車用排氣催化轉化器與發動機的匹配

摘要:
    闡述了車用催化轉化器與發動機的匹配要求，分析了催化劑成分和用量、催化器的結構和安裝位置等因素對汽車發動機綜合性能的影響，介紹了一些具體的匹配方法和車用催化轉化器的開發實踐。
關鍵詞：　
    催化轉化器　排放控制　試驗匹配
　　催化轉化器作為降低機動車排氣污染的有效裝置之一，正得到越來越廣泛的應用。國內近期推出了各種系列不同型號的排氣催化轉化器產品，它們能減少機動車的污染物排放量，對治理汽車排氣污染發揮了一定的作用。
　　車用催化轉化器必須在具有較高轉化效率的同時，保持汽車正常的運轉狀態，即在安裝排氣催化轉化器前后汽車的動力性、經濟性和噪聲水平等指標不能發生顯著的變化，催化轉化器可靠性和轉化效率必須達到一定的要求。所有這些都要求排氣催化轉化器與發動機之間實現良好的匹配。
1　車用排氣催化轉化器對發動機性能及排放的影響
　　車用排氣催化轉化器的作用是將發動機排出的廢氣中的HC、CO和NOx等有害成分在催化劑的作用下轉化為CO2、H2O和N2等無害成分。安裝排氣催化轉化器對發動機性能及排放的影響主要表現在3個方面。
    1.1　由于催化轉化器安裝在發動機的排氣系統中，它對發動機的排氣過程，甚至是整個工作過程產生影響，對二行程發動機的影響尤為明顯。在有些情況下使發動機的輸出功率下降，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，催化傳化器的工作條件變得惡劣，影響其轉化效率和使用壽命。因此，車用排氣催化轉化器的結構和性能必須與發動機的工作狀況相匹配。
    1.2　車用三元催化轉化器要求發動機的混合氣成分處于理論混合氣附近狹小的濃度范圍內，才能保證其三元凈化率。發動機的實際運轉工況變化很大，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整，不能保證三元催化轉化器的工作條件，因此，對排氣的凈化效果不理想。
    1.3　單純依靠催化轉化器不能完全解決排放問題。有的發動機的排放狀況太惡劣，催化轉化器也只能起到有限的作用，隨著排放法規的進一步嚴格，還需要采取其它措施來共同解決排放問題。
　　排氣催化轉化器要發揮有效的凈化作用，一方面必須保證其工作條件，另一方面催化轉化器本身必須與發動機的工作狀態相適應，根據具體機型的結構和特性與發動機應實現良好的匹配。
2　車用排氣催化轉化器與發動機的匹配方法
　　要實現催化轉化器與發動機之間的良好匹配，須著重從3個方面進行分析、設計和試驗。
    2.1　發動機的結構特點分析與排放狀況測試
　　有害排放物是在發動機內部生成的，排氣凈化方案必須結合發動機的結構以及工作過程的特點，并對發動機的實際排放狀況進行測試，從而針對具體機型確定凈化方案。
　　對于二行程摩托車發動機，由于其換氣過程的固有特點，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，同時考慮補充適量的二次空氣。
　　對于四行程發動機，按照燃油系統的特點，制定相應的凈化方案。電控燃油噴射的汽油機由于混合氣濃度控制較精確，能夠保證三元催化轉化器的工作條件，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化器的工作條件，必須采用合理的補氣方法，既保證發動機工作穩定，又保證排氣中合適的O2含量。
    2.2　催化轉化器結構要素的選擇
　　影響催化轉化器工作性能的主要結構要素是催化劑、載體和墊層。
　　催化劑的成分直接影響對發動機排氣中各種成分的轉化能力，車用排氣催化轉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，其具體配比應該適應不同的發動機的排放狀況。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，針對不同的發動機結構及其排放狀況，應該采用不同的催化劑配方及用量。
　　車用催化轉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、金屬蜂窩和熱管等結構形式。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，提高轉化效率。載體的結構形式和尺寸對排氣系統的影響較大(特別是二行程摩托車發動機)，在選擇載體時，必須考慮發動機的排量以及排放狀況，既保證足夠的轉化率，又盡量避免對發動機性能產生不良影響。
　　墊層是催化轉化器的一個重要結構環節，墊層有金屬網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要優越，是主要的應用墊層；而金屬網墊層由于具有較好的彈性，能夠適應載體幾何結構和尺寸的差異，在一定的范圍內也得到了應用。在載體結構及尺寸不規律的條件下，選用的墊層應該與催化轉化器總成的封裝方式相配合以保證其機械可靠性。
