第6章-汽油机后处理净化技术

发动机排放污染及控制主讲人龚金科等2019年10月6日6.1概述6.2三效催化转化器6.3稀燃技术6.4热反应器和空气喷射第6章汽油机后处理净化技术第6章汽油机后处理净化概述：主要内容介绍了三效催化转化器的基本结构工作原理、催化反应机理、性能指标和催化剂及其劣化机理。分析介绍了稀燃催化技术的反应原理、影响因素以及匹配控制及性能。第6章汽油机后处理净化技术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。机内净化技术机内净化技术第6章汽油机后处理净化技术在尽量不影响发动机性能的同时，在排气系统中安装各种净化装置，利用净化装置在排气系统中对废气进行处理来降低最终向大气环境排放的污染物。后处理净化技术排气系统第6章汽油机后处理净化技术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。一般采用蜂窝结构载体，蜂窝表面有涂层和活性组分，与废气的接触表面积大，当发动机的空燃比在理论空燃比附近时，催化剂可将90%的碳氢化合物和一氧化碳及70%的氮氧化物同时净化。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车排放控制技术的主流。第6章汽油机后处理净化技术三效催化转化器的基本结构三效催化转化器由壳体、垫层和催化剂组成，其中，催化剂包括载体、涂层和活性组分。三元催化转化器结构请看漂亮动画哦！第6章汽油机后处理净化技术催化反应机理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用属多相催化，车用催化剂就是此类型的催化。催化反应过程第6章汽油机后处理净化技术吸附过程A为吸附质分子（CO、HC或NOX）s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H(s)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三效催化剂上发生化学吸附的一般吸附方程式：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。第6章汽油机后处理净化技术必要条件：高温和具备化学还原剂总量反应：NO+CO→0.5N2+CO2NO+H2→0.5N2+H2O(2m+0.5n)NO+CmHn→(m+0.25n)N2+0.5nH2O+mCO2表面反应过程CO氧化反应HC氧化反应NO还原反应总量反应：CO+0.5O2→CO2部分CO可通过水煤气反应：CO+H2O→CO2+H22H2+O2→2H2O总量反应：CmHn+(m+0.25n)O2→mCO2+0.5nH2O反应机理三种反应第6章汽油机后处理净化技术脱附过程B(s)→B+sH(s)+H(s)→H2+s+sO(s)+O(s)→O2+s+sB为反应产物分子s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脱附：表面反应完成后，生成的反应分子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。脱附方程式第6章汽油机后处理净化技术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化器的主要性能指标。催化剂涂覆示意图蜂窝状整体式载体：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。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。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化活性的物质。活性组分载体涂层第6章汽油机后处理净化技术活性组分第6章汽油机后处理净化技术三效催化剂劣化机理第6章汽油机后处理净化技术三效催化转化器的性能指标第6章汽油机后处理净化技术转化效率100%iiiioiiccηcη(i)—排气污染物i在催化器中的转化效率；—排气污染物i在催化器进口处的浓度或体积分数；—排污染物i在催化器出口处的浓度或体积分数。iicioc转化效率的计算公式第6章汽油机后处理净化技术空燃比特性转化效率随α或Фa的变化称为催化器的空燃比特性或的第6章汽油机后处理净化技术起燃特性图6-7三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。第6章汽油机后处理净化技术空速特性空速的大小表示了反应气体在催化剂中的停留时间(tr)：空速(SV)：SV=qv/VcatVcat=(0.5~1)Vstmpm=(1.0~2.0)Vcat贵金属用量mpm：tr=ε/sV我们来了解空速特性！第6章汽油机后处理净化技术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器流动均匀性的一种有效方法。第6章汽油机后处理净化技术三效催化转化器工作过程模拟CO+0.5O2→CO2C3H6+4.5O2→3CO2+3H2OCH4+2O2→CO2+2H2OCO+NO→CO2+0.5N2H2+0.5O2→H2O工作过程动画第6章汽油机后处理净化技术三效催化转化器工作过程催化转化器工作过程的原理图蜂窝载体简化成轴对称的二维模型：：温度低时，总体的催化反应速度几乎完全取决于化学反应速度；温度高时，总体催化反应速度几乎完全取决于传质速率。