6108天然氣發動機三元催化器轉換效率的研究

劉明來，杜子文，林紹莉，吳泉成

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6108天然氣發動機三元催化器轉換效率的研究

劉明來，杜子文，林紹莉，吳泉成

（南充職業技術學院 機電工程系，四川 南充 637000）

文章介紹了筆者曾主持的一項研究設計項目，通過對6108天然氣發動機的燃燒特性、排放特性等的分析，研究設計了適用于6108天然氣發動機的三元催化器，從而減少發動機的尾氣排放，提高三元催化器的轉換效率，降低三元催化器的生產制造成本。也可指導其它天然氣發動機三元催化器的研究設計。

天然氣發動機；三元催化器；轉換效率

前言

隨著汽車排放法規的日益嚴格，三元催化轉化器的開發和應用已經成為控制汽車排放污染物的首要途徑。但現有的三元催化器基本上是基于汽油發動機的工作工況而研發設計生產的，目前天然氣發動機的尾氣處理裝置大多數是借用同排量或相近排量的汽油發動機的三元催化器，這樣導致其轉化效率較低且成本較高。目前通過公開的文獻檢索，針對天然氣發動機而研究三元催化器轉化效率的文獻資料并不多見，鑒于此，筆者將近幾年來，在針對天然氣發動機三元催化器的設計、制造及應用方面的探索、研究所獲得的一些心得，并依據曾主持的6108天然氣發動機三元催化器的研究設計項目，為專題研究對象進行較為詳細的闡述，供同行參考。

1 天然氣發動機尾氣排放特性

天然氣是一種高辛烷值、高燃燒熱值、費用低廉和低污染的清潔能源，據資料顯示，同排量的天然氣發動機與汽油發動機相比，可減少排放45% CO、30% NOx、30% HC，90% SO2、23% CO2，[1]但天然氣發動機尾氣排放中CH4的含量相當高，是尾氣中最難被氧化的氣體。天然氣燃燒時火焰傳播速度較慢，一般采用閉環稀薄燃燒技術，空燃比大于理論空燃比，所以天然氣發動機燃燒過程產生的CO排放量較低，但NO會有所增加，且占NOx排放的95%以上。尾氣中未完全燃燒的CH4占HC排放的85%以上，主要是因為缸壁激冷作用，燃燒室縫隙中的CH4未得到充分燃燒所致。所以減少天然氣發動機的尾氣排放主要是針對CO、NO、CH4三種氣體。

2 6108天然氣發動機三元催化器的研究設計

本次研究設計的三元催化器如圖1所示，由殼體、墊層、載體和催化劑四部分組成，能很好的滿足國Ⅴ尾氣排放要求，比借用汽油發動機的三元催化器的性能優越，轉換效率顯著提高，且降低了生產制造成本。

2.1 殼體的設計

如圖1所示，殼體采用Ni、Cr耐熱鐵素體不銹鋼合金鋼板，雙層結構設計制造，沿鋼板表面與法蘭焊接封裝，這樣設計的殼體熱膨脹系數小，耐腐蝕、耐高溫性強，具有良好的強度和剛度，雙層結構的設計，保證了催化劑的反應溫度及快速進入起燃溫度，提高了轉換效率。殼體的擴張管角設計為75°，這樣可明顯改善三元催化器內尾氣流速分布的均勻性，有效減緩催化劑的劣化，且提高了催化器的使用壽命。[2]

圖1 6108三元催化器結構示意圖

2.2 載體的設計

經文獻資料顯示及載體生產制造經驗，采用董青石陶瓷作為載體，按蜂窩狀生產制造是目前國內最優的方法，董青石蜂窩狀陶瓷載體具有良好的熱穩定性，熱膨脹系數小，熱容量低，保持高熱的能力強，且制造成本低廉。在充分考慮6108天然氣發動機的排量、排氣流動特性、排氣溫度特性等條件下，本次采用整體式載體，載體容積設計為3700 mm2，孔密度達到了400孔/平方英尺，壁厚降到了0.1mm，這樣設計使載體比表面積達到了8mm2/g，載體內尾氣流速均勻,從而增加了氣固之間的傳熱面積，尾氣在催化器內的停留時間適宜，有利于催化劑的快速起燃，提高了催化器的轉換效率。

2.3 涂層

本次設計選取La-Al2O3作為涂層，并在涂層中加入25% Ce和5% Ba等稀土元素，這樣設計的涂層有以下幾個優點：①提高涂層的高溫穩定性；②有顯著的儲氧和釋放氧的功能，能有效控制載體內氧氣的波動；③增強貴金屬催化活性。

