淺析內(nèi)燃機(jī)車尾氣催化器的技術(shù)可行性

【摘 要】 在環(huán)境保護(hù)日益重要的今天，作為鐵路運(yùn)輸重要組成部分的內(nèi)燃機(jī)車卻沒有得到技術(shù)上的革新，大功率柴油機(jī)的廢氣排放成為鐵路系統(tǒng)重要的污染源之一。利用催化原理使柴油機(jī)尾氣中的有害物質(zhì)降低是解決尾氣污染的可行之道。本文首先介紹了催化器的原理及應(yīng)用，隨后又對其檢測和維護(hù)進(jìn)行闡述。

【關(guān)鍵詞】 尾氣催化器 ?氧化還原反應(yīng) ?鐵路內(nèi)燃機(jī)車

近年來鐵路通過大規(guī)模的電氣化改造已經(jīng)使電力機(jī)車成為客貨運(yùn)的主力，鐵路機(jī)車的環(huán)保狀況也隨之大為改善。然而作為鐵路運(yùn)輸重要組成部分的內(nèi)燃機(jī)車卻長期沒有得到技術(shù)上的革新，大功率柴油機(jī)的廢氣排放成為鐵路系統(tǒng)重要的污染源之一。本文就尾氣催化器在內(nèi)燃機(jī)車上應(yīng)用的可行性進(jìn)行簡要分析。

1 催化器原理及應(yīng)用

汽油機(jī)上普遍使用三元催化器進(jìn)行尾氣處理，利用催化劑將汽油機(jī)尾氣中的CO2，HC和NOx等有害氣體通過氧化和還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)榈秃驘o害的CO2，H2O，N2。

氧化反應(yīng)：CO+O2CO2 ?還原反應(yīng)：CO+NOCO2+N2

H2+O2H2O ? ? ? ? ? ? ? HC+NOCO2+N2+H2O

HC+O2H2O+CO2 ? ? ?H2+NOH2O+N2

三元催化器的廣泛使用使汽車排氣質(zhì)量大為提高。以此設(shè)想，借鑒三元催化器的思路，結(jié)合柴油機(jī)尾氣特性，針對柴油機(jī)的尾氣催化使其中的有害氣體和固體微粒得以降低。

2 柴油機(jī)尾氣特點(diǎn)及催化器設(shè)計

柴油機(jī)與汽油機(jī)相比有其自身的優(yōu)勢，它功率強(qiáng)勁，熱效率高，低速扭矩特性好，鐵路內(nèi)燃機(jī)車所使用的均是不同型號的柴油機(jī)。柴油機(jī)尾氣的主要組成部分為：H2O：2.6%，O2：15%，CO2：7.1%，N2：75.2%，以及微量顆粒物（PM），一氧化碳CO，碳?xì)浠衔颒C，氮氧化合物NOx，二氧化硫SO2，硫酸鹽，醛等.其中危害最大，也最難消除的污染物是顆粒物（PM）和氮氧化合物NOX，二者的形成與含量存在相互制約關(guān)系，PM是在高溫缺氧區(qū)產(chǎn)生的，NOX卻是在高溫富氧區(qū)產(chǎn)生的，努力減少其中一個，必然導(dǎo)致另一污染物的增加，所以僅僅通過單一的措施改變柴油機(jī)內(nèi)部的方式同時降低NOX和PM的排放是非常困難的。由于柴油機(jī)有諸多與汽油機(jī)不同之處，簡單的將針對汽油機(jī)的三元催化器安裝在柴油機(jī)上是不可取的，主要原因為以下三點(diǎn)：（1）柴油機(jī)廢氣中的氧含量很高，氧化氛圍中對NOx進(jìn)行還原反應(yīng)難度較大，對催化劑的還原性要求很高，普通催化劑難以勝任。（2）柴油機(jī)的排氣溫度較汽油機(jī)相比低很多，較低的排氣溫度不利于催化反應(yīng)的發(fā)生，使反應(yīng)不徹底，污染物消耗殘留過多。（3）柴油機(jī)排氣中含有大量顆粒物和SOx，這些物質(zhì)會附著在催化器的內(nèi)部，使催化劑中毒，進(jìn)而使催化器凈化效率降低甚至失效。

為使PM，CO，HC，NOX互為還原劑和氧化劑，在同一催化劑床層上除去。由蜂窩陶瓷負(fù)載催化劑構(gòu)成，使用DPF碳化硅對尾氣中的碳煙顆粒物進(jìn)行過濾，確保NOx的轉(zhuǎn)化率和HC，CO，碳煙顆粒物中的可溶有機(jī)成分的氧化效果。添加NOx觸媒吸附劑的Pt基并選擇還原催化劑NOX-SCR，利用催化還原反應(yīng)凈化NOx。將HC，CO和碳煙顆粒中的可溶有機(jī)成分在氧化的Pt基氧化觸媒催化劑上進(jìn)行氧化反應(yīng)，在此階段加強(qiáng)氧化效果可抑制SO2生成。在最佳使用狀態(tài)下理論上CO和HC可減少95%，PM可減少90%，NOx可減少60%。

