（动力机械及工程专业论文）某微型车三元催化转化器匹配技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车排放污染物己成为我国大中城市大气环境的主要污染源之一。汽车排 放的污染物主要来源于内燃机，其中有害成分包括一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物 ( h c ) 、氮氧化合物n o x 、微粒( p m ) 、硫氧化合物( s 0 2 ) 等，其中汽油车的主要 污染物包括c o 、h c 、n o x 。只益严格的排放法规对汽车排放的提出了很高的要 求，实践证明仅靠汽车发动机机前处理和机内净化己不能满足同益严格的排放 法规要求，对于汽油机，催化转化技术作为降低其排气污染的后处理最有效的 措施，已越来越受到各国的重视，其中三元催化转化器( t w c ) 广泛应用于各 类汽油车上。 本文首先介绍了目的世界各地的排放法规，探讨了汽车的排放机理以及减 排措施，重点介绍了三元催化转化器的构造和工作原理。总结了目l j i 最为流行 的两种三元催化转化器的匹配方法：仿真与实验。 论文建立了三元催化转化器模型，利用a n s y s 对三元催化转化器内部气体 流动进行了c f d 计算，分析了压力损失的来源，探讨了气流速度及其分布对压 力损失的影响。研究结果表明气流在扩张圆锥管壁附近出现分离产生较强的扰 动，造成局部流动损失和载体前气流速度沿径向分布不均匀；入口扩张管结构 对催化器的流动特性有很大影响，但并非扩张角越大，催化器流速分布的不均 匀性和压力损失也增大，而是存在着一个最佳角度，但当扩张角增大到一定程 度以后，扩张角对流速分布和压力损失的影响变小。计算了三种催化器( 扩张 角和收缩角分别为6 0 度、7 0 度、9 0 度) 在不同流速下的压力损失，结果表明 流速越大，其压力损失越大；在低流速时，扩张角对压力损失影响不大，在中 高流速时，作用就很明显，且扩张角和收缩角7 0 度的催化器的压力损失最大。 最后利用m a t l a b 对所得的数据进行优化处理，得到最佳扩张角。 论文介绍了汽车排放实验测试设备和实验原理，记录了实验过程。通过实 验对三种催化剂配比方案进行了比较实验，三种配方都能够达到国i i i 排放标准， 比较分析得到了适合产业化的催化剂配方。并在此实验的基础上，定性的分析 了贵金属的含量越高，催化效果越好。由此结果，为开发满足今后更为严格的 排放法规的三元催化转化器提供了依据。 关键词：微型车，排放控制，三元催化转化器，c f d ，性能匹配 武汉理t 大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h eh a r m f u le m i s s i o n sf r o mt h ea u t o m o b i l eh a v eb e c o m eam a i np o l l u t i o no f t h ea t m o s p h e r ei nm o s tc i t i e so fo u rc o u n t r y i tc o m e sf r o mi ce n g i n e ， i n c l u d i n g c a r b o nm o n o x i d e ( c o ) ， c a r b o nh y d r o g e nc o m p o u n d ( h c ) ，t h en i t r o g e no x y g e n c o m p o u n dn o x ，p a r t i c u l a t em a t e r i a l ( p m ) a n d t h es u l f u rd i o x i d e ( s 0 2 ) e t c a n d t h ec o ，h c ， n o x a r et h em a i np o l l u t i n gc o m p o s i t i o n so fg a s o l i n ea u t o m o b i l e e x h a u s tg a s t h er e q u i r e m e n to ft h ea u t o m o b i l ee m i s s i o ni n d i c a t e st h a to n l y d e p e n d i n go nd i s p o s i t i o nb e f o r ee n g i n ea n dp u r i f i c a t i o ni nt h ee n g i n ec a n ts a t i s f y w i t ht h ee x h a u s tr e g u l a t i o n sw h i c hb e c o m em o r ea n dm o r es t r i n g e n t a st h em o s t e f f i c i e n tw a yt h a tr e d u c e st h ew a s t eg a so ft h ea u t o m o b i l ee m i s s i o n ，t h ec a