2.4 催化劑

在Pt、Pd、Rh三種貴金屬催化劑中，鉑對CO和CH4具有良好的催化轉化作用，對No還原轉化作用很小。鈀也對CO和CH4具有良好的催化轉化作用，且在富氧和高溫條件下，活性優于鉑，但對鉛、硫等物質敏感，容易中毒。銠對No具有良好的還原能力，且在低溫下對CO有很強的氧化轉換作用，還具有較好的抗硫中毒能力，其中鈀比鉑、銠的資源豐富，價格低廉。根據天然氣發動機尾氣排放特性，尾氣成分主要是CO、NO、CH4三種氣體，尤其是CH4的含量是汽油機的10倍左右，在保證催化劑活性的前提下，盡量降低貴金屬的總量，以及提高鈀的比例。在6108天然氣發動機催化器試驗設計中，我們采用了Pt/Pd/Rh=2:20:1的配方比例，貴金屬總量為3.91克。與汽油機催化劑配方相比，極大的提高了Pd的比例，減少了價格高昂的Pt、Rh貴金屬的用量，既有效的提高了催化器的轉換效率，又降低了生產制造成本。

3 6108天然氣發動機與三元催化器的匹配

發動機與三元催化器的匹配是非常重要的，其主要的匹配特性參數有：空燃比、工作溫度、以及催化器的安裝位置等。

3.1 空燃比

純天然氣發動機的理論質量空燃比為17.17，筆者當地加氣站中天然氣的CH4含量為92%左右，經過試驗數據得出其空燃比為16.9。由圖2可以看出CO、HC、NO的轉換效率與催化器中氧的含量有很大關系，且空燃比在16.7～17.05之間時催化器的轉換效率最佳，6108天然氣發動機采用稀薄燃燒技術，因此其控制的重點區域就在16.9～17.05之間的狹窄區域，為了確保達到精準控制，筆者采用寬域氧傳感器閉環電控系統來實現其控制策略。

圖2 6108天然氣發動機催化轉化器轉換效率與空燃比的關系

3.2 載體工作溫度

催化轉化器的轉換效率與載體內溫度有密切關系，本次設計的6108天然氣發動機催化器在200℃以上開始起作用，當工作溫度達到280℃時，轉換效率能達到50%，工作溫度達到350℃時轉換效率最佳，能達到90%，當工作溫度長時間在750℃以上時，催化劑出現高溫失活、老化失效等現象。

3.3 三元催化器位置的確定

經發動機臺架綜合試驗，6108天然氣發動機排氣總管后800cm附近，是安裝三元催化器的最佳位置。發動機從冷起動開始，12S左右此處排氣溫度即可達到催化器的起燃溫度，40S左右時，催化器前后端溫度基本一致，65S左右時，催化器后端溫度出現峰值，90S左右時，催化器內溫度趨于平穩，催化器轉換效率達到最佳效果。如果安裝距離小于770 cm，則容易引起催化器的快速老化，安裝距離大于830cm，則需要較長時間催化器才能達到起然溫度，且轉換效率不容易達到最佳效果。

4 結束語

本文詳細分析了6108天然氣發動機三元催化器的殼體、墊層、載體和催化劑的設計思路及理念，以及與天然氣發動機的匹配方法。通過上述優化設計制作出的產品，與借用汽油發動機三元催化器相比，具有更高的轉換效率及更低的生產制造成本，經過發動機臺架試驗及整車廠家的使用后，得到了其良好的評價。

[1] 陳昊,韓斌,陳軼嵩,等.天然氣汽車發展現狀及趨勢[J].中國能源, 2018,40(02):36-41.

[2] 葉建偉,陳小東,郭七一,等.基于化學反應動力學的三元催化器設計研究[J].內燃機,2018(01):49-52+57.

Study on conversion efficiency of 6108 natural gas engine three-way catalyst

Liu Minglai, Du Ziwen, Lin Shaoli, Wu Quancheng

( Department of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchong Vocational and Technical College, Sichuan Nanchong 637000 )

This paper introduces a research and design project that the author once presided over. By analyzing the combustion characteristics and emission characteristics of 6108 natural gas engine, a three-way catalyst suitable for 6108 natural gas engine is designed to reduce the exhaust emissions of the engine, improve the conversion efficiency of the three-way catalyst and reduce the production and manufacturing costs of the three-way catalyst. It can also guide the research and design of other three-way catalysts for natural gas engines.

natural gas engine; Three - way catalyst; conversion efficiency

A

1671-7988(2018)22-142-03

U464.9

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1671-7988(2018)22-142-03

U464.9

劉明來（1979-），男，四川省岳池縣人，本科，高級工程師，主要從事汽車發動機及其零部件的研發設計和實踐實訓教學工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.050