亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于試驗研究的三元催化劑性能優(yōu)化

        2020-09-10 07:22:44錢堯一蔡建紅王慶雪肖敏
        內(nèi)燃機與配件 2020年2期
        關(guān)鍵詞:性能優(yōu)化排放催化劑

        錢堯一 蔡建紅 王慶雪 肖敏

        摘要:國六排放法規(guī)實施,在排放限值、耐久老化上對三元催化器性能提出更高要求。影響催化器凈化效率的主要因素有催化劑的成分和配比、載體結(jié)構(gòu)和材料、殼體結(jié)構(gòu)、封裝工藝以及與發(fā)動機的匹配等。本文基于某國五車型三元催化器,通過試驗研究在不改變硬件布置前提下,改變催化劑配方和配比,改善涂覆技術(shù),使催化劑老化態(tài)起燃溫度降低15℃以上,儲氧量、凈化窗口都有提高,為今后國六排放的開發(fā)打下基礎(chǔ)。本文為主機廠和催化器供應(yīng)商在提高催化劑性能方面提供參考。

        關(guān)鍵詞:排放;三元催化器;催化劑;性能優(yōu)化

        0? 引言

        發(fā)動機尾氣通常含有有害物質(zhì),在排出前需要凈化處理,三元催化轉(zhuǎn)化器(three-way catalytic converter,TWC) 是將尾氣有害物質(zhì)轉(zhuǎn)換成無害氣體的裝置。催化器為一枚或多枚催化劑載體,其材質(zhì)為陶瓷材料,表面涂敷儲氧材料和起催化作用的貴金屬,與尾氣發(fā)生氧化還原反應(yīng),達到凈化尾氣的目的[1]。隨著國六法規(guī)的實施,NEDC變?yōu)閃LTC測試工況,發(fā)動機覆蓋轉(zhuǎn)速和負荷范圍更大,對催化劑凈化效率提出挑戰(zhàn);國六降低了排放污染物限值且加嚴了老化系數(shù),同時補充了加法老化因子,對催化劑抗老化性能也提出更高要求[2]。

        影響催化器凈化效率的因素有催化劑的成分和配比、載體結(jié)構(gòu)和材料、殼體結(jié)構(gòu)、封裝工藝以及與發(fā)動機的匹配等。目前的研究一方面從結(jié)構(gòu)出發(fā),對封裝設(shè)計進行CAE分析,尋找提高性能的布置方案[3-5]。另一方面從化學(xué)反應(yīng)出發(fā),研究不同催化劑配方配比與排放的關(guān)系,從而找出合理的解決方案[6,7]。本文以某國五車型催化器為原型,基于最新國內(nèi)外研究成果,通過試驗研究在不改變硬件布置前提下,改變催化劑配方和配比,改善涂覆技術(shù),提高催化劑性能。

        1? 催化劑工作原理與試驗方案

        1.1 催化劑工作原理

        催化器中實現(xiàn)凈化效果最重要的結(jié)構(gòu)為涂覆催化劑的蜂窩載體,如圖1所示,載體(Honeycomb)材料有金屬、耐高溫陶瓷等,現(xiàn)在康寧、NGK等供應(yīng)商都已經(jīng)使用堇青石材料,合成的堇青石由2MgO、5SiO2和2Al2O3組成,具備耐高溫性,其軟化溫度在1300℃以上[8];在載體表面有一層底層涂層(Bottom Coat),主要成分為CeO2,三元催化劑中,CeO2最主要的作用是提高氧氣儲存能力(Oxygen Storage Capacity,縮寫為OSC),可以實現(xiàn)廣域的空燃比(A/F)凈化性能[9]。載體上還有一層頂層涂層(Top Coat),主要成分是Pt,Pd,Rh,在催化劑中,Rh是一個決定性的成分,特別在濃和當量空燃比下,對NOx和CO的凈化具有影響,負載在CeO2上的Rh可以促進的NOx和CO的凈化性能;另一方面,Pt或者Pd可以促進HC、CO的氧化,使其排放出無污染的H2O,CO2,一般選擇Pt或者Pd中的一種即可。Pt/Pd/Rh的比例根據(jù)需要進行配方調(diào)整,不過普遍Pt/Pd的重量比率比Rh高。

        1.2 試驗方案

        1.2.1 試驗設(shè)備

        試驗臺架如圖2所示,布置圖如圖3所示。包括一臺2.4L三菱4G69汽油發(fā)動機,南峰CW160電渦流測功機,HORIBA排放分析設(shè)備,空燃比分析儀,臺架綜合控制臺,換熱器等;傳感器主要有催化器入口溫度傳感器、前/后氧傳感器、前/后床溫傳感器、流量計等;發(fā)動機尾氣經(jīng)分兩路,一路經(jīng)換熱器冷卻后,按比例冷熱合并,再進行分流,以滿足試驗對溫度流量要求;試驗燃油選用92號汽油。

