期，在3种污染物HC、CO、NOX的冷启动阶段，排放量占总周期的84%、83%、51%。 减少车辆冷起动排放成为新的工作重点。 表1显示了欧洲不同阶段的排放基准限制值

17、，从排放限制值来看，从欧洲向欧洲的转移没有什么变化，但由于新的测试方法(NEDC )取消了最初的40秒的空闲过程，冷启动阶段的排放量减少了表1欧洲不同阶段的排放标准限制值(g/km )，从欧洲转移到欧洲主要是新的测试方法(NEDC )比以前(UDC EUDC )前取消了40秒空闲过程，同时以欧洲为基准限制HC NOX总量从欧洲标准的测试周期图来看，由于取消了采样点的前40秒的空闲过程，欧洲测试方法将使同一车辆的CO、HC排放量增加约30%。 空速(空间速度的简称)是催化剂在1小时内流动的排气体积流量(换算成标准状态)和催化剂容积的比。 转换效率随空速的变化称为催化剂的空速特性。 4 .空速特性，SV-空速VR-催化剂的容积。 qV-发动机废气的体积流量，在催化剂的实用中，希望用小体积的催化剂实现高转化效率，降低催化剂和催化剂转换器整体的成本。 这要求催化剂具有良好的空速特性。 一般来说，催化剂体积和发动机总排放量之比为0.51.0，空速特性、/sV，式中：催化剂床的空隙率，由催化剂结构参数决定的常数空速sv越高，反应气体在催化剂中滞留的时间越短，转化效率越低，但是同时，反应气体的流速变高，因此湍流强度大空速的大小表示反应气体