3 催化器對柴油機(jī)的影響及其檢測方法

3.1 催化器對柴油機(jī)排氣的影響

在柴油機(jī)排氣系統(tǒng)上使用催化器會增加排氣阻力進(jìn)而影響柴油機(jī)的輸出功率，但正常工況下的柴油機(jī)留有較大的功率余量，且催化器的阻力損耗較柴油機(jī)的額定功率相比僅占非常小的比例，因而不會對柴油機(jī)的功率輸出產(chǎn)生大的影響。適度的排氣阻力對柴油機(jī)而言也是必要的。氣缸內(nèi)有燃燒室，活塞到上止點(diǎn)時并不能完全的將燃燒室的空間全部填充。也就意味著，僅靠活塞的運(yùn)動是無法將這部分空氣排出的，這就需要依靠新鮮混合氣的壓力將這些剩余的廢氣排出。但這個過程必然損失一部分新鮮空氣，要做到盡量損失較少的新鮮空氣而將廢氣盡可能的排盡，兩者的壓力差要控制的非常得當(dāng)。加裝催化器的柴油機(jī)排氣阻力有所增加，應(yīng)適度增加進(jìn)氣壓力以平衡排氣壓力，防止出現(xiàn)新鮮空氣與廢氣壓力差過小，導(dǎo)致廢氣殘存增多，使柴油燃燒不充分，功率下降。

3.2 催化器的檢測方法

催化器需要定期檢測，可采用背壓實驗檢測催化器的機(jī)械性能，加熱催化方式檢測轉(zhuǎn)化率。背壓實驗：在催化器的前端排氣管的適當(dāng)位置預(yù)留壓力檢測孔，連接壓力表，啟動柴油機(jī)后在怠速和額定轉(zhuǎn)速時分別測量排氣背壓，如果排氣背壓在限定值以內(nèi)則表明催化劑載體沒有被阻塞。如果排氣背壓超過柴油機(jī)所規(guī)定的限定值，則需將催化器后端的排氣系統(tǒng)拆掉，重復(fù)以上實驗，如果排氣背壓仍然超過限定值則說明催化器阻塞，如果排氣背壓下降到正常范圍，則說明后部排氣系統(tǒng)阻塞。加熱催化：催化器在正常工作狀態(tài)下，由于氧化反應(yīng)產(chǎn)生了大量的反應(yīng)熱，因此通過溫差對比來判斷催化器性能的好壞。啟動柴油機(jī)，預(yù)熱至正常工作溫度，將柴油機(jī)調(diào)整到額定轉(zhuǎn)速，用溫度計測量催化器進(jìn)口和出口的溫度。正常情況下，催化器出口溫度應(yīng)至少高于進(jìn)口溫度10-15%，如果出口溫度低于以上范圍則催化器轉(zhuǎn)化不正常，如果出口溫度過高于則說明廢氣中含有異常高濃度的CO和HC，需要對柴油機(jī)本身做進(jìn)一步的檢查。

4 催化器失效因素及注意事項

催化器在使用過程中要注意危害因素的存在。溫度過高，慢性中毒，表面積碳，排氣惡化是主要的失效原因。催化器工作需要一定的溫度，但當(dāng)排氣溫度過高甚至超過1000℃時會導(dǎo)致內(nèi)涂層的催化劑燒結(jié)壞死，所以必須注意控制造成排氣溫度過高的各種因素，如點(diǎn)火時間過遲或點(diǎn)火次序錯亂，斷火等，這都會使未燃盡的混合氣進(jìn)入催化器，造成排氣溫度過高。催化劑對硫，鉛，磷.鋅等元素非常敏感，硫和鉛來自于燃油，磷和鋅來自于潤滑油，這些物質(zhì)及其燃燒形成的氧化物容易吸附在催化劑的表面，從而失去催化作用，即所謂的“中毒”現(xiàn)象。當(dāng)柴油機(jī)長期處在低溫狀態(tài)時，催化器無法啟動，柴油機(jī)排出的碳煙會附著在催化劑表面造成無法與CO和HC接觸，甚至堵塞孔隙，影響轉(zhuǎn)化率。催化器對污染物的轉(zhuǎn)化有一定的能力限度，當(dāng)混合氣偏濃時會超過催化劑的能力范圍，且由于混合氣中有大量HC和CO，會在催化器內(nèi)產(chǎn)生過度的氧化反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量損壞催化器。在使用時應(yīng)當(dāng)盡量避免以下幾點(diǎn)：（1）不要使用含鉛量大的燃油;（2）不要長期怠速運(yùn)轉(zhuǎn);（3）點(diǎn)火時間不要延遲;（4）不要在混合氣偏濃時持續(xù)使用。

5 結(jié)語

在鐵路內(nèi)燃機(jī)車上應(yīng)用尾氣催化器，借助其催化作用可使柴油機(jī)尾氣內(nèi)的害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為低害或無害物質(zhì)再進(jìn)行排放，提高柴油機(jī)的環(huán)保性能。同時，由于柴油機(jī)尾氣的復(fù)雜性還需要更進(jìn)一步的改進(jìn)催化器的設(shè)計才能高效，可靠的大規(guī)模普及應(yīng)用。

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作者簡介：李科（1991—），男，漢族，山東濟(jì)南人，2014年畢業(yè)于山東科技大學(xué)，電氣工程及其自動化專業(yè)，2014年就職于濟(jì)南機(jī)務(wù)段，主要從

事鐵路機(jī)車機(jī)務(wù)檢修方面的工作。