        1.2.2 試驗方法與評價指標

        ①空燃比(A/F)特性試驗(窗口范圍)。發(fā)動機工作范圍很廣,其空燃比并不會維持在當量空燃比上,在低溫、加減速、斷油、啟動等工況下,空燃比會存在波動,為了實現(xiàn)廣域的A/F凈化性能,需要對催化劑的A/F特性進行評價。

        試驗時將空速控制在(40000±400)/h或(60000±400)/h下,催化器入口溫度控制在450℃±10℃,在400s內(nèi)將A/F從14線性變化至15,并以1Hz頻率采樣,記錄各空燃比值下催化器前后的HC、CO和NOx濃度值,換算出凈化效率。得到圖4a)所示空燃比特性圖。一般把凈化效率大于80%的區(qū)域判定為窗口范圍,窗口范圍越大,對變化工況的適應(yīng)性越好,凈化效果越突出。

        ②起燃溫度特性試驗(T50)。

        在整車排放中,常溫啟動到半暖機為止的排放占絕大多數(shù),這是由于催化劑實現(xiàn)催化效果需要高溫。一般我們定義催化劑凈化效率達到50%的溫度為起燃溫度(T50),其值越低,代表催化劑凈化效能越好,它是催化劑性能的核心指標。

        試驗時將催化劑空速控制在(40000±400)/h或(60000±400)/h下,催化器入口A/F控制在當量空燃比上,調(diào)整催化器入口溫度至200℃,以20℃/min的幅度逐步升高催化器入口溫度,直到450℃結(jié)束。以1Hz頻率采樣,換算凈化率,得到結(jié)果如圖4b)所示。

        ③最高轉(zhuǎn)換效率試驗(C450)。

        車輛在穩(wěn)態(tài)行駛中,催化器床溫都會在500℃~900℃之間,這段時間催化劑充分被激活,處于最佳的工作狀態(tài)。一般定義在450℃,當量A/F下穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)換效率為最高轉(zhuǎn)換效率(C450),通過這個指標來判斷催化劑的額定性能。試驗方法為450℃維持30s,記錄穩(wěn)態(tài)下HC、CO和NOx濃度值,換算出凈化效率。

        ④儲氧量試驗(OSC)。

        車輛行駛中,發(fā)動機的動態(tài)工況在不斷變化,會出現(xiàn)短暫的持續(xù)氧化或還原的情況,若擁有大的儲氧量,對發(fā)動機隨機工況適應(yīng)性更強,凈化效能更高。

        試驗時將催化劑空速控制在(40000±400)/h或(60000±400)/h下,催化器入口溫度控制在500℃,將過量空氣系數(shù)調(diào)到0.95,待后氧傳感器濃度超過前氧傳感器濃度,且前后氧傳感器濃度值穩(wěn)定時,將過量空氣系數(shù)調(diào)整到1.05,測量前后氧傳感器濃度變化,其變化曲線如圖4c)所示。記錄前后氧傳感器濃度值相交到后氧傳感器濃度值變?yōu)?的時間,通過積分求陰影面積,即為催化劑儲氧量。

        2? 催化劑性能優(yōu)化過程

        2.1 初始方案性能評估

        現(xiàn)有國五催化器規(guī)格如下,PGM貴金屬量為2g/L,載體體積1L,頂層涂層配方選用Pd:Rh組合,質(zhì)量比為4:1,涂敷為均勻分布,底層涂層配方為CeO2+ZrO2組合,CeO2質(zhì)量組成為30%,這里用CeZr30表示。對樣件進行封裝再改造,增加法蘭盤,安裝傳感器,如圖5所示。對其進行新鮮態(tài)和老化態(tài)A/F特性、T50、C450和OSC試驗。其中,老化為臺架老化,按照指定老化循環(huán),根據(jù)GB18352.5-2016中阿累尼烏斯公式計算,換算成老化時間70h,由第三方試驗室天津索克老化。性能試驗的結(jié)果如圖6所示。

        通過圖6a)可以看出,國五樣件在40000/h空速、新鮮態(tài)下THC的T50在306℃,NOx和CO的T50為298℃,面對國六排放要求,目前的T50還需要進一步降低;在60000/h空速下,THC、NOx和CO的T50都有一定的惡化,說明隨著空氣流量的增加,催化轉(zhuǎn)化速度下降,在國六WLTC測試循環(huán)中的高速和超高速工況存在壓力;經(jīng)過老化后,其T50有著35℃到40℃的惡化,抗老化性能一般,不適應(yīng)國六法規(guī)。從圖6b)可以看出,催化劑新鮮態(tài)下OSC非常優(yōu)秀,但是老化態(tài)下從1100mg下降到400mg,惡化明顯,且高進氣流量下,OSC會進一步降低。從圖6c)中得出,C450比較優(yōu)秀,即使在60000/h空速下,老化后的凈化效率也有96%以上。從圖6d)看到,凈化效率大于80%的A/F范圍為14.51~14.58,窗口過窄,應(yīng)對WLTC變速工況會增加排放,需要進一步改進。

