淺析汽油發(fā)動(dòng)機(jī)可燃混合氣燃燒及三元催化轉(zhuǎn)化器工作機(jī)理

鄭州中升裕迪汽車銷售服務(wù)有限公司 任賀新

1 可燃混合氣對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

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，可使用空燃比及過量空氣系數(shù)對(duì)可燃混合氣濃度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.1 空燃比

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)來說，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，如果使用體積比來表示，即完全燃燒1 L汽油需要約9 500 L空氣。

1.2 過量空氣系數(shù)

過量空氣系數(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)來說，當(dāng)λ=1時(shí)，說明空燃比等于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。

1.3 空燃比對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響

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越稀，當(dāng)超過燃燒極限時(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常控制在功率空燃比與經(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。

2 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣分析

2.1 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣組成

空氣主要由氮?dú)狻⒀鯕饧捌渌麣怏w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衔铮硐霔l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)猓静粎⑴c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，所以只能通過降低油耗來減少二氧化碳的排放。可燃混合氣燃燒時(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 有害物質(zhì)生成機(jī)理

2.2.1 一氧化碳

一氧化碳主要是由于可燃混合氣過濃，缺少氧氣無法完全燃燒造成的。燃燒時(shí)可燃混合氣過稀也會(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，局部可燃混合氣過濃導(dǎo)致燃燒不完全造成的。

一氧化碳是一種無色無味的有毒氣體，如果動(dòng)物吸入過多的一氧化碳會(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腋邷亍⒏邏骸⒏谎醯沫h(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。無色無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衔铮?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桑紵抑袣飧妆诘臏囟冗h(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，可燃混合氣局部過濃，燃燒時(shí)容易形成微粒。

2.3 空燃比對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中有害物質(zhì)的影響

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17以后，空燃比逐漸增大，火焰無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>

3 三元催化轉(zhuǎn)化器

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)。

3.1 三元催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)

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)。

3.2 有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化

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衔铩⒁谎趸肌⒌趸衔锏扔泻ξ镔|(zhì)轉(zhuǎn)化成水蒸氣、二氧化碳和氮?dú)獾葻o害物質(zhì)。

有害物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程可分為氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，一氧化碳通過氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為二氧化碳（2CO+O2→2CO2）；碳?xì)浠衔锿ㄟ^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）；二氧化氮通過還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻⒀鯕夂投趸迹?NO2+2CO→N2+O2+2CO2）。

3.3 過量空氣系數(shù)對(duì)三元催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效果的影響

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。

3.4 三元催化轉(zhuǎn)化器的儲(chǔ)氧能力

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，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)電壓來間接判定三元催化轉(zhuǎn)化器的儲(chǔ)氧能力。

3.5 三元催化轉(zhuǎn)化器的工作溫度

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1 000 ℃時(shí)，三元催化轉(zhuǎn)化器會(huì)因?yàn)楣ぷ鳒囟冗^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。

3.6 三元催化轉(zhuǎn)化器的布置方式

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。

3.7 三元催化轉(zhuǎn)化器的加熱方式

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。