车用排气催化转化器与发动机的匹配

摘要:
    阐述了车用催化转化器与发动机的匹配要求，分析了催化剂成分和用量、催化器的结构和安装位置等因素对汽车发动机综合性能的影响，介绍了一些具体的匹配方法和车用催化转化器的开发实践。
关键词：　
    催化转化器　排放控制　试验匹配
　　催化转化器作为降低机动车排气污染的有效装置之一，正得到越来越广泛的应用。国内近期推出了各种系列不同型号的排气催化转化器产品，它们能减少机动车的污染物排放量，对治理汽车排气污染发挥了一定的作用。
　　车用催化转化器必须在具有较高转化效率的同时，保持汽车正常的运转状态，即在安装排气催化转化器前后汽车的动力性、经济性和噪声水平等指标不能发生显著的变化，催化转化器可靠性和转化效率必须达到一定的要求。所有这些都要求排气催化转化器与发动机之间实现良好的匹配。
1　车用排气催化转化器对发动机性能及排放的影响
　　车用排气催化转化器的作用是将发动机排出的废气中的HC、CO和NOx等有害成分在催化剂的作用下转化为CO2、H2O和N2等无害成分。安装排气催化转化器对发动机性能及排放的影响主要表现在3个方面。
    1.1　由于催化转化器安装在发动机的排气系统中，它对发动机的排气过程，甚至是整个工作过程产生影响，对二行程发动机的影响尤为明显。在有些情况下使发动机的输出功率下降，燃油消耗率增大，排放状况变得更加恶劣。整车性能变差的同时，催化传化器的工作条件变得恶劣，影响其转化效率和使用寿命。因此，车用排气催化转化器的结构和性能必须与发动机的工作状况相匹配。
    1.2　车用三元催化转化器要求发动机的混合气成分处于理论混合气附近狭小的浓度范围内，才能保证其三元净化率。发动机的实际运转工况变化很大，不可能保证其始终处于理论混合气浓度，例如在冷启动和暖机等工况下就必须使用浓混合气。另外，化油器式汽车的混合气浓度变化范围较大，难于保证混合气的精确调整，不能保证三元催化转化器的工作条件，因此，对排气的净化效果不理想。
    1.3　单纯依靠催化转化器不能完全解决排放问题。有的发动机的排放状况太恶劣，催化转化器也只能起到有限的作用，随着排放法规的进一步严格，还需要采取其它措施来共同解决排放问题。
　　排气催化转化器要发挥有效的净化作用，一方面必须保证其工作条件，另一方面催化转化器本身必须与发动机的工作状态相适应，根据具体机型的结构和特性与发动机应实现良好的匹配。
2　车用排气催化转化器与发动机的匹配方法
　　要实现催化转化器与发动机之间的良好匹配，须着重从3个方面进行分析、设计和试验。
    2.1　发动机的结构特点分析与排放状况测试
　　有害排放物是在发动机内部生成的，排气净化方案必须结合发动机的结构以及工作过程的特点，并对发动机的实际排放状况进行测试，从而针对具体机型确定净化方案。
　　对于二行程摩托车发动机，由于其换气过程的固有特点，排气中的HC和CO的成分较高，必须采用以氧化为主的净化方案，同时考虑补充适量的二次空气。
　　对于四行程发动机，按照燃油系统的特点，制定相应的净化方案。电控燃油喷射的汽油机由于混合气浓度控制较精确，能够保证三元催化转化器的工作条件，因此，采用电控燃油喷射＋三元净化；化油器式汽油机由于混合气浓度范围较大，而且在许多工况下混合气偏浓，为了保证三元催化转化器的工作条件，必须采用合理的补气方法，既保证发动机工作稳定，又保证排气中合适的O2含量。
    2.2　催化转化器结构要素的选择
　　影响催化转化器工作性能的主要结构要素是催化剂、载体和垫层。
　　催化剂的成分直接影响对发动机排气中各种成分的转化能力，车用排气催化转化器所采用的催化剂主要有稀土、一般金属、贵金属以及由不同成分组成的复合型材料等，可以配比成氧化型、还原型或氧化还原型，其具体配比应该适应不同的发动机的排放状况。催化剂的配方还影响其起燃特性、抗中毒能力以及工作寿命等。因此，针对不同的发动机结构及其排放状况，应该采用不同的催化剂配方及用量。
　　车用催化转化器所采用的载体主要有陶瓷载体与金属载体两大类，其中金属载体还可分为金属丝网、金属蜂窝和热管等结构形式。金属载体热容小，温度上升快，有利于使排气快速起燃，但其保温性能不如陶瓷载体；陶瓷载体的热容大，保温性能好，一旦起燃能保持高的工作温度，提高转化效率。载体的结构形式和尺寸对排气系统的影响较大(特别是二行程摩托车发动机)，在选择载体时，必须考虑发动机的排量以及排放状况，既保证足够的转化率，又尽量避免对发动机性能产生不良影响。
　　垫层是催化转化器的一个重要结构环节，垫层有金属网和陶瓷密封垫两种形式。陶瓷密封垫在隔热性、抗冲击性、密封性和高低温下对载体的固定力等方面比金属网要优越，是主要的应用垫层；而金属网垫层由于具有较好的弹性，能够适应载体几何结构和尺寸的差异，在一定的范围内也得到了应用。在载体结构及尺寸不规律的条件下，选用的垫层应该与催化转化器总成的封装方式相配合以保证其机械可靠性。
