小型通用汽油機(jī)后處理不同催化劑性能對(duì)比及評(píng)價(jià)

趙子杰,邢恩輝,黃 偉,王 磊,肖建華,王 銳

(1.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005; 2.煙臺(tái)大學(xué)圖書館,山東 煙臺(tái) 264005;3.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

小型通用汽油機(jī)(以下簡(jiǎn)稱小通機(jī))一般指非車用或特殊用途的汽油機(jī),歐美對(duì)其定義為功率不高于19 kW,我國(guó)定義不高于30 kW。因其體積小、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)在社會(huì)中廣泛使用,如農(nóng)田耕作、植被綠化等。21世紀(jì)以來(lái)隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展以及加入世貿(mào)組織后國(guó)際市場(chǎng)的打開(kāi),我國(guó)小通機(jī)行業(yè)迅速發(fā)展,目前已成為小通機(jī)第一大生產(chǎn)國(guó)[1-3]。

隨著全球環(huán)境污染問(wèn)題的加劇,對(duì)于小通機(jī)的排放法規(guī)也日益嚴(yán)格,我國(guó)對(duì)于小通機(jī)的排放法規(guī)多借鑒歐美標(biāo)準(zhǔn)制定[4-6]。小通機(jī)有別于車用內(nèi)燃機(jī),因其排量小,其機(jī)內(nèi)燃燒效果較差,所以必須有一定的后處理輔助措施,但由于其價(jià)格較低,受成本影響較大,所以如何在節(jié)省成本的前提下達(dá)到更好的凈化效果是選擇后處理催化劑的關(guān)鍵。

美國(guó)是最早在汽油機(jī)尾氣裝用催化劑的國(guó)家,經(jīng)過(guò)多年的研究先后經(jīng)歷了氧化型催化劑、雙金屬催化劑、三金催化劑、鈀金催化劑、三效催化劑等種類的研究發(fā)展階段[7-9]。并開(kāi)始運(yùn)用X射線斷層掃描(X-ray tomography, XRT)、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy, SEM)等技術(shù)對(duì)后處理過(guò)濾器結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[10]。汪偉等[11]采用沉積沉淀法制備了新型鈀催化劑,經(jīng)試驗(yàn)其有效提高了三效催化性能。當(dāng)前學(xué)者多研究催化劑種類或輔助技術(shù)應(yīng)用,而忽略了不同機(jī)型產(chǎn)生的污染物成分比例的不同,這需要針對(duì)不同機(jī)型制定相應(yīng)催化劑涂覆比例和涂覆量。

本研究主要是通過(guò)在固定的穩(wěn)態(tài)工況下,通過(guò)調(diào)節(jié)高壓空氣的補(bǔ)氣量,控制尾氣管中空燃比的變化;更換不同的催化劑載體,用排放儀記錄催化劑前后的排放數(shù)據(jù);根據(jù)各載體在不同工況下的轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行分析,對(duì)性能進(jìn)行評(píng)價(jià),并得出結(jié)論。經(jīng)閱讀相關(guān)文獻(xiàn)并無(wú)相似研究,本研究采用了定工況注入高壓空氣的方式對(duì)催化劑性能進(jìn)行研究,研究方法及相關(guān)結(jié)論對(duì)其他機(jī)型催化劑的性能評(píng)價(jià)及涂覆密度優(yōu)化具有一定的工程意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 催化劑參數(shù)

試驗(yàn)使用2種不同的催化劑進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果,探究催化劑性能與尾氣排放的關(guān)系。催化劑技術(shù)規(guī)格如表1,實(shí)物如圖1。2種催化劑除催化劑涂覆材料、比例不同,其他形狀尺寸、載體材料、涂覆密度均相同。其中Pt∶Pd∶Rh(鉑∶鈀∶銠)由原廠DOC的1∶5∶0升級(jí)為2∶10∶1。

表1 催化劑技術(shù)規(guī)格

圖1 試驗(yàn)使用的DOC和TWC

催化劑中Pt與Pd均是用于氧化CO以及HC,Pt更容易毒化失效,但其價(jià)格相對(duì)便宜,因此許多公司在滿足國(guó)家法規(guī)的前提下基于成本考慮仍會(huì)使用Pt。而Rh主要是加速催化對(duì)NOx的還原作用,考慮到在保證涂覆密度不變的前提下添加Rh會(huì)相應(yīng)降低Pt、Pd的涂覆量,從而影響CO以及HC的氧化效果,故為了保證整體催化效果選擇增加少量比例即1/13的Rh來(lái)試驗(yàn)催化效果[12-14]。

