浅析汽油发动机可燃混合气燃烧及三元催化转化器工作机理

2021-10-13郑州中升裕迪汽车销售服务有限公司任贺新

汽车维护与修理 2021年5期

郑州中升裕迪汽车销售服务有限公司任贺新

1 可燃混合气对汽油发动机性能的影响

为了保证汽油发动机正常运行，需要提供合适浓度的可燃混合气，可燃混合气浓度决定燃烧时的燃烧速度、气缸压力及火焰温度等，进而决定汽油发动机的工作性能，可使用空燃比及过量空气系数对可燃混合气浓度进行评价。

1.1 空燃比

空燃比是指可燃混合气中空气质量与燃油质量之比。对于汽油发动机来说，当空气质量与汽油质量之比为14.7:1时，可燃混合气刚好可以完全燃烧，此时的空燃比称为理论空燃比，即完全燃烧1 kg汽油需要约14.7 kg空气，如果使用体积比来表示，即完全燃烧1 L汽油需要约9 500 L空气。

1.2 过量空气系数

过量空气系数可用λ表示，是指实际供给的空气质量与理论上燃油完全燃烧时所需的空气质量之比，即实际空燃比与理论空燃比之比。

对于汽油发动机来说，当λ=1时，说明空燃比等于14.7，即实际供给的空气质量完全符合理论上汽油完全燃烧时所需的空气质量；当λ<1时，说明空燃比小于14.7，即实际供给的空气质量小于理论上汽油完全燃烧时所需的空气质量，形成了浓混合气；当λ>1时，说明空燃比大于14.7，即实际供给的空气质量大于理论上汽油完全燃烧时所需的空气质量，形成了稀混合气。

1.3 空燃比对汽油发动机动力性和经济性的影响

由图1可知，当空燃比在12～13时，输出功率最大，此时的空燃比称为功率空燃比，由于可燃混合气较浓，汽油无法完全燃烧，油耗率也较高；当空燃比在13.5～14时，火焰温度最高，汽油发动机升温加快；当空燃比在16左右时，油耗率最低，此时汽油燃烧最完全，而火焰温度及输出功率均已下降，此时的空燃比称为经济空燃比。如果空燃比继续增加，可燃混合气浓度越来越稀，当超过燃烧极限时，就会出现失火现象，油耗率反而升高。

图1 汽油发动机火焰温度、输出功率及油耗与空燃比之间的关系

根据以上分析可以看出，提高输出功率与降低油耗率是2个矛盾的指标，想要提升汽油发动机的动力性，就要提高输出功率，油耗必然会增加，使汽油发动机的经济性下降，反之亦然。当空燃比大于18或小于12时，汽油发动机的动力性与经济性都会下降，因此，汽油发动机的可燃混合气浓度通常控制在功率空燃比与经济空燃比之间，使汽油发动机保持较好的使用性能。

2 汽油发动机尾气分析

2.1 汽油发动机尾气组成

空气主要由氮气、氧气及其他气体构成，其中氮气在空气中占比约为78%，氧气在空气中占比约为21%，剩余的1%都是其他气体。汽油主要成分是碳氢化合物，理想条件下，汽油完全燃烧仅生成水蒸气和二氧化碳。由于空燃比不同及燃烧室燃烧条件不理想等因素，汽油在燃烧时产生了很多其他成分，其中就包括有害物质。

当汽油发动机预热到正常工作温度，并提供理论空燃比的可燃混合气进行燃烧，在没有经过三元催化转化器处理的情况下，汽油发动机尾气成分主要为71%的氮气、14%的二氧化碳、13%的水蒸气、1%的混合气体及1%的有害物质，由于汽油发动机工况及工作环境的影响，汽油发动机尾气成分可能会有偏差。

汽油发动机尾气中的氮气、二氧化碳及水蒸气为无毒物质，氮气是一种惰性气体，吸入燃烧室的空气中的氮气，基本不参与燃烧，大部分仍以氮气的形式随汽油发动机尾气排出。可燃混合气燃烧时，碳与氧结合生成二氧化碳，由于二氧化碳是碳完全燃烧时的产物，所以只能通过降低油耗来减少二氧化碳的排放。可燃混合气燃烧时，氢与氧结合生成水蒸气，水蒸气遇冷时会出现凝结现象，因此在寒冷天气下用车时，能看见排气管中排出水雾。

