小型通用汽油机后处理不同催化剂性能对比及评价

赵子杰,邢恩辉,黄 伟,王 磊,肖建华,王 锐

(1.烟台大学机电汽车工程学院,山东 烟台 264005; 2.烟台大学图书馆,山东 烟台 264005;3.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084)

小型通用汽油机(以下简称小通机)一般指非车用或特殊用途的汽油机,欧美对其定义为功率不高于19 kW,我国定义不高于30 kW。因其体积小、携带方便等优点在社会中广泛使用,如农田耕作、植被绿化等。21世纪以来随着我国工业化进程的发展以及加入世贸组织后国际市场的打开,我国小通机行业迅速发展,目前已成为小通机第一大生产国[1-3]。

随着全球环境污染问题的加剧,对于小通机的排放法规也日益严格,我国对于小通机的排放法规多借鉴欧美标准制定[4-6]。小通机有别于车用内燃机,因其排量小,其机内燃烧效果较差,所以必须有一定的后处理辅助措施,但由于其价格较低,受成本影响较大,所以如何在节省成本的前提下达到更好的净化效果是选择后处理催化剂的关键。

美国是最早在汽油机尾气装用催化剂的国家,经过多年的研究先后经历了氧化型催化剂、双金属催化剂、三金催化剂、钯金催化剂、三效催化剂等种类的研究发展阶段[7-9]。并开始运用X射线断层扫描(X-ray tomography, XRT)、扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM)等技术对后处理过滤器结构进行研究[10]。汪伟等[11]采用沉积沉淀法制备了新型钯催化剂,经试验其有效提高了三效催化性能。当前学者多研究催化剂种类或辅助技术应用,而忽略了不同机型产生的污染物成分比例的不同,这需要针对不同机型制定相应催化剂涂覆比例和涂覆量。

本研究主要是通过在固定的稳态工况下,通过调节高压空气的补气量,控制尾气管中空燃比的变化;更换不同的催化剂载体,用排放仪记录催化剂前后的排放数据;根据各载体在不同工况下的转化效率进行分析,对性能进行评价,并得出结论。经阅读相关文献并无相似研究,本研究采用了定工况注入高压空气的方式对催化剂性能进行研究,研究方法及相关结论对其他机型催化剂的性能评价及涂覆密度优化具有一定的工程意义和学术价值。

1 试验准备

1.1 催化剂参数

试验使用2种不同的催化剂进行试验,对比实验结果,探究催化剂性能与尾气排放的关系。催化剂技术规格如表1,实物如图1。2种催化剂除催化剂涂覆材料、比例不同,其他形状尺寸、载体材料、涂覆密度均相同。其中Pt∶Pd∶Rh(铂∶钯∶铑)由原厂DOC的1∶5∶0升级为2∶10∶1。

表1 催化剂技术规格

图1 试验使用的DOC和TWC

催化剂中Pt与Pd均是用于氧化CO以及HC,Pt更容易毒化失效,但其价格相对便宜,因此许多公司在满足国家法规的前提下基于成本考虑仍会使用Pt。而Rh主要是加速催化对NOx的还原作用,考虑到在保证涂覆密度不变的前提下添加Rh会相应降低Pt、Pd的涂覆量,从而影响CO以及HC的氧化效果,故为了保证整体催化效果选择增加少量比例即1/13的Rh来试验催化效果[12-14]。

1.2 管路布置及试验方法

管路布置如图2,布置原理如图3,管路布置依次为:高压空气二次补气入口，温度测量处,催化剂前气体采样处，催化剂更换管道，催化剂后气体采样处，空燃比仪氧传感器接入口。

图2 管路布置

图3 管路布置原理

发动机稳态工况选择100%负荷工况,因为此时小通机尾气为浓燃混合气,空燃比有较大的调整空间。通过试验测得在100%负荷无补气状态下,尾气空燃比在12.8左右,考虑到理论空燃比和实际应用,以0.5作为空燃比梯度,在理论空燃比前取3个点后取2个点,共6个点进行测试,即13.0、13.5、14.0、14.6(理论空燃比)、15.0、15.5共6个点。试验注入高压空气,通过调整空气流量计阀门开度大小实现补气量的多少,进而控制空燃比的变化。

气体采样使用的排放仪是德国生产型号AMA i60 SII R2C-EGR的双通道同时采样排放仪,可以同时测试催化前后的气体成分,保证测试状态一致性,测试的气体成分主要为HC、CO、NOx、CO2等。空燃比仪使用型号为AF-BOOST ME-TER,氧传感器为宽氧传感器,可以测试氧浓度、空燃比及过量空气系数。

