目前汽車及發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制研究的主要內(nèi)容

-.z.目前汽車及發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制研究的主要內(nèi)容隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格及開發(fā)、應(yīng)用的清潔燃料日益增多，促使排放控制技術(shù)研究范圍擴(kuò)展、深度加深。一、排放系統(tǒng)及三元催化器為了使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排放到達(dá)較低的法規(guī)限值要求，僅僅靠改善燃料品質(zhì)及發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程是很難實(shí)現(xiàn)的，需要通過排氣后處理系統(tǒng)才能到達(dá)目的。目前國內(nèi)大局部汽車還沒有排氣后處理裝置，然而根據(jù)國外汽車排放控制技術(shù)開展的趨勢，汽車不僅需要裝后處理器，而且要設(shè)計(jì)控制排放的整個(gè)系統(tǒng)，成為發(fā)動(dòng)機(jī)供油、冷卻、潤滑等系統(tǒng)之外的一個(gè)新系統(tǒng)，簡稱為排放系統(tǒng)。國外汽車發(fā)動(dòng)機(jī)研究及生產(chǎn)部門正投入更多的人力及財(cái)力，從事有關(guān)排放系統(tǒng)的根底研究、應(yīng)用技術(shù)研究及產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)。1．排放系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)排放系統(tǒng)包括排氣管、后處理裝置及消聲器等?！?〕設(shè)計(jì)排放系統(tǒng)的必要性及其功能將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管、后處理裝置及消聲器等作為一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，除了因?yàn)榻档团欧湃找骘@得重要外，還有以下原因：①低排放、低油耗及高功率是現(xiàn)代車用發(fā)動(dòng)機(jī)追求的主要目標(biāo)，然而有些發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的控制措施對實(shí)現(xiàn)這三大目標(biāo)是矛盾的，例如混合氣空燃比的控制，為了實(shí)現(xiàn)低油耗及低CO2排放，需要采用稀混合氣燃料，而當(dāng)前使用的三元催化劑并不能適應(yīng)稀混合氣的燃燒。如果將三者統(tǒng)一作為單獨(dú)的系統(tǒng)處理，就能較好地解決矛盾。②現(xiàn)有排氣系統(tǒng)除了要考慮低排放外，還要考慮降低噪聲及排氣熱量的再利用，因此要將三者統(tǒng)一起來，納入一個(gè)新的系統(tǒng)--排放系統(tǒng)。③至今無論發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)還是后處理裝置的方案及型式都較多，隨著公司及發(fā)動(dòng)機(jī)系列不同而不同。同時(shí)現(xiàn)代汽車使用燃料的種類又增多，使用的燃料不同，排放物的組成及降低排放物的對策也不同，很有必要將排放問題從一個(gè)系統(tǒng)角度考慮，逐步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化或者模塊化。④現(xiàn)代電子技術(shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)可變技術(shù)的開展，有可能將原來發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管路的設(shè)計(jì)與降低排放結(jié)合起來，成為一個(gè)單獨(dú)的排放系統(tǒng)進(jìn)展設(shè)計(jì)?！?〕排氣后處理所要研究解決的主要問題研究和設(shè)計(jì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放系統(tǒng)必須要了解存在的問題。目前車用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣后處理存在的主要問題如下：①"點(diǎn)火"溫度較高催化劑都要在較高的溫度下才能對排放物起催化作用，即"點(diǎn)火"溫度較高。因此在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)及低溫下工作時(shí)，排氣溫度低，HC及CO排放高，而催化劑卻不能對它們起催化、轉(zhuǎn)化的作用。②不能同時(shí)適應(yīng)理論空燃比及稀混合氣的需要一般三元催化劑適合在發(fā)動(dòng)機(jī)使用理論空燃比混合氣時(shí)，同時(shí)對HC、CO及NO*起催化轉(zhuǎn)化作用。而在使用稀混合氣時(shí)，排氣中氧含量多時(shí)NO*的復(fù)原作用就低。