淺析汽油發動機可燃混合氣燃燒及三元催化轉化器工作機理

鄭州中升裕迪汽車銷售服務有限公司 任賀新

1 可燃混合氣對汽油發動機性能的影響

為了保證汽油發動機正常運行，需要提供合適濃度的可燃混合氣，可燃混合氣濃度決定燃燒時的燃燒速度、氣缸壓力及火焰溫度等，進而決定汽油發動機的工作性能，可使用空燃比及過量空氣系數對可燃混合氣濃度進行評價。

1.1 空燃比

空燃比是指可燃混合氣中空氣質量與燃油質量之比。對于汽油發動機來說，當空氣質量與汽油質量之比為14.7:1時，可燃混合氣剛好可以完全燃燒，此時的空燃比稱為理論空燃比，即完全燃燒1 kg汽油需要約14.7 kg空氣，如果使用體積比來表示，即完全燃燒1 L汽油需要約9 500 L空氣。

1.2 過量空氣系數

過量空氣系數可用λ表示，是指實際供給的空氣質量與理論上燃油完全燃燒時所需的空氣質量之比，即實際空燃比與理論空燃比之比。

對于汽油發動機來說，當λ=1時，說明空燃比等于14.7，即實際供給的空氣質量完全符合理論上汽油完全燃燒時所需的空氣質量；當λ<1時，說明空燃比小于14.7，即實際供給的空氣質量小于理論上汽油完全燃燒時所需的空氣質量，形成了濃混合氣；當λ>1時，說明空燃比大于14.7，即實際供給的空氣質量大于理論上汽油完全燃燒時所需的空氣質量，形成了稀混合氣。

1.3 空燃比對汽油發動機動力性和經濟性的影響

由圖1可知，當空燃比在12～13時，輸出功率最大，此時的空燃比稱為功率空燃比，由于可燃混合氣較濃，汽油無法完全燃燒，油耗率也較高；當空燃比在13.5～14時，火焰溫度最高，汽油發動機升溫加快；當空燃比在16左右時，油耗率最低，此時汽油燃燒最完全，而火焰溫度及輸出功率均已下降，此時的空燃比稱為經濟空燃比。如果空燃比繼續增加，可燃混合氣濃度越來越稀，當超過燃燒極限時，就會出現失火現象，油耗率反而升高。

圖1 汽油發動機火焰溫度、輸出功率及油耗與空燃比之間的關系

根據以上分析可以看出，提高輸出功率與降低油耗率是2個矛盾的指標，想要提升汽油發動機的動力性，就要提高輸出功率，油耗必然會增加，使汽油發動機的經濟性下降，反之亦然。當空燃比大于18或小于12時，汽油發動機的動力性與經濟性都會下降，因此，汽油發動機的可燃混合氣濃度通常控制在功率空燃比與經濟空燃比之間，使汽油發動機保持較好的使用性能。

2 汽油發動機尾氣分析

2.1 汽油發動機尾氣組成

空氣主要由氮氣、氧氣及其他氣體構成，其中氮氣在空氣中占比約為78%，氧氣在空氣中占比約為21%，剩余的1%都是其他氣體。汽油主要成分是碳氫化合物，理想條件下，汽油完全燃燒僅生成水蒸氣和二氧化碳。由于空燃比不同及燃燒室燃燒條件不理想等因素，汽油在燃燒時產生了很多其他成分，其中就包括有害物質。

當汽油發動機預熱到正常工作溫度，并提供理論空燃比的可燃混合氣進行燃燒，在沒有經過三元催化轉化器處理的情況下，汽油發動機尾氣成分主要為71%的氮氣、14%的二氧化碳、13%的水蒸氣、1%的混合氣體及1%的有害物質，由于汽油發動機工況及工作環境的影響，汽油發動機尾氣成分可能會有偏差。

汽油發動機尾氣中的氮氣、二氧化碳及水蒸氣為無毒物質，氮氣是一種惰性氣體，吸入燃燒室的空氣中的氮氣，基本不參與燃燒，大部分仍以氮氣的形式隨汽油發動機尾氣排出。可燃混合氣燃燒時，碳與氧結合生成二氧化碳，由于二氧化碳是碳完全燃燒時的產物，所以只能通過降低油耗來減少二氧化碳的排放。可燃混合氣燃燒時，氫與氧結合生成水蒸氣，水蒸氣遇冷時會出現凝結現象，因此在寒冷天氣下用車時，能看見排氣管中排出水霧。

2.2 有害物質生成機理

2.2.1 一氧化碳

一氧化碳主要是由于可燃混合氣過濃，缺少氧氣無法完全燃燒造成的。燃燒時可燃混合氣過稀也會產生一氧化碳，這是由于燃燒室中可燃混合氣混合不均勻，局部可燃混合氣過濃導致燃燒不完全造成的。

