等離子四效汽車尾氣凈化器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王迎輝，顧 琪，盧振生，喬 躍，倪艷姝，何自航，撒曉霞

(綏化學(xué)院， 黑龍江 綏化 152061)

隨著我國機(jī)動車保有量的日益增加，汽油車在未來發(fā)展中將占有較高比例，其排放的尾氣污染物對環(huán)境造成極大危害[1]。汽油車排放的污染物主要由PM、NOx、HC和CO組成。目前，三元催化裝置可通過氧化和還原作用將汽車排放的CO、HC和NOx轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒無害的N2、H2O和CO2[2]。雖然三元催化器應(yīng)用比較廣泛，但其對汽油發(fā)動機(jī)所排放碳煙顆粒(particulate matter,PM)凈化效果并不明顯，并且PM容易導(dǎo)致三元催化器的堵塞，從而使排氣背壓升高、排氣管溫度急劇上升以及催化器失效[3]。為滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，本文結(jié)合低溫等離子體(non-thermal plasma，NTP)和鈣鈦礦型催化劑等相關(guān)理論，設(shè)計(jì)了等離子四效汽車尾氣凈化器，可實(shí)現(xiàn)PM、NOx、HC、CO的同時凈化，具有使用壽命長、排氣背壓低、凈化效率高以及使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 等離子四效汽車尾氣凈化器的設(shè)計(jì)

等離子四效汽車尾氣凈化器的設(shè)計(jì)原則是在排氣背壓不超過限定值的前提下，使汽車尾氣中PM、NOx、HC、CO實(shí)現(xiàn)同時凈化，其設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括凈化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、載體設(shè)計(jì)以及催化劑設(shè)計(jì)。

1.1 凈化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的等離子四效汽車尾氣凈化器主要由殼體、催化劑、催化劑載體、載體支承環(huán)和中心電極等構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中殼體作為等離子發(fā)生器的外電極，催化劑載體作為放電介質(zhì)，載體中環(huán)繞多根導(dǎo)線作為中心電極，以上三者構(gòu)成介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器，中心電極通過導(dǎo)線連接催化器殼體外的高壓電源，其中殼體由左右兩殼體通過密封法蘭盤連接，保證了凈化器的密封性。

1.進(jìn)氣口;2.殼體;3.絕緣塞;4.電極導(dǎo)線;5.導(dǎo)流隔板;6.密封法蘭盤;7.中心電極;8.排氣口;9.載體支承環(huán);10.螺栓;11.催化劑載體

圖1 等離子四效汽車尾氣凈化器結(jié)構(gòu)

1.2 載體的設(shè)計(jì)

載體作為凈化反應(yīng)的基體和放電介質(zhì)，必須具有孔壁薄、表面積大、耐沖擊和耐高溫等特點(diǎn)[4]。目前，作為催化劑載體的材料主要有顆粒狀載體、蜂窩金屬載體和多孔蜂窩陶瓷載體，其性能特點(diǎn)如表1所示，其中金屬載體因其自身特性，無法作為鈣鈦礦型催化劑的載體[5]，綜合幾種載體的優(yōu)缺點(diǎn)，本文選用底面直徑110 mm、高100 mm、孔型為方孔、方孔平均內(nèi)徑400目的多孔蜂窩陶瓷載體。

表1 幾種載體的比較

1.3 催化劑的設(shè)計(jì)

LaCoO3鈣鈦礦型催化劑的催化反應(yīng)可分為表面催化過程和體相內(nèi)的催化反應(yīng)，該催化劑容易脫附氧從而形成氧空位和表面帶負(fù)電的活性位，使其不僅能有效提高PM、CO和HC的燃燒性能，降低碳煙顆粒物的起燃溫度，而且可以將NOx還原為N2，其凈化NOx主要依靠LaCoO3氧化物中的氧空位來打開N-O化學(xué)鍵,其催化還原NO的機(jī)理如式(1)～(4)所示[6]。

(1)

(2)

(3)

(4)

