第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)

1、發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染及控制主講人主講人 龔金科等龔金科等2022年5月20日6.1 概述6.2 三效催化轉(zhuǎn)化器6.3 稀燃技術(shù)6.4熱反應(yīng)器和空氣噴射第6章 第6章 汽油機(jī)后處理凈化概述：主要內(nèi)容介紹了三效催化轉(zhuǎn)化器的基本結(jié)介紹了三效催化轉(zhuǎn)化器的基本結(jié)構(gòu)工作原理、催化反應(yīng)機(jī)理、性構(gòu)工作原理、催化反應(yīng)機(jī)理、性能指標(biāo)和催化劑及其劣化機(jī)理。能指標(biāo)和催化劑及其劣化機(jī)理。分析介紹了稀燃催化技術(shù)的反應(yīng)分析介紹了稀燃催化技術(shù)的反應(yīng)原理、影響因素以及匹配控制及原理、影響因素以及匹配控制及性能。性能。第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù) 以改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程為主，對(duì)降低排氣污染起到很大作用，但不同程度地給汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性

2、帶來(lái)負(fù)面影響。 隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放要求的日趨嚴(yán)格，改善發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的難度越來(lái)越大，能統(tǒng)籌兼顧動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的發(fā)動(dòng)機(jī)將越來(lái)越復(fù)雜，成本也急劇上升。機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)在盡量不影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的同時(shí)，在排氣系統(tǒng)中安裝各種凈化裝置，利用凈化裝置在排氣系統(tǒng)中對(duì)廢氣進(jìn)行處理來(lái)降低最終向大氣環(huán)境排放的污染物。 后處理凈化技術(shù)排氣系統(tǒng)排氣系統(tǒng) 第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)概述 三效催化轉(zhuǎn)化器是目前應(yīng)用最多的廢氣后處理凈化技術(shù)。三效催化轉(zhuǎn)化器是目前應(yīng)用最多的廢氣后處理凈化技術(shù)。一般采用蜂窩結(jié)構(gòu)載體，蜂窩表面有涂層和活性組分，與廢氣的接觸表面積大，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的空

3、燃比在理論空燃比附近時(shí)，催化劑可將90%的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸技?0%的氮氧化物同時(shí)凈化。 目前，電子控制汽油噴射加三效催化轉(zhuǎn)化器已成為國(guó)內(nèi)外汽油車(chē)排放控制技術(shù)的主流。第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)三效催化轉(zhuǎn)化器的基本結(jié)構(gòu)三效催化轉(zhuǎn)化器由殼體、墊層和催化劑組成，其中，催化劑包括載體、涂層和活性組分。三元催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)三元催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)請(qǐng)看漂亮請(qǐng)看漂亮動(dòng)畫(huà)哦！動(dòng)畫(huà)哦！第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)催化反應(yīng)機(jī)理有催化劑參與的化學(xué)反應(yīng)就稱為催化反應(yīng)。固體催化劑對(duì)氣態(tài)或液態(tài)反應(yīng)物所起的催化作用屬多相催化，車(chē)用催化劑就是此類(lèi)型的催化。 催化反應(yīng)過(guò)程催化反應(yīng)過(guò)程 第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)吸附過(guò)程A為吸附質(zhì)

4、分子（CO、HC或NOX） s為活性中心（或催化中心） A(s)為在吸附表面上形成的表面絡(luò)合物 H(s)和O(s)分別為氫原子和氧原子吸附在活性中心形成的表面絡(luò)合物三效催化劑上發(fā)生三效催化劑上發(fā)生化學(xué)吸附的一般吸化學(xué)吸附的一般吸附方程式：附方程式：吸附作用是一種或數(shù)種物質(zhì)的原子、分子或離子附著在另一種物質(zhì)表面上的過(guò)程。第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)必要條件：高溫和具備化學(xué)還原劑總量反應(yīng)：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表面反應(yīng)過(guò)程CO氧化反

