三元催化器工作原理和技术
三元催化器相关原理和技术
汽车主要污染物
一氧化碳 氮氧化物 （CO） （NOx）
碳氢 化合物 （HC）
微粒
三元催化器相关原理和技术
汽车排放控制技术的发展过程
年份
技术措施
曲轴箱强制通风系统，废气再循环系统，空气喷射 1966－1973 净化
1974－1979 改进化油器，无触点点火，使用并改进催化剂
理
NOx还原反应
总量反应：
NO + CO → 0.5N 2 + CO 2 NO + H 2 → 0.5N 2 + H 2 O
(2m+0.5n)NO + CmHn
→ (m+0.25n)N 2 + 0.5nH 2 O + mCO 2
三元催化器相关原理和技术
➢ 催化器转化效率 与使用条件密切 相关。
➢ 最关键因素：
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催化剂
➢ 催化剂涂覆材料包括： 催化剂、催化助剂、稳 定剂、γ-Al2O3涂层材料 等。
➢ 目前，车辆中广泛使用的催化剂是铂、钯、铑以及过 渡金属氧化物、稀土氧化物等。
➢ 催化剂参数：贵金属含量、贵金属比例等 ➢ 催化剂性能指标：起燃温度、空燃比特性和耐久性。
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0.005 0.005
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欧Ⅲ、 Ⅳ型汽车尾气污染物排放标准
该表结合汽车车型，详细地列举出了尾气的排放标准。
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汽车尾气净化的主要方式： ➢ 机内净化
汽油喷射电控系统、典型低排放燃烧系统、废气 再循环系统以及其他机内净化技术等。
➢ 机外净化
二次空气喷射技术、颗粒物捕集技术、热反应器 技术、三元催化净化技术、氧化催化技术等。
壳体
➢ 壳体材料一般为409不锈钢。 ➢ 壳体型腔与载体尺寸完全相配，过渡部分合理引导
和分布气体的流动方向。 ➢ 体积较大的壳体在结构上设加强筋以提高刚度。
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催化器生 产工艺
材料制备
载体涂覆
关键环节
封装、焊接
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催化剂涂覆 示意图
合物等
核心部分
催化涂层
三元催化器相关原理和技术
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车载三元催化器外观图
三元催化器相关原理和技术
➢ 有催化剂参与的化学反应称为催化反应。 ➢ 固体催化剂对气态或液态反应物所起的催化
作用为多相催化。 ➢ 车用三元催化器上进行的反应也为多相催化
反应。
催化反应过程
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三元催化器相关原理和技术
使用温度
➢ 转化效率达到50%的温度为 起燃温度，它是选择和匹配 催化剂配方的另一个重要参 数。
➢ 在三元催化剂的开发中，要 尽量降低起燃温度。
➢ 催化器应尽量靠近发动机并 考虑加热、抗震及防烧蚀措 施。
➢ 一般情况下，催化剂能在 800℃左右长期正常工作 。
三元催化器的效果
➢ 同时，需要对三元催化器结构也进行优化设计。
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载体
➢ 载体承载催化剂，提供大的比表面，使催化剂与有害气 体充分接触。
➢ 最常用载体为陶瓷蜂窝载体及金属蜂窝载体，常用规格 有400目、 600目等。
➢ 陶瓷蜂窝载体主要技术参数：外形尺寸、抗压强度、抗 热冲击性、孔密度、壁厚、热膨胀系数、吸水率等。
柴油
-
-
-
-
-
0.5
-
0.25
-
0.18
-
0.08
汽油
-
-
-
-
0.2
0.15
0.1
0.08
0.1
0.06
0.1
0.06
碳氢+氮氧化物
0.97 (1.13) 0.7 0.56 0.3 0.23 0.17
0.97 (1.13) 0.5 -
颗粒物
0.14 (0.18) 0.08 0.05 0.025 0.005 0.005
催化剂活性组分
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垫片
垫片：在催化转化器中起减振、抗冲击、缓解热应 力、保护载体不受损坏、保温和密封的作用。 ➢ 金属垫层：具有较大的弹性，能够很好地保护载
体免受强气流冲击。 ➢ 非金属膨胀垫层：除了减震作用以外，还具有隔
热、防止气流旁通以及催化剂松动的作用。
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催化剂表面上的反应过程
总量反应：
反
CO氧化反应
CO + 0.5O 2 → CO 2 部分CO可通过水煤气反应：
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
应
总量反应：
HC氧化反应
CmHn + (m+0.25n)O 2 →
mCO 2 + 0.5nH 2 O
机
必要条件：高温和具备化学还原剂
目前轻型车排气的 最主要净化方式
三元催化器相关原理和技术
三元催化器将汽车排气系统中的有害物质碳氢化 合物、一氧化碳和氮氧化物转化为水、二氧化碳 和氮气。
三元催化器相关原理和技术
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四部分：
1 壳体
壳体
垫片
2 减震层
3 载体：蜂窝状陶瓷
4 活性涂层：铂、钯、
铑贵金属及稀土化
催化剂
1 空燃比
2 使用温度
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空燃比
➢ 在三元催化器中，HC和CO进行氧化反应，NOx进行还原 反应。
➢ 富氧时HC、CO转化效率高，贫氧时NOx的转化效率高。 ➢ 在理论值附近一个很窄的范围内，HC、CO和NOx转化效
率都比较高，称为空燃比窗口。 ➢ 空燃比窗口：选择和匹配催化剂配方的一个重要参数。
反馈（闭环）系统，进一步改进化油器和催化剂 1980－1983 （包括三效催化剂），改进发动机，挥发性排放物
控制
1984－1993
发动机改进，电子控制，燃油喷射，催化剂和废气 再循环系统的进一步改进
进一步改进发动机，控制装置，供油，电预热催化 1994－现在 剂和废气再循环系统，改进挥发性排放物控制，车
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三元催化剂配方的研制依据
➢ 汽车污染物排放量和需要达到的排放标准（欧Ⅱ、 Ⅲ、Ⅳ…）决定了不同的三元催化剂配方。
➢ 催化剂配方优化的目的是保证HC、CO、NOx转化效 率同时达到最佳的水平。
➢ 选择耐高温性好，同时添加储氧性能好、热稳定性好 的过渡金属氧化物、稀土氧化物等。
载诊断
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等级
欧1标准 欧2标准 欧3标准 欧4标准 欧5标准 欧6标准
欧1标准 欧2标准 欧3标准 欧4标准 欧5标准 欧6标准
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一氧化碳
2.72 (3.16) 1
0.64 0.5 0.5 0.5
2.72 (3.16) 2.2 2.3 1 1 1
欧洲轿车排放标准对比
碳氢化合物 氮氧化物