對于主要成分是碳煙的PM來說，在尾氣有殘余O2的條件下氧化生成CO；在氧氣不足的條件下，可以利用打開N-O的活性氧進(jìn)行二次氧化，反應(yīng)過程如式(5)所示[7-8]:

2C+2NO2→2CO2+N2

(5)

尾氣中的CO與HC的氧化過程如式(6)、(7)所示[9]：

(6)

(7)

在鈣鈦礦型催化劑 LaCoO3結(jié)構(gòu)中，使用離子半徑較大的K+取代A位較小離子半徑的La3+使得晶格氧膨脹變形，使氧空位增加，這樣B位離子將產(chǎn)生Co的變價，使Co以+3、+4價態(tài)存在，新的B位金屬M(fèi)n的摻雜取代，也可以產(chǎn)生摻雜的Mn的變價，從而形成更高氧化性能的價態(tài)，同時使得鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)中形成Mn-O鍵或Co-O鍵，轉(zhuǎn)化后的催化劑為La0.7K0.3Co0.6Mn0.4O3，可進(jìn)一步提高催化劑的氧化還原性能，其轉(zhuǎn)化過程如圖2所示[10-11]；當(dāng)將催化劑放置于等離子體區(qū)內(nèi)時，將使凈化器放電能力增強(qiáng)[12]，并且使催化劑顆粒物之間的接觸點(diǎn)的局部電場增強(qiáng)，從而提高電子能量、催化劑的吸附性和電子空穴對的形成，誘導(dǎo)一系列氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行[13]，空穴對的增加可提高反應(yīng)式(1)～(4)的進(jìn)行，電子能量的提高可促進(jìn)反應(yīng)式(5)～(7)的進(jìn)行。

圖2 鈣鈦礦型催化劑轉(zhuǎn)化過程

2 基于壓力損失的等離子四效汽車尾氣凈化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

等離子四效汽車尾氣凈化器的壓力損失主要來源有4部分：沿程流阻、漸擴(kuò)管局部阻力、凈化器載體的阻力和漸縮管局部阻力。為簡化模型，便于對壓力損失進(jìn)行數(shù)值模擬，本文作出如下假設(shè)：① 氣體不可壓縮；② 忽略溫度和PM對空氣黏性系數(shù)的影響； ③ 忽略電極線對壓力損失的影響；④ 管道氣體均為層流。

2.1 建立數(shù)值計(jì)算模型

沿程損失是發(fā)生在緩變流整個流程中的能量損失[14]，是由流體的黏滯力造成的壓力損失。對于本文的穩(wěn)態(tài)不可壓氣流，管道內(nèi)流動單位質(zhì)量氣體的沿程損失為[15-16]：

(8)

式中，λ表示沿程損失系數(shù)，一般與雷諾數(shù)和管壁粗糙度有關(guān)；L是管道長度(m)；d是管道內(nèi)徑(m)；ρ是氣體密度(kg/m3)；v是氣體進(jìn)入凈化器前的氣流速度(m/s)；g是重力加速度(m/s2)。

根據(jù)管道內(nèi)的氣流為層流可以得出沿程損失系數(shù)λ為：

(9)

式中Re表示雷諾系數(shù)，其表達(dá)式為[17]：

(10)

式中，μ為空氣黏性系數(shù)。一般管道內(nèi)的氣體為層流時管道雷諾系數(shù)Re<2 000。

載體阻力主要是載體孔道內(nèi)的壓力損失，也屬于層流，依據(jù)Hagen-Poiseuille方程，則凈化器載體的壓力損失為[18]：

(11)

式中，f為流體阻力系數(shù)；l為載體長度(m)；Dh為當(dāng)量直徑(m)；ε為載體的孔隙率；

(12)

式中：V0是氣體在自然狀態(tài)下的體積，或稱表觀體積(m3)；V1是氣體的絕對密實(shí)體積(m3)。

漸擴(kuò)角局部阻力為氣體通過凈化器的漸擴(kuò)角階段時的單位質(zhì)量流體的局部阻力，則漸擴(kuò)角局部壓力損失為[19]：

(13)

式中ζ為局部損失系數(shù)，一般由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[20]：

(14)

