浅谈汽车的排放系统设计

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　　摘要：文章对汽车尾气排放系统设计的必要性及其功能进行了论述，并且对排气后处理所要研究解决的主要问题进行了详细的分析，对排放系统设计及催化剂发展的趋势进行了展望。
　　关键词：汽车 排放系统 设计
　　前言：为了使汽车发动机的排放达到较低的法规要求，仅仅靠改善燃料品质及发动机工作过程是不能实现的。需要通过排气后处理系统才能达到目的。目前国内大部分汽车还没有排气后处理装置，然而根据发展的趋势，笔者认为汽车不仅需要装后处理器，而是要设计控制排放的整个系统，成为发动机供油、冷却、润滑等系统之外的一个新系统，简称为排放系统。汽车发动机研究及生产部门正投入更多的人力及财力，从事有关排放系统的基础研究、应用技术研究及产品设计开发。
　　1.设计排放系统的必要性及其功能
　　将发动机排气后处理装置作为一个单独的系统设计，除了因为降低排放日益显得重要外,还有下列原因:
　　1.1 低排放、低油耗及高功率是现代车用发动机追求的主要目标，然而有些发动机参数的控制及措施对实现这三大目标是矛盾的，例如混合气空燃比的控制，为了实现低油耗及低CO2排放，需要采用稀混合气燃料，而当前使用的三元催化剂并不能适应稀混合气的燃烧。如果将降低排放作为单独的系统处理，就能较好地解决矛盾。
　　1.2 现有排气系统除了要考虑降低排放外，还要考虑降低噪声及排气热量的利用，因此要将三者统一起来，纳入一个新的系统――排放系统。
　　1.3 至今无论发动机排气系统或者后处理装置的方案及型式较多，随着公司及发动机系列不同而不同。同时现代汽车使用燃料的种类又增多，使用的燃料不同，排放物的组成降低排放物的对策也不同，很有必要将排放问题从一个系统角度考虑，逐步实现规范化、标准化或者模块化，设计若干规范化的部件，根据不同汽车发动机的具体情况及要求，用相应的模块组装，这样也有利于降低成本及维修费用。
　　1.4 现代电子技术及发动机可变技术的发展，有可能将原来发动机排气管路的设计与降低排放结合起来，成为一个单独的排放系统进行设计。
　　1.5 排放系统的功能首先应能降低汽车排放物，满足排放法规的要求。同时也应该考虑如何既能降低噪声，又能使系统的流动阻力较小，妥善解决降低排放及噪声与提高发动机动力性能与燃油经济性之间的矛盾，其次是如何利用排气的热量，有利于降低排放及提高发动机动力性及燃油经济性。
　　2.排气后处理所要研究解决的主要问题
　　研究和设计汽车发动机排放系统必须要了解存在的问题。目前车用发动机排气后处理存
　　在的主要问题如下:
　　2.1 “点火”温度较高。催化剂都要在较高的温度下才能对排放物起催化作用，即所谓“点火”温度较高。因此在发动机冷起动及低温下工作时,排气温度低，HC 及CO 排放高,而催化剂却不能对它们起催化、转化的作用。
　　2.2 不能同时适应理论空燃比及稀混合气的需要一般三元催化剂适合在发动机使用理论空燃比混合气时，同时对HC、CO 及NOx 起催化转化作用。而在使用稀混合气时，排气中氧含量多对NOx 的还原作用就低。
　　2.3 微粒过滤器再生的技术较复杂。柴油机微粒过滤器工作一段时间后，其中微粒增多后，使排气阻力增加，需要将其中微粒烧掉及排除掉，尽管已有多种技术可使微粒过滤器的功能恢复，但是仍需研究出一种更简单的办法。
　　2.4 贵重金属价格高。催化剂中需要有铂(Pt)、钯(Pd) 及铑(Rh )等贵金属，这些金属资源不丰富，价格高。需要寻求资源丰富、价格低的金属作催化剂用。
　　3.排放系统设计及催化剂发展的趋势
　　根据未来排放法规的要求、目前排气后处理的现状及问题以及有关技术的发展，排放系统设计及催化剂的发展将着重如下几个方面：
　　3.1 重视催化机理的基础研究
　　过去较长时间内，提高催化剂的效率主要靠选择、配对及不同质量比例等进行试验、筛选。今后将要进行更多的基础研究及微观分析。催化剂现代理论是“活性部位”学说为基础。活性部位就是指催化材料晶体上的点。在这些点上，催化剂促使排气中一些成分，被吸附在上面进行化学反应。
　　在气体或液体分子在固体表面形成吸附现象的过程中，一部分能量要与表面均分，导致被吸附的分子内的原子之间的结合键被削弱，分子中的原子与原子结合得不够紧密，容易与排气中其它原子起化学反应，结合在一起，形成低能量状态的反应产物。这些反应产物在一定温度下，能够从“ 活性部位”解脱出来。让催化材料晶体上的点空出来，为后续类似的反应创造条件。
　　3.2 加强排放系统的空气动力学研究
　　过去对发动机缸内气体流动研究得较多。现代及未来将致力于排放系统气体动力学的研究，该研究包括以下几方面内容:
　　（1）降低排气阻力及噪声的研究
　　同时降低排气噪声又降低阻力是对立的两个方面，通过气体动力学的研究，利用其本身的特性，能更好地解决这一矛盾。
　　（2）单独进行排放系统所需空燃比的调节
　　提高发动机性能，降低油耗所需要的空燃比与提高催化效率所需要的空燃比是不一样的,存在一些矛盾。未来发展的趋势是采取一些措施，调节排放催化系统中的“ 空燃比”，或者说调节其含氧量，这样使发动机本身及排放系统空燃比的调节分开，使两者都能得到最大的效益。
　　（3）研究适合稀燃需要的催化剂
　　发动机采用稀混合气快速燃烧技术的日益增多。二冲程发动机也日益受到重视，采用燃油直接喷入气缸及稀燃的技术，可以使二程机兼备高比功率及低油耗的优点。然而需要开发适应稀燃发动机的新型催化剂，以便能在含氧量较多的排气中，也能使NOx 还原转化。
　　（4）研究开发适合清洁燃料发动机的排放系统
　　使用醇燃料、气体燃料及灵活燃料的汽车排气中的成分有所变化，增加了未燃醇、甲烷、甲醛及乙醛等，这些排放物同样污染大气环境，影响人类健康及生态的平衡。现有催化剂不能很好地抑制、消除这些排放物。需要根据这些排放物生成的特点、氧化转化机理及条件，研究新的催化剂及排放系统。
　　结束语：
　　汽车排放的污染物严重影响人体健康，密集而高耸的大厦亦间接令汽车排放的污染物积聚而历久不散，使城市民都暴露于高浓度的汽车空气污染物当中。所以，在汽车的设计过程中，必须重视对排放系统的设计，使汽车的发展逐步趋向于清洁、环保
　　参考文献：
　　[1]钱耀义,马忠杰.《汽车蒸发排放控制系统的设计》.汽车工程,2004
　　[2]李国良,钱耀义.《汽车蒸发排放控制技术的研究》.机械工程学报,2002
　　[3]陆叶.《汽车排放控制系统的设计策略探讨》.环境污染与防治,2006
　　

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