一氧化碳是一種無色無味的有毒氣體，如果動物吸入過多的一氧化碳會使大腦缺氧，嚴重時可致死，因此除非配備良好的排氣抽風系統，汽油發動機是不允許在完全封閉的空間內運行的。

2.2.2 氮氧化合物

氮氧化合物是氮氣在燃燒室高溫、高壓、富氧的環境下進行氧化反應形成的，氮氧化合物中大部分是一氧化氮，少部分是二氧化氮。無色無味的一氧化氮在空氣中會完全氧化成二氧化氮，二氧化氮是一種棕紅色、帶有刺激性氣味的有毒氣體，吸入人體后會刺激鼻子和喉嚨，危害健康，除此之外，氮氧化合物也會導致光化學煙霧和酸雨的產生。

2.2.3 碳氫化合物

汽油的主要成分就是碳氫化合物，當汽油發動機工作時，部分沒有燃燒的可燃混合氣就會隨著汽油發動機尾氣排出。比如氣缸壁的激冷作用就會導致碳氫化合物的生成，燃燒室中氣缸壁的溫度遠低于可燃混合氣燃燒時的火焰溫度，當火焰傳到氣缸壁附近時，產生激冷作用，火焰熄滅，導致部分可燃混合氣沒有燃燒。此外，汽油發動機工作時在燃燒室形成的高壓條件會將部分沒有燃燒的可燃混合氣壓入活塞頂部第一道活塞環間隙、火花塞陶瓷電極縫隙及進排氣門縫隙等部位，在排氣沖程燃燒室壓力下降后，這些沒有燃燒的可燃混合氣會隨著汽油發動機尾排出。

2.2.4 微粒

汽油發動機尾氣中的固體以微粒形式存在，源于可燃混合氣不完全燃燒，汽油發動機在冷起動和暖機期間容易產生微粒。微粒就是不同尺寸和表面積的炭煙顆粒，可燃混合氣局部過濃，燃燒時容易形成微粒。

2.3 空燃比對汽油發動機尾氣中有害物質的影響

由圖2可知，汽油發動機尾氣中有害物質排放量（未經三元催化轉化器處理的數據）與空燃比有較大關聯。

圖2 空燃比對汽油發動機尾氣中有害物質的影響

（1）空燃比越低，一氧化碳的排放量就越多，當空燃比為16時，一氧化碳的排放量趨于0，此時空燃比繼續增大，一氧化碳的排放量也不會有較大變化。

（2）空燃比在16左右時，氮氧化合物排放量最多，空燃比逐漸增大或逐漸減小，氮氧化合物排放量均會迅速降低，當空燃比較小時，燃燒時可利用的氧氣不足，氮氧化合物的生成量減少；當空燃比過大時，火焰溫度和燃燒速較低，也導致氮氧化合物生成量減少。

（3）空燃比在17以內時，隨著空燃比的逐漸增大，可燃混合氣燃燒越完全，碳氫化合物的排放量逐漸減小。當空燃比超過17以后，空燃比逐漸增大，火焰無法完全傳播甚至出現失火現象，導致碳氫化合物排放量迅速增加。

3 三元催化轉化器

汽油發動機尾氣最有效的凈化方式就是使用三元催化轉化器進行處理，三元催化轉化器可以轉化99%以上理論空燃比下可燃混合氣燃燒生成的有害物質。

3.1 三元催化轉化器結構

三元催化轉化器主要由殼體、載體、載體涂層及催化涂層組成（圖3），載體有陶瓷載體和金屬載體兩種結構，目前應用較多的是陶瓷載體，陶瓷載體含有幾千個貫通的蜂窩狀小通道。載體涂層可將三元催化轉化器表面積增大7 000倍，1 L的載體涂層展開面積可以達一個足球場的大小。

圖3 三元催化轉化器的組成

催化涂層包括貴金屬鉑、鈀和銠，貴金屬本身不參與化學反應，主要充當催化劑的作用，所以不會有損耗，其中鉑和鈀加速碳氫化合物和一氧化碳的氧化反應，銠加速氮氧化合物的還原反應。三元催化轉化器中貴金屬的含量為1 g～5 g，貴金屬含量的多少與汽油發動機排量、汽油發動機尾氣溫度及相關的排放標準有關。

