当前课程知识点：汽车发动机原理 > 第九章：有害排放物生成机理与排放控制 > 9.6 汽油机后处理技术 > Video
同学们好
这节课我们学习
“汽油机有害物后处理技术”
上个世纪70年代中期以前
内燃机的排放控制主要采用
以改善发动机燃烧过程为主的
各种机内净化技术
随着排放法规日趋严格
人们开始考虑包括催化转化器在内的
各种机外净化技术
也称排气后处理技术
汽油机排气后处理技术主要包括
热反应器 催化转化器
HC吸附器和颗粒捕集器
其中催化转化器又可分为
氧化型 还原型 氧化还原型也称三效型
以及稀燃型
如表所示
下面重点介绍
汽油机催化转化器的
结构与工作原理
催化转化器的主要性能
汽油机冷起动HC排放控制
直喷汽油机颗粒过滤器
1) 催化转化器的结构
催化转化器
也简称为催化器
如图所示
它是由壳体 减振垫 载体
以及催化剂涂层四部分组成
所谓催化剂
是指涂层部分
或载体和涂层的合称
催化剂是整个催化转化器的核心部分
它决定了催化器的
主要性能指标
起催化作用的活性材料一般为
铂 钯 铑三种贵金属
铂和钯主要起氧化催化作用
铑主要起还原催化作用
此外 铈 镧 镨 钕
等稀土材料起助催化作用
贵金属材料以极细的颗粒状
散布在γ-Al2O3为主的
疏松的催化剂涂层表面
而涂层则涂覆在作为催化剂骨架的
蜂窝状陶瓷载体或金属载体上
如图所示
目前90%的车用催化剂
使用陶瓷载体
金属载体具有导热
抗震性能好
起燃快等突出优点
但催化剂涂层要求高
成本高
2) 催化剂的分类及工作原理
按工作原理不同
催化剂可分为氧化催化剂
三效催化剂和稀燃还原催化剂
1）氧化催化剂
在氧化催化器中
CO THC与O2
在铂或钯催化剂作用下
进行氧化反应
如式（1）～（3）所示
生成无害的CO2和H2O
但对NOx基本没有净化效果
2）三效催化剂
在三效催化器中
当混合气浓度正好为
化学计量比时
进行式（4）～（6）所示的
氧化还原反应
也就是CO和HC与NOx
互为氧化还原剂
生成无害的CO2 H2O及N2
三效催化剂这种巧妙的构思
和显著的效果
使它自上世纪80年代发明以来
一直成为汽油机
最主要的排气净化技术
不同贵金属成分
对排气污染物的
催化净化效果是不一样的
铂 钯主要催化
CO和HC的氧化反应
铑主要用于催化NOx的还原反应
为了满足对催化剂
综合性能指标的要求
三种贵金属成分往往是搭配使用的
三效催化剂中应用最广的是
Pt-Rh系催化剂
Pd催化剂的耐热性能较好
在紧凑耦合催化剂中得到应用
3）NOx吸附还原催化剂
稀燃汽油机大部分工况
都在高于化学计量比的
过稀状态下工作
一般三效催化剂无法采用
伴随着稀燃缸内直喷式汽油机
在90年代中后期开始产品化
稀燃NOx吸附还原
就是Lean NOx Trap
简称LNT
催化剂得到了应用
如图所示
吸附还原催化剂的活性成分
是贵金属和碱金属
或碱土金属和稀土金属
当发动机在稀燃状态工作时
排气中处于氧化氛围
在贵金属（Pt）的催化作用下
NO与O2反应生成NO2
并以硝酸盐的形式
被吸附在碱土金属表面
同时
CO和HC被氧化反应成
CO2和H2O后排出催化器
而当发动机
在浓混合气状态下运转时
硝酸盐分解析出NO和O2
与CO HC及H2反应
生成CO2 H2O和N2
同时使碱土金属得到再生
碱土金属容易受硫中毒
因此使用吸附还原催化剂时
对燃油中硫含量要求很严
往往要低于30ppm
同时
为保证催化剂能在
稀—浓交替的气氛中工作
稀燃汽油机需要
每隔一定时间喷一次油形成过浓燃烧
并推迟点火时间
以产生大量未燃THC
使催化剂再生
随着排放法规加严
再生的频度不断提高
使原本由稀燃和缸内直喷技术
得到的节油效果不断降低
由此导致稀燃缸内直喷汽油机发展
受到阻碍
3) 催化转化器的主要性能
催化转化器是一个耦合化学反应
流动 传热和传质等现象的复杂系统
其外在性能主要为活性
耐久性和流动特性
了解这些特性是正确合理地
进行催化转化器
与发动机匹配优化的基础
首先看转化效率
催化器的转化效率是催化剂活性
和催化器设计的综合结果
定义为某一种污染物的催化器
入口浓度与出口浓度之差
与入口浓度的比称为转化效率
2）空燃比特性
催化剂转化效率随空燃比的变化
称为催化剂的空燃比特性
如图所示
由图中可以看出
三效催化器在化学计量比
φa=1附近一个狭窄区间内
对CO HC和NOx的转化效率
同时达到最高
这个区间被称为“窗口”
实际中常取三项转化效率
都达到80%的区间来确定窗口宽度
窗口宽度越宽
则表示催化剂的实用性能越好
对电控系统控制精度要求越低
为保证实际供给的混合气浓度
都在化学计量比附近
需要采用具有反馈控制功能的
闭环电控燃油供给系统
研究表明
三效催化剂闭环控制的
平均转化效率可达95%以上
3）起燃特性
催化剂的转化效率
与温度有密切关系
催化剂只有在达到一定温度以上
才能开始工作
也叫做起燃
催化转换器的起燃特性
有两种评价方法
起燃温度特性
和起燃时间特性
起燃温度特性如图所示
它表示了转化效率
随催化器入口温度的变化