t a l y s t c o n v e r s i o nt e c h n o l o g yh a sb e e ne m p h a s i z e di nm a n yc o u n t r i e s ，e s p e c i a l l yt h et h r e e - w a yc a t a l y s tc o n v e r t e r ( t w c ) t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e sal o to fe x h a u s tr e g u l a t i o n si nt h ew o r l d w i d e c u r r e n t l y ， a n dt h em e c h a n i s mo ft h ep o l l u t i o nc o m i n gf r o mt h ev e h i c l e t h ek e y p o i n to f t h i sc h a p t e ri st h es t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l eo ft h r e e w a yc a t a l y s tc o n v e r t e r ， a n dt h et w oc u r r e n tm e t h o d so fm a t c h i n gt h et w c - s i m u l a t i o na n dt e s t t h ep a p e rm a k e st h em o d e lo ft w ca n dm a k e su s eo fa n s y st oc o m p u t et h e s t e a d yf l o w si nt h et w c ，w i t hc f d m o d u l e t h ep a p e ra n a l y z e st h es o u r c eo ft w c p r e s s u r el o s e ， a n dd i s c u s sh o wt h eg a ss p e e da n di t ss i t u a t i o ni n f l u e n c et w c p r e s s u r el o s e s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es e p a r a t i o na n dv o r t e x ， w h i c hc a u s e t h ep r e s s u r el o s sa n dt h ev e l o c i t yn o n u n i f o r m i t ya tt h ef r o n to ft h ef i r s ts u b s t r a t e ， a r eg e n e r a t e dn e a rt h ew a l lo ft h ec o n i c a lp i p e i na d d i t i o n ，t h el a r g e rt h ei n l e tc o n e s a n g l et h em o r et h ep r e s s u r el o s si nc o n v e r t e r ；h o w e v e r ， w h e nt h ea n g l ee n l a r g e s e n o u g ht h ep r e s s u r el o s sw o u l db ed e c r e a s ea n dt h ea n g l e se f f e c to nf l o w sw i l lb e l e s s i na d d i t i o n ，t h ep a p e rc o m p u t e st h r e em o d e l so fc o n v e r t e r ( i n l e tc o n e sa n g l ea n d o u t l e tc o n e sa n g l e ：6 0 。、7 0 。、9 0 。) m o d e lt og a i nt h er e s u l tt h a th o wt h ef l o w v e l o c i t yi n f l u e n c e st h ep r e s s u r el o s s ， w h i c hs h o w st h a tw h e nt h ef l o wv e l o c i t yi s l o w ，t h ei n f l u e n c eo f t h ec o n e sa n g l ei sn o to b v i o u s ，b u ta tt h eh i g hf l o wv e l o c i t y ， i t sq u i t eo b v i o u s i na d d i t i o n ，t h eh i g h e rt h ef l o wv e l o c i t yi