汽油机后处理净化

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1、第6章汽油机后处理净化本章主要内容：介绍了车用汽油机后处理净化装置特别是三效催化转化器的基本结构和工作原理，并对三效催化转化器的催化反应机理、性能指标和催化剂及其劣化机理进行了较为详细的描述，给出了三效催化转化器工作过程的数学模型，并在此基础上讨论了转化器与发动机以及汽车的匹配问题。6.1概述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

2、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它性能的同时，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害成分。在发达国家，车用汽油机采用后处理装置较多。这些装置主要有三效催化转化器、热反应器和空气喷射器等。目前，在发达国家生产的汽油车几乎都装备了三效催化转化器，并已有

3、二十多年的商业化应用历史。随着我国经济的高速发展，城市机动车辆日益增多，其废气已严重污染了大气环境，对三效催化转化器的需求将更为迫切。6.2三效催化转化器图6-1催化转化器的基本构造1-壳体；2-垫层；3-催化剂三效催化转化器是目前应用最多的废气后处理净化技术。当发动机工作时，废气经排气管进入催化器，其中氮氧化物与废气中的一氧化碳、氢气等还原性气体在催化作用下分解成氮气和氧气；而碳氢化合物和一氧化碳在催化作用下充分氧化，生成二氧化碳和水蒸气。三效催化转化器的载体一般采用蜂窝结构，蜂窝表面有涂层和活性组分，与废气的接触表面

4、积非常大，所以其净化效率高，当发动机的空燃比在理论空燃比附近时，三效催化剂可将90%的碳氢化合物和一氧化碳及70%的氮氧化物同时净化，因此这种催化器被称为三效催化转化器。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。6.2.1三效催化转化器的基本结构三效催化转化器的基本结构如图6-1所示，它由壳体、垫层和催化剂组成。其中，催化剂包括载体、涂层和活性组分，将在后面的章节中详细介绍。下面主要介绍三效催化转化器的壳体和垫层部分。1.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

5、化器转化效率和使用寿命的重要因素。目前用得最多的壳体材料是含铬、镍等金属的不锈钢，这种材料具有热膨胀系数小、耐腐蚀性强等特点，适用于催化转化器恶劣的工作环境。壳体的形状设计，要求尽可能减少流经催化转化器气流的涡流和气流分离现象，防止气流阻力的增大；要特别注意进气端形状设计，保证进气流的均匀性，使废气尽可能均匀分布在载体的端面上，使附着在载体上的活性涂层尽可能承担相同的废气注入量，让所有的活性涂层都能对废气产生加速反应的作用，以提高催化转化器的转化效率和使用寿命。三效催化转化器壳体通常做成双层结构，并用奥氏体或铁素体镍铬耐

6、热不锈钢板制造，以防因氧化皮脱落造成催化剂的堵塞。壳体的内外壁之间填有隔热材料。这种隔热设计防止发动机全负荷运行时由于热辐射使催化器外表面温度过高，并加速发动机冷起动时催化剂的起燃。为减少催化器对汽车底板的热辐射，防止进入加油站时因催化器炽热的表面引起火灾，避免路面积水飞溅对催化器的激冷损坏以及路面飞石造成的撞击损坏，在催化器壳体外面还设有半周或全周的防护隔热罩。2.垫层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

7、垫层。垫层具有特殊的热膨胀性能，可以避免载体在壳体内部发生窜动而导致载体破碎。另外，为了减小载体内部的温度梯度，以减小载体承受的热应力和壳体的热变形，垫层还应具有隔热性。常见的垫层有金属网和陶瓷密封垫层两种形式，陶瓷密封垫层在隔热性、抗冲击性、密封性和高低温下对载体的固定力等方面比金属网要优越，是主要的应用垫层；而金属网垫层由于具有较好的弹性，能够适应载体几何结构和尺寸的差异，在一定的范围内也得到了应用。陶瓷密封垫层一般由陶瓷纤维（硅酸铝）、蛭石和有机粘合剂组成。陶瓷纤维具有良好的抗高温能力，使垫层能承受催化转化器中较为

8、恶劣的高温环境，并在此条件下充分发挥垫层的作用。蛭石在受热时会发生膨胀，从而使催化转化器的壳体和载体连接更为紧密，还能隔热以防止过高的温度传给壳体，保证催化转化器使用的安全性。6.2.2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。有催化