等离子四效汽车尾气净化器的设计与试验

王迎辉，顾 琪，卢振生，乔 跃，倪艳姝，何自航，撒晓霞

(绥化学院， 黑龙江 绥化 152061)

随着我国机动车保有量的日益增加，汽油车在未来发展中将占有较高比例，其排放的尾气污染物对环境造成极大危害[1]。汽油车排放的污染物主要由PM、NOx、HC和CO组成。目前，三元催化装置可通过氧化和还原作用将汽车排放的CO、HC和NOx转变为无毒无害的N2、H2O和CO2[2]。虽然三元催化器应用比较广泛，但其对汽油发动机所排放碳烟颗粒(particulate matter,PM)净化效果并不明显，并且PM容易导致三元催化器的堵塞，从而使排气背压升高、排气管温度急剧上升以及催化器失效[3]。为满足日益严格的排放法规，本文结合低温等离子体(non-thermal plasma，NTP)和钙钛矿型催化剂等相关理论，设计了等离子四效汽车尾气净化器，可实现PM、NOx、HC、CO的同时净化，具有使用寿命长、排气背压低、净化效率高以及使用成本低等优点。

1 等离子四效汽车尾气净化器的设计

等离子四效汽车尾气净化器的设计原则是在排气背压不超过限定值的前提下，使汽车尾气中PM、NOx、HC、CO实现同时净化，其设计内容主要包括净化器结构设计、载体设计以及催化剂设计。

1.1 净化器结构设计

本文所设计的等离子四效汽车尾气净化器主要由壳体、催化剂、催化剂载体、载体支承环和中心电极等构成，整体结构如图1所示，其中壳体作为等离子发生器的外电极，催化剂载体作为放电介质，载体中环绕多根导线作为中心电极，以上三者构成介质阻挡放电反应器，中心电极通过导线连接催化器壳体外的高压电源，其中壳体由左右两壳体通过密封法兰盘连接，保证了净化器的密封性。

1.进气口;2.壳体;3.绝缘塞;4.电极导线;5.导流隔板;6.密封法兰盘;7.中心电极;8.排气口;9.载体支承环;10.螺栓;11.催化剂载体

图1 等离子四效汽车尾气净化器结构

1.2 载体的设计

载体作为净化反应的基体和放电介质，必须具有孔壁薄、表面积大、耐冲击和耐高温等特点[4]。目前，作为催化剂载体的材料主要有颗粒状载体、蜂窝金属载体和多孔蜂窝陶瓷载体，其性能特点如表1所示，其中金属载体因其自身特性，无法作为钙钛矿型催化剂的载体[5]，综合几种载体的优缺点，本文选用底面直径110 mm、高100 mm、孔型为方孔、方孔平均内径400目的多孔蜂窝陶瓷载体。

表1 几种载体的比较

1.3 催化剂的设计

LaCoO3钙钛矿型催化剂的催化反应可分为表面催化过程和体相内的催化反应，该催化剂容易脱附氧从而形成氧空位和表面带负电的活性位，使其不仅能有效提高PM、CO和HC的燃烧性能，降低碳烟颗粒物的起燃温度，而且可以将NOx还原为N2，其净化NOx主要依靠LaCoO3氧化物中的氧空位来打开N-O化学键,其催化还原NO的机理如式(1)～(4)所示[6]。

(1)

(2)

(3)

(4)

对于主要成分是碳烟的PM来说，在尾气有残余O2的条件下氧化生成CO；在氧气不足的条件下，可以利用打开N-O的活性氧进行二次氧化，反应过程如式(5)所示[7-8]:

2C+2NO2→2CO2+N2

(5)

尾气中的CO与HC的氧化过程如式(6)、(7)所示[9]：

(6)

(7)

在钙钛矿型催化剂 LaCoO3结构中，使用离子半径较大的K+取代A位较小离子半径的La3+使得晶格氧膨胀变形，使氧空位增加，这样B位离子将产生Co的变价，使Co以+3、+4价态存在，新的B位金属Mn的掺杂取代，也可以产生掺杂的Mn的变价，从而形成更高氧化性能的价态，同时使得钙钛矿型结构中形成Mn-O键或Co-O键，转化后的催化剂为La0.7K0.3Co0.6Mn0.4O3，可进一步提高催化剂的氧化还原性能，其转化过程如图2所示[10-11]；当将催化剂放置于等离子体区内时，将使净化器放电能力增强[12]，并且使催化剂颗粒物之间的接触点的局部电场增强，从而提高电子能量、催化剂的吸附性和电子空穴对的形成，诱导一系列氧化还原反应的进行[13]，空穴对的增加可提高反应式(1)～(4)的进行，电子能量的提高可促进反应式(5)～(7)的进行。

