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汽車論文|車用排氣催化轉(zhuǎn)化器與發(fā)動機(jī)的匹配
【關(guān)鍵詞】催化轉(zhuǎn)化器 排放控制 試驗(yàn)匹配
【摘要】闡述了車用催化轉(zhuǎn)化器與發(fā)動機(jī)的匹配要求，分析了催化劑成分和用量、催化器的結(jié)構(gòu)和安裝位置等因素對汽車發(fā)動機(jī)綜合性能的影響，介紹了一些具體的匹配方法和車用催化轉(zhuǎn)化器的開發(fā)實(shí)踐。
催化轉(zhuǎn)化器作為降低機(jī)動車排氣污染的有效裝置之一，正得到越來越廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)近期推出了各種系列不同型號的排氣催化轉(zhuǎn)化器產(chǎn)品，它們能減少機(jī)動車的污染物排放量，對治理汽車排氣污染發(fā)揮了一定的作用。
車用催化轉(zhuǎn)化器必須在具有較高轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)，保持汽車正常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，即在安裝排氣催化轉(zhuǎn)化器前后汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和噪聲水平等指標(biāo)不能發(fā)生顯著的變化，催化轉(zhuǎn)化器可靠性和轉(zhuǎn)化效率必須達(dá)到一定的要求。所有這些都 要求排氣催化轉(zhuǎn)化器與發(fā)動機(jī)之間實(shí)現(xiàn)良好的匹配。
1 車用排氣催化轉(zhuǎn)化器對發(fā)動機(jī)性能及排放的影響
車用排氣催化轉(zhuǎn)化器的作用是將發(fā)動機(jī)排出的廢氣中的HC、CO和NOx等有害成分在催化劑的作用下轉(zhuǎn)化為CO2、H2O和N2等無害成分。安裝排氣催化轉(zhuǎn)化器對發(fā)動機(jī)性能及排放的影響主要表現(xiàn)在3個(gè)方面。
1.1 由于催化轉(zhuǎn)化器安裝在發(fā)動機(jī)的排氣系統(tǒng)中，它對發(fā)動機(jī)的排氣過程，甚至是整個(gè)工作過程產(chǎn)生影響，對二行程發(fā)動機(jī)的影響尤為明顯。在有些情況下使發(fā)動機(jī)的輸出功率下降，燃油消耗率增大，排放狀況變得更加惡劣。整車性能變差的同時(shí)，催化傳化器的工作條件變得惡劣，影響其轉(zhuǎn)化效率和使用壽命。因此，車用排氣催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)和性能必須與發(fā)動機(jī)的工作狀況相匹配。
1.2 車用三元催化轉(zhuǎn)化器要求發(fā)動機(jī)的混合氣成分處于理論混合氣附近狹小的濃度范圍內(nèi)，才能保證其三元凈化率。發(fā)動機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況變化很大，不可能保證其始終處于理論混合氣濃度，例如在冷啟動和暖機(jī)等工況下就必須使用濃混合氣。另外，化油器式汽車的混合氣濃度變化范圍較大，難于保證混合氣的精確調(diào)整，不能保證三元催化轉(zhuǎn)化器的工作條件，因此，對排氣的凈化效果不理想。
1.3 單純依靠催化轉(zhuǎn)化器不能完全解決排放問題。有的發(fā)動機(jī)的排放狀況太惡劣，催化轉(zhuǎn)化器也只能起到有限的作用，隨著排放法規(guī)的進(jìn)一步嚴(yán)格，還需要采取其它措施來共同解決排放問題。
排氣催化轉(zhuǎn)化器要發(fā)揮有效的凈化作用，一方面必須保證其工作條件，另一方面催化轉(zhuǎn)化器本身必須與發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)相適應(yīng)，根據(jù)具體機(jī)型的結(jié)構(gòu)和特性與發(fā)動機(jī)應(yīng)實(shí)現(xiàn)良好的匹配。
2 車用排氣催化轉(zhuǎn)化器與發(fā)動機(jī)的匹配方法
要實(shí)現(xiàn)催化轉(zhuǎn)化器與發(fā)動機(jī)之間的良好匹配，須著重從3個(gè)方面進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。
2.1 發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析與排放狀況測試
有害排放物是在發(fā)動機(jī)內(nèi)部生成的，排氣凈化方案必須結(jié)合發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)以及工作過程的特點(diǎn)，并對發(fā)動機(jī)的實(shí)際排放狀況進(jìn)行測試，從而針對具體機(jī)型確定凈化方案。
對于二行程摩托車發(fā)動機(jī)，由于其換氣過程的固有特點(diǎn)，排氣中的HC和CO的成分較高，必須采用以氧化為主的凈化方案，同時(shí)考慮補(bǔ)充適量的二次空氣。
對于四行程發(fā)動機(jī)，按照燃油系統(tǒng)的特點(diǎn)，制定相應(yīng)的凈化方案。電控燃油噴射的汽油機(jī)由于混合氣濃度控制較精確，能夠保證三元催化轉(zhuǎn)化器的工作條件，因此，采用電控燃油噴射＋三元凈化；化油器式汽油機(jī)由于混合氣濃度范圍較大，而且在許多工況下混合氣偏濃，為了保證三元催化轉(zhuǎn)化器的工作條件，必須采用合理的補(bǔ)氣方法，既保證發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定，又保證排氣中合適的O2含量。