5、應(yīng)HC氧化反應(yīng)NO還原反應(yīng)總量反應(yīng)：CO + 0.5O 2 CO 2部分CO可通過(guò)水煤氣反應(yīng)：CO + H 2 O CO 2 + H 22H 2 + O 2 2H 2 O總量反應(yīng)：CmHn + (m+0.25n)O 2 mCO 2 + 0.5nH 2 O反應(yīng)機(jī)理三種反應(yīng)三種反應(yīng)第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)脫附過(guò)程B(s) B + sH(s) + H(s) H2 + s + sO(s) + O(s) O2 + s + sB為反應(yīng)產(chǎn)物分子s為活性中心（或催化中心）B(s)為在吸附在催化劑上形成的表面絡(luò)合物脫附：脫附：表面反應(yīng)完成后，生成的反應(yīng)分子從催化劑表面的活性中心脫離表面反應(yīng)完成后，生成的反應(yīng)

6、分子從催化劑表面的活性中心脫離出來(lái)，為表面反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行空出活性位，這個(gè)過(guò)程稱為脫附。出來(lái)，為表面反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行空出活性位，這個(gè)過(guò)程稱為脫附。脫附方程式第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)三效催化劑三效催化劑是三效催化轉(zhuǎn)化器的核心部分，它決定了三效催化轉(zhuǎn)化器的主要性能指標(biāo)。催化劑涂覆示意圖催化劑涂覆示意圖蜂窩狀整體式載體：蜂窩狀整體式載體：排氣阻力小、機(jī)械強(qiáng)度大、排氣阻力小、機(jī)械強(qiáng)度大、熱穩(wěn)定性好和耐沖擊。其基質(zhì)有兩大類(lèi)，陶瓷熱穩(wěn)定性好和耐沖擊。其基質(zhì)有兩大類(lèi)，陶瓷和金屬。和金屬。蜂窩陶瓷載體蜂窩陶瓷載體：本身比表面積很小，常在其壁：本身比表面積很小，常在其壁上涂覆一層多孔性物質(zhì)，以提高載體的比表面上

7、涂覆一層多孔性物質(zhì)，以提高載體的比表面積。積。蜂窩金屬載體：蜂窩金屬載體：涂底層的方法并不適用，通常涂底層的方法并不適用，通常采用刻蝕和氧化的方法在金屬表面形成一層氧采用刻蝕和氧化的方法在金屬表面形成一層氧化物，在此氧化物表面上浸漬具有催化活性的化物，在此氧化物表面上浸漬具有催化活性的物質(zhì)。物質(zhì)。 活性組分活性組分載體載體涂層涂層第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)活性組分第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)三效催化劑劣化機(jī)理第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)三效催化轉(zhuǎn)化器的性能指標(biāo)第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)轉(zhuǎn)化效率 100%iiiioiiccc(i)排氣污染物i在催化器中的轉(zhuǎn)化效率； 排氣污染物i在催化器進(jìn)口處

8、的濃度或體積分?jǐn)?shù)； 排污染物i在催化器出口處的濃度或體積分?jǐn)?shù)。 iic ioc轉(zhuǎn)化效率的計(jì)算公式第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)空燃比特性轉(zhuǎn)化效率隨或a的變化稱為催化器的空燃比特性或 的 第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)起燃特性 圖6-7 三效催化劑的起然溫度特性催化劑只有達(dá)到一定溫度才能開(kāi)始工作，稱為起燃。第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)空速特性空速的大小表示了反應(yīng)氣體在催化劑中的停留時(shí)間(tr)：空速(SV)：SV=qv / VcatVcat=(0.51)Vstmpm =(1.02.0) Vcat貴金屬用量mpm：tr =/sV我們來(lái)了解空速特性！第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)流動(dòng)特性對(duì)擴(kuò)張管的形狀、結(jié)

