等離子四效汽車尾氣凈化器的設計與試驗

王迎輝，顧 琪，盧振生，喬 躍，倪艷姝，何自航，撒曉霞

(綏化學院， 黑龍江 綏化 152061)

隨著我國機動車保有量的日益增加，汽油車在未來發展中將占有較高比例，其排放的尾氣污染物對環境造成極大危害[1]。汽油車排放的污染物主要由PM、NOx、HC和CO組成。目前，三元催化裝置可通過氧化和還原作用將汽車排放的CO、HC和NOx轉變為無毒無害的N2、H2O和CO2[2]。雖然三元催化器應用比較廣泛，但其對汽油發動機所排放碳煙顆粒(particulate matter,PM)凈化效果并不明顯，并且PM容易導致三元催化器的堵塞，從而使排氣背壓升高、排氣管溫度急劇上升以及催化器失效[3]。為滿足日益嚴格的排放法規，本文結合低溫等離子體(non-thermal plasma，NTP)和鈣鈦礦型催化劑等相關理論，設計了等離子四效汽車尾氣凈化器，可實現PM、NOx、HC、CO的同時凈化，具有使用壽命長、排氣背壓低、凈化效率高以及使用成本低等優點。

1 等離子四效汽車尾氣凈化器的設計

等離子四效汽車尾氣凈化器的設計原則是在排氣背壓不超過限定值的前提下，使汽車尾氣中PM、NOx、HC、CO實現同時凈化，其設計內容主要包括凈化器結構設計、載體設計以及催化劑設計。

1.1 凈化器結構設計

本文所設計的等離子四效汽車尾氣凈化器主要由殼體、催化劑、催化劑載體、載體支承環和中心電極等構成，整體結構如圖1所示，其中殼體作為等離子發生器的外電極，催化劑載體作為放電介質，載體中環繞多根導線作為中心電極，以上三者構成介質阻擋放電反應器，中心電極通過導線連接催化器殼體外的高壓電源，其中殼體由左右兩殼體通過密封法蘭盤連接，保證了凈化器的密封性。

1.進氣口;2.殼體;3.絕緣塞;4.電極導線;5.導流隔板;6.密封法蘭盤;7.中心電極;8.排氣口;9.載體支承環;10.螺栓;11.催化劑載體

圖1 等離子四效汽車尾氣凈化器結構

1.2 載體的設計

載體作為凈化反應的基體和放電介質，必須具有孔壁薄、表面積大、耐沖擊和耐高溫等特點[4]。目前，作為催化劑載體的材料主要有顆粒狀載體、蜂窩金屬載體和多孔蜂窩陶瓷載體，其性能特點如表1所示，其中金屬載體因其自身特性，無法作為鈣鈦礦型催化劑的載體[5]，綜合幾種載體的優缺點，本文選用底面直徑110 mm、高100 mm、孔型為方孔、方孔平均內徑400目的多孔蜂窩陶瓷載體。

表1 幾種載體的比較

1.3 催化劑的設計

LaCoO3鈣鈦礦型催化劑的催化反應可分為表面催化過程和體相內的催化反應，該催化劑容易脫附氧從而形成氧空位和表面帶負電的活性位，使其不僅能有效提高PM、CO和HC的燃燒性能，降低碳煙顆粒物的起燃溫度，而且可以將NOx還原為N2，其凈化NOx主要依靠LaCoO3氧化物中的氧空位來打開N-O化學鍵,其催化還原NO的機理如式(1)～(4)所示[6]。

(1)

(2)

(3)

(4)

對于主要成分是碳煙的PM來說，在尾氣有殘余O2的條件下氧化生成CO；在氧氣不足的條件下，可以利用打開N-O的活性氧進行二次氧化，反應過程如式(5)所示[7-8]:

2C+2NO2→2CO2+N2

(5)

尾氣中的CO與HC的氧化過程如式(6)、(7)所示[9]：

(6)

(7)

在鈣鈦礦型催化劑 LaCoO3結構中，使用離子半徑較大的K+取代A位較小離子半徑的La3+使得晶格氧膨脹變形，使氧空位增加，這樣B位離子將產生Co的變價，使Co以+3、+4價態存在，新的B位金屬Mn的摻雜取代，也可以產生摻雜的Mn的變價，從而形成更高氧化性能的價態，同時使得鈣鈦礦型結構中形成Mn-O鍵或Co-O鍵，轉化后的催化劑為La0.7K0.3Co0.6Mn0.4O3，可進一步提高催化劑的氧化還原性能，其轉化過程如圖2所示[10-11]；當將催化劑放置于等離子體區內時，將使凈化器放電能力增強[12]，并且使催化劑顆粒物之間的接觸點的局部電場增強，從而提高電子能量、催化劑的吸附性和電子空穴對的形成，誘導一系列氧化還原反應的進行[13]，空穴對的增加可提高反應式(1)～(4)的進行，電子能量的提高可促進反應式(5)～(7)的進行。