③微粒過濾器工作一段時(shí)間后，其中微粒增多，使排氣阻力增加，需要將其中微粒燒掉并排除掉，盡管已有多種技術(shù)可使微粒過濾器的功能恢復(fù)，但是仍需研究出一種更簡單的方法。④貴重金屬價(jià)格高催化劑中需要有鉑〔Pt〕、鈀〔Pd〕及銠〔Rh〕等貴金屬，這些金屬資源不豐富，價(jià)格高。需要尋求資源豐富、價(jià)格低的金屬作催化劑用。⑤催化劑中毒的問題催化劑在高溫作用下長期使用容易老化，轉(zhuǎn)化效率降低。另外更重要的問題是受排氣中硫化物、鉛等影響，催化劑會(huì)顯著降低催化效率。此外還會(huì)產(chǎn)生臭味的硫化氫?！?〕排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)及催化劑開展的趨勢根據(jù)未來排放法規(guī)的要求，目前排氣后處理的有關(guān)技術(shù)、排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)及催化劑的開展將著重有以下幾個(gè)方面：①重視催化機(jī)理的根底研究過去較長的時(shí)間內(nèi)，提高催化劑的效率主要靠選擇、配對及不同質(zhì)量比例等進(jìn)展試驗(yàn)、篩選。今后將要進(jìn)展更多的根底研究及微觀分析。催化劑現(xiàn)代理論是以"活性部位"學(xué)說為根底?；钚圆课痪褪侵复呋牧暇w上的點(diǎn)。在這些點(diǎn)上，催化劑促使排氣中一些成分，被吸附在上面進(jìn)展化學(xué)反響?，F(xiàn)代排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究人員正在著手研究催化劑不同反響能力模式的根本原因，了解在不同氧化物體系中，專門起催化作用的活性部位的本質(zhì)。從而能通過這些微觀的根底研究，形成一個(gè)專門的催化反響學(xué)說領(lǐng)域，將研究成果應(yīng)用到未來排放催化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，獲得更高的催化反響效率。②加強(qiáng)排放系統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)研究過去對發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣體流動(dòng)研究得較多?，F(xiàn)代及未來將致力于排放系統(tǒng)氣體動(dòng)力學(xué)的研究，該研究包括以下三方面內(nèi)容：一是催化反響器中排氣流動(dòng)的研究，二是排氣動(dòng)能及可變技術(shù)的研究，三是降低排氣阻力及噪聲的研究。這三個(gè)方面的研究要到達(dá)多種目的，會(huì)有一些干擾的矛盾產(chǎn)生，必要時(shí)如何采取折中方案，妥善解決這些矛盾，以便使綜合效果最正確，這也是研發(fā)工作者的主要任務(wù)之一。③單獨(dú)進(jìn)展排放系統(tǒng)所需空燃比的調(diào)節(jié)提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，降低油耗所需要的空燃比與提高催化效率所需要的空燃比是不一樣的，存在一些矛盾。未來開展的趨勢是采取一些措施，調(diào)節(jié)排放催化系統(tǒng)中的"空燃比"，或者說調(diào)節(jié)其含氧量，這樣使發(fā)動(dòng)機(jī)本身及排放系統(tǒng)空燃比的調(diào)節(jié)分開，使兩者都能得到最大的效益。④研究適合稀燃需要的催化劑發(fā)動(dòng)機(jī)采用稀混合氣快速燃燒技術(shù)日益受到重視，采用燃油直接噴入汽缸及稀燃的技術(shù)，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)兼?zhèn)涓弑裙β始暗陀秃牡膬?yōu)點(diǎn)。然而需要開發(fā)適應(yīng)稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)的新型催化劑，以便能在含氧量較多的排氣中，也能使NO*復(fù)原轉(zhuǎn)化。⑤研究開發(fā)適合清潔燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放系統(tǒng)使用醇燃料、氣體燃料及靈活燃料的汽車排氣中的成份與汽油、柴油相比，有一定變化，增加了未燃醇、甲烷、甲醛及乙醛等，這些排放物同樣污染大氣環(huán)境，影響人類安康及生態(tài)的平衡?，F(xiàn)有催化劑不能很好地抑制、消除這些排放物。需要根據(jù)這些排放物生成的特點(diǎn)、氧化轉(zhuǎn)化機(jī)理及條件，研究新的催化劑及排放系統(tǒng)。2．先進(jìn)的消聲器消聲器是排放系統(tǒng)中重要部件之一，占據(jù)一定的空間。排量為2L的發(fā)動(dòng)機(jī)，消聲器的容積約20～25L，重20～35kg。消聲器性能的好壞，既影響乘車的舒適性、環(huán)境和安靜，又影響汽車的動(dòng)力性能及排放。因此需要將消聲器納入排放系統(tǒng)一起考慮。傳統(tǒng)的消聲器大局部是消極的，使排氣聲波經(jīng)過一些障礙衰減一局部，現(xiàn)代汽車消聲器已經(jīng)成為可變的半主動(dòng)式的產(chǎn)品，目前正在研究開發(fā)主動(dòng)控制的新一代消聲器，它能使噪聲降低得更多，同時(shí)更有助于降低汽車排放。