李 欣，杜慧起

（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

基于發(fā)動(dòng)機(jī)外特性實(shí)驗(yàn)的三元催化轉(zhuǎn)換器凈化性能研究

李 欣，杜慧起

（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

文章通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)沒(méi)有安裝催化器、安裝原催化器和安裝改進(jìn)型催化器三種狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)功率、油耗和尾氣進(jìn)行測(cè)量分析，對(duì)優(yōu)化三元催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改善三元催化轉(zhuǎn)化器凈化效率等方面具有重要意義。

發(fā)動(dòng)機(jī)；外特性；三元催化轉(zhuǎn)化器

一、引言

三元催化轉(zhuǎn)換器是將汽車(chē)尾氣排出的CO、HC和NOx等有害氣體通過(guò)氧化和還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害的CO2、H2O和N2。三元催化轉(zhuǎn)換器示意圖如圖1所示。影響三元催化轉(zhuǎn)化器凈化效率的主要因素有催化劑的成分和配比、載體結(jié)構(gòu)和材料以及與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配等因素，這些方面的研究受到人們普遍重視。然而，催化器殼體結(jié)構(gòu)對(duì)催化器性能的影響所往往被人們忽視。催化器殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，直接影響催化器內(nèi)部流場(chǎng)的分布，影響氣流通過(guò)載體的均勻性，進(jìn)而影響催化轉(zhuǎn)化器的凈化效率，還會(huì)影響其使用壽命。本文是在對(duì)催化器殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性實(shí)驗(yàn)對(duì)催化器優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證研究。

圖1 三元催化轉(zhuǎn)換器工作原理示意圖

二、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

對(duì)國(guó)內(nèi)某輕型汽車(chē)用三元催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行二維數(shù)值分析，通過(guò)改變催化轉(zhuǎn)化器有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)了5款催化轉(zhuǎn)換器殼體結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，建立每款催化轉(zhuǎn)化器對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)模型，利用流體力學(xué)軟件對(duì)催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較了不同結(jié)構(gòu)對(duì)氣流的影響作用，最終選擇了改善氣流效果最優(yōu)秀的短長(zhǎng)型模型作為三元催化轉(zhuǎn)化器改進(jìn)方案，并試制催化轉(zhuǎn)化器改進(jìn)方案實(shí)物。在此基礎(chǔ)上，對(duì)沒(méi)有安裝催化轉(zhuǎn)換器（原機(jī)）、安裝原催化轉(zhuǎn)換器（原轉(zhuǎn)換器）和安裝試制改進(jìn)型催化轉(zhuǎn)換器（改進(jìn)型轉(zhuǎn)換器）的凈化效率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較。圖2、圖3為安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上的催化轉(zhuǎn)換器實(shí)物圖。

圖2 安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上的原三元催化轉(zhuǎn)化器

圖3 短長(zhǎng)型三元催化轉(zhuǎn)化器

三、實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)室完成的，采用的主要儀器設(shè)備有：電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、電渦流測(cè)功機(jī)、廢氣分析儀等。

1．發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀況良好，并已經(jīng)磨合，磨合應(yīng)符合制造廠技術(shù)文件的規(guī)定。

2．在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)在標(biāo)定功率和相應(yīng)轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)油溫度、冷卻液溫度達(dá)到正常工作狀態(tài)。

3．排氣裝置上不可有任何可能使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣稀釋的空隙。

4．測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、耗油量等應(yīng)符合相應(yīng)的精度。

5．尾氣分析儀測(cè)試前準(zhǔn)備正常。

6．三元催化轉(zhuǎn)化器按規(guī)定安裝，并保證不漏氣、不松脫，以免影響其凈化效果。

四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

做發(fā)動(dòng)機(jī)外特性實(shí)驗(yàn)，逐漸調(diào)整油門(mén)和速度，調(diào)整到油門(mén)100% ，轉(zhuǎn)速調(diào)整為1500r／min，待發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，開(kāi)始記錄功率、扭矩、油耗、排氣溫度、冷卻液出水溫度、機(jī)油溫度以及排氣中HC、CO、CO2、NOX各個(gè)成分的數(shù)據(jù)。按照上面的方法再測(cè)量2000 r／min、2500 r／min、3000 r／min、3500 r／min轉(zhuǎn)速下的相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到以下功率、油耗以及有害氣體含量的比較曲線(xiàn)圖。

1．功率曲線(xiàn)圖

結(jié)果分析：如圖4所示，從功率曲線(xiàn)圖可以得到，三種發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)得功率基本都是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而提高，而且安裝原轉(zhuǎn)化器比原機(jī)的功率要低些，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加兩者的差額逐漸變大，說(shuō)明對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率隨著轉(zhuǎn)速的增加而造成的負(fù)面影響增大。而改進(jìn)型轉(zhuǎn)化器的輸出功率與原機(jī)的功率略低，說(shuō)明改進(jìn)型轉(zhuǎn)化器對(duì)原機(jī)的功率影響較小，與原轉(zhuǎn)化器相比，輸出的功率得到很好的改善。