圖2 鈣鈦礦型催化劑轉化過程

2 基于壓力損失的等離子四效汽車尾氣凈化器的結構參數分析

等離子四效汽車尾氣凈化器的壓力損失主要來源有4部分：沿程流阻、漸擴管局部阻力、凈化器載體的阻力和漸縮管局部阻力。為簡化模型，便于對壓力損失進行數值模擬，本文作出如下假設：① 氣體不可壓縮；② 忽略溫度和PM對空氣黏性系數的影響； ③ 忽略電極線對壓力損失的影響；④ 管道氣體均為層流。

2.1 建立數值計算模型

沿程損失是發生在緩變流整個流程中的能量損失[14]，是由流體的黏滯力造成的壓力損失。對于本文的穩態不可壓氣流，管道內流動單位質量氣體的沿程損失為[15-16]：

(8)

式中，λ表示沿程損失系數，一般與雷諾數和管壁粗糙度有關；L是管道長度(m)；d是管道內徑(m)；ρ是氣體密度(kg/m3)；v是氣體進入凈化器前的氣流速度(m/s)；g是重力加速度(m/s2)。

根據管道內的氣流為層流可以得出沿程損失系數λ為：

(9)

式中Re表示雷諾系數，其表達式為[17]：

(10)

式中，μ為空氣黏性系數。一般管道內的氣體為層流時管道雷諾系數Re<2 000。

載體阻力主要是載體孔道內的壓力損失，也屬于層流，依據Hagen-Poiseuille方程，則凈化器載體的壓力損失為[18]：

(11)

式中，f為流體阻力系數；l為載體長度(m)；Dh為當量直徑(m)；ε為載體的孔隙率；

(12)

式中：V0是氣體在自然狀態下的體積，或稱表觀體積(m3)；V1是氣體的絕對密實體積(m3)。

漸擴角局部阻力為氣體通過凈化器的漸擴角階段時的單位質量流體的局部阻力，則漸擴角局部壓力損失為[19]：

(13)

式中ζ為局部損失系數，一般由經驗公式計算[20]：

(14)

式中：θ1表示四效凈化器的漸擴角(°)；A1和A2分別表示管道擴張前后的截面面積(m2)；K為修正系數；

(15)

式中：d1是擴張前管道的直徑(mm)；d2是擴張后管道的直徑(mm)。

根據參考文獻[20]得出：漸縮角局部阻力是氣體通過催化器的漸縮階段時的單位氣體質量的局部阻力，則漸縮角局部壓力損失為：

(16)

(17)

式中，θ2為四效凈化器的漸縮角。

凈化器的排氣背壓近似由上述4種壓力損失構成，即為：

ΔP=ΔP1+ΔP2+ΔP3+ΔP4

(18)

整理上述公式可得:

(19)

式中：氣體密度ρ取決于尾氣溫度，管道內徑d和管道長度L取決于載體尺寸，屬于結構設計過程中可優化調節部分。

2.2 計算結果與分析

EA888型汽油發動機主要參數如表2所示，本文假定催化器入口氣流是均勻的，不同轉速下氣體流速在0.1～1 m/s，氣體密度為1.225 kg/m3，氣流溫度為500 K，當量直徑選取為0.06 m。

表2 EA888型汽油發動機主要參數

根據式(19)可知：排氣背壓隨著管道長度L的增加而增加，隨管道內徑d的增大而減小，隨漸擴角θ1和減縮角θ2的增大而減小，而漸擴角θ1和減縮角θ2均應該在0～90°，考慮到前文載體的尺寸以及機械結構的工藝性，本文選擇L為120 mm，d為120 mm；θ1、θ2為60°；將上述參數代入式(19)可得不同漸擴角與減縮角凈化器的排氣背壓隨氣體流速的變化曲線，如圖3所示。

由圖3可知：凈化器的排氣背壓隨尾氣流速的增加而增加，當尾氣流速相同時，排氣背壓隨漸擴角和減縮角的增大而減小，且減小趨勢越來越小，當漸擴角和減縮角為60°，尾氣流速為1 m/s時，排氣背壓為30 kPa，均在國五要求范圍內，故本文選擇60°作為漸擴角和減縮角最佳參數。

圖3 不同漸擴角與減縮角凈化器的排氣背壓隨氣體流速的變化曲線

3 臺架試驗與驗證

為檢測等離子四效汽車尾氣凈化器的凈化性能，本文根據相關要求，設計了等離子四效汽車尾氣凈化器性能檢測試驗臺架，如圖4所示。試驗主要檢測凈化器的凈化效率和排氣背壓，試驗中采用型號為EA888型汽油機，5個相同的等離子四效凈化器，發動機性能參數如表2所示。

