目前汽车及发动机排放控制研究的主要内容

zjw139

随着排放法规的日益严格及开发、应用的清洁燃料日益增多，促使排放控制技术研究范围扩展、深度加深。

　　1 排放系统及三元催化器

　　为了使汽车发动机的排放达到较低的法规限值要求，仅仅*改善燃料品质及发动机工作过程是不能实现的。需要通过排气后处理系统才能达到目的。目前国内大部分汽车还没有排气后处理装置，然而根据国外汽车排放控制技术发展的趋势，汽车不仅需要装后处理器，而且要设计控制排放的整个系统，成为发动机供油、冷却、润滑等系统之外的一个新系统，简称为排放系统。国外汽车发动机研究及生产部门正投入更多的人力及财力，从事有关排放系统的基础研究、应用技术研究及产品设计开发。

　　1.1 排放系统

　　发动机排放系统包括排气管、后处理装置及消声器等在内。

　　1.1.1 设计排放系统的必要性及其功能

　　将发动机排气管、后处理装置及消声器等作为一个单独的系统设计，除了因为降低排放日益显得重要外，还有下列原因：

　　(1) 低排放、低油耗及高功率是现代车用发动机追求的主要目标，然而有些发动机参数的控制及措施对实现这三大目标是矛盾的，例如混合气空燃比的控制，为了实现低油耗及低CO2排放，需要采用稀混合气燃料，而当前使用的三元催化剂并不能适应稀混合气的燃烧。如果将三者统一作为单独的系统处理，就能较好地解决矛盾。

　　(2) 现有排气系统除了要考虑低排放外，还要考虑降低噪声及排气热量的利用，因此要将三者统一起来，纳入一个新的系统——排放系统。

　　(3) 至今无论发动机排气系统或者后处理装置的方案及型式较多，随着公司及发动机系列不同而不同。同时现代汽车使用燃料的种类又增多，使用的燃料不同，排放物的组成及降低排放物的对策也不同，很有必要将排放问题从一个系统角度考虑，逐步实现规范化、标准化或者模块化。

　　(4)现代电子技术及发动机可变技术的发展，有可能将原来发动机排气管路的设计与降低排放结合起来，成为一个单独的排放系统进行设计。

　　1.1.2 排气后处理所要研究解决的主要问题

　　研究和设计汽车发动机排放系统必须要了解存在的问题。目前车用发动机排气后处理存在的主要问题如下：

　　(1)“点火”温度较高

　　催化剂都要在较高的温度下才能对排放物起催化作用，即所谓“点火”温度较高。因此在发动机冷启动及低温下工作时，排气温度低，HC及CO排放高，而催化剂却不能对它们起催化、转化的作用。

　　(2)不能同时适应理论空燃比及稀混合气的需要

　　一般三元催化剂适合在发动机使用理论空燃比混合气时，同时对HC、CO及NOx起催化转化作用。而在使用稀混合气时，排气中氧含量多对NOx的还原作用就低。

　　(3)微粒过滤器工作一段时间后，其中微粒增多，使排气阻力增加，需要将其中微粒烧掉并排除掉，尽管已有多种技术可使微粒过滤器的功能恢复，但是仍需研究出一种更简单的办法。

　　(4)贵重金属价格高

　　催化剂中需要有铂(Pt)、钯(Pd)及铑(Rh)等贵金属，这些金属资源不丰富，价格高。需要寻求资源丰富、价格低的金属作催化剂用。

　　(5)催化剂被毒害的问题

　　催化剂在高温作用下长期使用容易老化，转化效率降低。另外更重要的问题是受排气中硫化物、铅等毒害，显著损坏催化效率。此外还会产生臭味大的硫化氢。

　　1.1.3 排放系统设计及催化剂发展的趋势

　　根据未来排放法规的要求，目前排气后处理的有关技术、排放系统设计及催化剂的发展将着重如下几个方面：

　　(1)重视催化机理的基础研究

　　过去较长的时间内，提高催化剂的效率主要*选择、配对及不同质量比例等进行试验、筛选。今后将要进行更多的基础研究及微观分析。催化剂现代理论是以“活性部位”学说为基础。活性部位就是指催化材料晶体上的点。在这些点上，催化剂促使排气中一些成分，被吸附在上面进行化学反应。

　　现代排放系统的设计与研究人员正在着手研究催化剂不同反应能力模式的基本原因，了解在不同氧化物体系中，专门起催化作用的活性部位的本质。从而能通过这些微观的基础研究，形成一个专门的催化反应学说领域，将研究成果应用到未来排放催化系统的设计中，获得更高的催化反应效率。

　　(2)加强排放系统的空气动力学研究

　　过去对发动机缸内气体流动研究得较多。现代及未来将致力于排放系统气体动力学的研究，该研究包括以下三方面内容：

　　一是催化反应器中排气流动的研究、二是排气动能及可变技术的研究、三是降低排气阻力及噪声的研究。这三个方面的研究要达到多种目的，会有一些干扰的矛盾产生，必要时如何采取折衷方案，妥善解决这些矛盾，以便使综合效果最佳，这也是研发工作者的主要任务之一。

