【文章內容簡介】 占據汽車市場的主導地位，因此不斷改進內燃機技術是有效的短期解決方案。 廢氣再循環(huán) (EGR) 廢氣再循環(huán) (EGR)系統(tǒng)用于降低廢氣中的氧化氮 (NOX)的排出量。氮和氧只有在高溫高壓條件下才會發(fā)生化學反應，發(fā)動機燃燒室內的溫度和壓力滿足了上述條件，在強制加速期間更是如此。 當發(fā)動機在負荷下運轉時， EGR閥開啟，使少量的廢氣進入進氣歧管，與可燃混合氣一起進入燃燒室。怠速時 EGR 閥關閉，幾乎沒有廢氣再循環(huán)至發(fā)動機。汽車廢氣是一種不可燃氣體 (不含燃料和氧化劑 )，在燃燒室內不參與燃燒。 它通過吸收燃燒產生的部分熱量來降低燃燒溫度和壓力，以減少氧化氮的生成量。進入燃燒 室的廢氣量隨著發(fā)動機轉速和負荷的增加而增加。 EGR 系統(tǒng)的主要元件是數控式 EGR 閥，數控式 EGR閥安裝在右排氣歧管上，其作用是獨立地對再循環(huán)到發(fā)動機的廢氣量進行準確的控制，而不管歧管真空度的大小。 EGR 閥通過 3 個孔徑遞增的計量孔控制從排氣歧管流回進氣歧管的廢氣量，以產生 7 種不同流量的組合。每個計量孔都由 1個電磁閥和針閥組成，當電磁閥通電時，電樞便被磁鐵吸向上方，使計量孔開啟。旋轉式針閥的特性保證了當EGR 閥關閉時，具有良好密封性。 EGR 閥通常在下列條件下開啟： 。 。 ECM根據發(fā)動機冷卻水溫傳感器、節(jié)氣門位置傳感器和空氣流量傳感器來控制 EGR系統(tǒng)。 廢氣再循環(huán) (EGR)系統(tǒng)用于降低廢氣中的氧化氮 (NOX)的排出量。氮和氧只有在高溫高壓條件下才會發(fā)生化學反應，發(fā)動機燃燒室內的溫度和壓力滿足了上述條件，在強制加速期間更是如此。 當發(fā)動機在負荷下運轉時， EGR閥開啟，使少量的廢氣進入進氣歧管，與可燃混合氣一起進入燃燒室。怠速時 EGR 閥關閉，幾乎沒有廢氣再循環(huán)至發(fā)動機。汽車廢氣是一種不可燃氣體 (不含燃料和氧化劑 )，在燃燒室內不參與燃燒。 它通過吸收燃燒產生的部分熱量來降低燃燒溫度和壓力，以減少氧化氮的生成量。進入燃燒室的廢氣量隨著發(fā)動機轉速和負荷的增加而增加。 EGR 系統(tǒng)的主要元件是數控式 EGR 閥，數控式 EGR閥安裝在右排氣歧管上，其作用是獨立地對再循環(huán)到發(fā)動機的廢氣量進行準確的控制，而不管歧管真空度的大小。 EGR 閥通過 3 個孔徑遞增的計量孔控制從排氣歧管流回進氣歧管的廢氣量，以產生 7 種不同流量的組合。每個計量孔都由 1個電磁閥和針閥組成，當電磁閥通電時，電樞便被磁鐵吸向上方，使計量孔開啟。旋轉式針閥的特性保證了當EGR 閥關閉時，具有良好密封性。 發(fā)動機控制電腦即 ECU 根據發(fā)動機的轉速、負荷 (節(jié)氣門開度 )、溫度、進氣流量、排氣溫度控制電磁閥適時地打開，進氣管真空度經電磁閥進入 EGR閥真空膜室，膜片拉桿將 EGR 閥門打開，排氣中的少部分廢氣經 EGR 閥進入進氣系統(tǒng)，與混合氣混合后進入氣缸參與燃燒。少部分廢氣進入氣缸參與混合氣的燃燒，降低了燃燒時氣缸中的溫度，因 NOX 是在高溫富氧的條件下生成的，故抑制了 NOX的生成，從而降低了廢氣中的 NOX 的含量。但是，過度的廢氣參與再循環(huán)，將會影響混合氣的著火、性能，從而影響發(fā)動機的動力性， 特別是在發(fā)動機怠速、 低速、小負荷及冷機時，再循環(huán)的廢氣會明顯地影響發(fā)動機性能。