試驗過程在室內環境完成，室內溫度25 ℃，汽油機分別在800、1 600、2 400、2 800和3 200 r/min的轉速下完成試驗內容，發動機啟動后預熱10 min，待發動機穩定運轉后開始試驗，每隔20 min對數據進行讀取1次，共讀取6次，然后取6組數據平均值作為試驗數據，試驗后分析處理數據。

圖4 等離子四效汽車尾氣凈化器的性能檢測試驗臺

3.1 排氣背壓性能檢測

為檢測等離子四效汽車尾氣凈化器的排氣背壓并驗證本文數值模型，通過對試驗數據處理得出不同發動機轉速的條件下等離子四效汽車尾氣凈化器的排氣背壓隨時間的變化曲線，如圖5所示。根據圖5可知，隨著發動機運轉時間的增加，排氣背壓不斷升高，當運轉時間超過6 h后，排氣背壓趨于穩定，且最大排氣背壓不超過40 kPa，與本文數值計算結果基本符合；當發動機運轉不超過6 h時，部分未來得及分解的PM使得載體發生堵塞，致使排氣背壓急速上升，當時間超過6 h后，PM的增加和分解速度基本達到平衡，故排氣背壓趨于穩定；當發動機運轉時間一定時，轉速越高，尾氣流速越快，故排氣背壓越大，其中尾氣流速為800 r/min時與數值計算結果最為相符。

圖5 不同轉速下排氣背壓隨時間的變化

3.2 凈化效率性能檢測

發動機轉速是影響發動機排放特性的重要因素，不同發動機轉速對尾氣溫度和污染物濃度均有很大的影響，因此在本試驗中，為檢測等離子四效汽車尾氣凈化器的凈化效率，通過對試驗數據處理分別得出：不同轉速的條件下，等離子四效汽車尾氣凈化器對PM、 NOx、CO和 HC凈化效率隨時間的變化曲線如圖6～9所示。

圖6 不同轉速下PM凈化效率隨時間的變化

圖7 不同轉速下NOx凈化效率隨時間的變化

圖8 不同轉速下CO凈化效率隨時間的變化

圖9 不同轉速下HC凈化效率隨時間的變化

根據圖6～8可知：PM、NOx和CO的凈化效率均隨發動機運轉時間的增加而增加，且增長趨勢相同，由此推測PM、NOx和CO可相互促進凈化，當發動機運轉時間超過6 h后，凈化效率趨于穩定，當發動機轉速為3 200 r/min、發動機運轉時間超過8 h時，PM的凈化效率可達90%，CO的凈化效率可達95%，這是由于隨著發動機轉速的增加，尾氣的溫度升高，提高了催化劑活化溫度，從而增強了PM和CO的氧化分解；在發動機轉速不超過2 400 r/min時，NOx的凈化效率隨轉速的增加而增加，當發動機轉速為2 400 r/min、發動機運轉超過8 h時，NOx的凈化效率可達95%以上，但是當發動機轉速超過2 400 r/min時，NOx的凈化效率稍有下降，這是因為發動機轉速增加至2 400 r/min時，發動機NOx排放量迅速增加，導致凈化效率有所下降。

根據圖9可知：當發動機運轉不超過6 h時，HC的凈化效率隨時間的增加而增加，HC的最大凈化效率可達88%，但當發動機轉速為3 200 r/min、運轉時間達到7 h時，HC的凈化效率迅速降低。這種現象是因HC的濃度迅速增加所致，發動機轉速過高會引起發動機溫度升高，尾氣中活性物質增加，當一些極易被氧化的污染物被氧化后，其他物質將會組合成HC化合物；綜合圖6～9可知：當發動機轉速為3 200 r/min時，NOx濃度的增加，促進了PM、HC和CO的凈化效率，HC濃度的增加對PM、NOx和CO的凈化效率無抑制作用。

4 結論

本文將等離子體技術與鈣鈦礦型催化劑技術相結合，設計了等離子四效汽車尾氣凈化器，可實現對PM、NOx、CO和HC的同時凈化，通過數值方法得出等離子四效汽車尾氣凈化器的相關參數；并通過發動機臺架試驗驗證了數值計算結果的正確性，同時驗證了本文所設計的等離子四效汽車尾氣凈化器可同時凈化PM、NOx、HC和CO，且NOx的存在可促進PM、HC和CO的凈化，當發動機轉速為2 400 r/min、發動機運轉時間超過8 h后，等離子四效汽車尾氣凈化器的凈化性能達到最佳。綜上所述，本文所設計的等離子四效汽車尾氣凈化器具有排氣背壓低、凈化效率高和成本低等優點，是目前凈化汽油車尾氣的新方法，具有很好的發展前景，但本技術路線并沒有對實車進行試驗驗證，且本試驗未對凈化器的使用壽命進行試驗，其機械結構及凈化效果的穩定性仍有待試驗和理論證實。