汽油機(jī)尾氣后處理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳康 劉飛鋒

摘要： 本文針對(duì)不同工況下汽油機(jī)尾氣排放特征展開分析，內(nèi)容包括穩(wěn)定工況的負(fù)載因素、穩(wěn)定工況的轉(zhuǎn)速與溫度因素、冷、熱機(jī)啟動(dòng)工況排放對(duì)比等，結(jié)合汽油機(jī)尾氣后處理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容，通過研究加強(qiáng)反應(yīng)過程的精密把控、做好催化器工作參數(shù)檢查、擬定合理可靠的養(yǎng)護(hù)計(jì)劃等注意事項(xiàng)，其目的在于提升尾氣后處理系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，提高優(yōu)化后系統(tǒng)節(jié)能性。

Abstract： This article analyzes the characteristics of gasoline engine exhaust emissions under different operating conditions， including load factors in stable operating conditions， speed and temperature factors in stable operating conditions， emission comparison of cold and hot engine starting conditions， etc.， combined with gasoline engine exhaust after-treatment system optimization.

關(guān)鍵詞： 汽油機(jī);穩(wěn)定工況;尾氣后處理系統(tǒng)

Key words： gasoline engine;stable working condition;exhaust gas aftertreatment system

中圖分類號(hào)：U472.43??????????????????????????????????? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0018-02

0? 引言

目前汽車所使用的發(fā)動(dòng)機(jī)種類包括汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)等，其中汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過程中，使用較多的尾氣后處理系統(tǒng)是三元催化轉(zhuǎn)化器，該轉(zhuǎn)化器的應(yīng)用，能夠大幅度減少污染物排放量，處理效率在90%以上。但是轉(zhuǎn)化器在應(yīng)用時(shí)，由于其起燃溫度相對(duì)較高，而汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)情況下，其對(duì)外排氣溫度比較低，從而影響到轉(zhuǎn)化器的穩(wěn)定性，對(duì)此需要在已有基礎(chǔ)上，對(duì)于已有后處理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提升尾氣后處理系統(tǒng)工作效率，滿足環(huán)境管理規(guī)范中的管理需求。

1? 不同工況下汽油機(jī)尾氣排放特征分析

1.1 穩(wěn)定工況的負(fù)載因素

汽油機(jī)的尾氣由HC、CO、NOX組成，這些氣體如果不加處理，直接排放到空氣當(dāng)中，會(huì)造成城市空氣污染，甚至影響到城市居民的人身健康，因此應(yīng)該深入研究各種工況下尾氣排放情況，以便采取相應(yīng)的處理措施，減少有毒物質(zhì)的排量。在穩(wěn)態(tài)的工況下，進(jìn)油量和進(jìn)氣量都會(huì)影響到通用小型汽油機(jī)尾氣排放，通過實(shí)驗(yàn)，可以得知通用小型汽油機(jī)在溫度、空燃比穩(wěn)定的情況下，進(jìn)氣量越大，HC和 CO的排放量越小;反之，進(jìn)氣量越小，HC和CO的排放量越大。同時(shí)，當(dāng)節(jié)氣門的開度為百分之百時(shí)，通用小型汽油機(jī)負(fù)載會(huì)發(fā)生躍變，從而導(dǎo)致通用小型汽油機(jī)尾氣的排放量迅速地升高。

1.2 穩(wěn)定工況的轉(zhuǎn)速與溫度因素

隨著汽油機(jī)負(fù)載的增加，其轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之增長(zhǎng)，這也就是說(shuō)，逐步減載時(shí)氣體排放規(guī)律與加載是基本一致的，成線性關(guān)系，因此相關(guān)研究人員可以據(jù)此來(lái)繪制通用汽油機(jī)負(fù)載、轉(zhuǎn)速的曲線圖，并作為后續(xù)尾氣處理的根據(jù)。同時(shí)，排氣的溫度也會(huì)對(duì)汽油機(jī)尾氣排放產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，排氣溫度在汽油機(jī)發(fā)動(dòng)之后，會(huì)不斷地上升，最終趨于穩(wěn)定。排氣的溫度不僅受到汽油機(jī)性能、型號(hào)的影響，還受汽油機(jī)運(yùn)行環(huán)境的影響，運(yùn)行環(huán)境的溫度越高，汽油機(jī)的排氣溫度越高，當(dāng)汽油機(jī)排氣溫度穩(wěn)定時(shí)，各種氣體的排量也會(huì)隨之穩(wěn)定。

2? 汽油機(jī)尾氣后處理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

2.1 催化反應(yīng)機(jī)理

2.1.1 氧化還原反應(yīng)

