浅析内燃机车尾气催化器的技术可行性

【摘 要】 在环境保护日益重要的今天，作为铁路运输重要组成部分的内燃机车却没有得到技术上的革新，大功率柴油机的废气排放成为铁路系统重要的污染源之一。利用催化原理使柴油机尾气中的有害物质降低是解决尾气污染的可行之道。本文首先介绍了催化器的原理及应用，随后又对其检测和维护进行阐述。

【关键词】 尾气催化器  氧化还原反应  铁路内燃机车

近年来铁路通过大规模的电气化改造已经使电力机车成为客货运的主力，铁路机车的环保状况也随之大为改善。然而作为铁路运输重要组成部分的内燃机车却长期没有得到技术上的革新，大功率柴油机的废气排放成为铁路系统重要的污染源之一。本文就尾气催化器在内燃机车上应用的可行性进行简要分析。

1 催化器原理及应用

汽油机上普遍使用三元催化器进行尾气处理，利用催化剂将汽油机尾气中的CO2，HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为低害或无害的CO2，H2O，N2。

氧化反应：CO+O2CO2  还原反应：CO+NOCO2+N2

H2+O2H2O               HC+NOCO2+N2+H2O

HC+O2H2O+CO2      H2+NOH2O+N2

三元催化器的广泛使用使汽车排气质量大为提高。以此设想，借鉴三元催化器的思路，结合柴油机尾气特性，针对柴油机的尾气催化使其中的有害气体和固体微粒得以降低。

2 柴油机尾气特点及催化器设计

柴油机与汽油机相比有其自身的优势，它功率强劲，热效率高，低速扭矩特性好，铁路内燃机车所使用的均是不同型号的柴油机。柴油机尾气的主要组成部分为：H2O：2.6%，O2：15%，CO2：7.1%，N2：75.2%，以及微量颗粒物（PM），一氧化碳CO，碳氢化合物HC，氮氧化合物NOx，二氧化硫SO2，硫酸盐，醛等.其中危害最大，也最难消除的污染物是颗粒物（PM）和氮氧化合物NOX，二者的形成与含量存在相互制约关系，PM是在高温缺氧区产生的，NOX却是在高温富氧区产生的，努力减少其中一个，必然导致另一污染物的增加，所以仅仅通过单一的措施改变柴油机内部的方式同时降低NOX和PM的排放是非常困难的。由于柴油机有诸多与汽油机不同之处，简单的将针对汽油机的三元催化器安装在柴油机上是不可取的，主要原因为以下三点：（1）柴油机废气中的氧含量很高，氧化氛围中对NOx进行还原反应难度较大，对催化剂的还原性要求很高，普通催化剂难以胜任。（2）柴油机的排气温度较汽油机相比低很多，较低的排气温度不利于催化反应的发生，使反应不彻底，污染物消耗残留过多。（3）柴油机排气中含有大量颗粒物和SOx，这些物质会附着在催化器的内部，使催化剂中毒，进而使催化器净化效率降低甚至失效。

为使PM，CO，HC，NOX互为还原剂和氧化剂，在同一催化剂床层上除去。由蜂窝陶瓷负载催化剂构成，使用DPF碳化硅对尾气中的碳烟颗粒物进行过滤，确保NOx的转化率和HC，CO，碳烟颗粒物中的可溶有机成分的氧化效果。添加NOx触媒吸附剂的Pt基并选择还原催化剂NOX-SCR，利用催化还原反应净化NOx。将HC，CO和碳烟颗粒中的可溶有机成分在氧化的Pt基氧化触媒催化剂上进行氧化反应，在此阶段加强氧化效果可抑制SO2生成。在最佳使用状态下理论上CO和HC可减少95%，PM可减少90%，NOx可减少60%。