所以，當發(fā)動機在怠速、低速、小負荷 及冷機時， ECU 控制廢氣不參與再循環(huán)，避免發(fā)動機性能受到影響；當發(fā)動機超過一定的轉速、負荷及達到一定的溫度時， ECU控制少部分廢氣參與再循環(huán)，而且，參與再循環(huán)的廢氣量根據發(fā)動機轉速、負荷、溫度及廢氣溫度的不同而不同，以達到廢氣中的 NOX 最低。 三元催化技術 三元催化轉化器是將機車、汽車引擎燃燒后所排放的 CO(一氧化碳 )、 HC(碳氫化合物 )、及 NOx（氮氧化物）等有害成份，在排氣管中催 化轉換成無毒害的CO(二氧化碳 )、 HO(水 )和 N（氮氣）在排放到大氣中，達到凈化的功效。見圖（ 1） 圖（ 1） 汽車以三種方式向大氣排放污染物：尾氣排放、曲軸箱通風和燃油蒸發(fā)。其中尾氣排放影響最大，其主要污染成分是 CO， HC 和 NOx，汽車尾氣三元催化轉化器（簡稱催化器）是安裝于汽車排氣系統(tǒng)中的最重要的機外凈化裝置，它可將這些有害氣體通過氧化和還原作用轉變?yōu)闊o害的 CO2， H2O 和 N2。 催化器中心是多空蜂窩陶瓷載體，孔多而壁薄，使廢氣通過時有很多接觸機會，又不產成較大的背壓（排氣阻力）。載體材料一般是高純度的堇青石，具有適當的吸水性，以便催化劑的涂附，并有極低的熱膨脹系數 ，以使在反復承受熱沖擊的情況下，不產生大的應力變化和疲勞破損。 載體表面涂有很薄的催化劑涂層，其中直接起催化作用的主要是鉑族貴金屬（鉑 Pt、銠 Rd、鈀 Pd），稀土材料鈰 Ce 和鑭 La 的氧化物具有儲氧功能，并有助催化的作用，將上述多種材料按一定比例（配方）制成催化劑，能收到最佳的催化效果。由于貴金屬價格昂貴，催化劑中的貴金屬含量低就成了它的水平和市場競爭力的標志。催化劑的主要技術指標是對廢氣中三種主要有害成分的轉化效率，一般都應在 80％以上，起燃溫度 T50 是檢驗低溫下催化劑活性的重要指標，對冷啟動時廢氣 的轉化作用有重要影響，一般在 300 度以下。高溫抗老化性能也是重要的技術指標，一般在 80000 公里時，劣化系數應小于 1． 2。 美國、歐洲及日本代表著當今世界汽車工業(yè)發(fā)展潮流。美國對汽車排放控制起步早、進程快、要求高，尤其是美國的加州，其法規(guī)是世界上最嚴格的。歐洲排放控制起步較慢，法規(guī)較松，但 2021 年后，排放控制也要達到美國當時水平。日本為了適應國內環(huán)境保護和出口國外需要，排放控制技術發(fā)展很快。三元催化技術是機外凈化最成功最有效的方法，國外應用取得了很大的成功，目前正向低貴金屬含量、緊密偶合型、電加溫型和 柴油機微?？刂频确较虬l(fā)展。 ： 三元催化反應器類似消聲器。它的外面用雙層不銹薄鋼板制成筒形。在雙層薄板夾層中裝有絕熱材料 石棉纖維氈。內部在網狀隔板中間裝有凈化劑。 ： 凈化劑由載體和催化劑組成。載體一般由三氧化二鋁制成，其形狀有球形、多棱體形和網狀隔板等。凈化劑實際上是起催化作用的，也稱為催化劑。催化劑用的是金屬鉑、銠、鈀。將其中一種噴涂在載體上，就構成了凈化劑。 ： 發(fā)動機通過排氣管排氣時， CO、 HC、和NOx 三種氣體通過三元催化反應器中的凈化劑 時，增強了三種氣體的活性，進行氧化 還原化學反應。其中 CO 在高溫下氧化成無色、無毒的二氧化碳（ CO2）氣體。 HC 化合物在高溫下氧化成水和（ H2O）和 CO2 。 NOx還原成氨氣（ N2）和（ O2 ）。