        2.2 分區(qū)涂敷優(yōu)化

        為了降低催化劑T50,需分析催化器溫度場。在常溫下,利用臺架換熱器迅速將常溫氣體切換到450℃、60000/h空速的發(fā)動機尾氣,采用紅外熱像儀獲取汽車催化器外殼溫度,得到如圖7所示結(jié)果。催化器入口端由于尾氣熱量和圓錐擴張的協(xié)同效應(yīng),載體前端溫度快速上升。20s左右,載體前端起燃,發(fā)生催化反應(yīng),放出的熱量被尾氣流帶到催化劑載體后端,使后端快速升溫,隨著時間到40s,最高溫度出現(xiàn)在后端,溫度高于尾氣溫度。

        為了盡可能利用高溫的發(fā)動機尾氣,研究分區(qū)涂敷效果,其分區(qū)涂敷示意圖見圖8,A方案為國五樣件,均勻涂敷;B為改善方案一,1:1分區(qū),前段貴金屬濃度3g/L,后端1g/L;C為改善方案二,1:2分區(qū),前段貴金屬濃度4g/L,后端1g/L。老化態(tài)下試驗結(jié)果如圖9所示,使用分區(qū)涂敷后,T50明顯降低,在C方案(1:2分區(qū))下,40000/h空速的T50比原始方案平均降低8℃,60000/h空速的T50比原始方案平均降低7℃,效果顯著,因此選用C方案。

        2.3 涂層配方優(yōu)化

        分析國內(nèi)外研究結(jié)果[6-9],底層配方只使用CeO2,配合頂層使用Pd/Rh,新鮮態(tài)凈化性能優(yōu)異,但是在高溫老化后容易失效,失效的原因歸結(jié)于CeO2的燒結(jié)。通過報告,在CeO2中加入ZrO2,一方面能夠有效改善T50,另一方面可以提高OSC,且具備抗老化性能,國外對不同CeO2-ZrO2混合下老化前后的比表面積進行分析,分析結(jié)果見表1,如果CeO2的質(zhì)量配比在20%的情況下,老化最不明顯。

        另一方面研究顯示[8],在CeO2-ZrO2組合中,加入Al2O3,會增加孔隙率,提高比表面積,有利于提高儲氧量,且在高溫下鋁能夠阻礙CeO2的融合,延緩表面積衰減。對此,我們調(diào)整底層涂層配方,選用CeZr20,且加入合適的Al2O3,進行性能試驗,其結(jié)果如圖10所示。新鮮態(tài)下T50有一定惡化,但在老化態(tài)下優(yōu)勢明顯,平均T50降低了11℃;新鮮態(tài)OSC有一定減少,老化態(tài)下明顯提高,且由于孔隙率保證,在大進氣流量下(70kg/h),氣體擴散條件較好,涂層深處貴金屬利用率較高,OSC幾乎沒有衰減。

        3? 綜合性能評價

        將分區(qū)涂覆C方案和涂層配方優(yōu)化D方案結(jié)合,制作E方案,對樣件老化,測試其性能,得到圖11所示數(shù)據(jù)。分析圖11a)數(shù)據(jù),E方案在40000/h空速、老化態(tài)下T50為326℃,比原方案A降低15℃,在60000/h空速下優(yōu)勢更加明顯,比原方案A降低了20℃,甚至低于40000/h空速的結(jié)果;進一步分析原因,測得入口段和出口段溫度如圖12,在同等入口溫度試驗條件下,起燃過程中大空速下的出口溫度急劇上升,甚至超過入口溫度,由此判斷CeZr20+Al2O3配方孔隙率高,大空速下的氣體擴散性好,反應(yīng)劇烈,前段激活的催化劑釋放大量熱量促進后端催化劑活性,從而催化效率進一步提高,導(dǎo)致60000/h空速的T50低于40000/h空速。圖11b)和c)顯示,改進方案E在OSC和C450凈化效率上都有一定優(yōu)勢。

        為了全面評價,測得A原始方案和E改進方案在不同空速下的空燃比特性曲線,如圖13所示,改進方案凈化窗口范圍更廣,對空燃比的適應(yīng)性更強,具有優(yōu)勢。

        4? 結(jié)論

        ①以某國五催化劑為原型,進行試驗研究,對其方案進行初始化性能評估,得出其T50較高,大空速下凈化效率過低,老化態(tài)與新鮮態(tài)性能差距過大,抗老化性能嚴重不足,無法滿足國六法規(guī)對催化劑的要求。