2．扭矩曲線(xiàn)圖

結(jié)果分析：如圖5所示，原轉(zhuǎn)化器的扭矩與原機(jī)的扭矩差值比較明顯，平均在20（N·M）左右。而改進(jìn)型轉(zhuǎn)化器的輸出扭矩和原機(jī)的扭矩值相差很小，平均在10（N·M）以下的差額。改進(jìn)型轉(zhuǎn)化器對(duì)原機(jī)的扭矩略有影響，而原轉(zhuǎn)化器對(duì)原機(jī)的影響比較大，改進(jìn)型轉(zhuǎn)化器比原轉(zhuǎn)化器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響大大改善。

圖4 功率曲線(xiàn)圖

圖5 扭矩曲線(xiàn)圖

3．油耗量曲線(xiàn)圖

結(jié)果分析：如圖6所示，原機(jī)和安裝了原轉(zhuǎn)化器的發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油量沒(méi)有明顯變化，而安裝了改進(jìn)型轉(zhuǎn)化器的耗油量在每個(gè)工況下都有所降低，平均降幅在2Kg／h左右，說(shuō)明燃油經(jīng)濟(jì)性提高。

4．HC的排放量曲線(xiàn)圖

結(jié)果分析：如圖7所示，由HC的排放量曲線(xiàn)可以看出，原機(jī)和原轉(zhuǎn)換器的HC排放量隨著轉(zhuǎn)速的升高而降低，改進(jìn)型轉(zhuǎn)化器的HC排放量低于原轉(zhuǎn)換器，改進(jìn)型轉(zhuǎn)化器對(duì)HC的凈化效率比原轉(zhuǎn)化器的凈化效果有明顯改善。

圖6 油耗量曲線(xiàn)圖

圖7 HC排放曲線(xiàn)圖

5．CO排放量曲線(xiàn)圖

結(jié)果分析：如圖8所示，由CO的排放量曲線(xiàn)可以看出，排放量隨著轉(zhuǎn)速的升高而提高，原轉(zhuǎn)化器的凈化效果隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高凈化能力越來(lái)越弱，而改進(jìn)型轉(zhuǎn)化器的凈化效果雖然也有隨轉(zhuǎn)速增加而逐漸降低的現(xiàn)象，但是凈化率卻比原轉(zhuǎn)化器有所提高。

6．NOX排放量曲線(xiàn)圖

結(jié)果分析：如圖9所示，三種狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)轉(zhuǎn)速的NOX排放量基本呈現(xiàn)水平線(xiàn)形式，沒(méi)有明顯波動(dòng)。但排放量卻大不相同，原機(jī)的排放量基本維持在2500ppm－3000ppm范圍內(nèi)。而另兩種狀態(tài)的排放量接近0ppm，需對(duì)這兩種狀態(tài)的NOX排放量進(jìn)行單獨(dú)比較。可以明顯得出的結(jié)論是原轉(zhuǎn)化器和改進(jìn)型轉(zhuǎn)化器對(duì)NOX排放量的凈化效果非常好。

圖8 CO排放曲線(xiàn)圖

圖9 NOX排放曲線(xiàn)圖

圖10 安裝兩種轉(zhuǎn)化器NOX排放曲線(xiàn)圖

7．原轉(zhuǎn)化器和改進(jìn)型轉(zhuǎn)化器對(duì)NOX的比較

結(jié)果分析：如圖10所示，從圖中可以看出原轉(zhuǎn)化器在1500r／min－2000r／min范圍內(nèi)隨轉(zhuǎn)速的提高凈化率急速提高。在大于2000r／min的工況下凈化率維持在很好的水平，而改進(jìn)型轉(zhuǎn)化器在的凈化效率一直很高，比原轉(zhuǎn)化器的凈化效果好。

五、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，短長(zhǎng)型轉(zhuǎn)化器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩輸出和油耗方面都有一定的改善作用，對(duì)尾氣中有害成分的凈化效率比原轉(zhuǎn)化器要優(yōu)秀很多。短長(zhǎng)型轉(zhuǎn)化器無(wú)論在與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配上還是對(duì)尾氣的凈化效果上都有顯著的優(yōu)勢(shì)，可以作為生產(chǎn)的改進(jìn)方案。

［1］王春旋．催化轉(zhuǎn)化器起燃特性與多結(jié)構(gòu)流場(chǎng)仿真研究［D］．廣州：華南理工大學(xué)，2010．

［2］許建民．車(chē)用催化轉(zhuǎn)換器氣流特性分析［J］．重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，（06）：105－108．

［3］毛 麗．影響三元催化轉(zhuǎn)化器整體設(shè)計(jì)的因素分析［J］．公路與汽運(yùn)，2007，（04）：6－8．

Experimental Study on Purification Performance of Three－way Catalytic Converter Based on the External Characteristics of Engine

LI Xin，DU Hui－qi
（Tianjin Sino－German Vocational Technical College，Tianjin，China 300350）

through the external characteristic experiment of the engine，the article measures and analyzes the engine power，fuel consumption and exhaust respectively under the three states of not being fitted with catalytic converters，installation of the original catalytic converters and installation of improved catalytic converters，which is of great significance to the optimization of the structure design of the three－way catalytic converter and the efficiency of improving the purification of the three－way catalytic converter．

engine；external characteristic；three－way catalytic converter

U467．2

A

1673－582X（2012）08－0041－04

2012－02－20

李欣（1975－），天津市人，天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院資產(chǎn)管理處，本科，公共管理專(zhuān)業(yè)，主要從事實(shí)訓(xùn)室建設(shè)項(xiàng)目采購(gòu)管理、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與設(shè)備管理。