1.2 管路布置及試驗(yàn)方法

管路布置如圖2,布置原理如圖3,管路布置依次為:高壓空氣二次補(bǔ)氣入口，溫度測(cè)量處,催化劑前氣體采樣處，催化劑更換管道，催化劑后氣體采樣處，空燃比儀氧傳感器接入口。

圖2 管路布置

圖3 管路布置原理

發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況選擇100%負(fù)荷工況,因?yàn)榇藭r(shí)小通機(jī)尾氣為濃燃混合氣,空燃比有較大的調(diào)整空間。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得在100%負(fù)荷無(wú)補(bǔ)氣狀態(tài)下,尾氣空燃比在12.8左右,考慮到理論空燃比和實(shí)際應(yīng)用,以0.5作為空燃比梯度,在理論空燃比前取3個(gè)點(diǎn)后取2個(gè)點(diǎn),共6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,即13.0、13.5、14.0、14.6(理論空燃比)、15.0、15.5共6個(gè)點(diǎn)。試驗(yàn)注入高壓空氣,通過(guò)調(diào)整空氣流量計(jì)閥門開(kāi)度大小實(shí)現(xiàn)補(bǔ)氣量的多少,進(jìn)而控制空燃比的變化。

氣體采樣使用的排放儀是德國(guó)生產(chǎn)型號(hào)AMA i60 SII R2C-EGR的雙通道同時(shí)采樣排放儀,可以同時(shí)測(cè)試催化前后的氣體成分,保證測(cè)試狀態(tài)一致性,測(cè)試的氣體成分主要為HC、CO、NOx、CO2等?？杖急葍x使用型號(hào)為AF-BOOST ME-TER,氧傳感器為寬氧傳感器,可以測(cè)試氧濃度、空燃比及過(guò)量空氣系數(shù)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 不同載體下HC變空燃比分析

由圖4(a)(b)(c)可知隨著排氣入口補(bǔ)氣量增加,前采樣口的HC體積分?jǐn)?shù)均呈線性減小的趨勢(shì),在以5%體積分?jǐn)?shù)為誤差帶的范圍之內(nèi)。無(wú)催化劑時(shí)HC依然存在一定的轉(zhuǎn)化效率,但速率小于5%,說(shuō)明高溫條件滿足時(shí),無(wú)催化劑氣體也會(huì)進(jìn)行反應(yīng)。隨著空燃比增大,氧濃度增加,越來(lái)越多的O2將HC氧化,HC的轉(zhuǎn)化效率在催化劑中均逐漸增大,效果符合預(yù)期。由圖4(d)可知,HC的轉(zhuǎn)化效率首先在TWC中較快,而空燃比大于13.5時(shí)DOC中較快,當(dāng)空燃比大于15時(shí)均趨于100%。前期TWC效果好是因?yàn)镽h元素在還原催化NOx時(shí)進(jìn)行反應(yīng)HC+NOx→N2+CO2+H2O導(dǎo)致;被反超是因?yàn)镈OC中Pt、Pd元素含量較高,隨著氧濃度增加HC+O2→H2O+CO2反應(yīng)占主導(dǎo)導(dǎo)致;最后趨于一致是反應(yīng)速率均達(dá)到飽和,說(shuō)明在充足的氧濃度下DOC和TWC中Pt、Pd的涂覆量均足夠。

圖4 HC體積分?jǐn)?shù)及其轉(zhuǎn)化效率

2.2 不同載體下CO變空燃比分析

由圖5可知,CO在不同狀態(tài)下隨空燃比的變化趨勢(shì)與HC相似,但CO在空燃比13時(shí)轉(zhuǎn)化速率明顯低于HC,是因?yàn)橛幸徊糠諬C經(jīng)過(guò)O2或NOx還原生成了CO而不是CO2,從而增加了CO,使之在初期顯示的反應(yīng)速率較低。由圖5(d)可知,CO在TWC和DOC中的效率快慢變化與HC相似,濃燃時(shí)在TWC催化劑中因CO+NOx→CO2+N2的反應(yīng)速度較快,Rh元素還原NOx促進(jìn)了CO的氧化;而隨著氧濃度的增加,反應(yīng)CO+O2→CO2占為主導(dǎo),而DOC中Pt、Pd元素含量較高故被反超;最后與HC變化的原因相同均趨于100%。