在汽油機(jī)燃燒過程中，其燃燒溫度最高可達(dá)1200℃，而且機(jī)械內(nèi)部燃燒室內(nèi)的N2非常豐富，其中部分N2也會(huì)在高溫高壓狀態(tài)下，被氧化成NOX。相比于柴油機(jī)，汽油機(jī)內(nèi)部的空氣系數(shù)相對(duì)較低，因此在低氧狀態(tài)下所生成的氮氧化物主要以NO為主，即N2+O2→2NO。如果反應(yīng)環(huán)境穩(wěn)定性較強(qiáng)，在反應(yīng)過程中也會(huì)涉及到NO2的氧化反應(yīng)，即N2+2O2→2NO2，而催化器在工作過程中，所涉及到的還原反應(yīng)如下：CO+NO→CO+1/2N2。因?yàn)檠鯕鉂舛容^低，因此NO2的生成量可以適當(dāng)忽略，以得到合適的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

2.1.2 催化氧化反應(yīng)

在汽油機(jī)燃燒過程中，如果出現(xiàn)氧氣含量較少的情況，那么此時(shí)也會(huì)產(chǎn)生許多無(wú)法完全燃燒的附加產(chǎn)物，常見的附加產(chǎn)物包括CO、未燃HC等，而三元催化器在使用過程中，也會(huì)借助金屬催化劑來(lái)對(duì)其進(jìn)行處理，其催化效率也將直接影響到系統(tǒng)的反應(yīng)速度。目前在應(yīng)用中，經(jīng)常使用到的金屬活性催化劑為Ce2O3，該材料的造價(jià)成本相對(duì)較低，同時(shí)具備了良好的催化效率，以此為催化劑所得到的化學(xué)反應(yīng)如下：2CO+O2→2CO2;CxHyOz+（x+y/4+z/2）→xCO2+yH2。根據(jù)反應(yīng)式可以了解到，系統(tǒng)在反應(yīng)過程中，能夠迅速完成催化氧化工作，從而得到可靠的分析模型。

2.2 建立仿真模型

2.2.1 合理篩選建模軟件

在建立仿真模型時(shí)，需要做好建模軟件的篩選工作，基于以往地實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，多選擇AMEsim軟件來(lái)作為建模軟件，搭配著IFP Exhaust排放庫(kù)來(lái)完成聯(lián)合仿真工作，從而建立良好地仿真模型，模型中所涉及的主要參數(shù)信息如下：①仿真用車發(fā)動(dòng)機(jī)，型號(hào)為L(zhǎng)4;②仿真用車排量，設(shè)計(jì)為常規(guī)值2.0L;③車輛進(jìn)氣方式選擇自然吸氣，這也是多數(shù)汽油機(jī)動(dòng)車使用的進(jìn)氣方式;④車輛的運(yùn)行工況設(shè)置為NEDC;⑤實(shí)驗(yàn)中的金屬催化劑種類為Ce2O3;⑥系統(tǒng)中設(shè)置的網(wǎng)格密度在600-800個(gè)/平方英尺，確保進(jìn)入氣體的純凈度;⑦系統(tǒng)允許的最大流量，基于該實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況，在對(duì)該參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，其參數(shù)控制在45g/s，便于數(shù)據(jù)參數(shù)的統(tǒng)計(jì);⑧系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的初始溫度設(shè)置在20-30℃，屬于熱機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)。

2.2.2 明確仿真氣源

在此次仿真實(shí)驗(yàn)過程中，其主要目的是分析系統(tǒng)對(duì)廢氣的凈化效率，積累有效數(shù)據(jù)，為后續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化方向的確定提供參考。在具體的分析活動(dòng)中，首要任務(wù)便是明確汽油機(jī)在固定工況下所排出尾氣的主要成分，這也是本次仿真實(shí)驗(yàn)過程中使用到的仿真氣源。在實(shí)際應(yīng)用中，多采用歐洲NEDC工況來(lái)作為參考，隨后對(duì)車輛速度進(jìn)行測(cè)試，得到相應(yīng)的參數(shù)信息，將信息匯總后整理成圖，提升數(shù)據(jù)采集結(jié)果的直觀性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以了解到，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之后，其初始狀態(tài)的排氣溫度相對(duì)較低，這樣在0-100s區(qū)間內(nèi)，受到發(fā)動(dòng)機(jī)缸壁和排氣管道內(nèi)部溫度的影響，使得廢氣溫度上升速度處于較慢的狀態(tài)，根據(jù)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)顯示，此時(shí)末端溫度只有300℃;在100-150s區(qū)間，此時(shí)內(nèi)部溫度開始穩(wěn)定上升，根據(jù)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)顯示，此時(shí)末端溫度接近500℃;在180s后，此時(shí)內(nèi)部溫度開始快速上升，根據(jù)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)顯示，此時(shí)末端溫度超過500℃，車輛也處于高速行駛的狀態(tài)。