式中：θ1表示四效凈化器的漸擴(kuò)角(°)；A1和A2分別表示管道擴(kuò)張前后的截面面積(m2)；K為修正系數(shù)；

(15)

式中：d1是擴(kuò)張前管道的直徑(mm)；d2是擴(kuò)張后管道的直徑(mm)。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[20]得出：漸縮角局部阻力是氣體通過催化器的漸縮階段時的單位氣體質(zhì)量的局部阻力，則漸縮角局部壓力損失為：

(16)

(17)

式中，θ2為四效凈化器的漸縮角。

凈化器的排氣背壓近似由上述4種壓力損失構(gòu)成，即為：

ΔP=ΔP1+ΔP2+ΔP3+ΔP4

(18)

整理上述公式可得:

(19)

式中：氣體密度ρ取決于尾氣溫度，管道內(nèi)徑d和管道長度L取決于載體尺寸，屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中可優(yōu)化調(diào)節(jié)部分。

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

EA888型汽油發(fā)動機(jī)主要參數(shù)如表2所示，本文假定催化器入口氣流是均勻的，不同轉(zhuǎn)速下氣體流速在0.1～1 m/s，氣體密度為1.225 kg/m3，氣流溫度為500 K，當(dāng)量直徑選取為0.06 m。

表2 EA888型汽油發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

根據(jù)式(19)可知：排氣背壓隨著管道長度L的增加而增加，隨管道內(nèi)徑d的增大而減小，隨漸擴(kuò)角θ1和減縮角θ2的增大而減小，而漸擴(kuò)角θ1和減縮角θ2均應(yīng)該在0～90°，考慮到前文載體的尺寸以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的工藝性，本文選擇L為120 mm，d為120 mm；θ1、θ2為60°；將上述參數(shù)代入式(19)可得不同漸擴(kuò)角與減縮角凈化器的排氣背壓隨氣體流速的變化曲線，如圖3所示。

由圖3可知：凈化器的排氣背壓隨尾氣流速的增加而增加，當(dāng)尾氣流速相同時，排氣背壓隨漸擴(kuò)角和減縮角的增大而減小，且減小趨勢越來越小，當(dāng)漸擴(kuò)角和減縮角為60°，尾氣流速為1 m/s時，排氣背壓為30 kPa，均在國五要求范圍內(nèi)，故本文選擇60°作為漸擴(kuò)角和減縮角最佳參數(shù)。

圖3 不同漸擴(kuò)角與減縮角凈化器的排氣背壓隨氣體流速的變化曲線

3 臺架試驗(yàn)與驗(yàn)證

為檢測等離子四效汽車尾氣凈化器的凈化性能，本文根據(jù)相關(guān)要求，設(shè)計(jì)了等離子四效汽車尾氣凈化器性能檢測試驗(yàn)臺架，如圖4所示。試驗(yàn)主要檢測凈化器的凈化效率和排氣背壓，試驗(yàn)中采用型號為EA888型汽油機(jī)，5個相同的等離子四效凈化器，發(fā)動機(jī)性能參數(shù)如表2所示。

試驗(yàn)過程在室內(nèi)環(huán)境完成，室內(nèi)溫度25 ℃，汽油機(jī)分別在800、1 600、2 400、2 800和3 200 r/min的轉(zhuǎn)速下完成試驗(yàn)內(nèi)容，發(fā)動機(jī)啟動后預(yù)熱10 min，待發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后開始試驗(yàn)，每隔20 min對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取1次，共讀取6次，然后取6組數(shù)據(jù)平均值作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)后分析處理數(shù)據(jù)。

