鄭州中升裕迪汽車銷售服務(wù)有限公司 任賀新
為了保證汽油發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行,需要提供合適濃度的可燃混合氣,可燃混合氣濃度決定燃燒時(shí)的燃燒速度、氣缸壓力及火焰溫度等,進(jìn)而決定汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能,可使用空燃比及過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)可燃混合氣濃度進(jìn)行評(píng)價(jià)。
空燃比是指可燃混合氣中空氣質(zhì)量與燃油質(zhì)量之比。對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),當(dāng)空氣質(zhì)量與汽油質(zhì)量之比為14.7:1時(shí),可燃混合氣剛好可以完全燃燒,此時(shí)的空燃比稱為理論空燃比,即完全燃燒1 kg汽油需要約14.7 kg空氣,如果使用體積比來(lái)表示,即完全燃燒1 L汽油需要約9 500 L空氣。
過(guò)量空氣系數(shù)可用λ表示,是指實(shí)際供給的空氣質(zhì)量與理論上燃油完全燃燒時(shí)所需的空氣質(zhì)量之比,即實(shí)際空燃比與理論空燃比之比。
對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),當(dāng)λ=1時(shí),說(shuō)明空燃比等于14.7,即實(shí)際供給的空氣質(zhì)量完全符合理論上汽油完全燃燒時(shí)所需的空氣質(zhì)量;當(dāng)λ<1時(shí),說(shuō)明空燃比小于14.7,即實(shí)際供給的空氣質(zhì)量小于理論上汽油完全燃燒時(shí)所需的空氣質(zhì)量,形成了濃混合氣;當(dāng)λ>1時(shí),說(shuō)明空燃比大于14.7,即實(shí)際供給的空氣質(zhì)量大于理論上汽油完全燃燒時(shí)所需的空氣質(zhì)量,形成了稀混合氣。
由圖1可知,當(dāng)空燃比在12~13時(shí),輸出功率最大,此時(shí)的空燃比稱為功率空燃比,由于可燃混合氣較濃,汽油無(wú)法完全燃燒,油耗率也較高;當(dāng)空燃比在13.5~14時(shí),火焰溫度最高,汽油發(fā)動(dòng)機(jī)升溫加快;當(dāng)空燃比在16左右時(shí),油耗率最低,此時(shí)汽油燃燒最完全,而火焰溫度及輸出功率均已下降,此時(shí)的空燃比稱為經(jīng)濟(jì)空燃比。如果空燃比繼續(xù)增加,可燃混合氣濃度越來(lái)越稀,當(dāng)超過(guò)燃燒極限時(shí),就會(huì)出現(xiàn)失火現(xiàn)象,油耗率反而升高。
圖1 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)火焰溫度、輸出功率及油耗與空燃比之間的關(guān)系
根據(jù)以上分析可以看出,提高輸出功率與降低油耗率是2個(gè)矛盾的指標(biāo),想要提升汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性,就要提高輸出功率,油耗必然會(huì)增加,使汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性下降,反之亦然。當(dāng)空燃比大于18或小于12時(shí),汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性都會(huì)下降,因此,汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的可燃混合氣濃度通??刂圃诠β士杖急扰c經(jīng)濟(jì)空燃比之間,使汽油發(fā)動(dòng)機(jī)保持較好的使用性能。
空氣主要由氮?dú)?、氧氣及其他氣體構(gòu)成,其中氮?dú)庠诳諝庵姓急燃s為78%,氧氣在空氣中占比約為21%,剩余的1%都是其他氣體。汽油主要成分是碳?xì)浠衔?,理想條件下,汽油完全燃燒僅生成水蒸氣和二氧化碳。由于空燃比不同及燃燒室燃燒條件不理想等因素,汽油在燃燒時(shí)產(chǎn)生了很多其他成分,其中就包括有害物質(zhì)。
當(dāng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱到正常工作溫度,并提供理論空燃比的可燃混合氣進(jìn)行燃燒,在沒有經(jīng)過(guò)三元催化轉(zhuǎn)化器處理的情況下,汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣成分主要為71%的氮?dú)狻?4%的二氧化碳、13%的水蒸氣、1%的混合氣體及1%的有害物質(zhì),由于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)工況及工作環(huán)境的影響,汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣成分可能會(huì)有偏差。
汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的氮?dú)狻⒍趸技八魵鉃闊o(wú)毒物質(zhì),氮?dú)馐且环N惰性氣體,吸入燃燒室的空氣中的氮?dú)?,基本不參與燃燒,大部分仍以氮?dú)獾男问诫S汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排出。可燃混合氣燃燒時(shí),碳與氧結(jié)合生成二氧化碳,由于二氧化碳是碳完全燃燒時(shí)的產(chǎn)物,所以只能通過(guò)降低油耗來(lái)減少二氧化碳的排放??扇蓟旌蠚馊紵龝r(shí),氫與氧結(jié)合生成水蒸氣,水蒸氣遇冷時(shí)會(huì)出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象,因此在寒冷天氣下用車時(shí),能看見排氣管中排出水霧。
2.2.1 一氧化碳
一氧化碳主要是由于可燃混合氣過(guò)濃,缺少氧氣無(wú)法完全燃燒造成的。燃燒時(shí)可燃混合氣過(guò)稀也會(huì)產(chǎn)生一氧化碳,這是由于燃燒室中可燃混合氣混合不均勻,局部可燃混合氣過(guò)濃導(dǎo)致燃燒不完全造成的。
一氧化碳是一種無(wú)色無(wú)味的有毒氣體,如果動(dòng)物吸入過(guò)多的一氧化碳會(huì)使大腦缺氧,嚴(yán)重時(shí)可致死,因此除非配備良好的排氣抽風(fēng)系統(tǒng),汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是不允許在完全封閉的空間內(nèi)運(yùn)行的。
2.2.2 氮氧化合物
氮氧化合物是氮?dú)庠谌紵腋邷?、高壓、富氧的環(huán)境下進(jìn)行氧化反應(yīng)形成的,氮氧化合物中大部分是一氧化氮,少部分是二氧化氮。無(wú)色無(wú)味的一氧化氮在空氣中會(huì)完全氧化成二氧化氮,二氧化氮是一種棕紅色、帶有刺激性氣味的有毒氣體,吸入人體后會(huì)刺激鼻子和喉嚨,危害健康,除此之外,氮氧化合物也會(huì)導(dǎo)致光化學(xué)煙霧和酸雨的產(chǎn)生。
2.2.3 碳?xì)浠衔?/p>
汽油的主要成分就是碳?xì)浠衔?,?dāng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),部分沒有燃燒的可燃混合氣就會(huì)隨著汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排出。比如氣缸壁的激冷作用就會(huì)導(dǎo)致碳?xì)浠衔锏纳?,燃燒室中氣缸壁的溫度遠(yuǎn)低于可燃混合氣燃燒時(shí)的火焰溫度,當(dāng)火焰?zhèn)鞯綒飧妆诟浇鼤r(shí),產(chǎn)生激冷作用,火焰熄滅,導(dǎo)致部分可燃混合氣沒有燃燒。此外,汽油發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)在燃燒室形成的高壓條件會(huì)將部分沒有燃燒的可燃混合氣壓入活塞頂部第一道活塞環(huán)間隙、火花塞陶瓷電極縫隙及進(jìn)排氣門縫隙等部位,在排氣沖程燃燒室壓力下降后,這些沒有燃燒的可燃混合氣會(huì)隨著汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾排出。
2.2.4 微粒
汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的固體以微粒形式存在,源于可燃混合氣不完全燃燒,汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)和暖機(jī)期間容易產(chǎn)生微粒。微粒就是不同尺寸和表面積的炭煙顆粒,可燃混合氣局部過(guò)濃,燃燒時(shí)容易形成微粒。
由圖2可知,汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中有害物質(zhì)排放量(未經(jīng)三元催化轉(zhuǎn)化器處理的數(shù)據(jù))與空燃比有較大關(guān)聯(lián)。
圖2 空燃比對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中有害物質(zhì)的影響
(1)空燃比越低,一氧化碳的排放量就越多,當(dāng)空燃比為16時(shí),一氧化碳的排放量趨于0,此時(shí)空燃比繼續(xù)增大,一氧化碳的排放量也不會(huì)有較大變化。
(2)空燃比在16左右時(shí),氮氧化合物排放量最多,空燃比逐漸增大或逐漸減小,氮氧化合物排放量均會(huì)迅速降低,當(dāng)空燃比較小時(shí),燃燒時(shí)可利用的氧氣不足,氮氧化合物的生成量減少;當(dāng)空燃比過(guò)大時(shí),火焰溫度和燃燒速較低,也導(dǎo)致氮氧化合物生成量減少。