2.2 催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)要素的選擇
影響催化轉(zhuǎn)化器工作性能的主要結(jié)構(gòu)要素是催化劑、載體和墊層。
催化劑的成分直接影響對發(fā)動機(jī)排氣中各種成分的轉(zhuǎn)化能力，車用排氣催化轉(zhuǎn)化器所采用的催化劑主要有稀土、一般金屬、貴金屬以及由不同成分組成的復(fù)合型材料等，可以配比成氧化型、還原型或氧化還原型，其具體配比應(yīng)該適應(yīng)不同的發(fā)動機(jī)的排放狀況。催化劑的配方還影響其起燃特性、抗中毒能力以及工作壽命等。因此，針對不同的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)及其排放狀況，應(yīng)該采用不同的催化劑配方及用量。
車用催化轉(zhuǎn)化器所采用的載體主要有陶瓷載體與金屬載體兩大類，其中金屬載體還可分為金屬絲網(wǎng)、金屬蜂窩和熱管等結(jié)構(gòu)形式。金屬載體熱容小，溫度上升快，有利于使排氣快速起燃，但其保溫性能不如陶瓷載體；陶瓷載體的熱容大，保溫性能好，一旦起燃能保持高的工作溫度，提高轉(zhuǎn)化效率。載體的結(jié)構(gòu)形式和尺寸對排氣系統(tǒng)的影響較大(特別是二行程摩托車發(fā)動機(jī))，在選擇載體時(shí)，必須考慮發(fā)動機(jī)的排量以及排放狀況，既保證足夠的轉(zhuǎn)化率，又盡量避免對發(fā)動機(jī)性能產(chǎn)生不良影響。
墊層是催化轉(zhuǎn)化器的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)，墊層有金屬網(wǎng)和陶瓷密封墊兩種形式。陶瓷密封墊在隔熱性、抗沖擊性、密封性和高低溫下對載體的固定力等方面比金屬網(wǎng)要優(yōu)越，是主要的應(yīng)用墊層；而金屬網(wǎng)墊層由于具有較好的彈性，能夠適應(yīng)載體幾何結(jié)構(gòu)和尺寸的差異，在一定的范圍內(nèi)也得到了應(yīng)用。在載體結(jié)構(gòu)及尺寸不規(guī)律的條件下，選用的墊層應(yīng)該與催化轉(zhuǎn)化器總成的封裝方式相配合以保證其機(jī)械可靠性。
2.3 催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
好的催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)并不一定就能獲得好的轉(zhuǎn)化效果，催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)形式與安裝方式對其工作性能有很大的影響。催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)必須與發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和排放狀況相適應(yīng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該著重解決好以下幾個(gè)方面的關(guān)系。
2.3.1 快速起燃與壽命
催化器放置在靠近發(fā)動機(jī)的位置有助于保證快速起燃，但催化器的工作溫度較高，會影響其使用壽命。要解決好兩者的關(guān)系，必須從載體材料、載體尺寸及其位置配合等方面進(jìn)行綜合考慮。
2.3.2 二次空氣與補(bǔ)氣
發(fā)動機(jī)混合氣較濃時(shí)，排氣中的HC和CO排放量大，為提高其轉(zhuǎn)化率，有必要補(bǔ)充一定量的O2。補(bǔ)O2量的多少以及補(bǔ)O2方式影響催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化率和壽命，需要與發(fā)動機(jī)的工況相匹配。
2.3.3 凈化率與發(fā)動機(jī)性能
在選擇催化劑及載體時(shí)，一方面要考慮發(fā)動機(jī)的排量以及排放狀況，達(dá)到高凈化率的要求；另一方面，必須保證排氣系統(tǒng)的通暢，減小催化轉(zhuǎn)化器對發(fā)動機(jī)性能的影響。在催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮整個(gè)排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，既保證總的催化劑質(zhì)量，又使得載體布置合理。
2.4 催化轉(zhuǎn)化器試驗(yàn)匹配
車用排氣催化轉(zhuǎn)化器是否能滿足設(shè)計(jì)要求，必須進(jìn)行系統(tǒng)地試驗(yàn)。
2.4.1 發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)
目的在于考核發(fā)動機(jī)全工況下工作時(shí)的性能狀況和催化轉(zhuǎn)化器的工作特性，檢查催化轉(zhuǎn)化器對發(fā)動機(jī)功率輸出和燃油消耗量等方面的影響，進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化。
2.4.2 道路試驗(yàn)
目的在于測試汽車在行駛條件下催化轉(zhuǎn)化器對整車最高車速、加速能力以及噪聲等方面的影響。整車動力性試驗(yàn)也可在底盤測功機(jī)上進(jìn)行。
2.4.3 認(rèn)證試驗(yàn)