s ，t h em o r et h ep r e s s u r e l o s si sa n dt h eh i g h e s ti st h e7 0d e g r e ec o n e - a n g l em o d e l a tl a s t ，w eo b t a i nt h eb e s t l i i n l e tc o n e s a n g l ew i t ht h eh e l po ft h em a t l a b w ec a r r yo ni n t r o d u c t i o nt ot h ee q u i p m e n t so ft h et e s t ，t ot h e p r i n c i p l ef o r w h o l ee x p e r t i n e n ta n dr e c o r dt h ew h o l ee x p e r i m e n ti n d e t a i l a c c o r d i n gt ot h e r e g u i a t i o n s t h e r ea r et h r e ep l a n so ft h ed i f f e r e n tr a t i oa n d t h ew e i 曲to ft h en o b l e m e t a l ， a n de a c ho ft h e mm e tw i t ht h eg b i i i ， s ow ec a nc o m p a r et h er e s u i ta n d c h o o s et h eb e s to n e b a s e do nt h et e s t ， w ef i n dt h a tt h em o r et h eq u a n t i t yo f t h e n o b l em e t a li s ，t h eh i g h e re f f i c i e n c yo f t h et w ci s ， s ow ec a nu s ei tt od e v e l o da n e wt w cf o rt h em o r e s t r i n g e n tl a w s k e yw o r d s ：m i n i 。c a r ， e m i s s i o n c o n t r o l ，t h r e e w a yc a t a l y s tc o n v e r t e r ，c f d ， m a t c h i n g 1 1 i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得武汉理t 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同t 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名：互奇 关于论文使用授权的说明 v i 期：塑啦自曼! 砖 本人完全了解武汉理t 大学有关保留、使川学位论文的规定，即学校有权保留、送 交沦文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采刖影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：趁日期：磕目兰! 虽 武汉理一l ：人学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 由于城市机动车保有量的迅速增加，在发达国家的许多大城市，汽车排放 已经成为最主要的空气污染来源，我国的机动车辆主要集中于大型城市，使得 我国一些大城市的空气污染问题同益突出。由于单车污染物排放因子很高，使 得我国大型城市机动车污染物排放总量已经超过发达国家类似规模的城市：同 时由于城市车辆和人口高度集中，机动车污染排放密度和造成的污染浓度则比 发达国家高出几倍，在城市空气污染中的分担率正在逐步增加。据统计：汽车 排放的有害气体已占全球整个大气污染的5 0 以上，这可能会导致整个地球生 态环境的变化，直接影响和威胁人类的生活和生存。尤其在城市人口居住密集 的地方，汽车密度大，而且发动机大多在低速、频繁起动制动的高排放工况， 再加上建筑物密集使得空气的流动性差，因此控制城市车辆的有害污染物排放 十分迫切。 随着改革丌放，我国的汽车工业和交通运输业得到了迅猛发展。截止到2 0 0 8 年l o 月底，我国私人机动车保有量为1 6 6 7 1 3 3 万辆，其中，汽车6 2 2 2 1 8 万辆， 摩托车8 8 8 6 6 4 万辆，挂车9 0 6 力- 辆，上道路行驶的拖拉机1 4 6 3 3 8 力辆，其他 机动车2 0 8 万辆，且正以每年2 0 左右的速度递增。 而世界汽车总保有量也是十分惊人。德国一家汽车市场调研机构，调研机 构的最新预测报道说，尽管目前环保已成为全球性热门话题，但在未来7 年内 全球汽车保有量仍将继续增长近2 0 。到2 0 1 5 年，全球汽车保有量将从2 0 0 7 年的近9 2 亿辆增至1 1 2 亿辆左右。 