吸附还原降低稀燃汽油机氮氧化合物的研究

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摘 要：随着能源危机的日益加剧、环境问题的不断恶化，节能与环保已成为现代内燃机发展的主题。汽油机稀薄燃烧技术能够有效的降低发动机燃油消耗率和减少有害气体排放，是当今发动机技术发展的主要趋势之一。计算机数值模拟，可以缩短试验时间、降低工作强度，为试验方案的制定提供理论指导。本文在一台国产CA3GA2汽油机上，进行了汽油机稀薄燃烧的相关模拟与试验研究。

关键词：稀薄燃烧;数值模拟;空燃比;涡流比;NOx排放

1 汽油机数值模型建立及试验装置设计

1.1 质量守恒方程

2 稀燃汽油机污染物生成机理

2.1 概述

汽油机污染物根据其产生途径可分为三部分：燃烧废气、燃料蒸发泄漏以及曲轴箱窜气。其中燃料蒸发泄漏以及曲軸箱窜气主要产生 。研究表明，在不加控制的情况下， 总排放量中燃料蒸发 约占20%、曲轴箱窜气HC约占25%。

2.2 一氧化碳CO生成机理

生成机理：

CO是燃料燃烧过程的重要中间产物，也是燃料不完全燃烧的产物之一。燃料燃烧要经过以下步骤：

其中，CO是通过RCO自由基热分解反应以及与O2、OH、O、H等发生反应生成的。

在内燃机缸内燃烧过程中，当燃油混合气达到一定的反应温度，并有氧化剂存在时，CO将按链反应机理连续进行反应，其燃烧最终产物为CO2。

在燃烧反应过程中，通常OH的浓度较高，因此CO按如下反应式进行的氧化反应的速度很慢。

2.3 碳氢化合物HC生成机理

生成机理：

HC是由未燃油气混合物、燃料的不完全氧化产物以及燃烧过程中燃料部分被分解产物所组成。其主要包括不饱和烃、饱和烃以及含氧碳氢化合物等。由于缸内燃烧情况复杂，因此生成的HC成分复杂，组成变化较大。汽油机排气中的HC主要来源是——火焰在燃烧室壁面熄火所残留的末燃烧的油气混合物、缝隙中的未燃油气混合物、被气缸表面油膜或沉积物所吸附的燃油蒸汽以及充量不完全燃烧。对于车用四冲程汽油机，其排气中HC主要来自室壁激冷效应。

3 降低稀燃汽油机污染物催化后处理技术

目前，车用汽油机主要采用三效催化转化器TWC对尾气进行后处理，能够有效地去除HC、CO 以及NOx，最高转化率可达90%以上。其工作原理分为两部分：铂（Pt）和钯（Pd）起到氧化催化转换的作用，可将HC和CO转换为H2O和CO2;铑（Rh）起到还原催化转换的作用，可将NOx转换为N2和O2。

3.1 NOx直接分解技术

直接分解法就是在催化剂的作用下，将NO直接分解为N2和O2。从热力学来看，该反应是一个热力学有利的化学反应，但从化学反应动力学来看，该反应的进行需要高达364 kJ/mol的活化能。因此，关键在于寻找一种合适的催化剂，从而有效地降低该反应的活化能。目前报道的用于 直接分解反应的催化剂主要有贵金属、复合氧化物、分子筛型以及金属氧化物等，其中以Cu-ZSM-5分子筛的活性最高，其NO的转化率能达到90%，但其在稀燃和SO2存在的条件下容易失活，并且所需分解温度较高。因此，目前还未找到具有实际应用价值的NO直接分解催化剂。

3.2 NOx选择还原SCR技术

SCR（Selective-Catalytic-Reduction）技术是在富氧环境下通过催化剂的催化作用，使还原剂优先与NOx反应并生成无害的N2，目前SCR催化剂主要有贵金属、金属离子交换分子筛、复合氧化物以及金属氧化物等。贵金属催化剂以原子状态负载在Al2O3、SiO2等载体上，其具有良好的低温活性、抗硫性以及抗水中毒能力，但工作温度窗口较窄。金属离子交换分子筛是烃类选择催化还原最常用的催化剂，其中尤以Cu/ZSM-5和Co/ZSM-5应用最广，具有良好的发展前景，但其热稳定性较差，活性受SO2和H2O的影响很大，容易失活。复合氧化物型SCR催化剂主要有铜铁矿结构（ABO2）型和稀土钙钛矿型（ABO3），其活性较高，但抗硫性较差。单金属氧化物型SCR催化剂主要有Al2O3、TiO2、ZrO2等，其活性一般不高，需要额外负载一些活性组分，因此应用较少。

参考文献：

[1]刘增勇.降低汽油机有害排放物NOx的分层废气再循环的研究[D].天津：天津大学，2003.

[2]吴建平.国外的汽车排放法规[J].汽车科技，2001（01）.

[3]史绍熙.内燃机发展方向[M].史绍熙教授论文集，天津大学出版社，1996.

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