总体反应速率iSR111iiiSmCRRR第6章汽油机后处理净化技术三效催化转化器的匹配第6章汽油机后处理净化技术三效催化器与电控燃油喷射系统的匹配第6章汽油机后处理净化技术三效催化器与排气系统的匹配1.排气系统对发动机性能的影响主要通过压力波对排气干扰产生。2.催化器的安装位置显著影响排气系统波动效应，进而影响发动机动力性和经济性。3.采用催化器时必须对发动机排气系统重新设计，主要考虑排气总管和排气歧管的尺寸以及配气相位。排气系统如何匹配第6章汽油机后处理净化技术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选用抗中毒劣化性好的催化剂。催化器性能越好，贵金属含量越高，成本越高，应更注重催化器性能恰好满足当时排放法规。第6章汽油机后处理净化技术6.3稀燃催化技术稀燃技术反应机理稀燃技术反应机理吸附还原催化器NOx吸附还原催化转化器的工作原理NOx吸附还原催化转化器的反应原理选择还原催化器HC-SCR选择还原催化转化器的工作原理HC-SCR选择还原催化转化器的反应原理第6章汽油机后处理净化技术NOx吸附还原催化器工作原理•当汽油机在稀燃(富氧)状态下运转时，汽油机排出氮氧化物NOＸ(主要为NO)，在贵金属Ｂ(主要是Pt)作用下NO氧化，转化为NO２，NO２再与在贵金属B的催化剂中加入的碱或碱上金属M(主要是Na＋,K＋和Ba２＋)氧化物作用生成硝酸盐，暂存储于稀燃催化器中以达到吸附NOＸ的目的(吸附阶段)；第6章汽油机后处理净化技术同时排气中的HC和CO被直接氧化成H2O和和CO2，并排出稀燃催化转化器；当汽油机短暂地进入浓混合气状态下运转时，排气中产生足够多的还原剂(如HC、CO、H2等)，形成还原气氛，此时发动机处于浓燃(贫氧)状态下，以硝酸盐形式暂存储于稀燃催化器中的硝酸盐不稳定，分解并且释放出NO2，与还原气体CO、HC、H2等反应，生成无害的Ｎ2、CO2和水。第6章汽油机后处理净化技术被吸附的NOX在浓燃阶段脱附：2Ba(NO3)2→2BaO+4NO2+O2NOX的净化:4C3H6+18NO2→12CO2+12H2O+9N24CO+2NO2→4CO2+N2NOx吸附还原催化转化器反应机理NOX吸附机理NOX净化还原机理稀燃时NO在贵金属B(Pt)作用下首先被氧化为NO2：NO+O2→NO2在富氧条件下NO2与BaO反应生成Ba(NO3)2的反应：NO2+BaO+O2→Ba(NO3)2反应机理两种反应机理第6章汽油机后处理净化技术HC-SCR选择还原催化器工作原理•在稀薄燃烧状态下去除NOx的另一种方法是选择催化还原(SeleativeCatalyticReduction,SCR)，该方法采用选择性较强的NH3作为还原剂(NH3SeleativeCatalyticReduction,NH3-SCR)，主要应用于柴油机的NOx排放控制上。另一种受到国内外研究者普遍关注的是以HC作还原剂的选择催化还原法（HCSeleativeCatalyticReduction,HC-SCR），它可以像NH3以喷射的方式加入还原剂，也可以利用排放尾气中存在的微量HC还原第6章汽油机后处理净化技术HC-SCR选择还原催化转化器反应机理将NO氧化为NO2，NO的氧化反应方程式：2NO+O2→2NO2与NOx反应生成N2的HC部分氧化反应表达式：NO2+HC→[X]+nH2O将NO2还原成为N2反应方程式：[X]+NO→N2+CO+mH2O；[X]+NO2→N2+CO+mH2O2CO+O2→2CO2第6章汽油机后处理净化技术稀燃催化技术影响因素分析吸附还原催化器的影响因素硫中毒是造成吸附还原催化器失活的最主要因素，当燃料含硫量的较多时，NOx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NOx不能再被吸收，造成催化器中毒老化而失效。选择还原催化器的影响因素1)温度影响2)还原剂浓度和氧浓度的影响3)活性金属含量的影响第6章汽油机后处理净化技术稀然技术的匹配控制与性能吸附还原催化器匹配控制吸附还原催化器应用的关键问题在于采用合适的空燃比控制策略，使NOX转换效率最高，燃油消耗量最小。为保证发动机的动力性与经济性，在调节空燃比的同时，也应该相应改变点火提前角。第6章汽油机后处理净化技术选择还原催化器匹配控制选择还原催化器匹配控制问题1.控制空速、汽油机在不同负荷工况下，催化器的空速变化范围很大。2.控制混合气浓度比、NOx与还原性物质HC的摩尔比可以调节NOX转化效率第6章汽油机后处理净化技术6.5热反应器和空气喷射热反应器热反应器作用是使尾气中未燃的碳氢化合物和一氧化碳在热反应器中保持高温，使之得到充分氧化从而降低其排放量。1-外筒；2-内孔；3-壳体；4-排气口；5-空气喷射孔图6-12热反应器1-外筒；2-内孔；3-壳体；4-排气口；5-空气喷射孔热反应器热反应器是安装在排气管出口处的！第6章汽油机后处理净化技术空气喷射1-吸气阀；2-空气滤清器；3-进气管；4-喷嘴空气喷射装置将新鲜空气喷射到排气门后，使尾气中的HC和CO在排气管内与空气混合，继续氧化，又称二次空气法。第6章汽油机后处理净化技术思考题思考题三效催化转化器的组成及催化反应机理是什么？1三效催化转化器的性能指标及转化效率的影响因素有哪些？2吸附还原催化技术的影响有哪些？3