并定义转化效率达到50%时
所对应的温度为起燃温度用t50表示
显然t50越低
说明催化器在汽车冷起动时
越能快速起燃
因此t50一直是催化器活性的
重要特征值
起燃温度特性是
在催化剂小样试验装置
或发动机台架上测取得到的
起燃时间特性在转鼓试验台
或发动机台架上测取得到的
也就是控制车辆或发动机
在一定的循环工况运转
将达到50%转化效率所需要的时间
称为起燃时间用τ50表示
起燃温度特性主要取决于
催化剂本身性能
它评价的是催化剂的低温活性
而起燃时间特性除与催化剂有关外
在很大程度上取决于
催化转化器总体的热惯性
绝热程度以及流动传热传质过程
其评价试验结果
与实车冷起动特性的关系更为直接
4）空速特性
单位时间流过催化器的排气流量
与催化器容积之比
称为空间速度
简称空速SV
一般用小时作时间量纲
因此空速的量纲为h-1
转化效率随空速的变化
称为空速特性
空速越高表示反应气体
在催化剂中的停留时间越短
因此为保证高的转化效率
高空速工作时的催化剂活性也要高
汽油机在怠速时
SV约为3000h-1～6000h-1
全负荷工作时
SV约为120000h-1～150000h-1
而一般三效催化剂性能评价
如空燃比特性和起燃温度特性时
常用SV为40000h-1～60000h-1
设计排气后处理系统时
一般三效催化剂容积
与汽油机排量之比取0.5～1.2
而柴油机用催化剂
如尿素选择还原NOx钒基催化剂
常取1.5～2.2
5）催化剂的耐久性与快速老化试验
催化剂经长期使用后
其性能将发生劣化
也称失活
表现为起燃温度上升
和转化效率下降等
国外一般要求新车催化剂
至少使用10万～16万km后
整车排放仍能满足法规限值要求
影响催化剂寿命的因素有四类
即高温失活 化学中毒
结焦与机械损伤
化学中毒的来源主要是
燃料和润滑油中的Pb S P Mn等
通过严格限制燃料
与润滑油中的有害成分
可以将化学中毒控制到最小
高温失活是目前汽油机三效催化剂
最主要的失活方式
高温失活的原因是
在高温氧化氛围中
原本散布均匀的细小贵金属颗粒
和助催化剂成分聚合成大颗粒
导致活性下降
同时涂层中的γ-Al2O3
转化为α-Al2O3
导致催化剂活性表面大大减小
汽车在实际行驶中产生高温富氧
或极高温的情况有
发动机失火使未燃混合气
在催化剂中发生剧烈氧化放热反应
汽车连续高速大负荷运行等工况
快速老化试验
就是模拟这些极为苛刻的条件
在发动机台架上
对三效催化剂耐久性考核
例如最常用的断油模式
快速老化试验
可以用100小时的台架试验
替代8万km的实车道路试验
大大节省了试验成本和研发周期
6）催化器的流动特性
流动特性包括流动阻力和流场均匀性
催化器流动阻力增加
会使发动机动力性和油耗恶化
排气在催化剂细孔中
以层流状态流动
主要产生沿程流动损失
与陶瓷蜂窝载体相比
金属载体具有较低的流动阻力
在催化剂之外
排气以湍流状态流动
在催化器入口和出口
以及前后过渡管等截面突变处
产生局部流动损失
需要精心设计
催化剂载体前的流动截面上的
流速分布如果不均匀
会降低催化剂整体的转化效率
还会使催化剂沿径向的
活性劣化程度不同
导致催化剂整体寿命缩短
4) 冷起动排放后处理技术对策
三效催化剂在合适的工作温度
和精确的空燃比条件下
转化效率可达95%以上
因此在汽车正常行驶时排放的
NOx CO和THC极少
但在冷起动时
由于催化剂尚未起燃
THC排放将会很高
如图中A曲线
所示的单级催化转化器
在轻型车NEDC排放测试循环中
冷起动催化剂起燃之前的THC排放
占整个测试循环THC总排放的70～80%
因此
为满足不断加严的轻型车排放法规
必须尽可能控制冷起动过程的THC排放
降低冷起动HC排放的后处理技术
主要有紧凑耦合催化器
HC吸附器和电加热器
将催化器直接设置在
排气歧管出口如图C方案
或用两级催化器如图B方案
将小容积的紧凑耦合催化器
紧靠排气歧管安装
而大容量的主催化器
仍安装在车底板下
这两种布置方案都可以
比方案A的催化器更快起燃
为了满足更严格的排放法规
大部分轻型车都采用了
紧凑耦合催化器C方案
另外一种常用的冷起动
排放后处理技术是HC吸附器
如图所示
在后处理系统中串联一个
HC捕集单元
其材质一般用沸石
在排气温度低时
HC被吸附在捕集单元上
当排气温度足够高时
HC由单元上脱附
并在后续的TWC上被充分净化
本田和丰田等汽车公司
曾采用这种带有HC捕集单元的
多级复合催化剂系统
同时采用高绝热度的排气管
紧凑耦合催化器
强进气涡流和
多氧传感器精确控制等技术
使汽车排放出的HC浓度
甚至比周围大气中的HC浓度还低
显示出了汽油车实现
“近零排放”的可行性
5） 汽油机颗粒过滤器
直喷汽油机由于
采用缸内直喷方式
相比进气道喷射汽油机
混合气形成时间短
并有可能存在燃油碰壁
造成燃料浓度分布不均匀
容易生成碳烟和颗粒物
需要安装颗粒过滤器
才能满足日趋严格的排放法规
汽油机颗粒过滤器 简称GPF
与柴油机颗粒过滤器 简称DPF
在本质上并没有什么区别