根据这家调研机构的预测，到2 0 1 5 年，亚洲地区将拥有全球四分之一的汽 车，也就是2 8 亿辆。其中中国和印度的市场增长潜力巨大。增长最慢的地区将 是北美。该地区汽车保有量到2 0 1 5 年将比2 0 0 7 年增长8 ，达到3 7 亿辆。同 期整个欧洲汽车保有量预计将增长1 5 ，同样达到3 7 亿辆。其中东欧地区增 幅将达到3 3 ，西欧的增幅将与北美持平。这必将对环境污染和能源供给造成 武汉理t 大学硕十学位论文 极大的压力，对汽车排放的控制、燃油经济性的改善、新能源车的开发、汽车 电子技术等方面提出更严格的要求。 1 2 国内外排放法规 1 2 1 国外的概况 针对同益严重的坏境问题，世界各国都在制定更加严格的排放法规。美国 加州大气资源局( c a r b ) 提出低排放车和零排放车计划；欧共体从2 0 0 9 年9 月l 同丌始执行欧v 标准【l j 。 排放法规是各国和地区用来限制汽车排气污染物的强制性标准，它的制定 与该国的工业化及经济水平有着密切的联系，工业化程度越高，经济越发达， 那么排放法规的制定和执行就越严格。美国、r 本和欧洲是当今世界上的三大 法规体系，其规定的c o 、h c 和n o x 比未控制前，美国分别下降了9 6 、9 8 和9 0 ，同本分别下降了9 5 、9 6 和9 2 ，欧洲分别下降了8 5 ( c o ) 、 7 8 ( h c + n o x ) 【2 】。其他各国和地区都不同程度地引用他们的标准。 美国是世界上制定排放法规最早和最严的国家。从1 9 6 0 年开始，美国的加 州就首先立法控制汽车的排气污染物，并于1 9 9 0 年首先提出低排放、超低排放 和零排放等标删3 1 。经过近四十年的不断发展，美国加州现行的排放法规( 见表 1 1 ) 1 4 1 目前仍是世界上最严格的排放法规。 欧洲各国对汽车的排放控制比美国要晚近十年，制定的排放标准也没有美 国严格【5 j 。1 9 7 0 年欧洲开始执行e c e r l 5 o o 法规，到了1 9 9 2 年开始执行e c e r 8 3 系列法规( 见表1 2 ) ，目前己开始执行e c e r 8 3 系列中的欧i v 法规。 专焉迥竺兰 n m o gc o n o x ( 无甲烷有机体) t l e v0 1 2 53 4o 4 l e v0 0 7 53 4o 2 u l e v 0 0 4 01 7o 2 z e vooo 2 武汉理工大学硕十学位论文 车型排放物 e ui i ( 1 9 9 6 )e ui i i ( 2 0 0 0 )e ui v ( 2 0 0 5 ) c o2 22 31 o 汽油h c + n o x0 5无要求无要求 发动机车h c无要求o 2o 1 n o x 无要求 o 1 5o 0 8 c o 1 o 0 6 40 5 非直喷h c + n o xo 7o 5 6o 3 柴油机车n o x 无要求 o 5o 2 5 p mo 0 8o 0 50 0 2 5 c o 1 o 0 6 4o 5 直喷h c + n o xo 9o 5 6o 3 柴油机车 n o x无要求o 5o 2 5 p mo 1o 0 50 0 2 5 三大排放法规体系中，日本的排放法规介于美国和欧洲之间。事实上，同 本的排放法规是由美国法规和欧洲法规相结合而形成的。日本是从1 9 6 6 年开始 控制汽车排气污染物的，其排放法规的制定也经历了许多历程，到2 0 0 0 年，同 本丌始执行新的排放标准( 表l 一3 ) ，同时，日本也制定了低排放车的排放标准( 表 1 4 ) 。 i 测试工况 h c ( g 1 ( n 1 )c o ( g a m a )n o x ( g i m )耐久性( k m ) i1 0 - - , 1 5 工况o 0 8o 6 7o 0 88 0 0 0 0 表一4日本低排放军排放限值杯准 卑位：g k i n 低排放车测试工况 h c ( g k m )c o ( g i m )n o x ( g l ( 1 n )耐久性( h r t ) t l e v0 0 6o 6 7o 0 6 l e v1 0 1 5 工况0 0 40 。6 70 0 48 0 0 0 0 u l e vo 0 2o 6 7o 0 2 3 武汉理t 大学硕十学位论文 1 2 2 国内的概况 我国的排放标准主要是参照欧洲排放标准体系而制定的。从1 9 8 3 年丌始， 我国相继颁布的汽油车排放标准有【6 】：汽油机怠速污染物排放标准( g b 3 8 4 2 8 3 ) ； 轻型汽车排气污染物排放标( g b l l 6 4 1 8 9 ) ：g b l 4 7 6 1 1 9 3 轻型汽车排气污染 物排放标准；g b 2 4 7 6 2 2 9 3 车用汽油机排气污染物排放标准；g b l4 7 6 1 5 9 3 汽油车怠速污染物排放标准，g b l 8 3 5 2 1 2 0 0 1 和g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 1 。2 0 0 5 年4 月 1 5 同国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局发和g b l 8 3 5 2 3 2 0 0 5 ，标 准于2 0 0 7 年7 月lr 丌始实施，其中国i i i ( 汽油机) 排放限值如表1 5 所示。 