9、構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是改善催化轉(zhuǎn)化器流動(dòng)均勻性的一種有效方法。第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)三效催化轉(zhuǎn)化器工作過(guò)程模擬CO + 0.5O2 CO2C3H6 + 4.5O2 3CO2 + 3H2OCH4 + 2O2 CO2 + 2H2OCO + NO CO2 + 0.5N2H2 + 0.5O2 H2O工作過(guò)程動(dòng)畫(huà)第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)三效催化轉(zhuǎn)化器工作過(guò)程催化轉(zhuǎn)化器工作過(guò)程的原理圖蜂窩載體簡(jiǎn)化成軸對(duì)稱的二維模型： ： 溫度低時(shí)，總體的催化反應(yīng)速度幾乎完全取決于化學(xué)反應(yīng)速度；溫度高時(shí)，總體催化反應(yīng)速度幾乎完全取決于傳質(zhì)速率?？傮w反應(yīng)速率iSR111iiiSmCRRR第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)三效催

10、化轉(zhuǎn)化器的匹配第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)三效催化器與電控燃油噴射系統(tǒng)的匹配第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)三效催化器與排氣系統(tǒng)的匹配1. 排氣系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響主要排氣系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響主要通過(guò)壓力波對(duì)排氣干擾產(chǎn)生。通過(guò)壓力波對(duì)排氣干擾產(chǎn)生。2. 催化器的安裝位置顯著影響排氣系催化器的安裝位置顯著影響排氣系統(tǒng)波動(dòng)效應(yīng)，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力統(tǒng)波動(dòng)效應(yīng)，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。性和經(jīng)濟(jì)性。3. 采用催化器時(shí)必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系采用催化器時(shí)必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)，主要考慮排氣總管和統(tǒng)重新設(shè)計(jì)，主要考慮排氣總管和排氣歧管的尺寸以及配氣相位。排氣歧管的尺寸以及配氣相位。排氣系統(tǒng)如何匹配排氣

11、系統(tǒng)如何匹配第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)催化器與燃料及潤(rùn)滑油的匹配催化器與燃料及潤(rùn)滑油的匹配催化器與排放法規(guī)之間也應(yīng)有合理的對(duì)應(yīng)關(guān)系選用抗中毒劣化性好的催化劑。催化器性能越好，貴金屬含量越高，成本越高，應(yīng)更注重催化器性能恰好滿足當(dāng)時(shí)排放法規(guī)。第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)6.3稀燃催化技術(shù)稀燃技術(shù)反應(yīng)機(jī)理稀燃技術(shù)反應(yīng)機(jī)理吸附還原催化器NOx吸附還原催化轉(zhuǎn)化器的工作原理NOx吸附還原催化轉(zhuǎn)化器的反應(yīng)原理選擇還原催化器HC-SCR選擇還原催化轉(zhuǎn)化器的工作原理HC-SCR選擇還原催化轉(zhuǎn)化器的反應(yīng)原理第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)NOx吸附還原催化器工作原理 當(dāng)汽油機(jī)在稀燃(富氧)狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，汽油機(jī)排出

12、氮氧化物NO (主要為NO)，在貴金屬(主要是Pt)作用下NO氧化，轉(zhuǎn)化為NO，NO再與在貴金屬B的催化劑中加入的堿或堿上金屬M(fèi)(主要是Na,K和Ba )氧化物作用生成硝酸鹽，暫存儲(chǔ)于稀燃催化器中以達(dá)到吸附NO的目的(吸附階段)；第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)同時(shí)排氣中的HC和CO被直接氧化成H2O和和CO2，并排出稀燃催化轉(zhuǎn)化器；當(dāng)汽油機(jī)短暫地進(jìn)入濃混合氣狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，排氣中產(chǎn)生足夠多的還原劑(如HC、CO、H2等)，形成還原氣氛，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于濃燃(貧氧)狀態(tài)下，以硝酸鹽形式暫存儲(chǔ)于稀燃催化器中的硝酸鹽不穩(wěn)定，分解并且釋放出NO2，與還原氣體CO、 HC、 H2等反應(yīng)，生成無(wú)害的2、CO2和