3 催化器对柴油机的影响及其检测方法

3.1 催化器对柴油机排气的影响

在柴油机排气系统上使用催化器会增加排气阻力进而影响柴油机的输出功率，但正常工况下的柴油机留有较大的功率余量，且催化器的阻力损耗较柴油机的额定功率相比仅占非常小的比例，因而不会对柴油机的功率输出产生大的影响。适度的排气阻力对柴油机而言也是必要的。气缸内有燃烧室，活塞到上止点时并不能完全的将燃烧室的空间全部填充。也就意味着，仅靠活塞的运动是无法将这部分空气排出的，这就需要依靠新鲜混合气的压力将这些剩余的废气排出。但这个过程必然损失一部分新鲜空气，要做到尽量损失较少的新鲜空气而将废气尽可能的排尽，两者的压力差要控制的非常得当。加装催化器的柴油机排气阻力有所增加，应适度增加进气压力以平衡排气压力，防止出现新鲜空气与废气压力差过小，导致废气残存增多，使柴油燃烧不充分，功率下降。

3.2 催化器的检测方法

催化器需要定期检测，可采用背压实验检测催化器的机械性能，加热催化方式检测转化率。背压实验：在催化器的前端排气管的适当位置预留压力检测孔，连接压力表，启动柴油机后在怠速和额定转速时分别测量排气背压，如果排气背压在限定值以内则表明催化剂载体没有被阻塞。如果排气背压超过柴油机所规定的限定值，则需将催化器后端的排气系统拆掉，重复以上实验，如果排气背压仍然超过限定值则说明催化器阻塞，如果排气背压下降到正常范围，则说明后部排气系统阻塞。加热催化：催化器在正常工作状态下，由于氧化反应产生了大量的反应热，因此通过温差对比来判断催化器性能的好坏。启动柴油机，预热至正常工作温度，将柴油机调整到额定转速，用温度计测量催化器进口和出口的温度。正常情况下，催化器出口温度应至少高于进口温度10-15%，如果出口温度低于以上范围则催化器转化不正常，如果出口温度过高于则说明废气中含有异常高浓度的CO和HC，需要对柴油机本身做进一步的检查。

4 催化器失效因素及注意事项

催化器在使用过程中要注意危害因素的存在。温度过高，慢性中毒，表面积碳，排气恶化是主要的失效原因。催化器工作需要一定的温度，但当排气温度过高甚至超过1000℃时会导致内涂层的催化剂烧结坏死，所以必须注意控制造成排气温度过高的各种因素，如点火时间过迟或点火次序错乱，断火等，这都会使未燃尽的混合气进入催化器，造成排气温度过高。催化剂对硫，铅，磷.锌等元素非常敏感，硫和铅来自于燃油，磷和锌来自于润滑油，这些物质及其燃烧形成的氧化物容易吸附在催化剂的表面，从而失去催化作用，即所谓的“中毒”现象。当柴油机长期处在低温状态时，催化器无法启动，柴油机排出的碳烟会附着在催化剂表面造成无法与CO和HC接触，甚至堵塞孔隙，影响转化率。催化器对污染物的转化有一定的能力限度，当混合气偏浓时会超过催化剂的能力范围，且由于混合气中有大量HC和CO，会在催化器内产生过度的氧化反应产生大量热量损坏催化器。在使用时应当尽量避免以下几点：（1）不要使用含铅量大的燃油;（2）不要长期怠速运转;（3）点火时间不要延迟;（4）不要在混合气偏浓时持续使用。

5 结语

在铁路内燃机车上应用尾气催化器，借助其催化作用可使柴油机尾气内的害物质转化为低害或无害物质再进行排放，提高柴油机的环保性能。同时，由于柴油机尾气的复杂性还需要更进一步的改进催化器的设计才能高效，可靠的大规模普及应用。

参考文献

[1]程至远，解建光.内燃机排放与净化[M].北京：北京理工大学出版社，2000.

[2]赵成伟.柴油机排放控制技术的探讨[J].车用发动机，2000，（01）.

[3]廖世勇，蒋德明.柴油机排气后处理技术的研究运用及存在的问题[J].内燃机，2002，（03）.

作者简介：李科（1991—），男，汉族，山东济南人，2014年毕业于山东科技大学，电气工程及其自动化专业，2014年就职于济南机务段，主要从

事铁路机车机务检修方面的工作。