圖5 CO體積分?jǐn)?shù)及其轉(zhuǎn)化效率

2.3 不同載體下NOx變空燃比分析

由圖6可以看出,3種狀態(tài)下前采樣口NOx隨補(bǔ)入空氣量增加均呈線性下降趨勢(shì),誤差在5%以內(nèi)。無(wú)催化劑下也存在轉(zhuǎn)化效率,但低于3%。隨著氧濃度增加NOx轉(zhuǎn)化受到的抑制作用加強(qiáng),NOx在DOC和TWC中轉(zhuǎn)化效率隨著空燃比的增加呈下降趨勢(shì)。在DOC中雖然沒(méi)有Ph元素,但NOx依然有轉(zhuǎn)化效率,說(shuō)明CO和HC的氧化反應(yīng)中,一部分NOx也被充當(dāng)了氧化劑,進(jìn)行了HC+NOx→N2+CO2+H2O;CO+NOx→CO2+N2的反應(yīng)。與DOC相比,TWC中NOx的轉(zhuǎn)化效率明顯提高,但隨著氧濃度的上升差值逐漸縮小最后趨于0,說(shuō)明空燃比大于15.5時(shí),由于氧的抑制作用,催化劑的催化作用已對(duì)NOx失效。

圖6 NOx體積分?jǐn)?shù)及其轉(zhuǎn)化效率

2.4 不同氣體在DOC與TWC中轉(zhuǎn)化效率對(duì)比

由圖7可知,3種氣體在DOC和TWC中隨空燃比的整體變化趨勢(shì)相似。DOC中HC和NOx轉(zhuǎn)化效率的交點(diǎn)在空燃比13.5左右的位置;而TWC中HC和NOx的交點(diǎn)在空燃比14左右的位置,出現(xiàn)了明顯的后移,且轉(zhuǎn)化效率交點(diǎn)值因NOx轉(zhuǎn)化效率的提高而有所提高,這主要是Rh元素加速催化的結(jié)果。NOx的整體轉(zhuǎn)化效率偏低,使3種氣體轉(zhuǎn)化效率的最優(yōu)范圍靠近空燃比14的位置,因此推斷適當(dāng)增加Rh元素的含量,進(jìn)一步提高NOx的轉(zhuǎn)化效率,可以使HC與NOx轉(zhuǎn)化效率的交點(diǎn)靠近理論空燃比的位置。

圖7 不同載體轉(zhuǎn)化效率對(duì)比

3 結(jié) 論

本文以158F四沖程小型通用汽油機(jī)為研究對(duì)象,100%負(fù)荷的尾氣為輸入條件,通過(guò)對(duì)無(wú)催化劑、DOC以及TWC 3種狀態(tài)下的排放進(jìn)行試驗(yàn),并對(duì)比分析CO、HC、NOx的排放結(jié)果,最終得到如下結(jié)論:

(1)未安裝催化劑且溫度滿足轉(zhuǎn)化條件時(shí),空燃比無(wú)論處于濃燃或是稀燃狀態(tài)下,HC、CO、NOx均有較低轉(zhuǎn)化速率,但一般不超過(guò)5%,速率較低。

(2)在DOC中雖然不存在加速催化NOx的Rh,但其轉(zhuǎn)化效率仍明顯高于空心排氣管,說(shuō)明HC和CO的氧化反應(yīng)均在一定程度上促進(jìn)了NOx的轉(zhuǎn)化,但整體速率偏低。

(3)在TWC中NOx的轉(zhuǎn)化效率整體提高,特別是在小通機(jī)常采用的濃燃狀態(tài)下效果尤為明顯;HC和NOx的交匯點(diǎn)也發(fā)生后移,說(shuō)明加入的Rh元素催化作用顯著。但由于減少Rt、Pd導(dǎo)致HC、CO效率略有下降,筆者推斷繼續(xù)增加Rh元素的含量可以進(jìn)一步提高NOx的轉(zhuǎn)化效率,使其交匯點(diǎn)在理論空燃比附近。

本文使用注入高壓空氣變化空燃比,并結(jié)合使用雙通道排放儀進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣的方法,對(duì)不同催化劑的性能進(jìn)行分析研究得出結(jié)論。這對(duì)于不同機(jī)型生產(chǎn)含有合適成分的催化劑等工程應(yīng)用問(wèn)題具有指導(dǎo)意義。