2.2.3 催化轉(zhuǎn)化過程分析

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，也需要對(duì)催化轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行分析，根據(jù)分析數(shù)據(jù)可以了解到，3WCC在工作期間，針對(duì)不同類型污染物尾氣的催化轉(zhuǎn)化效率較高，即在已知工況的設(shè)定背景下，針對(duì)NOX、HC、CO等污染物的催化轉(zhuǎn)化效率均在80%以上，其中針對(duì)NOX污染物的催化轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了95.03%，由此可見，該系統(tǒng)在工作狀態(tài)上，依舊處于比較高的應(yīng)用水平。而且額在0-100s區(qū)間內(nèi)，受到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度較低的影響，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)于廢氣的處理效率相對(duì)較低，此時(shí)NOX的催化轉(zhuǎn)化率只有30%，CO的催化轉(zhuǎn)換率只有5%;在100-150s區(qū)間，此時(shí)內(nèi)部溫度開始穩(wěn)定上升，系統(tǒng)對(duì)于廢氣的處理效率也在上升，并且在150s左右達(dá)到最大值，此時(shí)廢氣的催化轉(zhuǎn)化率均在97%以上[1]。

3? 汽油機(jī)尾氣后處理系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)

3.1 加強(qiáng)反應(yīng)過程的精密把控

通過加強(qiáng)反應(yīng)過程的精密把控，能夠確保尾氣后處理系統(tǒng)反應(yīng)過程的穩(wěn)定性，確保催化氧化效率的合規(guī)性。在具體實(shí)踐中，第一，對(duì)反應(yīng)過程進(jìn)行梳理，確定反應(yīng)過程的各項(xiàng)參數(shù)，基于此來(lái)擬定相應(yīng)的管控計(jì)劃，梳理計(jì)劃中的注意事項(xiàng)，借此來(lái)提高計(jì)劃內(nèi)容的指導(dǎo)性。第二，在計(jì)劃推行前需要做好相應(yīng)的培訓(xùn)工作，使所有人員可以明確計(jì)劃中的相關(guān)內(nèi)容，嚴(yán)格按照計(jì)劃中的相關(guān)內(nèi)容展開分析，并且也需要加強(qiáng)反應(yīng)過程的監(jiān)督管理，及時(shí)糾正誤差問題，從而確保反應(yīng)過程的順利進(jìn)行，提高反應(yīng)結(jié)果的合理性。

3.2 做好催化器工作參數(shù)檢查

通過做好催化器工作參數(shù)檢查，可以確保系統(tǒng)初始狀態(tài)的合理性，以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定工作的相關(guān)要求。在具體實(shí)踐中，第一，需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)信息進(jìn)行整理，可以采用表格的方式進(jìn)行整理，將一些重要參數(shù)進(jìn)行標(biāo)注，以此為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行參數(shù)校對(duì)，若偏差在允許范圍內(nèi)，表明催化器工作狀態(tài)滿足應(yīng)用要求，反之則需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，待其滿足要求后再進(jìn)行使用[5]。第二，做好檢查后參數(shù)的復(fù)核工作，并且對(duì)復(fù)核內(nèi)容進(jìn)行記錄，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)，為后續(xù)養(yǎng)護(hù)計(jì)劃的制定和修改提供參考。

3.3 擬定合理可靠的養(yǎng)護(hù)計(jì)劃

通過擬定合理可靠的養(yǎng)護(hù)計(jì)劃，能夠確保系統(tǒng)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看來(lái)擬定相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)計(jì)劃，在養(yǎng)護(hù)計(jì)劃中會(huì)對(duì)養(yǎng)護(hù)周期、養(yǎng)護(hù)內(nèi)容進(jìn)行整理，提升養(yǎng)護(hù)計(jì)劃的指導(dǎo)價(jià)值。同時(shí)養(yǎng)護(hù)計(jì)劃在落實(shí)過程中，對(duì)于反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，篩選價(jià)值數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整養(yǎng)護(hù)計(jì)劃中的相關(guān)內(nèi)容，從而提高養(yǎng)護(hù)計(jì)劃的適用性，提升系統(tǒng)工作狀態(tài)的安全性和穩(wěn)定性。

4? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，加強(qiáng)反應(yīng)過程的精密把控，能夠確保尾氣后處理系統(tǒng)反應(yīng)過程的穩(wěn)定性，做好催化器工作參數(shù)檢查，可以確保系統(tǒng)初始狀態(tài)的合理性，擬定合理可靠的養(yǎng)護(hù)計(jì)劃，能夠確保系統(tǒng)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。通過采取合理措施來(lái)提高催化器工作效率，對(duì)于優(yōu)化系統(tǒng)工作性能，減少汽油機(jī)廢氣污染有著積極的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊麗君，許剛.柴油機(jī)尾氣后處理系統(tǒng)故障診斷與優(yōu)化[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2021（6）：93-94.

[2]張洪生，鹿順江，何理華.SCR尾氣后處理系統(tǒng)安裝方法及注意事項(xiàng)[J].重型汽車，2021（02）：46-47.

[3]李曙輝，邵毅明.汽車尾氣后處理系統(tǒng)鋁泵體的精鍛工藝智能優(yōu)化[J].鍛壓技術(shù)，2021，46（02）：1-8.