半主動(dòng)式消聲器只能響應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的一定的工作條件，如根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷或者排氣背壓而改變其工作狀態(tài)。在主動(dòng)式消聲系統(tǒng)中，至少有一個(gè)傳感器將排氣噪聲的變化反響給微機(jī)控制單元，然后優(yōu)化噪聲及排放性能。因此需要較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)：〔1〕提高乘車的舒適性，到達(dá)更嚴(yán)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)；〔2〕簡化消聲器內(nèi)部構(gòu)造，降低其體積及質(zhì)量；〔3〕使消聲器成為標(biāo)準(zhǔn)部件，適合一定功率范圍內(nèi)的不同發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，同時(shí)有助于降低排放，又不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。3．排氣后處理車用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣后處理主要包括兩方面內(nèi)容：排氣催化反響及去除微粒，將有害排放物減到最低程度?！?〕根本的化學(xué)反響排氣催化反響是通過催化反響器中的催化劑的作用，加速排氣中有害物質(zhì)向無害物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。例如使HC及CO氧化成H2O及CO2；加速NO*復(fù)原成N2、N2O、NH3及H2O等。催化劑的作用是降低反響溫度，加快轉(zhuǎn)化速率?！?〕根本的后處理方案在汽油機(jī)上應(yīng)用催化反響器的技術(shù)方案有以下4種：①僅采用兩級(jí)催化反響器，CO及HC被轉(zhuǎn)化成無害的CO2及H2O；②采用兩級(jí)催化反響器，第一級(jí)是采用復(fù)原型催化劑使NO*復(fù)原，而第二級(jí)是引入二次空氣，并用氧化型催化劑，使CO及HC氧化燃燒；③采用排氣再循環(huán)及氧化型催化反響器，排氣再循環(huán)用于降低排氣的NO*含量，而氧化型催化反響器則使CO及HC轉(zhuǎn)化成CO2及H2O；④采用三元催化反響器方案，在同一反響器內(nèi)，NO*、HC和CO同時(shí)都轉(zhuǎn)化為無害氣體。在柴油機(jī)上使用催化反響器時(shí)，應(yīng)考慮如下幾點(diǎn)：①柴油機(jī)的過量空氣系數(shù)較大，不需二次空氣，就有足夠氧氣供CO及HC氧化；②柴油機(jī)排放的HC及CO含量較汽油機(jī)的低，不易維持復(fù)原反響的溫度，而排氣的氧化氣氛強(qiáng)，故難以用復(fù)原催化法去除NO*；③柴油機(jī)沒有四乙基鉛添加劑，因此排氣不會(huì)使催化劑發(fā)生鉛中毒現(xiàn)象，但排氣的微粒及焦油較多，附在催化劑上會(huì)影響其活性。柴油機(jī)需用具有催化反響劑的微粒過濾器。4．三元催化反響器三元催化反響器是用鉑〔Pt〕、鈀〔Pd〕、銠〔Rh〕、鈰〔Ce〕及稀土金屬等中的*幾種作催化劑，在排氣經(jīng)過反響器的很短時(shí)間內(nèi)，將其中HC、CO、NO*同時(shí)進(jìn)展催化反響，使它們轉(zhuǎn)化成CO2、N2、NH3及N2O等排入大氣中。三元催化反響器通常由圓筒形外殼、上面涂覆著催化劑的載體等構(gòu)成。載體一般有γ-A12O3小球、堇青石制成的整體蜂窩狀多孔陶瓷及金屬薄片制成的載體等3種。二、催化劑及催化反響技術(shù)通過催化反響降低汽車排放的核心是研制高性能的催化劑。全面提高催化反響器的性能，還需促進(jìn)載體及控制空燃比等技術(shù)的開展，提高催化劑低溫活性及高溫耐熱性，降低催化劑本錢。1．催化劑及載體的開展〔1〕催化劑早期主要使用鉑〔Pt〕作催化劑，而后使用鉑/銠〔Pt/Rh〕，因?yàn)殂K貴而銠的資源有限，現(xiàn)代除了繼續(xù)使用鉑/銠催化劑外，正研究和使用以下催化劑：①僅用鈀〔Pd〕作催化劑；②鉑/鈀/銠三金屬催化劑；③鉑/鈀催化劑；④鈀/銠催化劑；⑤稀土金屬催化劑。各種催化劑各有優(yōu)、缺點(diǎn)，都不能具備十分完美的性能，仍在研究開展中。目前，比擬多的歐洲汽車廠家使用鉑/銠或鈀/銠作催化劑。鈀具有良好的使HC氧化的性能，但是對燃油中的硫中毒較敏感，從而使NO*的轉(zhuǎn)化性能變差。〔2〕催化劑的載體早期是使用顆粒狀載體，但由于機(jī)械強(qiáng)度較差及排氣流動(dòng)阻力大等原因已更多地由堇青石制成的整體蜂窩狀多孔陶瓷載體所代替。主要研究改良的方向是使其材質(zhì)致密化，減少壁厚，提高能負(fù)載催化劑的外表積與體積的比值。此外減少其熱容量，提高熱傳導(dǎo)性及高溫耐熱性也是提高催化劑低溫性能及使用壽命所必需的?，F(xiàn)代除了堇青石制的陶瓷載體外，還有用Fe-Cr-Al系等合金制造的金屬載體。