三種有害氣體變成無害氣體，使排氣得以凈化。 三元催化反應器的使用： 凡是性能較好的三元催化器及其催化劑大多為鉑 (Pt)、鈀 (Pd)、銠、 (Rn)等稀有金屬制成，價格昂貴。 為了充分發(fā)揮三元催化器的降污效率，防止早期損壞失效，在汽車使用中應注意以下幾個方面： （ 1） 裝有三元催化器的汽車，不能使用含鉛汽 油，尤其到外地加油時一定要注意，因為含鉛油燃燒后，鉛顆粒隨廢氣排經三元催化器時，會覆蓋在催化劑表面，使催化劑作用面積減少，從而大大降低催化器的轉換效率，這就是常說的的 “ 三元催化器鉛中毒 ” ，經驗表明即使只使用過一箱含鉛汽油，也會造成三元催化器的嚴重失效，所以這一點廣大車主一定要多加注意。 （ 2） 應避免未燃燒的混合氣進入催化器。三元催化器開始起作用的溫度是200 攝氏度左右，最佳工作溫度在 400 攝氏度至 800 攝氏度，而超過 1000 攝氏度后作為催化劑的貴金屬成分自身也將會產生化學變化，從而使催化器內的有效催化 劑成分降低，使催化作用減弱。 催化器降低碳氫化合物 (HC)和一氧化碳 (CO)這兩種有害物質是通過在催化器內部進行燃燒使其轉化為水 (H2O)及二氧化碳 (CO2)而實現的，而這種反映會產生熱量，發(fā)動機工作正常情況下，這兩種成分的含量適當，燃燒所產生的熱量會使催化器保持在最佳工作溫度附近，而發(fā)動機工作出現異常時排氣中這兩種成分的含量遠遠超過正常情況。 因此，燃燒所產生的熱量有很大可能將使催化器溫度超過工作上限，從而傷害到催化劑，使催化器損壞。因此，在車輛使用過程中要注意以下幾種情況： (1) 過久的怠速空 轉； (2) 點火時間過遲； (3) 個別缸失火不工作； (4) 噴油正常但啟動困難； (5) 混合氣過濃； (6) 發(fā)動機燒機油等。 以上這些現象都會造成三元催化劑的過早損壞和失效，出現這些現象應盡快去維修廠排除故障。 ：完成關鍵技術攻關和新產品開發(fā)及推廣應用，加速新產品產業(yè)化工程建設。 ：低膨脹，耐高溫，高強度，多孔隙的蜂窩陶瓷載體；高稀土，低貴金屬含量的催化劑；催化劑的涂附技術和催化轉化器的設計制造技術；催化器與整車排放系統(tǒng)的匹配技術；緊密偶合型 、電加溫型和柴油機 微?？刂拼呋骷夹g。 隨著汽油機和柴油機電子控制技術在近期內在國內的廣泛應用和排放法規(guī)將進一步加嚴，尾氣催化轉化器將在我國大量使用。 3． 2． 5 新型片式汽車尾氣傳感器 自從 1976 年 Bosch 開始研制的用于汽車尾氣排放控制的氧化鋯基氧傳感器以來，全球范圍內 傳感器已生產了幾億只。 即實際空氣 /燃料比與化學計量的比值，是減少汽車及其他燃燒系統(tǒng)有毒氣體排放、提高燃燒效率極為重要的參數，由三元催化和 傳感器構成的 閉環(huán)控制系統(tǒng)是減少火花點火發(fā)動機尾氣排放最為有效的方法，但是，在發(fā)動機預熱階段以及當 遠 離 1 時，該系統(tǒng)對尾氣排放的控制效果較差。為了進一步滿足對尾氣排放控制要求日益嚴格的需要，必需解決該系統(tǒng)目前存在的問題。解決策略主要有兩個方面。一是在預熱階段就啟動閉路模式。發(fā)動機優(yōu)先低燃料運轉或用第二空氣泵使催化劑快速啟動，這就要求傳感器具有快速啟動能力 (15s 甚至 10s),而傳統(tǒng)的管式氧傳感器遠遠不能滿足這一要求；另一個方法是采用線性 控制以適應 遠離 1 時的排放控制。要想實現上述解決策略就必須先解決 傳感器的問題，新型傳感器要具有較寬的線性范圍、快速啟動和高精度?