详解车辆发动机进排气系统的结构

来源：本站整理作者：佚名 2017-12-04 08:05:42

    三、触媒转化技术
    触媒转换也称三元催化器，催化反应器中使用了催化剂，排气中的有害成分在催化反应器中进行反应，使一氧化碳、未燃碳氢化合物和氧化氮全都变成对人体无害的物质。
    目前，对汽车排放要求越来越严，为了适应排放法规的要求，几乎所有的汽油机轿车都装用了三元催化反应器。三元催化反应器利用催化剂的作用，把上述三种有害物质全都变成对人体无害的物质，这就是三元催化反应。下面简单地介绍一下三元催化反应。
    一氧化碳（CO）→二氧化碳（C02），这是氧化反应。
    碳氢化合物（CH）→水（H20），这也是氧化反应。
    氧化氮（NO2） →氮气（N2），这是还原反应。
    但是三元催化反应的条件比较严格，如果混合气的空燃比不是理论空燃比，上述化学反应就进行得不完全。为了提高三元催化反应的效果，在发动机运转过程中，必须保证混合气的空燃比始终为15 : 1。为了检测混合气空燃比的变化情况使用了氧传感器。
    过去使用多颗粒式三元催化反应器，这种反应器排气阻力大，效果不好。多颗粒式三元催化反应器的芯子是许多小颗粒，在小颗粒上涂覆铂催化剂，然后充填到三元催化反应器壳体内。发动机工作时，废气通过小颗粒的间隙和催化剂接触进行反应。但废气通过多颗粒式三元催化反应器时，压力降很大，即排气阻力过大。另外，废气反应时产生大量的热散发不掉。总之还存在一些有待解决的问题。
    随着整体式三元催化反应器研制成功。该反应器的芯子像蜂房样，中间有许多细小的孔，这样能增加反应器的反应面积。在芯子的内表面上涂覆铂锗系列催化剂。和过去的多颗粒式三元催化反应器相比，整体式三元催化反应器体积小，和排气接触的面积大，排气通过时的阻力小，优点很多。
    只有在温度超过350℃的条件下，三元催化反应器才能进行催化反应。因此，发动机刚起动前后催化反应几乎不能进行。为了提高排气净化的净化率，一般应将三元催化反应器布置在发动机排气管之后，或其他排气温度较高之处。
    奔驰公司为了保证三元催化反应器的作用，在反应器里面布置了加热装置，使三元催化反应器在排气温度较低时也能起作用。
    本田公司1991年型的西比克汽车采用的就是整体式三元催化反应器，其结构见图37。为了防止三元催化反应器万一过热损坏，在三元催化反应器上布置了排气温度传感器。图38所示为宝马车系中使用的三元催化反应器。

    触媒转化反应过程如图39所示。

    1．种类
    触媒大致上有多种分类，依功能分为氧化触媒、还原触媒、三元触媒等。氧化触媒促进燃烧不完全的CO、HC再与O2氧化成CO2及H2O；还原触媒则将原本不应参与反应却因引擎燃烧高温而生成的NOX还原为N2；三元触媒则同时具有氧化和还原的功能。一般排气温度较低NOX排放量较少，故大多只用氧化触媒就够了。
    另外，从构造上可分颗粒式及蜂巢式。颗粒式触媒系以直径2～4mm的氧化铝小颗粒作为载体，表面涂覆活性金属。其优点是触媒颗粒可补充更换，但其缺点是抗振性差、体积较大、暖机时间长、排气阻力大。蜂巢式触媒则为蜂巢式载体，表面涂覆氧化铝以增加与废气接触的表面积。主要的缺点为触媒不可修补，须与排气管共存亡。其优点是抗振性佳、体积较小、反应接触面积大、暖机时间短、排气阻力小。
    蜂巢形触媒依材质不同又分为陶瓷触媒和金属触媒，如图40所示。不管是金属或陶瓷触媒其对污染的转化效率及耐久性均不是问题。图41a所示为两种触媒与发动机动力输出的对比图，图41b为温度与触媒转化效率的关系对比。

    金属触媒的优点：①有较大的几何表面积，废气较易扩散至触媒转化器内。②开口面积大，废气流过阻力小，产生的背压小。因其壁厚可做到0.04～0. 05mm，流阻较壁厚为0. 1～0. 5mm的陶瓷触媒约减少30%。③导热系数高、传热快，温度上升很容易，达触媒开始反应温度所需的时间较短。④结构强度、抗振性佳，顶多变形、较不易损坏，但若制造技术不佳则另当别论。⑤不需装罐，可增加有效接触面积约15%，又因面积变大，废气流速变慢，触媒接触反应的时间变长、其总背压较同体积的陶瓷触媒约减少40%。⑥耐高温能力较强，约耐温1300℃，陶瓷载体则1100～1200℃即产生烧结现象。
    金属触媒的缺点：①热膨胀系数高，当温度或废气散布不均时，容易产生热应力。②导热好，容易因外界的冷却及化学表面处理的影响，使贵重金属i着性变差，较易脱落使触媒转化器失效。③有金属疲劳及热变形的问题。④价格较高，为陶瓷触媒的1. 2～3倍。
    由于陶瓷触媒因易脆、耐振性差、较易烧结、空间需求较大等因素，所以实际应用中金属触媒占绝大多数，成为主流派。另外，有一种加热管（HOT TUBE），它是镀覆了活性物质的金属锥管，其原始目的是为了提升蜂巢式触媒的进口温度，以提高触媒转化效率。而其本身的转化效率为30％～50％，耐久性约10000km，价格则与陶瓷触媒相当，适合作触媒转化器的先锋或污染值较低的小排气量发动机使用。