汽油机尾气后处理系统的优化设计

陈康 刘飞锋

摘要： 本文针对不同工况下汽油机尾气排放特征展开分析，内容包括稳定工况的负载因素、稳定工况的转速与温度因素、冷、热机启动工况排放对比等，结合汽油机尾气后处理系统优化设计内容，通过研究加强反应过程的精密把控、做好催化器工作参数检查、拟定合理可靠的养护计划等注意事项，其目的在于提升尾气后处理系统运行稳定性，提高优化后系统节能性。

Abstract： This article analyzes the characteristics of gasoline engine exhaust emissions under different operating conditions， including load factors in stable operating conditions， speed and temperature factors in stable operating conditions， emission comparison of cold and hot engine starting conditions， etc.， combined with gasoline engine exhaust after-treatment system optimization.

关键词： 汽油机;稳定工况;尾气后处理系统

Key words： gasoline engine;stable working condition;exhaust gas aftertreatment system

中图分类号：U472.43                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）21-0018-02

0  引言

目前汽车所使用的发动机种类包括汽油发动机、柴油发动机等，其中汽油发动机在使用过程中，使用较多的尾气后处理系统是三元催化转化器，该转化器的应用，能够大幅度减少污染物排放量，处理效率在90%以上。但是转化器在应用时，由于其起燃温度相对较高，而汽油发动机冷启动情况下，其对外排气温度比较低，从而影响到转化器的稳定性，对此需要在已有基础上，对于已有后处理系统进行优化设计，从而提升尾气后处理系统工作效率，满足环境管理规范中的管理需求。

1  不同工况下汽油机尾气排放特征分析

1.1 稳定工况的负载因素

汽油机的尾气由HC、CO、NOX组成，这些气体如果不加处理，直接排放到空气当中，会造成城市空气污染，甚至影响到城市居民的人身健康，因此应该深入研究各种工况下尾气排放情况，以便采取相应的处理措施，减少有毒物质的排量。在稳态的工况下，进油量和进气量都会影响到通用小型汽油机尾气排放，通过实验，可以得知通用小型汽油机在温度、空燃比稳定的情况下，进气量越大，HC和 CO的排放量越小;反之，进气量越小，HC和CO的排放量越大。同时，当节气门的开度为百分之百时，通用小型汽油机负载会发生跃变，从而导致通用小型汽油机尾气的排放量迅速地升高。

1.2 稳定工况的转速与温度因素

随着汽油机负载的增加，其转速也会随之增长，这也就是说，逐步减载时气体排放规律与加载是基本一致的，成线性关系，因此相关研究人员可以据此来绘制通用汽油机负载、转速的曲线图，并作为后续尾气处理的根据。同时，排气的温度也会对汽油机尾气排放产生相当大的影响，排气温度在汽油机发动之后，会不断地上升，最终趋于稳定。排气的温度不仅受到汽油机性能、型号的影响，还受汽油机运行环境的影响，运行环境的温度越高，汽油机的排气温度越高，当汽油机排气温度稳定时，各种气体的排量也会随之稳定。

2  汽油机尾气后处理系统优化设计分析

2.1 催化反应机理

2.1.1 氧化还原反应

在汽油机燃烧过程中，其燃烧温度最高可达1200℃，而且机械内部燃烧室内的N2非常丰富，其中部分N2也会在高温高压状态下，被氧化成NOX。相比于柴油机，汽油机内部的空气系数相对较低，因此在低氧状态下所生成的氮氧化物主要以NO为主，即N2+O2→2NO。如果反应环境稳定性较强，在反应过程中也会涉及到NO2的氧化反应，即N2+2O2→2NO2，而催化器在工作过程中，所涉及到的还原反应如下：CO+NO→CO+1/2N2。因為氧气浓度较低，因此NO2的生成量可以适当忽略，以得到合适的数据分析结果。

2.1.2 催化氧化反应

在汽油机燃烧过程中，如果出现氧气含量较少的情况，那么此时也会产生许多无法完全燃烧的附加产物，常见的附加产物包括CO、未燃HC等，而三元催化器在使用过程中，也会借助金属催化剂来对其进行处理，其催化效率也将直接影响到系统的反应速度。目前在应用中，经常使用到的金属活性催化剂为Ce2O3，该材料的造价成本相对较低，同时具备了良好的催化效率，以此为催化剂所得到的化学反应如下：2CO+O2→2CO2;CxHyOz+（x+y/4+z/2）→xCO2+yH2。根据反应式可以了解到，系统在反应过程中，能够迅速完成催化氧化工作，从而得到可靠的分析模型。