圖4 等離子四效汽車尾氣凈化器的性能檢測試驗(yàn)臺

3.1 排氣背壓性能檢測

為檢測等離子四效汽車尾氣凈化器的排氣背壓并驗(yàn)證本文數(shù)值模型，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得出不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的條件下等離子四效汽車尾氣凈化器的排氣背壓隨時間的變化曲線，如圖5所示。根據(jù)圖5可知，隨著發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間的增加，排氣背壓不斷升高，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)時間超過6 h后，排氣背壓趨于穩(wěn)定，且最大排氣背壓不超過40 kPa，與本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本符合；當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不超過6 h時，部分未來得及分解的PM使得載體發(fā)生堵塞，致使排氣背壓急速上升，當(dāng)時間超過6 h后，PM的增加和分解速度基本達(dá)到平衡，故排氣背壓趨于穩(wěn)定；當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間一定時，轉(zhuǎn)速越高，尾氣流速越快，故排氣背壓越大，其中尾氣流速為800 r/min時與數(shù)值計(jì)算結(jié)果最為相符。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下排氣背壓隨時間的變化

3.2 凈化效率性能檢測

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速是影響發(fā)動機(jī)排放特性的重要因素，不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對尾氣溫度和污染物濃度均有很大的影響，因此在本試驗(yàn)中，為檢測等離子四效汽車尾氣凈化器的凈化效率，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分別得出：不同轉(zhuǎn)速的條件下，等離子四效汽車尾氣凈化器對PM、 NOx、CO和 HC凈化效率隨時間的變化曲線如圖6～9所示。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下PM凈化效率隨時間的變化

圖7 不同轉(zhuǎn)速下NOx凈化效率隨時間的變化

圖8 不同轉(zhuǎn)速下CO凈化效率隨時間的變化

圖9 不同轉(zhuǎn)速下HC凈化效率隨時間的變化

根據(jù)圖6～8可知：PM、NOx和CO的凈化效率均隨發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間的增加而增加，且增長趨勢相同，由此推測PM、NOx和CO可相互促進(jìn)凈化，當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間超過6 h后，凈化效率趨于穩(wěn)定，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3 200 r/min、發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間超過8 h時，PM的凈化效率可達(dá)90%，CO的凈化效率可達(dá)95%，這是由于隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，尾氣的溫度升高，提高了催化劑活化溫度，從而增強(qiáng)了PM和CO的氧化分解；在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不超過2 400 r/min時，NOx的凈化效率隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 400 r/min、發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)超過8 h時，NOx的凈化效率可達(dá)95%以上，但是當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過2 400 r/min時，NOx的凈化效率稍有下降，這是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加至2 400 r/min時，發(fā)動機(jī)NOx排放量迅速增加，導(dǎo)致凈化效率有所下降。

根據(jù)圖9可知：當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不超過6 h時，HC的凈化效率隨時間的增加而增加，HC的最大凈化效率可達(dá)88%，但當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3 200 r/min、運(yùn)轉(zhuǎn)時間達(dá)到7 h時，HC的凈化效率迅速降低。這種現(xiàn)象是因HC的濃度迅速增加所致，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速過高會引起發(fā)動機(jī)溫度升高，尾氣中活性物質(zhì)增加，當(dāng)一些極易被氧化的污染物被氧化后，其他物質(zhì)將會組合成HC化合物；綜合圖6～9可知：當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3 200 r/min時，NOx濃度的增加，促進(jìn)了PM、HC和CO的凈化效率，HC濃度的增加對PM、NOx和CO的凈化效率無抑制作用。

4 結(jié)論

本文將等離子體技術(shù)與鈣鈦礦型催化劑技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了等離子四效汽車尾氣凈化器，可實(shí)現(xiàn)對PM、NOx、CO和HC的同時凈化，通過數(shù)值方法得出等離子四效汽車尾氣凈化器的相關(guān)參數(shù)；并通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性，同時驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的等離子四效汽車尾氣凈化器可同時凈化PM、NOx、HC和CO，且NOx的存在可促進(jìn)PM、HC和CO的凈化，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 400 r/min、發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間超過8 h后，等離子四效汽車尾氣凈化器的凈化性能達(dá)到最佳。綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的等離子四效汽車尾氣凈化器具有排氣背壓低、凈化效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前凈化汽油車尾氣的新方法，具有很好的發(fā)展前景，但本技術(shù)路線并沒有對實(shí)車進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，且本試驗(yàn)未對凈化器的使用壽命進(jìn)行試驗(yàn)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)及凈化效果的穩(wěn)定性仍有待試驗(yàn)和理論證實(shí)。