图2 钙钛矿型催化剂转化过程

2 基于压力损失的等离子四效汽车尾气净化器的结构参数分析

等离子四效汽车尾气净化器的压力损失主要来源有4部分：沿程流阻、渐扩管局部阻力、净化器载体的阻力和渐缩管局部阻力。为简化模型，便于对压力损失进行数值模拟，本文作出如下假设：① 气体不可压缩；② 忽略温度和PM对空气黏性系数的影响； ③ 忽略电极线对压力损失的影响；④ 管道气体均为层流。

2.1 建立数值计算模型

沿程损失是发生在缓变流整个流程中的能量损失[14]，是由流体的黏滞力造成的压力损失。对于本文的稳态不可压气流，管道内流动单位质量气体的沿程损失为[15-16]：

(8)

式中，λ表示沿程损失系数，一般与雷诺数和管壁粗糙度有关；L是管道长度(m)；d是管道内径(m)；ρ是气体密度(kg/m3)；v是气体进入净化器前的气流速度(m/s)；g是重力加速度(m/s2)。

根据管道内的气流为层流可以得出沿程损失系数λ为：

(9)

式中Re表示雷诺系数，其表达式为[17]：

(10)

式中，μ为空气黏性系数。一般管道内的气体为层流时管道雷诺系数Re<2 000。

载体阻力主要是载体孔道内的压力损失，也属于层流，依据Hagen-Poiseuille方程，则净化器载体的压力损失为[18]：

(11)

式中，f为流体阻力系数；l为载体长度(m)；Dh为当量直径(m)；ε为载体的孔隙率；

(12)

式中：V0是气体在自然状态下的体积，或称表观体积(m3)；V1是气体的绝对密实体积(m3)。

渐扩角局部阻力为气体通过净化器的渐扩角阶段时的单位质量流体的局部阻力，则渐扩角局部压力损失为[19]：

(13)

式中ζ为局部损失系数，一般由经验公式计算[20]：

(14)

式中：θ1表示四效净化器的渐扩角(°)；A1和A2分别表示管道扩张前后的截面面积(m2)；K为修正系数；

(15)

式中：d1是扩张前管道的直径(mm)；d2是扩张后管道的直径(mm)。

根据参考文献[20]得出：渐缩角局部阻力是气体通过催化器的渐缩阶段时的单位气体质量的局部阻力，则渐缩角局部压力损失为：

(16)

(17)

式中，θ2为四效净化器的渐缩角。

净化器的排气背压近似由上述4种压力损失构成，即为：

ΔP=ΔP1+ΔP2+ΔP3+ΔP4

(18)

整理上述公式可得:

(19)

式中：气体密度ρ取决于尾气温度，管道内径d和管道长度L取决于载体尺寸，属于结构设计过程中可优化调节部分。

2.2 计算结果与分析

EA888型汽油发动机主要参数如表2所示，本文假定催化器入口气流是均匀的，不同转速下气体流速在0.1～1 m/s，气体密度为1.225 kg/m3，气流温度为500 K，当量直径选取为0.06 m。

表2 EA888型汽油发动机主要参数

根据式(19)可知：排气背压随着管道长度L的增加而增加，随管道内径d的增大而减小，随渐扩角θ1和减缩角θ2的增大而减小，而渐扩角θ1和减缩角θ2均应该在0～90°，考虑到前文载体的尺寸以及机械结构的工艺性，本文选择L为120 mm，d为120 mm；θ1、θ2为60°；将上述参数代入式(19)可得不同渐扩角与减缩角净化器的排气背压随气体流速的变化曲线，如图3所示。

由图3可知：净化器的排气背压随尾气流速的增加而增加，当尾气流速相同时，排气背压随渐扩角和减缩角的增大而减小，且减小趋势越来越小，当渐扩角和减缩角为60°，尾气流速为1 m/s时，排气背压为30 kPa，均在国五要求范围内，故本文选择60°作为渐扩角和减缩角最佳参数。

图3 不同渐扩角与减缩角净化器的排气背压随气体流速的变化曲线

3 台架试验与验证

为检测等离子四效汽车尾气净化器的净化性能，本文根据相关要求，设计了等离子四效汽车尾气净化器性能检测试验台架，如图4所示。试验主要检测净化器的净化效率和排气背压，试验中采用型号为EA888型汽油机，5个相同的等离子四效净化器，发动机性能参数如表2所示。