通过近年来法规的建设工作，汽车排放限值有了显著的降低。以轻型汽车 为例，其排气排放限值平均下降如图1 1 所示。图中我们可以清楚直观的看到， 主要污染物的排放限值发生了巨大的改变，现行法规限值仅为1 4 年前限值的 1 0 左右。可见，汽车排放的控制应着重在减少每个车的排放上。这就使得汽车 的排放法规越来越严格。 表1 5i 型实验排放限值 车辆类型 基准质量r m k g限值( g k m ) ( c o ) l 1 h cl 2n o xl 3 点燃式点燃式点燃式 第一类车全部2 3o 2 0o 1 5 第二类车r m 1 3 0 5 2 3o 2 0o 1 5 1 3 0 5 r m 1 7 6 04 1 7o 2 5o 1 8 r m 1 7 6 05 2 20 2 90 2 l 图1 1 我国轻型汽车排气排放限值演变 4 武汉理工大学硕+ 学位论文 汽车排放法规的加严，给汽车行业提出了一个严峻的课题，如何适应新的 法规要求成了各整车厂的主攻目标。第一，严格的排放法规必需先进的排放控 制技术。中国的汽车技术同一些世界发达国家相比，还存在着很大的差距。第 二，要想达到新的法规要求，必须对传统的化油器式汽车进行更新换代，主要 包括对在用车的改造。实践表明，化油器式车是无法达到新标准限值要求的。 第三，更高标准排放法规的严格执行，可能会在汽车行业造成适者生存的局面。 没有技术和经济实力的厂家，将无法面对新的法规而被淘汰。因为先进的技术 虽能控制排放，但也会显著增加成本。汽车排气污染及净化问题引起各国政府 和市民的高度重视，控制汽车排放污染也一直是各国竞相研究的重要课题【7 1 。对 于汽油机而言，其控制技术可分为三类：以改进发动机燃烧过程为核心的机内 净化技术，在排气系统中采用化学或物理的方法对已生成的有害排放物进行净 化的排放后处理技术，以及对来自曲轴箱和供油系统的有害排放物进行净化的 排气污染控制技术。后两类也统称为机外净化技术。 实践证明仅靠汽车发动机机f ； 处理和机内净化已不能满足同益严格的排放 法规要求，催化转化技术作为降低汽车排气污染的后处理最有效的措施，已越 来越受到各国的重视。 1 3 本课题的研究目的和内容 1 3 1 研究目的 本课题主要研究三元催化转化器的结构设计，研究扩张角和收缩角对流动 性能影响，为新车型设计出一款适合的催化器，通过实验的验证达到三元催化 转化器对整车的匹配的目的。 1 3 2 研究内容 本课题主要进行如下方面的研究： ( 1 ) 对汽油机排放控制技术及催化器研究状况进行了详细的研究；探讨汽 油机车排气污染物的生成机理；催化剂的研究进展以及催化器的匹配技术。 ( 2 ) 对催化转化器内部气体流动的特性进行了研究。模拟结果表明本文把 5 武汉理工人学硕士学位论文 蜂窝结构的催化器用当量连续法建立载体的流动力学模型，并用a n s y s 软件对 整个催化器的流场进行稳态流动数值模拟的方法是可行的。利用m a t l a b 建立 数学模型进行优化，求出最佳扩张角和收缩角。通过数值模拟可以为催化器优 化设计提供大量详细的流动信息，省时省力，具有实验研究无法比拟的优点， 其模拟结果对指导催化器的设计有很强的指导意义。数值模拟与实验相结合已 成为催化器设计的一种有效手段。 ( 3 ) 论文介绍了实验测试设备和实验原理，记录了实验过程。通过实验对 三种催化剂配比方案进行了比较实验，三种配方都能够达到国i i i 排放标准，比 较分析得到了适合产业化的催化剂配方。并在此实验的基础上，定性的分析了 贵金属的含量越高，催化效果越好，并且由此结果，为开发满足今后更为严格 的排放法规的三元催化转化器提供了依据。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽油机排放控制技术及催化器研究状况 2 1 汽油机有害污染物的生成机理 汽油机尾气中有害气体的产生与燃料( 这里主要讨论汽油机) 燃烧过程是密 不可分的，其中对人类最有影响的主要有c o 、h c 和n o x 三种污染物。 2 1 1c o 的产生机理 c o 是燃烧产物中最早为人们发现的污染物之一。c o 的产生主要是因为发 动机内的燃料未完全燃烧而产生的。从理论上来讲，空燃比( m ) 小于理论空 燃比( 1 4 7 ) 时，c o 的生成量随着空燃比的减小而增多；理论上当a f 大于1 4 7 时，排气中将不存在c o ，但实际上由于缸内混合气不均匀、燃烧室内局部区域 可能缺氧等，在排气中仍有少量c o 存在。若用r 代表碳氢基，则碳氢化合物 燃烧时c o 的生成步骤可表示如下： r h + 】r r 0 2 r c h o ，r c o c o c o 的生成模型到目前为止，只有少数简单燃料如甲烷等的比较清楚。对于 像汽油、柴油等由多种烃燃料组成的燃料中c o 生成的机理还有待于进一步研 究。 2 1 2 未燃h c 的产生机理 未燃烃是指没有燃烧或部分燃烧的碳氢化合物的总称。除排气中的未燃烃 外，还包括燃油供给系统的蒸发排放以及燃烧室等泄漏排放的h c 。这里主要讨 论燃烧室中h c 的生成。