；?ZrO2 固體電解質材料的片式傳感器 不僅能夠滿足快速啟動、對稀薄燃燒在寬范圍的高性能要求，在小型化以及作為下一代尾氣傳感器（ NOx、 HC 等）的平臺均顯示了極大的可能性。 近年來，北京航空航天大學開始了新型片式限流氧傳感器研究工作。由于多年對多元氧化物納米粉體的水熱合成、陶瓷粉體的分散、新型膠體成型、干燥等陶瓷制備關鍵技術及其理論進行了系統(tǒng)的研究，為多層片式陶瓷材料的研制打下了堅實的基礎。該項目擬通過研究新的材料系統(tǒng)，特別是混合電極材料，以達到尾氣傳感器的要求。該產品不僅可以測氧，還可以用作 CO、 NOx、 CH等氣體傳感器，這些氣體對于環(huán)境監(jiān)測來 說都是極為重要的。目前國內還沒有擴散阻擋層型限流氧傳感器的專利。該項目的實施可望獲得一批專利。 經濟與社會效益 :如果按汽車年產量 300 萬輛，每輛車用 1 支傳感器，每支傳感器售價為 200 元計算，該產品的年產值為 6億元，利稅可達產值的 40%以上。隨著我國加入 WTO，對于我國汽車零部件產業(yè)來說，既有危機又有機遇，這要求我們只有開發(fā)高技術含量的產品，才有競爭力?！镀嚬I(yè)十五計劃》中提出：培育 510 家出具國際競爭力的零部件大型企業(yè)集團，關鍵零部件內 3 家國內市場占有率達到 70%，零部件出口產值占其總銷售額的 20%。這 顯示了我們發(fā)展自己的汽車零部件產業(yè)的決心。另外，該氣敏傳感器還可以廣泛應用于工業(yè)窯爐提高燃燒效率、降低廢氣排放控制系統(tǒng)中。因此，該研究成果具有很大的市場前景和經濟、社會效益。 市場前景隨著國民經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，國內對汽車的需求量越來越大。 1999 年底國內民用汽車保有量為 1453 萬輛，到 2021 年將發(fā)展到 2545萬輛，隨之，我國汽車產業(yè)已進入了一個迅速發(fā)展的階段， 2021 年汽車產量 233萬輛，增長 %，今年頭 5 個月的產量已達到約 140 萬輛，增長 %，到 2021年預計達到 330 萬輛。汽 車的急劇增加尾氣排放污染的控制意識亟待解決的問題，發(fā)達國家為此加強對汽車污染的治理。在過去的 30 年間，美國、日本汽車單車排放的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物，美國、日本單車均下降了 90%以上。我國也開始加強控制。《汽車工業(yè)十五計劃》中提出：新型轎車、輕微型車、大中型客車、中重型載貨汽車應達到歐洲 2號排放控制水平，部分中高檔轎車和高檔大中型客車爭取達到歐洲 3 號排放控制水平。新型四輪農用車要逐步提高排放標準，配備多缸機的四輪農用車應達到歐洲 1 號排放控制水平。 2021 年前后各種汽車產品的排放控制水平逐步實現與國 際接軌。要實現這一目標就必須采用閉環(huán)電控燃油供給系統(tǒng)、三元催化、稀薄燃燒、缸內直噴等技術，而這些都需要本項目開發(fā)的新一代尾氣傳感器。 對一氧化碳的控制 1．進氣空氣溫度 0T 的影響 一般情況下，冬天氣溫可達 20℃ 以下，夏天在 30℃ 以上，爬坡時發(fā)動機罩內 To80℃ 。隨著環(huán)境溫度的上升，空氣密度 ρ 變小，而汽油的密度幾乎可認為不變 ,因此使化油器供給的混合比 R（即 AF）隨吸入空氣溫度的上升而變濃，圖 3 為一定運轉條件下，進氣空氣溫度與混合比的關系，大致和絕對溫度 的方根