但可以设计成更薄的壁层
和更高的孔隙率
如图所示
由于汽油机排温高
因此可以利用排气高温再生过滤的
碳烟和颗粒
或是采用四效催化剂
对碳烟和颗粒物进行过滤再生
满足法规对颗粒物质量
和数量的限值要求
关于“汽油机有害物后处理技术”
就介绍到这里
同学们 再见
-0.1 总论
--Video
-0.2 车用发动机的种类
--Video
-1.1 示功图及其测取
--Video
-1.2 四冲程发动机示功图分析
--Video
-1.3 二冲程发动机示功图分析
--Video
-1.4 性能指标分类与循环指示功
--Video
-1.5 动力、经济性能指标与测定换算
--Video
-1.6 影响动力、经济性能指标的环节和因素
--Video
-第一章习题(计入课程成绩)--作业
-2.0 导论
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-2.1 燃料的分类
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-2.2 汽油、柴油的炼制
--Video
-2.3 汽油的理化特性
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-2.4 柴油的理化特性
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-2.5 燃料构成与理化特性
--Video
-2.6 汽油、柴油质量标准
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-2.7 燃料与发动机工作模式
--Video
-2.8 工质主要热力参数
--Video
-2.9 燃烧热化学
--Video
-第二章习题(计入课程成绩)--作业
-3.0 导论
--Video
-3.1 热力过程与热机循环的简化
--Video
-3.2 理论循环分类及循环热效率
--Video
-3.3 理论循环热力参数对热效率的影响
--Video
-3.4 工质对循环热效率的影响
--Video
-3.5 真实循环对热效率的影响
--Video
-3.6 机械损失的构成
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-3.7 机械损失的测量方法
--Video
-3.8 机械效率的影响因素
--Video
-3.9 发动机的能量分配与转化效率
--Video
-3.10 发动机的节能途径与技术
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-第三章：工作循环与能量利用--第三章习题(计入课程成绩)
-4.0 导论
--Video
-4.1 四冲程发动机换气系统及换气过程
--Video
-4.2 配气相位对发动机性能的影响
--Video
-4.3 充量系数的解析式
--Video
-4.4 进气阻力对充量系数的影响
--Video
-4.5 其他因素对充量系数的影响
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-4.6 充量系数的速度特性
--Video
-4.7 压力波及其传播特性
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-4.8 单缸机的进排气动态效应
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-4.9 多缸机的进排气动态效应与进气不均匀性
--Video
-4.10 四冲程发动机增压系统及性能
--Video
-4.11 二冲程发动机的换气过程与换气质量
--Video
-第四章习题(计入课程成绩)--作业
-5.0 导论
--Video
-5.1 发动机运行工况
--Video
-5.2 发动机特性曲线分类
--Video
-5.3 发动机速度特性
--Video
-5.4 发动机负荷特性
--Video
-5.5 发动机全特性
--Video
-5.6 发动机外特性与整车动力性
--Video
-5.7 发动机全特性与整车经济性
--Video
-5.8 混合动力专用发动机及其运行特性
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-第五章习题(计入课程成绩)--作业
-期中考试（只有一次答题机会！）--期中测试题（占30%总分）
-6.0 导论
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-6.1 燃烧现象及其分类
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-6.2 可燃混合气的着火与着火理论