燃烧室中h c 的生成主要有下列几类： ( 1 ) 由于多种原因造成的不完全燃烧所产生的h c ； ( 2 ) 燃烧室壁面的淬熄作用形成的h c ； ( 3 ) 由于热力过程中狭缝效应所生成的h c 。 靠近气缸壁的混合气的混合比虽然在可燃界限内，但火焰贴近冷的燃烧室 壁面时，由于散热损失大，温度降低，火焰将中断，使燃烧火焰淬熄；火花塞 7 武汉理：人学硕士学位论文 或点火电路不良，使火花微弱时也容易造成失火( m i s sf i r e ) 而排放h c 。当a f 小于1 2 时，由于空气不足，燃烧不完全，会使排气中的h c 浓度上升；而当在 a f 大于1 6 时，则由于超稀薄混合气燃烧品质不良，容易造成失火及淬熄，而 使h c 排放增加。在发动机的燃烧室、汽缸表面等任何有润滑油的地方，在燃烧 前和燃烧后，这些润滑油都能吸收和释放出燃油，从而使部分燃油避开主燃烧 过程而不被燃烧，导致废气中的h c 化合物含量增多。另外，燃烧室壁面的多孔 性碳质沉积物，也对燃油蒸气具有吸附和释放作用。狭缝效应中狭缝主要指活 塞、活塞环和汽缸壁之间的狭小缝隙，火花塞中心电极的空隙，火花塞的螺纹 等。由于压缩过程及燃烧过程中汽缸内压力升高，未燃混合气被迫进入各个狭 缝区域，而狭缝内气体温度较低及壁面淬熄作用，火焰很难进入狭缝烧掉这些 气体。当狭缝中气体压力大于汽缸压力时，狭缝内的气体重新回到汽缸中。这 部分气体中h c 的排放可达到h c 排放的3 8 ，狭缝效应被认为是h c 生成的最 主要来源。 2 1 3n o x 的生成机理 燃料混合气中所含的氮气( n 2 ) ，因发动机缸内燃烧的高温而与氧气( 0 2 ) 产生反应而产生n o 排出，n o 再与大气中0 2 反应生成n 0 2 。如图2 1 所示，在 c o 及h c 生成最少的空燃比范围内，n o 的浓度最高。这是因为n o 生成的条 件与h c 及c o 有所不同，主要是在高温高压、富氧，并且燃气要在这种条件下 有一定的停留时间。当入稍大于l 时，正好满足以上三个条件，因此n o 主要在 这时产生。当入 l 时，因为燃烧 室温度低，n o x 的生成量也很快下降。燃烧过程中，氮的浓度基本上是不变的， 影响n o 生成量的主要因素是温度、氧气的浓度和停留时间。所以，可以通过降 低燃烧温度水平、降低氧气浓度、使燃烧在远离理论空气比条件下进行、缩短 在高温区内的停留时间，来控制n o 的生成量。与n o 相比n 0 2 的生成量较少， 且n 0 2 生成的反应过程非常复杂。 8 武汉理t 大学硕十学位论文 2 2 排气污染物的控制技术 2 2 1影响汽油机废气排放成分的影响因素 ( 1 ) 空燃比的影响空燃比是影响三种污染排放物的重要因素之一，因为 它一方面指示混合气中氧的浓度，另一方面也影响着气体燃烧时的温度。 由图2 1 可以看出空燃比与三种污染物排放量的关系： 供给浓混合气时，由于燃烧温度和氧浓度较低，n o x 减少而c o 、h c 增多。 供给稍稀的混合气时，c o 、h c 减少而n o x 增多。 当供给稀混合气时，n o x 、c o 减少而h c 增多。混合气的空燃比大于1 7 1 8 时，h c 的增多是由于混合气过分稀薄，易于发生火焰不完全传播以至断火，使 未燃烃h c 排放量迅速增加。如混合气的空燃比大于1 5 5 时，虽然氧浓度的增 加可以促使n o 的生成，但在稀混合气中，燃烧温度有所降低而产生抵消，n o x 却减少。 圣 羹 耋 f n 0 佩 。邢 、 、 n o x ， r i 火 。c o 鬻。 、 攀 二 一弋 h c 八茎 。 ，一 、t 一至燃比 图2 1 空燃比与有害污染物排放量间的关系 ( 2 ) 发动机负荷和转速的影响对于化油器式发动机，在诸如怠速、减速 等低速小负荷运行时，化油器所供给的混合气偏浓，此时发动机工作循环中的 气体压力和温度都不高，混合气的燃烧速度减慢，引起不完全燃烧，产生c o 。 由于气体温度低，气缸中的某些壁面的激冷面上的燃油就不可能燃烧，而造成 h c 排放加剧。化油器式发动机在大负荷运行时，其节气门位置接近于全开，化 油器后的进气管真空度减弱，真空点火提前装置已不起多大作用，而此时由于 9 惭叫叫叫叫q叫1卅门 武汉理下大学硕十学位论文 燃烧速度变快，离心式点火提前角装置将随转速升高成比例增大点火提前角， 使燃烧后气体的压力、温度同时升高、燃烧速率提高，这时h c 的生成量较少， 而n o x 的生成较多。 发动机转速的变化对h c 和n o x 的生成有一定的影响，而对c o 影响程度 相对较小。当发动机转速提高时，增强了气缸中的扰流混合与涡流的扩散，也 增强了排气的混合，于是既改进了气缸内气体的燃烧，加强了激冷层的后氧化， 又促进了排气系统的氧化反应，因此h c 明显降低。对于不同空燃比的混合气， 转速对n o 生成速度有着不同影响。在转速高时，当稀混合气时，由于着火落后 期受转速影响不大，在点火时间不变的情况下，大部分燃烧将在膨胀过程压力 与温度不太高处进行，使n o 的生成速度减小。而在浓混合气时，提高转速加强 厂7i 体的扰动，火焰传播速度加快，热损失相对较小，此时n o 的生成速率将增 大。 ( 3 ) 点火时间的影响图2 2 、2 3 和2 4 分别表示了点火提前角对h c 、 c o 和n o x 排放量的影响。从图2 2 中可知，从上止点前3 0 。推迟1 0 。