汽车催化剂快速起燃技术北京理工大学　王亚军　冯长根　安琴　游少雄　王丽琼(北京　100081)摘要　汽车排气中大部分的C O和HC是在汽车冷起动期间1～2min内排放的,但是由于冷起动时催化剂未达到工作温度而不能起转化作用,使冷起动排放超标。

本文介绍了车用催化剂的快速起燃技术,它们包括电加热催化剂、燃烧器、前置主催化剂、碳氢收集器、排气点火器、前级催化器及二次空气技术等。

快速起燃技术能使催化剂在冷起动时加快起燃,达到其工作温度,从而有效转化污染物。

关键词　快速起燃　汽车催化剂　排放控制　冷起动Automotive C atalyst F ast Light-off TechniquesBeijing University of T echnology　W ang Yajun　Feng Changgen　An Q in　You Shaoxiong　W ang Liqiong (Beijing　100081)Abstract　C old start C O and HC emissions contribute the majority of the total emissions in the legislated driving cy2 cles.Autom otive catalyst can not w ork since tem perature is low.Autom otive catalyst fast light-off techniques are introduced in this paper.E lectrically heated catalyst,fuel burner,close-coupled main catalyst,hydrocarbon abs orber systems,exhaust gas ignition,pre-catalyst and secondary air-rich fuel mixture are all effective tech2 niques to minimize cold start emissions.K ey w ords　Fast light-off,Autom otive catalyst,Emission control,C old start1　概述空气污染的加剧促进了汽车排放控制技术的发展,采用催化转化器是控制汽车排放最理想和最重要的措施之一。

但是随着汽车保有量不断增加,空气污染依然严重。

世界各国都不断制定更加严格的排放法规,美国加州大气资源局(C ARB)提出低排放车(Low emission vehicle,LE V)和零排放车(Z ero emis2 sion vehicle,ZE V)计划;欧共体从2000年1月开始执行E U Phase3标准,2005年1月起执行E U Phase4标准;在我国,北京市于1999年1月开始实施新的汽车排放标准(DB11/105-1998),它是我国目前最为严格的地方性排放法规(严于国家标准),相当于90年代初的欧洲一号标准。

为了满足排放标准,出现了各种尾气净化措施。

采用电子控制燃油喷射技术和三元催化转化器(Three-way catalyst,T WC)组成的闭环控制系统能较好地控制排放,但仍然不能满足LE V要求。

在汽车排放过程中,冷起动时(初始一、二分钟内)C O和HC的排放占总排放的大部分,如在FTP(Federal T est Procedure)的初始(冷起动)阶段,就排放出60%～80%的C O和HC[1-3]。

初始排放量高主要有两个原因,一是催化剂未达到起燃温度,不能进行催化反应;二是发动机起动时处于富油工况,氧化过程因缺少O2而不能进行。

因此需要在冷起动时使催化剂快速起燃,并保障有足够的O2参与氧化反应。

2　汽车催化剂快速起燃技术通常采用的催化转化器系统见图1-(a),转化器安装在原消声器的位置上。

它的不足在于其起燃性能上,T WC需要在300～450℃[4]的工作温度范围内才能有接近100%的转化效率。

为了减少冷起动排放,达到排放限值的要求,一些催化剂快速起燃技术已经产生并得到应用。

它们可以分两类:(1)被动技术:改变排气系统的设计(如使催化转化器紧靠发动机、使用前级催化剂以及HC收集器)以减少冷起动排放。

(2)主动技术:冷起动时,用额外的可控能量来升高排气温度(如电加热催化剂、燃烧器及二次空气喷射等)使催化剂快速起燃。

211　前置主催化剂(Close-coupled main catalyst)也称快速起燃催化剂(fast light-off catalyst),它2000年(第29卷)第2期小 型 内 燃 机N o12(V ol129)2000是把催化转化器紧靠发动机排气歧管安装,见图1-(b )。

此技术使用隔热的排气管和尾管,并通过增加催化剂的表面积、提高催化剂中贵金属含量等措施,利用排气的高温使催化剂在汽车冷起动时快速升温。

由于催化剂靠近发动机,热冲击和排气阻力都是要考虑的,在发动机高负荷运行工况下,会因为高的热负荷而使催化剂加速老化,大的排气阻力会使发动机动力性能下降。

近来,催化涂层技术的提高(增加涂层比表面积和高温稳定性),使得含Pd 催化剂即使在1000℃以下也很稳定[5]。

使用金属载体或壁薄的陶瓷体可以减小排气背压。

只要催化剂能够保持稳定,把转化器前置是一种有效降低冷起动排放的方法。

为使转化器具有足够的寿命,应该仔细设计和选择催化剂。

212　前级催化剂(Pre -catalyst )也称为起动催化剂(start -up catalyst )。

这种技术包括两级催化剂,主催化剂在原位置,前级催化剂放置在排气歧管附近,见图1-(c )。

体积大的前级催化剂有高的热惯性,会导致主催化剂升温慢,因此应该仔细设计前级催化剂配方和体积,通常它只有主催化剂体积的10%～30%,这样可以不必改动汽车底盘结构而方便安装。