按工況法試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行汽車的排放測試。
2.4.4 可靠性試驗(yàn)
通過快速老化試驗(yàn)、振動與冷熱沖擊試驗(yàn)等考核催化轉(zhuǎn)化器的機(jī)械可靠性、工作耐久性和壽命。
3 車用排氣催化轉(zhuǎn)化器的開發(fā)
結(jié)合NF125摩托車排氣催化轉(zhuǎn)化器的開發(fā)實(shí)踐，介紹催化轉(zhuǎn)化器與發(fā)動機(jī)的匹配過程和效果。
由于摩托車的排氣系統(tǒng)具有裝飾功能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將凈化功能與消聲功能復(fù)合在一起，按凈化消聲器的思路進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
由于摩托車的排氣溫度較高，受高溫和高速廢氣的不斷沖擊，工作條件較惡劣，要求催化劑具有好的熱穩(wěn)定性，載體具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較小的熱容量和熱膨脹系數(shù)，以利于保證低溫下的轉(zhuǎn)化率。選擇金屬網(wǎng)狀載體除了能滿足上述要求外，還具有流動阻力小，對排氣系統(tǒng)的影響小，能按要求設(shè)計(jì)成特殊的形狀布置在排氣系統(tǒng)中；選擇稀土—貴金屬—過渡金屬氧化物的高效復(fù)合型催化劑，既能避免稀土催化劑的某些缺陷，又具有貴金屬的優(yōu)良特性，適合于排放狀況較為惡劣的二行程汽油機(jī)。
摩托車排氣凈化消聲器的結(jié)構(gòu)對發(fā)動機(jī)的性能影響較大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用排氣動態(tài)效應(yīng)的模擬計(jì)算進(jìn)行排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確定載體的結(jié)構(gòu)、尺寸和安裝位置。按照“分級凈化、逐級推動”的思想，將催化劑載體分為兩級，前級催化劑載體主要用于起燃，放置在靠近發(fā)動機(jī)排氣口的位置；前級未凈化的部分由后級催化劑進(jìn)一步凈化。這種方案既可以保證高的凈化率，又可以使發(fā)動機(jī)的功率下降小。另外，二行程汽油機(jī)的混合氣較濃，排氣中HC和CO的含量較高，O2的含量較低，為了保證HC和CO的凈化率，在排氣管中引入二次空氣。
按照上述原則設(shè)計(jì)的排氣凈化消聲器必須通過試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化匹配。表1給出NF125摩托車排氣凈化消聲器對于發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性影響的臺架試驗(yàn)結(jié)果。可以看出，安裝凈化消聲器后，發(fā)動機(jī)的動力性指標(biāo)變化不明顯，其油耗率也基本保持了原機(jī)水平。表2給出了NF125摩托車排氣凈化消聲器的凈化效果。可以看出，該凈化消聲器具有較好的怠速凈化效果。通過道路試驗(yàn)證實(shí)，裝備有該凈化消聲器的NF125摩托車在行駛6 000 km以后，HC和CO仍能保持較高的凈化率。
表1 NF125摩托車安裝排氣凈化消聲器前后外特性試驗(yàn)結(jié)果
n/
(r.min－1)
Ttq／
N.m
Pe／
kW
t／
s
be／
(g.kWh－1)
原消聲器
7 561
11.90
9.426
9.38
442.84
6 937
11.10
8.063
10.58
458.96
6 515
10.51
7.172
11.64
468.96
5 998
9.63
6.048
13.05
496.03
5 048
7.75
4.100
16.62
574.74
4 027
6.98
2.944
21.02
632.65
凈化消聲器
7 533
11.48
9.052
9.85
439.09
6 904
11.10
8.026
11.32
430.91
6 559
10.24
7.033
12.55
443.55
6 290
9.23
6.079
12.78
503.93
5 048
7.49
3.959
17.01
581.36
4 049
6.82
2.899
21.24
635.81
表2 NF125摩托車安裝排氣凈化消聲器前后怠速排放物測試結(jié)果
HC 10－6 CO % 原消聲器 7 460
4.7
凈化消聲器 2 410 1.8 凈化率 % 67.7 61.74 結(jié)論
4.1 車用排氣催化轉(zhuǎn)化器要發(fā)揮有效的凈化作用，其結(jié)構(gòu)和特性必須與發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)良好的匹配。
4.2 車用排氣催化轉(zhuǎn)化器與發(fā)動機(jī)之間的匹配，要以發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)和排放狀況為基礎(chǔ)，進(jìn)行催化劑和載體的選擇、催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)形式和安裝方式的設(shè)計(jì)以及發(fā)動機(jī)動力性與排氣凈化效果的綜合試驗(yàn)匹配。
4.3 NF125摩托車排氣凈化消聲器的開發(fā)實(shí)踐證實(shí)了催化轉(zhuǎn)化器與發(fā)動機(jī)的匹配方法和效果。
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