汽车论文|车用排气催化转化器与发动机的匹配

【关键词】催化转化器　排放控制　试验匹配

【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。

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。

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