试验过程在室内环境完成，室内温度25 ℃，汽油机分别在800、1 600、2 400、2 800和3 200 r/min的转速下完成试验内容，发动机启动后预热10 min，待发动机稳定运转后开始试验，每隔20 min对数据进行读取1次，共读取6次，然后取6组数据平均值作为试验数据，试验后分析处理数据。

图4 等离子四效汽车尾气净化器的性能检测试验台

3.1 排气背压性能检测

为检测等离子四效汽车尾气净化器的排气背压并验证本文数值模型，通过对试验数据处理得出不同发动机转速的条件下等离子四效汽车尾气净化器的排气背压随时间的变化曲线，如图5所示。根据图5可知，随着发动机运转时间的增加，排气背压不断升高，当运转时间超过6 h后，排气背压趋于稳定，且最大排气背压不超过40 kPa，与本文数值计算结果基本符合；当发动机运转不超过6 h时，部分未来得及分解的PM使得载体发生堵塞，致使排气背压急速上升，当时间超过6 h后，PM的增加和分解速度基本达到平衡，故排气背压趋于稳定；当发动机运转时间一定时，转速越高，尾气流速越快，故排气背压越大，其中尾气流速为800 r/min时与数值计算结果最为相符。

图5 不同转速下排气背压随时间的变化

3.2 净化效率性能检测

发动机转速是影响发动机排放特性的重要因素，不同发动机转速对尾气温度和污染物浓度均有很大的影响，因此在本试验中，为检测等离子四效汽车尾气净化器的净化效率，通过对试验数据处理分别得出：不同转速的条件下，等离子四效汽车尾气净化器对PM、 NOx、CO和 HC净化效率随时间的变化曲线如图6～9所示。

图6 不同转速下PM净化效率随时间的变化

图7 不同转速下NOx净化效率随时间的变化

图8 不同转速下CO净化效率随时间的变化

图9 不同转速下HC净化效率随时间的变化

根据图6～8可知：PM、NOx和CO的净化效率均随发动机运转时间的增加而增加，且增长趋势相同，由此推测PM、NOx和CO可相互促进净化，当发动机运转时间超过6 h后，净化效率趋于稳定，当发动机转速为3 200 r/min、发动机运转时间超过8 h时，PM的净化效率可达90%，CO的净化效率可达95%，这是由于随着发动机转速的增加，尾气的温度升高，提高了催化剂活化温度，从而增强了PM和CO的氧化分解；在发动机转速不超过2 400 r/min时，NOx的净化效率随转速的增加而增加，当发动机转速为2 400 r/min、发动机运转超过8 h时，NOx的净化效率可达95%以上，但是当发动机转速超过2 400 r/min时，NOx的净化效率稍有下降，这是因为发动机转速增加至2 400 r/min时，发动机NOx排放量迅速增加，导致净化效率有所下降。

根据图9可知：当发动机运转不超过6 h时，HC的净化效率随时间的增加而增加，HC的最大净化效率可达88%，但当发动机转速为3 200 r/min、运转时间达到7 h时，HC的净化效率迅速降低。这种现象是因HC的浓度迅速增加所致，发动机转速过高会引起发动机温度升高，尾气中活性物质增加，当一些极易被氧化的污染物被氧化后，其他物质将会组合成HC化合物；综合图6～9可知：当发动机转速为3 200 r/min时，NOx浓度的增加，促进了PM、HC和CO的净化效率，HC浓度的增加对PM、NOx和CO的净化效率无抑制作用。

4 结论

本文将等离子体技术与钙钛矿型催化剂技术相结合，设计了等离子四效汽车尾气净化器，可实现对PM、NOx、CO和HC的同时净化，通过数值方法得出等离子四效汽车尾气净化器的相关参数；并通过发动机台架试验验证了数值计算结果的正确性，同时验证了本文所设计的等离子四效汽车尾气净化器可同时净化PM、NOx、HC和CO，且NOx的存在可促进PM、HC和CO的净化，当发动机转速为2 400 r/min、发动机运转时间超过8 h后，等离子四效汽车尾气净化器的净化性能达到最佳。综上所述，本文所设计的等离子四效汽车尾气净化器具有排气背压低、净化效率高和成本低等优点，是目前净化汽油车尾气的新方法，具有很好的发展前景，但本技术路线并没有对实车进行试验验证，且本试验未对净化器的使用寿命进行试验，其机械结构及净化效果的稳定性仍有待试验和理论证实。