        ②通過試驗研究催化器溫度場,驗證分區(qū)涂敷方案的可行性,結(jié)果表明,在不改變貴金屬量的前提下,采用1:2分區(qū)涂覆能夠顯著降低T50;通過對國內(nèi)外最新涂層配方的研究,根據(jù)目前國五用催化劑的性能劣勢,將底層CeZr30配方改為CeZr20+Al2O3配方,明顯提高了抗老化性能和大空速下凈化效率;將兩者結(jié)合,通過試驗綜合評價,T50、OSC、C450、A/F特性都有改善。

        參考文獻:

        [1]NEIL R C, MARTYN V T. Three-way catalyst emissions control technologies for spark-ignition engines—recent trends and future developments [J]. Topics in Catalysis, 2007, 42: 323-332.

        [2]邵軍,趙志國.汽油機國五與國六法規(guī)對比研究[J].汽車工程,2017,3:18-21.

        [3]韓建軍,蔣彥龍,王合旭,等.新型三元催化器特性的試驗研究與數(shù)值仿真[J].新技術(shù)新工藝,2015,8:69-71.

        [4]張增光,高波.發(fā)動機三元催化器數(shù)值分析[J].汽車工程師,2012,8:43-45.

        [5]沈人杰,路巧艷,崔陽,等.三元催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部流場的數(shù)值模擬[J].計算機與應(yīng)用化學(xué),2012,31(12):1428-1432.

        [6]MURAKI H, ZHANG G. Design of advanced automotive exhaust catalysts[J]. Catalysis Today,2000,63:337-345.

        [7]葉建偉,陳小東,郭七一,等.基于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的三元催化器設(shè)計研究[J].內(nèi)燃機,2018,1(2):49-52.

        [8]SHINJOH H. Rare earth metals for automotive exhaust catalysts [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2006, 408: 1061-1064.

        [9]MASAKUNI OZAWA. Role of cerium–zirconium mixed oxides as catalysts for car pollution:1 A short review[J]. Journal of Alloys and Compounds, 1998, 275: 886-890.

        [10]RONALD M.HECK, ROBERT J. FARRAUTO. Automobile exhaust catalysts [J]. Applied Catalysis, 2001, 221:443-457.

        猜你喜歡
        性能優(yōu)化排放催化劑
        直接轉(zhuǎn)化CO2和H2為甲醇的新催化劑
        SQL Server數(shù)據(jù)庫性能優(yōu)化的幾點分析
        Web應(yīng)用的前端性能優(yōu)化
        磨合對生產(chǎn)一致性車輛排放結(jié)果的影響
        汽車科技(2016年6期)2016-12-19 20:36:14
        660MW超超臨界火電機組RB性能優(yōu)化
        “怠速/停止”技術(shù)的發(fā)展淺析
        汽油與甲醇混合燃料的性能以及排放分析
        科技視界(2016年18期)2016-11-03 00:02:55
        新型釩基催化劑催化降解氣相二噁英
        Oracle數(shù)據(jù)庫性能調(diào)整與優(yōu)化分析
        科技視界(2016年1期)2016-03-30 14:27:50
        國Ⅳ柴油車判斷方法芻議
        科技視界(2016年2期)2016-03-30 12:52:21
        国产精品_国产精品_k频道w| 在线观看的a站免费完整版| 在线播放av不卡国产日韩| 国产精品久久国产精品99| 亚洲一区二区三区偷拍女厕 | 午夜精品久久久久久99热 | 国产在线h视频| 美女被内射很爽的视频网站| 欧美肥妇毛多水多bbxx水蜜桃| 国产99久久久久久免费看| 精品九九视频| 中文字幕文字幕视频在线| 在线观看老湿视频福利| 日日噜噜夜夜爽爽| 亚欧视频无码在线观看| 一区二区三区乱码专区| 一本精品99久久精品77| 粉嫩少妇内射浓精videos| 精品熟妇av一区二区三区四区| 久久免费看的少妇一级特黄片| 欧美一区二区三区久久综| 久久99精品免费一区二区| 熟妇人妻丰满少妇一区| 久久99精品久久久久麻豆 | 国产情侣一区二区三区| 青青草97国产精品免费观看| 国产精品黄色片在线观看| 国产高清在线精品一区二区三区| 国产综合精品一区二区三区| 97超级碰碰人妻中文字幕| 中文乱码字幕在线中文乱码 | 欧美日韩午夜群交多人轮换| 国产午夜三级一区二区三| 麻豆国产VA免费精品高清在线| 好看的日韩精品视频在线 | 色一情一乱一伦一区二区三区日本 | 日本在线观看| 国产男女猛烈无遮挡免费视频网址| 国产一级一片内射视频播放| 国产精品自在线拍国产手机版| 亚洲国产精品悠悠久久琪琪|