2.2 有害物质生成机理

2.2.1 一氧化碳

一氧化碳主要是由于可燃混合气过浓，缺少氧气无法完全燃烧造成的。燃烧时可燃混合气过稀也会产生一氧化碳，这是由于燃烧室中可燃混合气混合不均匀，局部可燃混合气过浓导致燃烧不完全造成的。

一氧化碳是一种无色无味的有毒气体，如果动物吸入过多的一氧化碳会使大脑缺氧，严重时可致死，因此除非配备良好的排气抽风系统，汽油发动机是不允许在完全封闭的空间内运行的。

2.2.2 氮氧化合物

氮氧化合物是氮气在燃烧室高温、高压、富氧的环境下进行氧化反应形成的，氮氧化合物中大部分是一氧化氮，少部分是二氧化氮。无色无味的一氧化氮在空气中会完全氧化成二氧化氮，二氧化氮是一种棕红色、带有刺激性气味的有毒气体，吸入人体后会刺激鼻子和喉咙，危害健康，除此之外，氮氧化合物也会导致光化学烟雾和酸雨的产生。

2.2.3 碳氢化合物

汽油的主要成分就是碳氢化合物，当汽油发动机工作时，部分没有燃烧的可燃混合气就会随着汽油发动机尾气排出。比如气缸壁的激冷作用就会导致碳氢化合物的生成，燃烧室中气缸壁的温度远低于可燃混合气燃烧时的火焰温度，当火焰传到气缸壁附近时，产生激冷作用，火焰熄灭，导致部分可燃混合气没有燃烧。此外，汽油发动机工作时在燃烧室形成的高压条件会将部分没有燃烧的可燃混合气压入活塞顶部第一道活塞环间隙、火花塞陶瓷电极缝隙及进排气门缝隙等部位，在排气冲程燃烧室压力下降后，这些没有燃烧的可燃混合气会随着汽油发动机尾排出。

2.2.4 微粒

汽油发动机尾气中的固体以微粒形式存在，源于可燃混合气不完全燃烧，汽油发动机在冷起动和暖机期间容易产生微粒。微粒就是不同尺寸和表面积的炭烟颗粒，可燃混合气局部过浓，燃烧时容易形成微粒。

2.3 空燃比对汽油发动机尾气中有害物质的影响

由图2可知，汽油发动机尾气中有害物质排放量（未经三元催化转化器处理的数据）与空燃比有较大关联。

图2 空燃比对汽油发动机尾气中有害物质的影响

（1）空燃比越低，一氧化碳的排放量就越多，当空燃比为16时，一氧化碳的排放量趋于0，此时空燃比继续增大，一氧化碳的排放量也不会有较大变化。

（2）空燃比在16左右时，氮氧化合物排放量最多，空燃比逐渐增大或逐渐减小，氮氧化合物排放量均会迅速降低，当空燃比较小时，燃烧时可利用的氧气不足，氮氧化合物的生成量减少；当空燃比过大时，火焰温度和燃烧速较低，也导致氮氧化合物生成量减少。

（3）空燃比在17以内时，随着空燃比的逐渐增大，可燃混合气燃烧越完全，碳氢化合物的排放量逐渐减小。当空燃比超过17以后，空燃比逐渐增大，火焰无法完全传播甚至出现失火现象，导致碳氢化合物排放量迅速增加。

3 三元催化转化器

汽油发动机尾气最有效的净化方式就是使用三元催化转化器进行处理，三元催化转化器可以转化99%以上理论空燃比下可燃混合气燃烧生成的有害物质。

3.1 三元催化转化器结构

三元催化转化器主要由壳体、载体、载体涂层及催化涂层组成（图3），载体有陶瓷载体和金属载体两种结构，目前应用较多的是陶瓷载体，陶瓷载体含有几千个贯通的蜂窝状小通道。载体涂层可将三元催化转化器表面积增大7 000倍，1 L的载体涂层展开面积可以达一个足球场的大小。

图3 三元催化转化器的组成

催化涂层包括贵金属铂、钯和铑，贵金属本身不参与化学反应，主要充当催化剂的作用，所以不会有损耗，其中铂和钯加速碳氢化合物和一氧化碳的氧化反应，铑加速氮氧化合物的还原反应。三元催化转化器中贵金属的含量为1 g～5 g，贵金属含量的多少与汽油发动机排量、汽油发动机尾气温度及相关的排放标准有关。