点火， n 乙的排放浓度可减少1 0 0 p p m ，但燃油消耗约增加1 0 。图2 3 表明点火提f j 对c o 的排放浓度没有明显的影响。而图2 4 表明在任何负荷和转速下，加大点 火提前角，均使n o 浓度增加。因此，点火提前角对h c 和n o x 的排放浓度影 响较大，但是点火提前角的改变会导致发动机动力性、经济性的改变。 ，_ 一 油耗的1 0 一 彳 i 4 0 乎 3 o 型 蜷 8 2 0 1 o ， ，矿母一、d v 1 0o -2 0 4 0 6 0 点火提前角点火提前角 图2 2 点火时间对h c 排放的影响图2 3 点火时间对c o 排放的影响 ( 4 ) 火花塞位置火花塞在燃烧室的位置不同时，由于发动机的燃烧放 l o 一是马魁蜓u墨 武汉理下大学硕+ 学位论文 热速率不同，故火花塞的位置对排放有重要的影响。若火花塞距燃烧室的缝隙 的距离越远，则发动机排放中的h c 增大，反之办然。火花塞的位置对h c 的影 响还于燃烧室的形状有关，一般来说，对于非紧凑型燃烧室的影响比紧凑型的 大。如在圆盘形燃烧室上，由于火花塞未知的不同可使发动机h c 的排放差别高 达8 1 ：而半球型燃烧室上，火花塞位置的改变仅能使发动机h c 的排放产生 3 5 的差别。火花塞位置于燃烧室形状共同决定了质量燃烧率，在燃烧前期燃烧 质量的增加，会是n o x 的排放增加，但对改善油耗有利。 另外，还有一些影响因素：冷却水及燃烧室壁面温度、排气背压、燃烧室 壁面沉积物；工作容积、行程缸径比、压缩比、燃烧室形状、气门定时、活塞 环余隙容积、排气系统；燃料的品质；润滑油的品质；大气条件；缸内气体的 流动。 4 c 1 0 0 3 0 l ? 2 ，- 一 - _ _ 一 3 _i， ? 4 一 ， 点火定时上止点前( 。) 图2 4 点火时间对n o 排放的影响 2 2 2 汽油机排放控制措施 控制汽车排气污染应从机内和机外同时入手，其中机内净化是整个排气净 化的基础，机外净化尽管是一种辅助手段但在满足同益严格的排放法规方面也 是很有效的。发动机废气净化个措施可以分为两大类，第一类是通过改善发动 武汉理_ t 大学硕十学位论文 机的燃烧，使有害排放物在其产生过程中减少的措施，称为机内净化；第二类 是诸如催化净化器、热反应器、二次空气系统等使发动机排出的有害气体进一 步降低的措施，称为机外净化。 ( 1 ) 发动机机内净化所谓发动机机内净化，就是优化发动机结构以利 于降低排放的一种系统方法。目前，控制汽车排放的机内净化措施主要有： 1 ) 电子控制燃油喷射技术( e f i )电子控制燃油喷射技术是有效控制排 放的重要技术，同时也能提高汽车的动力性、经济性。电子控制燃油喷射从有 无反馈信息角度看，可分为开环电喷方式和闭环电喷方式：从喷射形式看，分 为进气管单点喷射、进气支气管多点喷射和缸内喷射3 种。与化油器式发动机 相比，e f i 系统有如下优点：在任何工况下都能获得精确空燃比的混合气；混合 气的分配均匀性好；良好的冷启动性能和加速性能；充气效率高。 2 )改进点火系统点火提f j 角对发动机的动力性、经济性排放和噪声有 重要影响，推迟点火提前角一直是最简单易行也是最普遍应用的排放技术。延 迟发动机的点火时间，可以抑制排气中h c 和n o x 的生成量，但由于推迟点火 会造成发动机循环热效率的下降，因此点火时间的选择要从这两方面加以协调。 同时，加大火花能量和加长火花持续时间可以强化燃烧、减少h c 的排放量，因 此可以采用高能点火系统。提高点火能量的措施有：增大极间电压、大火花塞 间隙和延长放电时间等。 3 ) 废气再循环( e g r ) 技术e g r ( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ) 技术是指， 在控制适当的温度、时间和废气流量等条件下，从排气系统中取出部分废气， 并返回至进气管后再吸入气缸，以降低燃烧时最高温度，进而减少n o x 。对于 采用e g r 技术，要实现最优控制以保证发动机性能不发生明显变化，n o x 排放 也能控制。这是因为e g r 有产生发动机怠速不稳、动力下降等问题。如在最大 负荷下不能用e g r ，以免使性能恶化；在很低负荷下不能用e g r ，此时残余废 气相对较多导致燃烧不稳，而且n o x 生成量也不多。目前，e g r 技术采用了微 电子控制，在控制n o x 生成方面起较大作用。 4 ) 稀薄燃烧技术汽油机燃用空燃比在1 6 1 6 5 之间的混合气时，能使发 动机的c o 和h c 排放量降低，并提高燃油经济性，但此时废气中的n o x 排放 量较高。如果加大空燃比，则三种污染物的排放量都较低，采用加大空燃比以 减少污染物的技术即是所谓的“稀薄燃烧技术 。采用大空燃比会引起燃烧速度 缓慢，导致发动机的动力性下降，甚至会出现间歇失火。因此这种技术的关键 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 是保证混合气着火及提高燃烧速率。目前，对发动机的燃烧室形状结构加以优 化设计以实现这种稀燃技术，如采用扰流发生罐、喷流控制原理、火球型燃烧 室等方法保证稀燃技术的实现。 