1、目前汽车及发动机排放控制研究的主要内容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，仅仅靠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
2、 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
3、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
4、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
5、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靠选择、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。
6、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
7、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
8、，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 2025L，重 2035kg。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
9、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
10、，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
11、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
12、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 -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。2 催化剂及催化反应技术通过催化反应降
13、低汽车排放的核心是研制高性能的催化剂。全面提高催化反应器的性能，还需促进载体及控制空燃比等技术的发展，提高催化剂低温活性及高温耐热性，降低催化剂成本。2.1 催化剂及载体的发展2.1.1 催化剂早期主要使用铂(Pt)作催化剂，而后使用铂/铑(Pt/Rh)，因为铂贵而铑的资源有限，现代除了继续使用铂/铑催化剂外，正研究和使用下列催化剂：(1)仅用钯(Pd)作催化剂；(2) 铂/钯/铑三金属催化剂；(3) 铂/钯催化剂；(4)钯/铑催化剂；(5)稀土金属催化剂。各种催化剂各有优、缺点，都还不能具备十分完美的性能，仍在研究发展中。目前，比较多的欧洲汽车厂家使用铂/铑或钯/ 铑作催化剂。钯具有良好的使
14、 HC 氧化的性能，但是对燃油中的硫中毒的现象较敏感，从而使 NOx 的转化性能变差。2.1.2 催化剂的载体早期是使用颗粒状载体，但由于机械强度较差及排气流动阻力大等原因已更多地由堇青石制成的整体蜂窝状多孔陶瓷载体所代替。主要研究改进的方向是使其材质致密化，减少壁厚，提高能负载催化剂的表面积与体积的比值。此外减少其热容量，提高热传导性及高温耐热性也是提高催化剂低温性能及使用寿命所必需的。现代除了堇青石制的陶瓷载体外，还有用 Fe-Cr-Al 系等合金制造的金属载体。它的特点是：壁薄、机械强度及耐久性好、 、排气流阻小、不会影响发动机的功率、热传导性好、热容量小。因此能够在发动机启动时较快地达
15、到催化剂的点火温度，提高低温工况下催化剂的转化效率。金属载体的缺点是制造工艺要求及成本高，目前在高性能、高级轿车上，使用金属载体催化反应器的较多。2.2 稀燃发动机用的新概念三元催化剂为了降低发动机 CO2 排放，稀燃技术得到更多的应用，同时降低比油耗。然而通常在理论空燃比混合气工况下，效率较高的三元催化剂，在使用稀混合气燃烧时，因排气中氧含量多，不能使 NOX 很好地还原转化，因此需要研究开发适应稀燃发动机需要的新型催化剂。日本丰田公司开发了一种新概念的三元催化剂。它可以在发动机用稀混合气工作时，将 NOX 储存起来。然后在汽车加速等工况需要增加功率使用理论空燃比混合气时，NOX释放出来进行
16、还原转化。丰田公司从 1994 年将这种新型催化剂及稀燃系统用于排量为1.6L 及 1.8L 发动机上，效果甚佳：发动机台架试验结果表明，新的催化剂在排气温度为 300450的范围内转化 NOX的效率可达 90%，在耐久试验后，转化效率可达 60%。催化器要布置在汽车底板的下面，保持排气温度在 250450的范围内。汽车用稀混合气及新催化剂与常规的以理论混合气工作的发动机相比，燃油经济性提高了 8%。不过，汽车如果按 FTP-75 循环模式试验，催化剂转化 HC 及 NOX 的效率尚不很理想，仍需进一步改善。2.3 采用两个催化反应器采用两个催化反应器，其中一个体积较小，催化剂载体的体积约占两
17、个反应器载体总体积的 1/4，直接安装在发动机各缸排气支管汇总的总管出口法兰上。另一个反应器较大，安装在汽车底板的下面，即通常汽车只装一个三元催化器安装的部位。采用两个反应器的目的是让排气由气缸排出后，立即进入反应器，保持较高的温度，提高催化转化效率。国外在汽油喷射发动机排量为 2.5L、总质量为 1420kg 的客车上进行了装一个及两个反应器的对比试验。使用未加热的氧传感器，启动暖机时的平均混合气空燃比为 14.6，其它工况时为 14.8，直接装在缸盖排气总管法兰上反应器载体的体积为 0.5L，而装在离总管150cm 的地板下的反应器的体积为 1.5L。发动机冷启动后，经过约 30s，排气总
18、管处的反应器排气温度达到 600，而地板下反应器的温度只有 200。因此排气总管处反应器转化效率高。如果将催化反应器和排气总管设计成一个整体，也许会更好些。装在排气总管上的催化反应器可使 HC 的转化效率达 90%以上。而如果仅用较大的地板下的反应器，HC 的转化效率只有 89%。两者联合在一起时 HC 转化的总效率达96%97%。装在汽车底板下面排气管上的催化反应器对提高 CO 及 NOX 的转化率的作用较小。如果同时采用两层壁的隔热排气管、硫含量低的燃料以及喷入二次空气等措施，那么降低排放物的效果会更好些。3 提高发动机冷启动、低温工况排气净化效果的技术汽车发动机在启动、预热及低温工况下运
19、转时，由于缸内温度低、涡流强度弱、混合气品质不好、 “缺火” 等因素，燃烧不完善，排气中未燃烃 HC 及 CO 含量高。比较有代表性的汽车 HC 总排放量的 60% 80%是在冷启动工况排出的。在上述冷启动等低温工况时，排气温度低于 200300，催化剂温度尚未高于“点火”温度，转化效率低，只有少量的 HC 及 CO 能转化成无害物质。一些国家排放法规及美国加州低排放及超低排放法规是要根据 FTP 试验程序进行的，该程序包括了冷启动工况在内。要达到排放法规的关键在于如何提高发动机启动、低温工况排气净化的效果。前面提到的低点火温度催化剂及采用两个催化反应器，并不能使冷启动工况时高的HC 排放进行很好地转化。目前，研究人员正在开发以“蓄热器、收集冷启动时未燃烃的技术以及电加热催化反应器”等为代表的净化技术，以满足美国加州超低排放法规及欧法规的要求。