    2.3　催化转化器的结构设计
　　好的催化转化器结构并不一定就能获得好的转化效果，催化转化器的结构形式与安装方式对其工作性能有很大的影响。催化转化器的结构必须与发动机排气系统结构和排放状况相适应。在结构设计中应该着重解决好以下几个方面的关系。
    2.3.1　快速起燃与寿命
　　催化器放置在靠近发动机的位置有助于保证快速起燃，但催化器的工作温度较高，会影响其使用寿命。要解决好两者的关系，必须从载体材料、载体尺寸及其位置配合等方面进行综合考虑。
    2.3.2　二次空气与补气
　　发动机混合气较浓时，排气中的HC和CO排放量大，为提高其转化率，有必要补充一定量的O2。补O2量的多少以及补O2方式影响催化转化器的转化率和寿命，需要与发动机的工况相匹配。
    2.3.3　净化率与发动机性能
　　在选择催化剂及载体时，一方面要考虑发动机的排量以及排放状况，达到高净化率的要求；另一方面，必须保证排气系统的通畅，减小催化转化器对发动机性能的影响。在催化转化器结构设计时，要充分考虑整个排气系统的结构，既保证总的催化剂质量，又使得载体布置合理。
    2.4　催化转化器试验匹配
　　车用排气催化转化器是否能满足设计要求，必须进行系统地试验。
    2.4.1　发动机台架试验
　　目的在于考核发动机全工况下工作时的性能状况和催化转化器的工作特性，检查催化转化器对发动机功率输出和燃油消耗量等方面的影响，进行催化转化器的结构调整和优化。
    2.4.2　道路试验
　　目的在于测试汽车在行驶条件下催化转化器对整车最高车速、加速能力以及噪声等方面的影响。整车动力性试验也可在底盘测功机上进行。
    2.4.3　认证试验
　　按工况法试验标准进行汽车的排放测试。
    2.4.4　可靠性试验
　　通过快速老化试验、振动与冷热冲击试验等考核催化转化器的机械可靠性、工作耐久性和寿命。
3　车用排气催化转化器的开发
　　结合NF125摩托车排气催化转化器的开发实践，介绍催化转化器与发动机的匹配过程和效果。
　　由于摩托车的排气系统具有装饰功能，在结构设计中，将净化功能与消声功能复合在一起，按净化消声器的思路进行结构设计。
　　由于摩托车的排气温度较高，受高温和高速废气的不断冲击，工作条件较恶劣，要求催化剂具有好的热稳定性，载体具有较高的机械强度和较小的热容量和热膨胀系数，以利于保证低温下的转化率。选择金属网状载体除了能满足上述要求外，还具有流动阻力小，对排气系统的影响小，能按要求设计成特殊的形状布置在排气系统中；选择稀土—贵金属—过渡金属氧化物的高效复合型催化剂，既能避免稀土催化剂的某些缺陷，又具有贵金属的优良特性，适合于排放状况较为恶劣的二行程汽油机。
　　摩托车排气净化消声器的结构对发动机的性能影响较大，在结构设计时，要充分考虑到排气系统的结构特点，利用排气动态效应的模拟计算进行排气系统的结构优化，确定载体的结构、尺寸和安装位置。按照“分级净化、逐级推动”的思想，将催化剂载体分为两级，前级催化剂载体主要用于起燃，放置在靠近发动机排气口的位置；前级未净化的部分由后级催化剂进一步净化。这种方案既可以保证高的净化率，又可以使发动机的功率下降小。另外，二行程汽油机的混合气较浓，排气中HC和CO的含量较高，O2的含量较低，为了保证HC和CO的净化率，在排气管中引入二次空气。
　　按照上述原则设计的排气净化消声器必须通过试验进行进一步优化匹配。表1给出NF125摩托车排气净化消声器对于发动机动力性和经济性影响的台架试验结果。可以看出，安装净化消声器后，发动机的动力性指标变化不明显，其油耗率也基本保持了原机水平。表2给出了NF125摩托车排气净化消声器的净化效果。可以看出，该净化消声器具有较好的怠速净化效果。通过道路试验证实，装备有该净化消声器的NF125摩托车在行驶6 000 km以后，HC和CO仍能保持较高的净化率。

 表1　NF125摩托车安装排气净化消声器前后外特性试验结果

表2　NF125摩托车安装排气净化消声器前后怠速排放物测试结果

    4.1　车用排气催化转化器要发挥有效的净化作用，其结构和特性必须与发动机实现良好的匹配。

    4.2　车用排气催化转化器与发动机之间的匹配，要以发动机的结构和排放状况为基础，进行催化剂和载体的选择、催化转化器结构形式和安装方式的设计以及发动机动力性与排气净化效果的综合试验匹配。

    4.3　NF125摩托车排气净化消声器的开发实践证实了催化转化器与发动机的匹配方法和效果。