总体考虑转化效率和成本,可以借助计算机对前级催化剂体积进行优化设计[6]。

通常前级催化剂的活性组分为贵金属(Pd -Rh 或Pd ),并且具有高负载量(一般三倍于主催化剂),这样有助于氧化反应放热,使产生的热量尽快加热主催化剂)。

图1　快速起燃技术装置示意图83 小 型 内 燃 机 N o 12(V ol 129)2000 这种结构简单易行,目前应用较多,前级催化剂的耐久性和抗高温能力是这项技术的难点。

最新的结构设计中,通常在前级催化剂旁设计一个旁路,当后级催化剂起燃后,气流将一个电控的叶片导入旁路,从而避免高温对前级催化剂的热冲击。

213　碳氢收集器(Hydrocarbon ads orber systems/collec2 tion system/traps)HC收集器主要用于控制冷起动时HC排放,通过用活性炭或沸石分子筛等吸附剂吸附HC达到降低排放的目的。

此系统可在冷起动期间,通过一个排气阀将排气导入一个旁路管道,流入HC收集器,在低温时吸附排气中的HC,沸石通常能在400℃时脱附HC,这个温度恰好是三元催化剂起燃的温度,脱附的HC通过三元催化转化器可以随着排气气流被转化。

作为吸附剂的沸石即可以吸附极性分子(如水分子),又可以吸附非极性分子(如HC分子)。

在沸石中,Si-Al比是一个重要的参数,可以通过改变合成工艺和后处理条件使之在一定范围内变化。

降低Al 含量,沸石吸附水分子的能力减弱,吸附非极性分子,特别是HC分子的能力增加[7]。

试验表明,与标准T WC相比,HC收集器可以降低HC总排放的45%～75%[8];在FTP试验循环中,在冷起动时由于沸石的吸附可使HC降低35%[2]。

214　电加热催化剂(E lectrically Heated Catalyst, EHC)主要用于控制冷起动的废气排放。

EHC是满足美国加州标准中LE V和U LE V(Ultra LE V)的技术途径。

图1-(d)为单级EHC示意图。

EHC是利用电阻金属叶片置于催化转化器前端的进气流路上,使电阻在电流通过时达到使排气升温的作用。

有两种基本的电加热形式,一种是基于金属叶片,另一种基于烧结的金属粉末。

在汽车起动之前,金属基体先被电流加热一段时间(越短越好),以达到催化剂的起燃温度。

电加热式催化转化器通常和二次空气泵联合使用,以保障有充分的氧气来氧化排气中的C O和HC。

加热电流可以由汽车12V蓄电池(Battery-powered EHC)、附加电池、交流发电机(Alternator-powered EHC)[9]或高容量电容器供给,通过电极加热叶片、金属压膜或金属载体。

金属基体需要在发动机起动之前加热10～20s,发动机起动之后再加热20～30s以加热冷的尾气[3,10]。

EHC两级形式见图1-(e),小质量的EHC迅速达到高温,加热尾气并对C O和HC进行转化,反应放热随气流传给主催化剂,加快起燃。

这种系统的优点在于能够快速加热EHC和主催化剂的催化表面。

EHC设计的指导思想是电力消耗量和预热量少,与主催化剂间传热达到最佳,这也是EHC系统发展的趋势。

EHC可以通过下列方法进行优化:(1)前级EHC靠近主催化剂;(2)EHC和主催化剂靠近发动机;(3)减小EHC质量;(4)在发动机起动前就给EHC供电。

215　燃烧器(Fuel burner)采用燃烧器装置是加热催化剂最直接的方法。

图1-(f)是一个简单燃烧器型催化转化器的示意图。

燃烧室位于转化器前端以保证快速传热使催化剂迅速有效起燃。

当发动机起动后,使用温度传感器(位于转化器外壳上)检查催化转化器是否达到起燃温度范围[11],如果低于起燃温度,称为“温度不足”(T em2 perature Deficiency),燃烧器会运行一段时间。

燃烧器起动后,二次空气泵和燃烧器的点火装置都会起动,通过电控手段使燃烧器具有正常良好的燃烧状态,一旦催化床达到足够高温,二次空气和燃料供给就被关闭。

燃油来自车辆的燃油供给系统,通过油料调压器保持以稳定的流速传输到燃烧器喷嘴。

过量空气由二次空气泵供应并调节到约13kPa的压力。

燃烧器工作后,内部温度会短时间内超过1000℃,几秒钟之后,催化转化器的前端温度会达到350℃,使陶瓷体或金属载体达到催化剂的起燃烧温度。

由于能量消耗较低,燃烧器系统可以代替EHC。

实际应用的燃烧器系统是很复杂的,系统装有大量微处理器控制的阀门和传感器。

216　排气点火技术(Exhaust G as Ignition,EGI)汽车冷起动时,由于阻风门的限位,有大量的C O和HC排出。

通过使用更浓的混合气并加上额外的空气,会使排气的混合气具有可燃能力。