基于发动机外特性实验的三元催化转换器净化性能研究

李 欣，杜慧起

（天津中德职业技术学院，天津 300350）

基于发动机外特性实验的三元催化转换器净化性能研究

李 欣，杜慧起

（天津中德职业技术学院，天津 300350）

文章通过发动机外特性实验，分别对没有安装催化器、安装原催化器和安装改进型催化器三种状态下发动机功率、油耗和尾气进行测量分析，对优化三元催化转化器结构设计及改善三元催化转化器净化效率等方面具有重要意义。

发动机；外特性；三元催化转化器

一、引言

三元催化转换器是将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的CO2、H2O和N2。三元催化转换器示意图如图1所示。影响三元催化转化器净化效率的主要因素有催化剂的成分和配比、载体结构和材料以及与发动机的匹配等因素，这些方面的研究受到人们普遍重视。然而，催化器壳体结构对催化器性能的影响所往往被人们忽视。催化器壳体结构设计是否合理，直接影响催化器内部流场的分布，影响气流通过载体的均匀性，进而影响催化转化器的净化效率，还会影响其使用寿命。本文是在对催化器壳体结构进行优化设计之后，通过发动机外特性实验对催化器优化设计结果进行验证研究。

图1 三元催化转换器工作原理示意图

二、实验基础

对国内某轻型汽车用三元催化转化器内部流场进行二维数值分析，通过改变催化转化器有关结构参数，设计了5款催化转换器壳体结构改进方案，建立每款催化转化器对应数学模型，利用流体力学软件对催化转化器内部流场进行了数值模拟，比较了不同结构对气流的影响作用，最终选择了改善气流效果最优秀的短长型模型作为三元催化转化器改进方案，并试制催化转化器改进方案实物。在此基础上，对没有安装催化转换器（原机）、安装原催化转换器（原转换器）和安装试制改进型催化转换器（改进型转换器）的净化效率进行实验比较。图2、图3为安装在发动机台架上的催化转换器实物图。

图2 安装在发动机台架上的原三元催化转化器

图3 短长型三元催化转化器

三、实验条件

本实验是在发动机性能实验室完成的，采用的主要仪器设备有：电控汽油发动机、发动机数控系统、电涡流测功机、废气分析仪等。

1．发动机技术状况良好，并已经磨合，磨合应符合制造厂技术文件的规定。

2．在实验室测量中，发动机应在标定功率和相应转速下稳定运转。机油温度、冷却液温度达到正常工作状态。

3．排气装置上不可有任何可能使发动机排气稀释的空隙。

4．测功机的转速、扭矩、功率、耗油量等应符合相应的精度。

5．尾气分析仪测试前准备正常。

6．三元催化转化器按规定安装，并保证不漏气、不松脱，以免影响其净化效果。

四、实验数据分析

做发动机外特性实验，逐渐调整油门和速度，调整到油门100% ，转速调整为1500r／min，待发动机运行稳定后，开始记录功率、扭矩、油耗、排气温度、冷却液出水温度、机油温度以及排气中HC、CO、CO2、NOX各个成分的数据。按照上面的方法再测量2000 r／min、2500 r／min、3000 r／min、3500 r／min转速下的相关数据。通过对记录数据进行处理，得到以下功率、油耗以及有害气体含量的比较曲线图。

1．功率曲线图

结果分析：如图4所示，从功率曲线图可以得到，三种发动机测得功率基本都是随着发动机转速的增加而提高，而且安装原转化器比原机的功率要低些，并且随着转速的增加两者的差额逐渐变大，说明对发动机的功率随着转速的增加而造成的负面影响增大。而改进型转化器的输出功率与原机的功率略低，说明改进型转化器对原机的功率影响较小，与原转化器相比，输出的功率得到很好的改善。

2．扭矩曲线图

结果分析：如图5所示，原转化器的扭矩与原机的扭矩差值比较明显，平均在20（N·M）左右。而改进型转化器的输出扭矩和原机的扭矩值相差很小，平均在10（N·M）以下的差额。改进型转化器对原机的扭矩略有影响，而原转化器对原机的影响比较大，改进型转化器比原转化器对发动机的影响大大改善。

图4 功率曲线图

图5 扭矩曲线图

3．油耗量曲线图

结果分析：如图6所示，原机和安装了原转化器的发动机的耗油量没有明显变化，而安装了改进型转化器的耗油量在每个工况下都有所降低，平均降幅在2Kg／h左右，说明燃油经济性提高。

4．HC的排放量曲线图

结果分析：如图7所示，由HC的排放量曲线可以看出，原机和原转换器的HC排放量随着转速的升高而降低，改进型转化器的HC排放量低于原转换器，改进型转化器对HC的净化效率比原转化器的净化效果有明显改善。

图6 油耗量曲线图

图7 HC排放曲线图

5．CO排放量曲线图

结果分析：如图8所示，由CO的排放量曲线可以看出，排放量随着转速的升高而提高，原转化器的净化效果随发动机转速升高净化能力越来越弱，而改进型转化器的净化效果虽然也有随转速增加而逐渐降低的现象，但是净化率却比原转化器有所提高。

6．NOX排放量曲线图

结果分析：如图9所示，三种状态下发动机各个转速的NOX排放量基本呈现水平线形式，没有明显波动。但排放量却大不相同，原机的排放量基本维持在2500ppm－3000ppm范围内。而另两种状态的排放量接近0ppm，需对这两种状态的NOX排放量进行单独比较。可以明显得出的结论是原转化器和改进型转化器对NOX排放量的净化效果非常好。

图8 CO排放曲线图

图9 NOX排放曲线图

图10 安装两种转化器NOX排放曲线图

7．原转化器和改进型转化器对NOX的比较

结果分析：如图10所示，从图中可以看出原转化器在1500r／min－2000r／min范围内随转速的提高净化率急速提高。在大于2000r／min的工况下净化率维持在很好的水平，而改进型转化器在的净化效率一直很高，比原转化器的净化效果好。

五、结束语

通过发动机外特性实验结果分析，短长型转化器对发动机的功率、扭矩输出和油耗方面都有一定的改善作用，对尾气中有害成分的净化效率比原转化器要优秀很多。短长型转化器无论在与发动机匹配上还是对尾气的净化效果上都有显著的优势，可以作为生产的改进方案。

［1］王春旋．催化转化器起燃特性与多结构流场仿真研究［D］．广州：华南理工大学，2010．

［2］许建民．车用催化转换器气流特性分析［J］．重庆科技学院学报：自然科学版，2009，（06）：105－108．

［3］毛 丽．影响三元催化转化器整体设计的因素分析［J］．公路与汽运，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，天津中德职业技术学院资产管理处，本科，公共管理专业，主要从事实训室建设项目采购管理、实验室建设与设备管理。