2.2 建立仿真模型

2.2.1 合理筛选建模软件

在建立仿真模型时，需要做好建模软件的筛选工作，基于以往地实践经验，多选择AMEsim软件来作为建模软件，搭配着IFP Exhaust排放库来完成联合仿真工作，从而建立良好地仿真模型，模型中所涉及的主要参数信息如下：①仿真用车发动机，型号为L4;②仿真用车排量，设计为常规值2.0L;③车辆进气方式选择自然吸气，这也是多数汽油机动车使用的进气方式;④车辆的运行工况设置为NEDC;⑤实验中的金属催化剂种类为Ce2O3;⑥系统中设置的网格密度在600-800个/平方英尺，确保进入气体的纯净度;⑦系统允许的最大流量，基于该实验的实际情况，在对该参数进行设计时，其参数控制在45g/s，便于数据参数的统计;⑧系统运行时的初始温度设置在20-30℃，属于热机启动状态。

2.2.2 明确仿真气源

在此次仿真实验过程中，其主要目的是分析系统对废气的净化效率，积累有效数据，为后续系统优化方向的确定提供参考。在具体的分析活动中，首要任务便是明确汽油机在固定工况下所排出尾气的主要成分，这也是本次仿真实验过程中使用到的仿真气源。在实际应用中，多采用欧洲NEDC工况来作为参考，随后对车辆速度进行测试，得到相应的参数信息，将信息汇总后整理成图，提升数据采集结果的直观性。根据实验数据可以了解到，在发动机启动之后，其初始状态的排气温度相对较低，这样在0-100s区间内，受到发动机缸壁和排气管道内部温度的影响，使得废气温度上升速度处于较慢的状态，根据测温数据显示，此时末端温度只有300℃;在100-150s区间，此时内部温度开始稳定上升，根据测温数据显示，此时末端温度接近500℃;在180s后，此时内部温度开始快速上升，根据测温数据显示，此时末端温度超过500℃，车辆也处于高速行驶的状态。

2.2.3 催化转化过程分析

在系统运行过程中，也需要对催化转化过程进行分析，根据分析数据可以了解到，3WCC在工作期间，针对不同类型污染物尾气的催化转化效率较高，即在已知工况的设定背景下，针对NOX、HC、CO等污染物的催化转化效率均在80%以上，其中针对NOX污染物的催化转化效率达到了95.03%，由此可见，该系统在工作状态上，依旧处于比较高的应用水平。而且额在0-100s区间内，受到发动机内部温度较低的影响，此时系统对于废气的处理效率相对较低，此时NOX的催化转化率只有30%，CO的催化转换率只有5%;在100-150s区间，此时内部温度开始稳定上升，系统对于废气的处理效率也在上升，并且在150s左右达到最大值，此时废气的催化转化率均在97%以上[1]。

3  汽油機尾气后处理系统应用时的注意事项

3.1 加强反应过程的精密把控

通过加强反应过程的精密把控，能够确保尾气后处理系统反应过程的稳定性，确保催化氧化效率的合规性。在具体实践中，第一，对反应过程进行梳理，确定反应过程的各项参数，基于此来拟定相应的管控计划，梳理计划中的注意事项，借此来提高计划内容的指导性。第二，在计划推行前需要做好相应的培训工作，使所有人员可以明确计划中的相关内容，严格按照计划中的相关内容展开分析，并且也需要加强反应过程的监督管理，及时纠正误差问题，从而确保反应过程的顺利进行，提高反应结果的合理性。

3.2 做好催化器工作参数检查

通过做好催化器工作参数检查，可以确保系统初始状态的合理性，以满足系统稳定工作的相关要求。在具体实践中，第一，需要对标准参数信息进行整理，可以采用表格的方式进行整理，将一些重要参数进行标注，以此为基础来进行参数校对，若偏差在允许范围内，表明催化器工作状态满足应用要求，反之则需要对其进行调试，待其满足要求后再进行使用[5]。第二，做好检查后参数的复核工作，并且对复核内容进行记录，利用数据库技术对其进行存储，为后续养护计划的制定和修改提供参考。

3.3 拟定合理可靠的养护计划

通过拟定合理可靠的养护计划，能够确保系统工作状态的稳定性，延长系统的使用寿命。从实际应用情况来看来拟定相应的养护计划，在养护计划中会对养护周期、养护内容进行整理，提升养护计划的指导价值。同时养护计划在落实过程中，对于反馈数据进行整理，筛选价值数据来调整养护计划中的相关内容，从而提高养护计划的适用性，提升系统工作状态的安全性和稳定性。

4  结束语

综上所述，加强反应过程的精密把控，能够确保尾气后处理系统反应过程的稳定性，做好催化器工作参数检查，可以确保系统初始状态的合理性，拟定合理可靠的养护计划，能够确保系统工作状态的稳定性。通过采取合理措施来提高催化器工作效率，对于优化系统工作性能，减少汽油机废气污染有着积极的意义。

参考文献：

[1]杨丽君，许刚.柴油机尾气后处理系统故障诊断与优化[J].农机使用与维修，2021（6）：93-94.

[2]张洪生，鹿顺江，何理华.SCR尾气后处理系统安装方法及注意事项[J].重型汽车，2021（02）：46-47.

[3]李曙辉，邵毅明.汽车尾气后处理系统铝泵体的精锻工艺智能优化[J].锻压技术，2021，46（02）：1-8.