它的特點(diǎn)是：壁薄、機(jī)械強(qiáng)度及耐久性好、排氣流阻小、不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、熱傳導(dǎo)性好、熱容量小，因此能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)較快地到達(dá)催化劑的點(diǎn)火溫度，提上下溫工況下催化劑的轉(zhuǎn)化效率。金屬載體的缺點(diǎn)是制造工藝要求及本錢高，目前在高性能、高級(jí)轎車上，使用金屬載體催化反響器的較多。2．稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)用的新概念三元催化劑為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)CO2排放，稀燃技術(shù)得到更多的應(yīng)用，同時(shí)降低比油耗。然而通常在理論空燃比混合氣工況下，效率較高的三元催化劑，在使用稀混合氣燃燒時(shí)，因排氣中氧含量多，不能使NO*很好地復(fù)原轉(zhuǎn)化，因此需要研究開發(fā)適應(yīng)稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)需要的新型催化劑。日本豐田公司開發(fā)了一種新概念的三元催化劑。它可以在發(fā)動(dòng)機(jī)用稀混合氣工作時(shí)，將NO*儲(chǔ)存起來。然后在汽車加速等工況需要增加功率使用理論空燃比混合氣時(shí)，NO*釋放出來進(jìn)展復(fù)原轉(zhuǎn)化。豐田公司從1994年將這種新型催化劑及稀燃系統(tǒng)用于排量為1.6L及1.8L發(fā)動(dòng)機(jī)上，效果甚佳：發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果說明，新的催化劑在排氣溫度為300～450℃的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化NO*的效率可達(dá)90%，在耐久試驗(yàn)后，轉(zhuǎn)化效率可達(dá)60%。催化器要布置在汽車底板的下面，保持排氣溫度在250～450℃的范圍內(nèi)。

汽車用稀混合氣及新催化劑與常規(guī)的以理論混合氣工作的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了8%。不過，汽車如果按FTP-75循環(huán)模式試驗(yàn)，催化劑轉(zhuǎn)化HC及NO*的效率尚不很理想，仍需進(jìn)一步改善。3．采用兩個(gè)催化反響器采用兩個(gè)催化反響器，其中一個(gè)體積較小，催化劑載體的體積約占兩個(gè)反響器載體總體積的25%，直接安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)各缸排氣支管匯總的總管出口法蘭上。另一個(gè)反響器較大，安裝在汽車底板的下面，即通常汽車只裝一個(gè)三元催化器安裝的部位。采用兩個(gè)反響器的目的是讓廢氣由汽缸排出后，立即進(jìn)入反響器，保持較高的溫度，提高催化轉(zhuǎn)化效率。國外在汽油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)排量為2.5L、總質(zhì)量為1420kg的客車上進(jìn)展了裝一個(gè)及兩個(gè)反響器的比照試驗(yàn)。使用未加熱的氧傳感器，啟動(dòng)暖機(jī)時(shí)的平均混合氣空燃比為14.6，其它工況時(shí)為14.8，直接裝在缸蓋排氣總管法蘭上反響器載體的體積為0.5L，而裝在離總管150cm的地板下的反響器的體積為1.5L。發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)后，經(jīng)過約30s，排氣總管處的反響器排氣溫度到達(dá)600℃，而地板下反響器的溫度只有200℃。因此排氣總管處反響器轉(zhuǎn)化效率高。如果將催化反響器和排氣總管設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，也許會(huì)更好些。裝在排氣總管上的催化反響器可使HC的轉(zhuǎn)化效率達(dá)90%以上。而如果僅用較大的地板下的反響器，HC的轉(zhuǎn)化效率只有89%。兩者聯(lián)合在一起時(shí)HC轉(zhuǎn)化的總效率達(dá)96～97%。裝在汽車底板下面排氣管上的催化反響器對提高CO及NO*的轉(zhuǎn)化率的作用較小。如果同時(shí)采用兩層壁的隔熱排氣管、硫含量低的燃料以及噴入二次空氣等措施，則降低排放物的效果會(huì)更好些。三、提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)、低溫工況排氣凈化效果的技術(shù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)、預(yù)熱及低溫工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于缸內(nèi)溫度低、渦流強(qiáng)度弱、混合氣品質(zhì)不好、"缺火"等因素，燃燒不完善，排氣中未燃烴HC及CO含量高。比擬有代表性的汽車HC總排放量的60～80%是在冷啟開工