(3)空燃比在17以內(nèi)時(shí),隨著空燃比的逐漸增大,可燃混合氣燃燒越完全,碳?xì)浠衔锏呐欧帕恐饾u減小。當(dāng)空燃比超過(guò)17以后,空燃比逐漸增大,火焰無(wú)法完全傳播甚至出現(xiàn)失火現(xiàn)象,導(dǎo)致碳?xì)浠衔锱欧帕垦杆僭黾印?/p>
汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣最有效的凈化方式就是使用三元催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)行處理,三元催化轉(zhuǎn)化器可以轉(zhuǎn)化99%以上理論空燃比下可燃混合氣燃燒生成的有害物質(zhì)。
三元催化轉(zhuǎn)化器主要由殼體、載體、載體涂層及催化涂層組成(圖3),載體有陶瓷載體和金屬載體兩種結(jié)構(gòu),目前應(yīng)用較多的是陶瓷載體,陶瓷載體含有幾千個(gè)貫通的蜂窩狀小通道。載體涂層可將三元催化轉(zhuǎn)化器表面積增大7 000倍,1 L的載體涂層展開面積可以達(dá)一個(gè)足球場(chǎng)的大小。
圖3 三元催化轉(zhuǎn)化器的組成
催化涂層包括貴金屬鉑、鈀和銠,貴金屬本身不參與化學(xué)反應(yīng),主要充當(dāng)催化劑的作用,所以不會(huì)有損耗,其中鉑和鈀加速碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉难趸磻?yīng),銠加速氮氧化合物的還原反應(yīng)。三元催化轉(zhuǎn)化器中貴金屬的含量為1 g~5 g,貴金屬含量的多少與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排量、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣溫度及相關(guān)的排放標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。
三元催化轉(zhuǎn)化器可將可燃混合氣燃燒時(shí)產(chǎn)生的碳?xì)浠衔?、一氧化碳、氮氧化合物等有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化成水蒸氣、二氧化碳和氮?dú)獾葻o(wú)害物質(zhì)。
有害物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過(guò)程可分為氧化反應(yīng)和還原反應(yīng),一氧化碳通過(guò)氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為二氧化碳(2CO+O2→2CO2);碳?xì)浠衔锿ㄟ^(guò)氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水(2C2H6+7O2→4CO2+6H2O);一氧化氮通過(guò)還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂投趸迹?NO+2CO→N2+2CO2);二氧化氮通過(guò)還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氮?dú)?、氧氣和二氧化碳?NO2+2CO→N2+O2+2CO2)。
由圖4可知,當(dāng)λ<1時(shí),可燃混合氣偏濃,由于氧氣不足,使得碳?xì)浠衔锖鸵谎趸紵o(wú)法進(jìn)行氧化反應(yīng),導(dǎo)致汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中碳?xì)浠衔锖鸵谎趸己枯^高,由于此時(shí)生成了大量的一氧化碳,形成了良好的還原反應(yīng)條件,使得氮氧化合物獲得較好的轉(zhuǎn)化效果。
圖4 過(guò)量空氣系數(shù)與有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化效果關(guān)系圖
當(dāng)λ>1時(shí),可燃混合氣偏稀,由于氧氣充足,碳?xì)浠衔锖鸵谎趸寂c氧氣進(jìn)行氧化反應(yīng),使得碳?xì)浠衔锖鸵谎趸极@得較好的轉(zhuǎn)化效果,此時(shí)還原反應(yīng)很難進(jìn)行,汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中氮氧化合物含量陡然升高。
當(dāng)λ=1時(shí),氧化反應(yīng)及還原反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài),氮氧化合物進(jìn)行還原反應(yīng),達(dá)到較好的轉(zhuǎn)化效果,同時(shí)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中殘余氧氣和氮氧化合物還原反應(yīng)生成的氧氣使得碳?xì)浠衔锖鸵谎趸纪耆趸泻ξ镔|(zhì)的排放量都比較低。