3.2 有害物质转化

三元催化转化器可将可燃混合气燃烧时产生的碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化合物等有害物质转化成水蒸气、二氧化碳和氮气等无害物质。

有害物质的转化过程可分为氧化反应和还原反应，一氧化碳通过氧化反应转化为二氧化碳（2CO+O2→2CO2）；碳氢化合物通过氧化反应转化为二氧化碳和水（2C2H6+7O2→4CO2+6H2O）；一氧化氮通过还原反应转化为氮气和二氧化碳（2NO+2CO→N2+2CO2）；二氧化氮通过还原反应转化为氮气、氧气和二氧化碳（2NO2+2CO→N2+O2+2CO2）。

3.3 过量空气系数对三元催化转化器转化效果的影响

由图4可知，当λ<1时，可燃混合气偏浓，由于氧气不足，使得碳氢化合物和一氧化碳无法进行氧化反应，导致汽油发动机尾气中碳氢化合物和一氧化碳含量较高，由于此时生成了大量的一氧化碳，形成了良好的还原反应条件，使得氮氧化合物获得较好的转化效果。

图4 过量空气系数与有害物质转化效果关系图

当λ>1时，可燃混合气偏稀，由于氧气充足，碳氢化合物和一氧化碳与氧气进行氧化反应，使得碳氢化合物和一氧化碳获得较好的转化效果，此时还原反应很难进行，汽油发动机尾气中氮氧化合物含量陡然升高。

当λ=1时，氧化反应及还原反应达到平衡状态，氮氧化合物进行还原反应，达到较好的转化效果，同时汽油发动机尾气中残余氧气和氮氧化合物还原反应生成的氧气使得碳氢化合物和一氧化碳完全氧化，有害物质的排放量都比较低。

3.4 三元催化转化器的储氧能力

三元催化转化器的载体涂层中含有储氧物质，主要成分就是氧化铈，它能够储存和释放氧气（2Ce2O3+O24CeO2），用来补偿空燃比的轻微变化。三元催化转化器的储氧能力与贵金属催化转化能力成正比，换句话说，三元催化转化器的储氧能力是转化有害物质能力的度量参数，这2个能力都会随着使用时间的增加逐渐削弱，发动机控制单元会通过对比三元催化转化器前氧传感器与后氧传感器的信号电压来间接判定三元催化转化器的储氧能力。

3.5 三元催化转化器的工作温度

一般情况下，三元催化转化器在工作温度达到300 ℃时才开始对有害物质进行转化，为了实现三元催化转化器高效率且高寿命的工作，最好将工作温度保持在400 ℃～800 ℃，当工作温度在800 ℃～1 000 ℃时，贵金属会烧结在载体涂层的表面，减小了有效催化的接触面积。

当工作温度超过1 000 ℃时，三元催化转化器会因为工作温度过高完全失去功能。比如汽油发动机出现失火故障时，部分没有燃烧的可燃混合气就可能进入排气管道并进行燃烧，此时三元催化转化器的工作温度就会达到1 400 ℃，三元催化转化器内的载体将会熔化，并导致三元催化转化器彻底损坏。

3.6 三元催化转化器的布置方式

三元催化转化器需求的工作温度限制了其随意布置的可能性，三元催化转化器常见的布置方式是分开安装，即采用2个三元催化转化器，其中前三元催化转化器安装位置离汽油发动机较近，因此前三元催化转化器可以在汽油发动机冷起动后快速达到工作温度，但在汽油发动机正常工作后会承受非常大的热负荷，为此前三元催化转化器的载体涂层就要具有较强的耐高温稳定性；后三元催化转化器安装在车辆底盘下，由于离汽油发动机较远，承受的热负荷较小，汽油发动机冷起动后，需要更长时间达到需求的工作温度。

还有一种串联式布置三元催化转化器的方案，将2个三元催化转化器串联安装在同一个壳体中，2个三元催化转化器的载体被空气间隙隔开（图5）。这种布置方式允许2个三元催化转化器中贵金属含量、载体及蜂窝密度等指标有所差别，为了在汽油发动机冷起动时快速达到工作温度，三元催化转化器2就会设计有较大的贵金属含量及蜂窝密度。