2 试验数据分析

2.1 不同载体下HC变空燃比分析

由图4(a)(b)(c)可知随着排气入口补气量增加,前采样口的HC体积分数均呈线性减小的趋势,在以5%体积分数为误差带的范围之内。无催化剂时HC依然存在一定的转化效率,但速率小于5%,说明高温条件满足时,无催化剂气体也会进行反应。随着空燃比增大,氧浓度增加,越来越多的O2将HC氧化,HC的转化效率在催化剂中均逐渐增大,效果符合预期。由图4(d)可知,HC的转化效率首先在TWC中较快,而空燃比大于13.5时DOC中较快,当空燃比大于15时均趋于100%。前期TWC效果好是因为Rh元素在还原催化NOx时进行反应HC+NOx→N2+CO2+H2O导致;被反超是因为DOC中Pt、Pd元素含量较高,随着氧浓度增加HC+O2→H2O+CO2反应占主导导致;最后趋于一致是反应速率均达到饱和,说明在充足的氧浓度下DOC和TWC中Pt、Pd的涂覆量均足够。

图4 HC体积分数及其转化效率

2.2 不同载体下CO变空燃比分析

由图5可知,CO在不同状态下随空燃比的变化趋势与HC相似,但CO在空燃比13时转化速率明显低于HC,是因为有一部分HC经过O2或NOx还原生成了CO而不是CO2,从而增加了CO,使之在初期显示的反应速率较低。由图5(d)可知,CO在TWC和DOC中的效率快慢变化与HC相似,浓燃时在TWC催化剂中因CO+NOx→CO2+N2的反应速度较快,Rh元素还原NOx促进了CO的氧化;而随着氧浓度的增加,反应CO+O2→CO2占为主导,而DOC中Pt、Pd元素含量较高故被反超;最后与HC变化的原因相同均趋于100%。

图5 CO体积分数及其转化效率

2.3 不同载体下NOx变空燃比分析

由图6可以看出,3种状态下前采样口NOx随补入空气量增加均呈线性下降趋势,误差在5%以内。无催化剂下也存在转化效率,但低于3%。随着氧浓度增加NOx转化受到的抑制作用加强,NOx在DOC和TWC中转化效率随着空燃比的增加呈下降趋势。在DOC中虽然没有Ph元素,但NOx依然有转化效率,说明CO和HC的氧化反应中,一部分NOx也被充当了氧化剂,进行了HC+NOx→N2+CO2+H2O;CO+NOx→CO2+N2的反应。与DOC相比,TWC中NOx的转化效率明显提高,但随着氧浓度的上升差值逐渐缩小最后趋于0,说明空燃比大于15.5时,由于氧的抑制作用,催化剂的催化作用已对NOx失效。

图6 NOx体积分数及其转化效率

2.4 不同气体在DOC与TWC中转化效率对比

由图7可知,3种气体在DOC和TWC中随空燃比的整体变化趋势相似。DOC中HC和NOx转化效率的交点在空燃比13.5左右的位置;而TWC中HC和NOx的交点在空燃比14左右的位置,出现了明显的后移,且转化效率交点值因NOx转化效率的提高而有所提高,这主要是Rh元素加速催化的结果。NOx的整体转化效率偏低,使3种气体转化效率的最优范围靠近空燃比14的位置,因此推断适当增加Rh元素的含量,进一步提高NOx的转化效率,可以使HC与NOx转化效率的交点靠近理论空燃比的位置。

图7 不同载体转化效率对比

3 结 论

本文以158F四冲程小型通用汽油机为研究对象,100%负荷的尾气为输入条件,通过对无催化剂、DOC以及TWC 3种状态下的排放进行试验,并对比分析CO、HC、NOx的排放结果,最终得到如下结论:

(1)未安装催化剂且温度满足转化条件时,空燃比无论处于浓燃或是稀燃状态下,HC、CO、NOx均有较低转化速率,但一般不超过5%,速率较低。

(2)在DOC中虽然不存在加速催化NOx的Rh,但其转化效率仍明显高于空心排气管,说明HC和CO的氧化反应均在一定程度上促进了NOx的转化,但整体速率偏低。

(3)在TWC中NOx的转化效率整体提高,特别是在小通机常采用的浓燃状态下效果尤为明显;HC和NOx的交汇点也发生后移,说明加入的Rh元素催化作用显著。但由于减少Rt、Pd导致HC、CO效率略有下降,笔者推断继续增加Rh元素的含量可以进一步提高NOx的转化效率,使其交汇点在理论空燃比附近。

本文使用注入高压空气变化空燃比,并结合使用双通道排放仪进行实时采样的方法,对不同催化剂的性能进行分析研究得出结论。这对于不同机型生产含有合适成分的催化剂等工程应用问题具有指导意义。