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(guó)機(jī)動(dòng)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(duì)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(duì)汽油發(fā)動(dòng)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(shí)凈化，具有使用壽命長(zhǎng)、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(shí)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(duì)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(jià)，使Co以+3、+4價(jià)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(jià)，從而形成更高氧化性能的價(jià)態(tài)，同時(shí)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L(zhǎng)a0.7K0.3Co0.6Mn0.4O3，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(shí)，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(chǎng)增強(qiáng)，從而提高電子能量、催化劑的吸附性和電子空穴對(duì)的形成，誘導(dǎo)一系列氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行[13]，空穴對(duì)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(jiǎn)化模型，便于對(duì)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(duì)空氣黏性系數(shù)的影響； ③ 忽略電極線對(duì)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(gè)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(duì)于本文的穩(wěn)態(tài)不可壓氣流，管道內(nèi)流動(dòng)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(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)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(duì)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(shí)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(shí)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)機(jī)主要參數(shù)

根據(jù)式(19)可知：排氣背壓隨著管道長(zhǎng)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(shí)，排氣背壓隨漸擴(kuò)角和減縮角的增大而減小，且減小趨勢(shì)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(shí)，排氣背壓為30 kPa，均在國(guó)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(tái)架試驗(yàn)與驗(yàn)證

為檢測(cè)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(cè)試驗(yàn)臺(tái)架，如圖4所示。試驗(yàn)主要檢測(cè)凈化器的凈化效率和排氣背壓，試驗(yàn)中采用型號(hào)為EA888型汽油機(jī)，5個(gè)相同的等離子四效凈化器，發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)后預(yù)熱10 min，待發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后開始試驗(yàn)，每隔20 min對(duì)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(cè)試驗(yàn)臺(tái)

3.1 排氣背壓性能檢測(cè)

為檢測(cè)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(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得出不同發(fā)動(dòng)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(shí)間的變化曲線，如圖5所示。根據(jù)圖5可知，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加，排氣背壓不斷升高，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不超過6 h時(shí)，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(shí)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(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間一定時(shí)，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(shí)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(shí)間的變化

3.2 凈化效率性能檢測(cè)

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是影響發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的重要因素，不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)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(cè)等離子四效汽車尾氣凈化器的凈化效率，通過對(duì)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(duì)PM、 NOx、CO和 HC凈化效率隨時(shí)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(shí)間的變化

圖7 不同轉(zhuǎn)速下NOx凈化效率隨時(shí)間的變化

圖8 不同轉(zhuǎn)速下CO凈化效率隨時(shí)間的變化

圖9 不同轉(zhuǎn)速下HC凈化效率隨時(shí)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(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加而增加，且增長(zhǎng)趨勢(shì)相同，由此推測(cè)PM、NOx和CO可相互促進(jìn)凈化，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間超過6 h后，凈化效率趨于穩(wěn)定，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 200 r/min、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間超過8 h時(shí)，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(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不超過2 400 r/min時(shí)，NOx的凈化效率隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 400 r/min、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)超過8 h時(shí)，NOx的凈化效率可達(dá)95%以上，但是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過2 400 r/min時(shí)，NOx的凈化效率稍有下降，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加至2 400 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不超過6 h時(shí)，HC的凈化效率隨時(shí)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 200 r/min、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間達(dá)到7 h時(shí)，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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過高會(huì)引起發(fā)動(dòng)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(huì)組合成HC化合物；綜合圖6～9可知：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 200 r/min時(shí)，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(duì)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(duì)PM、NOx、CO和HC的同時(shí)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(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性，同時(shí)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(shí)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 400 r/min、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(duì)實(shí)車進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，且本試驗(yàn)未對(duì)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)。