13、水。 第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)被吸附的NOX在濃燃階段脫附：2Ba(NO3)22BaO+4NO2+O2NOX的凈化:4C3H6+18NO212CO2+12H2O+9N2 4CO+2NO24CO2+N2NOx吸附還原催化轉(zhuǎn)化器反應(yīng)機(jī)理NOX吸附機(jī)理 NOX凈化還原機(jī)理稀燃時(shí)NO在貴金屬B(Pt)作用下首先被氧化為NO2：NO+ O2NO2 在富氧條件下 NO2與BaO反應(yīng)生成Ba(NO3)2的反應(yīng)：NO2 + BaO + O2Ba(NO3)2 反應(yīng)機(jī)理兩種反應(yīng)機(jī)理兩種反應(yīng)機(jī)理第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)HC-SCR選擇還原催化器工作原理在稀薄燃燒狀態(tài)下去除NOx的另一種方法是選擇催化還原(S

14、eleative Catalytic Reduction, SCR)，該方法采用選擇性較強(qiáng)的NH3作為還原劑(NH3 Seleative Catalytic Reduction, NH3-SCR)，主要應(yīng)用于柴油機(jī)的NOx排放控制上。另一種受到國(guó)內(nèi)外研究者普遍關(guān)注的是以HC作還原劑的選擇催化還原法（HC Seleative Catalytic Reduction, HC-SCR），它可以像NH3以噴射的方式加入還原劑，也可以利用排放尾氣中存在的微量HC還原第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)HC-SCR選擇還原催化轉(zhuǎn)化器反應(yīng)機(jī)理將NO氧化為NO2，NO的氧化反應(yīng)方程式： 2NO+O22NO2 與NOx

15、反應(yīng)生成N2的HC部分氧化反應(yīng)表達(dá)式： NO2+HCX+nH2O 將NO2還原成為N2反應(yīng)方程式：X+NON2+CO+mH2O；X +NO2N2+CO+mH2O2CO+O22CO2 第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)稀燃催化技術(shù)影響因素分析吸附還原催化器的影吸附還原催化器的影響因素響因素硫中毒是造成吸附還原催化器失活的最主要因素，當(dāng)燃料含硫量的較多時(shí)，NOx還原效率會(huì)急劇下降, 因?yàn)榱蚧镌诖呋鞅砻嫘纬梢粚硬荒艽┩傅牧蛩猁}表面層，從而使NOx不能再被吸收，造成催化器中毒老化而失效。選擇還原催化器選擇還原催化器的影響因素的影響因素1) 溫度影響2) 還原劑濃度和氧濃度的影響3) 活性金屬含量的影響第

16、6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)稀然技術(shù)的匹配控制與性能 吸附還原催化器匹配控制吸附還原催化器應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題在于采用合適的空燃比控制策略，使NOX 轉(zhuǎn)換效率最高，燃油消耗量最小。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，在調(diào)節(jié)空燃比的同時(shí)，也應(yīng)該相應(yīng)改變點(diǎn)火提前角。第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)選擇還原催化器匹配控制選擇還原催化器匹配控制選擇還原催化器選擇還原催化器匹配控制問(wèn)題匹配控制問(wèn)題1.控制空速、汽油機(jī)在不同負(fù)荷控制空速、汽油機(jī)在不同負(fù)荷工況下，催化器的空速變化范圍工況下，催化器的空速變化范圍很大。很大。2.控制混合氣濃度比、控制混合氣濃度比、NOx與還與還原性物質(zhì)原性物質(zhì)HC的摩爾比可以調(diào)節(jié)的摩爾比可以調(diào)節(jié)NOX轉(zhuǎn)化效率轉(zhuǎn)化效率 第6章 汽油機(jī)后處理凈化技術(shù)6.5熱反應(yīng)器和空氣噴射熱反應(yīng)器熱反應(yīng)器作用是使尾氣熱反應(yīng)器作用是使尾氣中未燃的碳?xì)浠衔锖椭形慈嫉奶細(xì)浠衔锖鸵谎趸荚跓岱磻?yīng)器中一氧化碳在熱反應(yīng)器中保持高溫，使之得到充保持高溫，使之得到充分氧化從而降低其排放分氧化從而降低其排放量。量。 1-外筒；2-內(nèi)孔；3-殼體； 4-排氣口；5-空氣噴射孔圖6-12 熱反