5 )分层燃烧技术 分层燃烧技术是指发动机燃烧室内混合气浓度成层状 变化，在火花塞附近保证供给浓混合气，而在燃烧室的其余大部分则供应稀薄 混合气，经火花塞点燃浓混合气之后，火焰沿层状混合气由浓向稀薄方向传播， 完成整个燃烧过程。这种燃烧技术对于降低发动机的排放污染物具有很重要的 作用。 ( 2 ) 机外净化机外净化措施包括二次空气喷射技术、热反应器技术和 催化转化器技术等。 1 ) 二次空气喷射技术( 对化油器式发动机) 这种方法是将新鲜空气喷射到排气门附近，使高温废气和空气接触混合， 以使未然的h c 、c o 进一步氧化燃烧。在混合气过浓时，二次空气喷射具有明 显的效果。在燃用稀混合气时，喷入空气过多会使排气过分冷却，结果使h c 浓 度反而增大。 2 ) 热反应器技术( 对化油器式发动机) 这种装置一般和二次空气喷射技术同时应用，此装置在排气道出口处。从 喷管向排气门喷射的二次空气与废气相混合，进入热反应器，利用本身的余热 保持在高温下给予一定的反应时问，使h c 、c o 再燃烧而大大降低其排放。 3 ) 催化转化器技术 这是一项非常重要的净化技术，它是利用催化技术加速汽车废气中c o 、h c 和n o x 的氧化还原反应，使大部分污染物转化为c 0 2 、h 2 0 和n 2 ，起到净化汽 车尾气作用。电控燃油喷射控制技术【3 6 】和汽油无铅化、低硫化是使催化转化器 正常发挥作用的关键。 2 2 3 催化剂的研究进展 正如其他技术产生有其必然性一样，汽车催化转化器技术的产生也并不是 偶然的，而是科学技术发展的必然。催化技术作为化学学科的一个研究领域在 2 0 世纪中叶取得重要成就，工业催化技术被广泛应用于化工领域，这是导致汽 车催化转化器技术发展的直接原因。 催化转化器主要由载体、催化剂、垫层和壳体组成，而其中的催化剂是核 1 3 武汉理t 大学硕士学位论文 心部分，三元催化转化器( t h r e e w a yc a t a l y s tc o n v e r t e r ，简称t w c ) 技术的产生和 发展与催化剂技术的发展是密不可分的。 随着排放限值法规的不断严格，车用催化剂也取得很大的进展，成为当代 最热门的催化剂。到目前为止，已出现四代车用催化剂【8 】【9 1 。 ( 1 ) 第一代催化剂氧化型催化剂 这一代催化剂出现于7 0 年代中期到术期( 约在1 9 7 5 1 9 7 8 年) ，当汽车排放 法规只要求控制c o 与h c 的排放，发动机尚使用化油器开环系统。氧化型催化 剂的活性组分主要为c u 、c r 、c o 、n i 、m o 、m n 、v 和f e 等非贵金属的氧化物 及贵会属p t 和p d 。这一时期使用过的催化剂有两种：贵金属催化剂( p m c ) 和贱 金属催化剂( b m c ) 。 ( 2 ) 第二代催化剂铂、铑双金属催化剂 7 0 年代末到8 0 年代中期( 约1 9 7 9 1 9 8 5 年) ，美国e p a 提出对n o x 的排放实 行控制，氧化型催化剂已不能满足要求。先后出现了第2 代的单床或双床的p t r h 双金属催化剂及p t r h p d 三金属催化剂；蜂窝陶瓷载体得到了广泛使用；各国 开始对燃油中有害杂质的含量进行限制；电喷闭环排放控制系统的应用， 使三效催化剂能同时有效催化净化c o 、h c 和n o x 。在这一时期，三效催化剂 的制备和应用技术已趋成熟：主要以堇青石( 2 m g o 2 a 1 2 0 3 5 s 1 0 2 ) 蜂窝陶瓷为 第一载体，a 1 2 0 3 为第二载体，贵金属为活性组分，为降低成本，使用p d 作 为三效催化剂的主要活性成分。 ( 3 ) 第三代催化剂铂、铑、钯三金属催化剂 8 0 年代中期到9 0 年代初( 约1 9 8 6 1 9 9 2 年) ，开始使用新一代的p t r h p d 三 元催化剂。这一代催化剂相当于在一个p d 催化剂上再安置一个标准p t r h 催化 剂。当然，a 1 2 0 3 涂层以及孔结构作了较大的改进，c e 0 2 贮氧特性做了稳定化处 理，形成了多涂层结构。在此结构中，钯在内层有更好的耐热稳定性；铑在外 层更有利于n o x 的还原；铂在钯、铑间起积极的协调作用。结果使第三代催化 剂的性能有了明显的改善。由于这种催化剂适于在较高的温度下操作，因此可 安装到离发动机排气出口近的位置，这就有利于降低冷起动时h c 的排放。 ( 4 ) 第四代催化剂三元钯催化剂 8 0 年代末，福特公司在p t r h 三元催化剂的开发取得了突破性进展，之后 便联合专门从事催化剂行业的约翰逊马瑟和恩格哈特公司共同推出了新一代 的三元把催化剂。第四代催化剂尚未在新车上大规模应用。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 国外对汽车排放净化系统主要在催化剂配方、h c 吸附、二次燃烧、电加热 催化转化装置等方面开展深入的研究。催化转化器技术的新进展表现在以下四 个方面【9 1 【i o 】【11 】【1 2 】： ( 1 ) 贫燃条件下的三元催化剂 为了降低汽车排气中使地球变暖的c 0 2 的排放和减少燃料的消耗量，采用 稀混合气并将a f 提高至18 2 l 是极为有效的方法。但随尾气含氧量的大大提高， 常规的三元催化剂能控制c o 、h c 的排放，却几乎无法控制n o