三元催化轉(zhuǎn)化器的載體涂層中含有儲(chǔ)氧物質(zhì),主要成分就是氧化鈰,它能夠儲(chǔ)存和釋放氧氣(2Ce2O3+O24CeO2),用來(lái)補(bǔ)償空燃比的輕微變化。三元催化轉(zhuǎn)化器的儲(chǔ)氧能力與貴金屬催化轉(zhuǎn)化能力成正比,換句話說(shuō),三元催化轉(zhuǎn)化器的儲(chǔ)氧能力是轉(zhuǎn)化有害物質(zhì)能力的度量參數(shù),這2個(gè)能力都會(huì)隨著使用時(shí)間的增加逐漸削弱,發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元會(huì)通過(guò)對(duì)比三元催化轉(zhuǎn)化器前氧傳感器與后氧傳感器的信號(hào)電壓來(lái)間接判定三元催化轉(zhuǎn)化器的儲(chǔ)氧能力。
一般情況下,三元催化轉(zhuǎn)化器在工作溫度達(dá)到300 ℃時(shí)才開始對(duì)有害物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化,為了實(shí)現(xiàn)三元催化轉(zhuǎn)化器高效率且高壽命的工作,最好將工作溫度保持在400 ℃~800 ℃,當(dāng)工作溫度在800 ℃~1 000 ℃時(shí),貴金屬會(huì)燒結(jié)在載體涂層的表面,減小了有效催化的接觸面積。
當(dāng)工作溫度超過(guò)1 000 ℃時(shí),三元催化轉(zhuǎn)化器會(huì)因?yàn)楣ぷ鳒囟冗^(guò)高完全失去功能。比如汽油發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失火故障時(shí),部分沒有燃燒的可燃混合氣就可能進(jìn)入排氣管道并進(jìn)行燃燒,此時(shí)三元催化轉(zhuǎn)化器的工作溫度就會(huì)達(dá)到1 400 ℃,三元催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的載體將會(huì)熔化,并導(dǎo)致三元催化轉(zhuǎn)化器徹底損壞。
三元催化轉(zhuǎn)化器需求的工作溫度限制了其隨意布置的可能性,三元催化轉(zhuǎn)化器常見的布置方式是分開安裝,即采用2個(gè)三元催化轉(zhuǎn)化器,其中前三元催化轉(zhuǎn)化器安裝位置離汽油發(fā)動(dòng)機(jī)較近,因此前三元催化轉(zhuǎn)化器可以在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)后快速達(dá)到工作溫度,但在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作后會(huì)承受非常大的熱負(fù)荷,為此前三元催化轉(zhuǎn)化器的載體涂層就要具有較強(qiáng)的耐高溫穩(wěn)定性;后三元催化轉(zhuǎn)化器安裝在車輛底盤下,由于離汽油發(fā)動(dòng)機(jī)較遠(yuǎn),承受的熱負(fù)荷較小,汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)后,需要更長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到需求的工作溫度。
還有一種串聯(lián)式布置三元催化轉(zhuǎn)化器的方案,將2個(gè)三元催化轉(zhuǎn)化器串聯(lián)安裝在同一個(gè)殼體中,2個(gè)三元催化轉(zhuǎn)化器的載體被空氣間隙隔開(圖5)。這種布置方式允許2個(gè)三元催化轉(zhuǎn)化器中貴金屬含量、載體及蜂窩密度等指標(biāo)有所差別,為了在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)快速達(dá)到工作溫度,三元催化轉(zhuǎn)化器2就會(huì)設(shè)計(jì)有較大的貴金屬含量及蜂窩密度。
圖5 串聯(lián)式三元催化轉(zhuǎn)化器布置方案
除此之外,也存在整體式布置三元催化轉(zhuǎn)化器的方案,通過(guò)在三元催化轉(zhuǎn)化器前后部分別配置不同的貴金屬含量,使其達(dá)到工作要求。
當(dāng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)起動(dòng)時(shí),可采用推遲點(diǎn)火定時(shí)、提高怠速轉(zhuǎn)速、調(diào)整排氣凸輪軸、均勻分段噴射(直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī))、吹入二次空氣及主動(dòng)加熱等方式使三元催化轉(zhuǎn)化器快速加熱到工作溫度。