    2.3　催化轉化器的結構設計
　　好的催化轉化器結構并不一定就能獲得好的轉化效果，催化轉化器的結構形式與安裝方式對其工作性能有很大的影響。催化轉化器的結構必須與發動機排氣系統結構和排放狀況相適應。在結構設計中應該著重解決好以下幾個方面的關系。
    2.3.1　快速起燃與壽命
　　催化器放置在靠近發動機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。要解決好兩者的關系，必須從載體材料、載體尺寸及其位置配合等方面進行綜合考慮。
    2.3.2　二次空氣與補氣
　　發動機混合氣較濃時，排氣中的HC和CO排放量大，為提高其轉化率，有必要補充一定量的O2。補O2量的多少以及補O2方式影響催化轉化器的轉化率和壽命，需要與發動機的工況相匹配。
    2.3.3　凈化率與發動機性能
　　在選擇催化劑及載體時，一方面要考慮發動機的排量以及排放狀況，達到高凈化率的要求；另一方面，必須保證排氣系統的通暢，減小催化轉化器對發動機性能的影響。在催化轉化器結構設計時，要充分考慮整個排氣系統的結構，既保證總的催化劑質量，又使得載體布置合理。
    2.4　催化轉化器試驗匹配
　　車用排氣催化轉化器是否能滿足設計要求，必須進行系統地試驗。
    2.4.1　發動機臺架試驗
　　目的在于考核發動機全工況下工作時的性能狀況和催化轉化器的工作特性，檢查催化轉化器對發動機功率輸出和燃油消耗量等方面的影響，進行催化轉化器的結構調整和優化。
    2.4.2　道路試驗
　　目的在于測試汽車在行駛條件下催化轉化器對整車最高車速、加速能力以及噪聲等方面的影響。整車動力性試驗也可在底盤測功機上進行。
    2.4.3　認證試驗
　　按工況法試驗標準進行汽車的排放測試。
    2.4.4　可靠性試驗
　　通過快速老化試驗、振動與冷熱沖擊試驗等考核催化轉化器的機械可靠性、工作耐久性和壽命。
3　車用排氣催化轉化器的開發
　　結合NF125摩托車排氣催化轉化器的開發實踐，介紹催化轉化器與發動機的匹配過程和效果。
　　由于摩托車的排氣系統具有裝飾功能，在結構設計中，將凈化功能與消聲功能復合在一起，按凈化消聲器的思路進行結構設計。
　　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定性，載體具有較高的機械強度和較小的熱容量和熱膨脹系數，以利于保證低溫下的轉化率。選擇金屬網狀載體除了能滿足上述要求外，還具有流動阻力小，對排氣系統的影響小，能按要求設計成特殊的形狀布置在排氣系統中；選擇稀土—貴金屬—過渡金屬氧化物的高效復合型催化劑，既能避免稀土催化劑的某些缺陷，又具有貴金屬的優良特性，適合于排放狀況較為惡劣的二行程汽油機。
　　摩托車排氣凈化消聲器的結構對發動機的性能影響較大，在結構設計時，要充分考慮到排氣系統的結構特點，利用排氣動態效應的模擬計算進行排氣系統的結構優化，確定載體的結構、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，放置在靠近發動機排氣口的位置；前級未凈化的部分由后級催化劑進一步凈化。這種方案既可以保證高的凈化率，又可以使發動機的功率下降小。另外，二行程汽油機的混合氣較濃，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。
　　按照上述原則設計的排氣凈化消聲器必須通過試驗進行進一步優化匹配。表1給出NF125摩托車排氣凈化消聲器對于發動機動力性和經濟性影響的臺架試驗結果。可以看出，安裝凈化消聲器后，發動機的動力性指標變化不明顯，其油耗率也基本保持了原機水平。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。通過道路試驗證實，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結果

	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	61.7

    4.1　車用排氣催化轉化器要發揮有效的凈化作用，其結構和特性必須與發動機實現良好的匹配。

    4.2　車用排氣催化轉化器與發動機之間的匹配，要以發動機的結構和排放狀況為基礎，進行催化劑和載體的選擇、催化轉化器結構形式和安裝方式的設計以及發動機動力性與排氣凈化效果的綜合試驗匹配。

    4.3　NF125摩托車排氣凈化消聲器的開發實踐證實了催化轉化器與發動機的匹配方法和效果。