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-6.3 湍流及其在燃烧中的作用
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-6.4 均质混合气中的火焰传播
--Video
-6.5 液体燃料的雾化
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-6.6 油滴的蒸发与燃烧
--Video
-6.7 示功图与燃烧放热率
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-第六章习题(计入课程成绩)--作业
-7.1 柴油机燃烧过程分析
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-7.2 柴油机燃烧放热规律
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-7.3 柴油机燃油喷射系统
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-7.4 柴油机喷油过程
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-7.5 柴油机缸内气流运动
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-7.6 柴油机燃烧室的分类及其特性
--Video
-7.7 柴油机混合气形成方式
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-7.8 柴油机粗暴燃烧与燃烧噪声
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-第七章习题(计入课程成绩)--作业
-8.1 汽油机燃烧过程分析
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-8.2 汽油机的不正常燃烧：爆燃和表面点火
--Video
-8.3 汽油机的不规则燃烧：循环波动和各缸不均匀性
--Video
-8.4 汽油机燃油喷射系统及其演变
--Video
-8.5 非直喷汽油机燃烧室及其特性
--Video
-8.6 汽油机进气道喷射与混合气形成
--Video
-8.7 汽油机缸内直喷与混合气形成
--Video
-第八章习题(计入课程成绩)--作业
-9.1 有害排放物种类及其危害
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-9.2.1 NO的生成机理
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-9.2.2 CO和HC的生成机理
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-9.2.3 PM和Soot的生成机理
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-9.3 有害排放物生成的影响因素
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-9.4 汽油机机内净化技术
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-9.5 柴油机机内净化技术
--Video
-9.6 汽油机后处理技术
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-9.7 柴油机后处理技术
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-第九章习题(计入课程成绩)--作业
-10.1 燃烧模式及其分类
--Video
-10.2 汽油机均质混合气压燃（HCCI）模式
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-10.3 柴油机均质混合气压燃（HCCI）模式
--Video
-10.4 内燃机部分预混压燃（PCCI）模式
--Video
-10.5 均质混合气引燃（HCII）模式
--Video
-10.6 天然气发动机
--Video
-10.7 氢燃料发动机
--Video
-10.8 二甲醚发动机
--Video
-10.9 甲醇发动机
--Video
-10.10 乙醇发动机
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-10.11 生物柴油发动机
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-第十章习题(计入课程成绩)--作业
-期末考试--期末测试题（占30%总分）
