课程小结
课程名称：汽车排放及控制技术
学生姓名：陈圆磊学号：1221402014 专业：车辆工程_______________ 所在学院：龙蟠学院_______________
2013 年 12 月 15 日
汽油机后处理净化技术之———三效催化转化技术
本课程小结内容：本人主要根据现有教材并通过校内网络资源查得的文献，介绍了现代汽车排放及控制技术众多技术之一的汽油机后处理净化技术，用于汽油机后处理净化装置众多之一的三效催化转化器技术。

着重介绍：1、改善汽油机后处理净化技术的意义；2、三效催化转化（器）技术的应用及其实际价值，3、三效催化转化器基本结构和工作原理。

1、改善机内净化技术的意义
近些年来，随着世界经济的发展中心正呈现出多极化的趋势————中国已逐渐成为对于世界经济发展不可小觑的力量。

比如在汽车制造业，连续数年中国的汽车销量在世界位居群首，然而随之带来的环境污染问题也成为我国政府要重视和加强管理的问题，比如今年全国各地区都出现了不同程度的雾霾天气，也是迄今50多年来出现的最严重和持续时间最长的污染，给人们的正常工作、生活、出行带来了极大不便。

导致这种现象的主要原因是空气中含有大量颗粒物和其他排放物质。

其中汽车排放的污染物比重最大。

因此改善汽车排放对于国家生产发展、安定，国民健康与安全有重大意义。

众所周知，机内净化技术是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，且给汽车的动力性和经济性带来不同程度的不利影响。

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。

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。

2、三效催化转化技术的应用和实际价值
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。

3、三效催化转化器基本结构和工作原理
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。

3.1. 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
图6-1 催化转化器的基本构造
1-壳体；2-垫层；3-催化剂
防护隔热罩。

3.2. 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。

3.3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。

有催化剂参与的化学反应就称为催化反应。

催化反应一般都是多阶段或多步骤的，从反应物到产物都经过多种中间物，催化剂参与中间物的形成，但最终不进入产物。

根据催化剂与反应物所处状态的不同，催化作用可以分为均相催化和多相催化。

固体催化剂对气态或液态反应物所起的催化作用属于多相催化，车用催化剂就是此类型的催化。

多相催化反应过程一般包括以下步骤：①反应物分子从流体主体通过滞流层向催化剂外表面扩散（外扩散）；②反应物分子从催化剂外表面向孔内扩散（内扩散）；
③反应物分子在催化剂内表面上吸附；④吸附态的反应物分子在催化剂表面上相互作用或与气相分子作用的化学反应；⑤反应产物从催化剂内表面脱附；⑥脱附的反应产物自内孔向催化剂外表面扩散（内扩散）；⑦产物分子从催化剂外表面经滞流层向流体主体扩散（外扩散）。

其中，①②⑥⑦为传质过程，③④⑤为表面反应过程，或称化学动力学过程。

化学动力学过程三个步骤的机理如下：
1. 吸附过程
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。

具有吸附作用的物质称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。

吸附质在
表面吸附以后的状态称为吸附态。

吸附发生在吸附剂表面上的局部位置，该位置叫做吸附中心。

2. 表面反应过程
反应物分子吸附在催化剂表面的活性中心后，它们就分别开始与同样吸附在活性中心的氧化剂分子或还原剂分子发生氧化还原反应。

在三效催化转化器中主要发生CO氧化反应、HC氧化反应和NO还原反应。

如果排气中分子氧的分压明显高于NO的分压，NO消失的速率会明显下降。

这就是为什么用目前已有的催化剂不能完全消除供给过量空气的发动机（稀燃点燃式发动机和压燃式发动机）排气中NO的原因。

反之，当发动机以浓混合气运转时，排气中会出现大量化学还原剂，从NO 离解产生的原子态氮可进行更彻底的还原。

3. 脱附过程
当表面反应过程完成后，生成的反应产物分子就会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。

总结
目前应用最广泛的排气后处理装置是汽油机三元催化转化器
(TWC)。

TWC 是一种能使CO、HC 和NOx 三种有害气体同时得到净化
的处理装置。

TWC 的使用对空燃比有一定的要求，只有发动机在理论
的空燃比14.7：1 附近运行时，TWC 的转换效率最高。

为了将实际空燃
比精确地控制在14.7：1 附近，在发动机控制系统中普遍采用由氧传
感器组成的空燃比反馈控制方式，即闭环控制方式。

电控单元ECU 根
据氧传感器反馈的空燃比信号，控制喷油量的增多或减少。

TWC 之所
以能对汽车尾气进行净化处理，其原因是在于催化转换器中载体表面
有一种特殊活性物质(铂、铑等贵金属)，这种催化剂能加快尾气中有害
气体的氧化还原反应，将有害气体转化为水、二氧化碳和氮气。

如果车辆使用含铅汽油，将会导致活性物质被铅覆盖，而失去活性，俗称“铅中毒”。

这也是目前普遍采用无铅汽油的主要原因。

参见文献
［1］刘巽俊.内燃机的排放与控制[M].机械工业出版社,2003
［2］李彩凤.汽车排放及治理技术[J].科技情报开发与经济,2005,15(1):288-290［1］［3］周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社,2005.。