3.2 有害物質轉化

三元催化轉化器可將可燃混合氣燃燒時產生的碳氫化合物、一氧化碳、氮氧化合物等有害物質轉化成水蒸氣、二氧化碳和氮氣等無害物質。

有害物質的轉化過程可分為氧化反應和還原反應，一氧化碳通過氧化反應轉化為二氧化碳（2CO+O2→2CO2）；碳氫化合物通過氧化反應轉化為二氧化碳和水（2C2H6+7O2→4CO2+6H2O）；一氧化氮通過還原反應轉化為氮氣和二氧化碳（2NO+2CO→N2+2CO2）；二氧化氮通過還原反應轉化為氮氣、氧氣和二氧化碳（2NO2+2CO→N2+O2+2CO2）。

3.3 過量空氣系數對三元催化轉化器轉化效果的影響

由圖4可知，當λ<1時，可燃混合氣偏濃，由于氧氣不足，使得碳氫化合物和一氧化碳無法進行氧化反應，導致汽油發動機尾氣中碳氫化合物和一氧化碳含量較高，由于此時生成了大量的一氧化碳，形成了良好的還原反應條件，使得氮氧化合物獲得較好的轉化效果。

圖4 過量空氣系數與有害物質轉化效果關系圖

當λ>1時，可燃混合氣偏稀，由于氧氣充足，碳氫化合物和一氧化碳與氧氣進行氧化反應，使得碳氫化合物和一氧化碳獲得較好的轉化效果，此時還原反應很難進行，汽油發動機尾氣中氮氧化合物含量陡然升高。

當λ=1時，氧化反應及還原反應達到平衡狀態，氮氧化合物進行還原反應，達到較好的轉化效果，同時汽油發動機尾氣中殘余氧氣和氮氧化合物還原反應生成的氧氣使得碳氫化合物和一氧化碳完全氧化，有害物質的排放量都比較低。

3.4 三元催化轉化器的儲氧能力

三元催化轉化器的載體涂層中含有儲氧物質，主要成分就是氧化鈰，它能夠儲存和釋放氧氣（2Ce2O3+O24CeO2），用來補償空燃比的輕微變化。三元催化轉化器的儲氧能力與貴金屬催化轉化能力成正比，換句話說，三元催化轉化器的儲氧能力是轉化有害物質能力的度量參數，這2個能力都會隨著使用時間的增加逐漸削弱，發動機控制單元會通過對比三元催化轉化器前氧傳感器與后氧傳感器的信號電壓來間接判定三元催化轉化器的儲氧能力。

3.5 三元催化轉化器的工作溫度

一般情況下，三元催化轉化器在工作溫度達到300 ℃時才開始對有害物質進行轉化，為了實現三元催化轉化器高效率且高壽命的工作，最好將工作溫度保持在400 ℃～800 ℃，當工作溫度在800 ℃～1 000 ℃時，貴金屬會燒結在載體涂層的表面，減小了有效催化的接觸面積。

當工作溫度超過1 000 ℃時，三元催化轉化器會因為工作溫度過高完全失去功能。比如汽油發動機出現失火故障時，部分沒有燃燒的可燃混合氣就可能進入排氣管道并進行燃燒，此時三元催化轉化器的工作溫度就會達到1 400 ℃，三元催化轉化器內的載體將會熔化，并導致三元催化轉化器徹底損壞。

3.6 三元催化轉化器的布置方式

三元催化轉化器需求的工作溫度限制了其隨意布置的可能性，三元催化轉化器常見的布置方式是分開安裝，即采用2個三元催化轉化器，其中前三元催化轉化器安裝位置離汽油發動機較近，因此前三元催化轉化器可以在汽油發動機冷起動后快速達到工作溫度，但在汽油發動機正常工作后會承受非常大的熱負荷，為此前三元催化轉化器的載體涂層就要具有較強的耐高溫穩定性；后三元催化轉化器安裝在車輛底盤下，由于離汽油發動機較遠，承受的熱負荷較小，汽油發動機冷起動后，需要更長時間達到需求的工作溫度。

還有一種串聯式布置三元催化轉化器的方案，將2個三元催化轉化器串聯安裝在同一個殼體中，2個三元催化轉化器的載體被空氣間隙隔開（圖5）。這種布置方式允許2個三元催化轉化器中貴金屬含量、載體及蜂窩密度等指標有所差別，為了在汽油發動機冷起動時快速達到工作溫度，三元催化轉化器2就會設計有較大的貴金屬含量及蜂窩密度。

圖5 串聯式三元催化轉化器布置方案

除此之外，也存在整體式布置三元催化轉化器的方案，通過在三元催化轉化器前后部分別配置不同的貴金屬含量，使其達到工作要求。

3.7 三元催化轉化器的加熱方式

當汽油發動機冷機起動時，可采用推遲點火定時、提高怠速轉速、調整排氣凸輪軸、均勻分段噴射（直噴式汽油發動機）、吹入二次空氣及主動加熱等方式使三元催化轉化器快速加熱到工作溫度。