　　(3)单独进行排放系统所需空燃比的调节

　　提高发动机性能，降低油耗所需要的空燃比与提高催化效率所需要的空燃比是不一样的，存在一些矛盾。未来发展的趋势是采取一些措施，调节排放催化系统中的“空燃比”，或者说调节其含氧量，这样使发动机本身及排放系统空燃比的调节分开，使两者都能得到最大的效益。

　　(4)研究适合稀燃需要的催化剂

　　发动机采用稀混合气快速燃烧技术日益受到重视，采用燃油直接喷入气缸及稀燃的技术，可以使发动机兼备高比功率及低油耗的优点。然而需要开发适应稀燃发动机的新型催化剂，以便能在含氧量较多的排气中，也能使NOx还原转化。

　　(5)研究开发适合清洁燃料发动机的排放系统

　　使用醇燃料、气体燃料及灵活燃料的汽车排气中的成分与汽油、柴油相比，有一定变化，增加了未燃醇、甲烷、甲醛及乙醛等，这些排放物同样污染大气环境，影响人类健康及生态的平衡。现有催化剂不能很好的抑制、消除这些排放物。需要根据这些排放物生成的特点、氧化转化机理及条件，研究新的催化剂及排放系统。

　　1.2 先进的消声器

　　消声器是排放系统中重要部件之一，占据一定的空间。排量为2L的发动机，消声器的容积约20～25L，重20～35kg。

　　消声器性能的好坏，既影响乘车的舒适性、环境和安静，又影响汽车的动力性能及排放。因此需要将消声器纳入排放系统一起考虑。

　　传统的消声器大部分是消极的，使排气声波经过一些障碍衰减一部分，现代汽车消声器已经成为可变的半主动式的产品，目前正在研究开发主动控制使噪声降低得更多的，同时更有助于降低汽车排放的新一代消声器。

　　半主动式消声器只能响应发动机的一定的工作条件，如根据发动机的转速、负荷或者排气背压而改变其工作状态。在主动式消声系统中，至少有一个传感器将排气噪声的变化反馈给微机控制单元，然后优化噪声及排放性能。因此需要较复杂的控制系统，以实现：(1)提高乘车的舒适性，达到更严的噪声标准；(2)简化消声器内部结构，降低其体积及质量；(3)使消声器成为标准部件，适合一定功率范围内的不同发动机的需要，同时有助于降低排放，又不影响发动机的动力性能。

　　1.3 排气后处理

　　车用发动机排气后处理主要包括两方面内容：排气催化反应及去除微粒，将有害排放物减到最低程度。

　　1.3.1 基本的化学反应

　　排气催化反应是通过催化反应器中的催化剂的作用，加速排气中有害物质向无害物质的转化。例如使HC及CO氧化成H2O及CO2；加速NOx还原成N2、N2O、NH3及H2O等。催化剂的作用是降低反应温度，加快转化速率。

　　1.3.2 基本的后处理方案

　　在汽油机上应用催化反应器的技术方案有以下4种：(1)仅采用两级催化反应器，CO及HC被转化成无害的CO2及H2O；(2)采用两级催化反应器，第一级是采用还原型催化剂使NOx还原，而第二级是引入二次空气，并用氧化型催化剂，使CO及HC氧化燃烧；(3)采用排气再循环及氧化型催化反应器，排气再循环用于降低排气的NOx含量，而氧化型催化反应器则使CO及HC转化成CO2及H2O；(4)采用三元催化反应器方案，在同一反应器内，NOx、HC和CO同时都转化为无害气体。

　　在柴油机上使用催化反应器时，应考虑如下几点：(1)柴油机的过量空气系数较大，不需二次空气，就有足够氧气供CO及HC氧化；(2)柴油机排气的HC及CO含量较汽油机的低，不易维持还原反应的温度，而排气的氧化气氛强，故难以用还原催化法去除NOx；(3)柴油机没有四乙基铅添加剂，因此排气不会使催化剂发生铅中毒现象，但排气的微粒及焦油较多，附在催化剂上会影响其活性。柴油机需用具有催化反应剂的微粒过滤器。

　　1.4 三元催化反应器

　　三元催化反应器是用铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、铈(Ce)及稀土金属等中的某几种作催化剂，在排气经过反应器的很短时间内，将其中HC、CO、NOx同时进行催化反应，使它们转化成CO2、N2、NH3及N2O等排入大气中。

　　三元催化反应器通常由圆筒形外壳、上面涂覆着催化剂的载体等构成。载体一般有γ-A12O3小球、堇青石制成的整体蜂窝状多孔陶瓷及金属薄片制成的载体等3种。