DOC入口条件对气态物转化效率影响

李文杰， 刘 屹,， 韦 伟， 吴 恒, 张俊杰, 刘文彬

(1.合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽艾可蓝节能环保科技有限公司,安徽 池州 247100)

0 引 言

与汽油机相比,柴油机具有高压缩比、低燃油消耗率、高可靠性以及较好的经济性等优势,因此被广泛应用,成为当前最重要的动力源之一[1-2]。但是目前柴油机尾气中污染物的控制仍是研究难题。2019年7月1日起车用发动机国六排放标准开始实施,对尾气排放的要求日益严格。

柴油机氧化型催化转换器(diesel oxidation catalyst,DOC)、催化型颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)和选择性催化还原器(selective catalytic reduction,SCR) 等是柴油机的主要后处理装置[3-4]。

目前处理尾气中CO、HC使用最多的装置是DOC[5]。柴油机尾气中NO占NOx总量的90%以上，DOC能将部分NO氧化为NO2,而生成的NO2促进了氧化颗粒捕集器对碳烟颗粒的清理,实现DPF的连续再生,并且提供SCR快反应所需的NO2。NO在DOC催化剂表面被氧化生成 NO2时,氧化反应受到下面2个因素的影响：一方面排气中CO和HC会限制其氧化反应;另一方面排气温度过高、过低或催化剂中毒,氧化反应速率都会明显降低[6]。

目前对DOC已经展开了大量的研究。文献[7]研究了SCR/DOC+DPF+SCR后处理系统对重型柴油机性能及排放的影响，得出DOC可以使排气中NO与NOx的体积比降低, 排温越高降低得越多；文献[8]研究了DOC催化剂配方对轻型柴油机气态物排放性能的影响，得出随着贵金属负载量的增加以及 Pt/Pd 比例的减少，CO和 HC的转化率升高，而随着负荷的增加,NO 转化率先上升后下降;文献[9]研究催化剂对HC氧化反应的选择性特性发现,Pt更有利于饱和烃的氧化,而Pd对不饱和烃的氧化活性较高；文献[10]研究了氧化型催化器载体长度对柴油机排放性能的影响,得出低温低负荷情况下载体长度较小的DOC对CO、HC及NO的氧化效果更好,中、高负荷情况下适当增大DOC载体长度可有效提高CO、HC和NO的氧化率；文献[11]研究了DOC对HC、CO以及NOx排放的影响,得出DOC能够显著降低CO、HC的排放,并且通过DOC前、后NOx的总量变化不大。

本文重点探究废气量以及温度对DOC转化效率的影响,以期为后处理系统的设计开发提供一定的参考。

1 试验装置

试验选用一台重型车用电控高压共轨增压柴油机,其基本参数见表1所列。

表1 柴油机主要技术参数

试验采用AVLG44电力测功机,使用HORIBA-MEXA7500D气体分析仪对气态污染物进行实时测量,采用K型热电偶测试DOC入口温度,采用气体流量计测量空气量,并结合喷油量计算得到废气量。

试验所用DOC的主要参数见表2所列，其中载体采用堇青石。

表2 DOC主要技术参数

2 试验方法

发动机台架系统示意图如图1所示。

图1 试验台架布置示意图

试验大气温度为25 ℃,大气湿度为50%,大气压力为101 kPa。DOC通过催化氧化的方式将尾气中的CO、HC氧化为无毒的CO2和H2O,并且将NOx中的NO部分氧化为 NO2。相关的化学反应式如下:

(1)

(2)

奈斯的生态自我实现需要人类的精神有种进一步的成熟成长和一种超越人类的包括非人类世界的确证，这种思想深受印度民族解放运动思想家甘地的影响，甘地认为当一个人寻求神的真理时，惟一必要的手段就是爱，即非暴力，神就是爱。人们可以通过爱来感化别人。[9]33

(3)

(4)

本文试验中,通过调节发动机转速与扭矩,使废气量与DOC入口温度达到预设要求。废气量选取300、600、1 000 kg/h 3种工况,DOC入口温度选取180～550 ℃之间的不同温度,从低温到高温递增30 ℃进行测试,废气量在1 000 kg/h时温度最低只能达到260 ℃,因此无温度小于260 ℃的数据。采用HORIBAk-MEXA7500D气体分析仪同时测量DOC入口以及出口处的CO、HC、NO、NO2的质量分数,待试验点稳定后记录数据,试验数据测量3次取平均值,从而计算各气体成分经过DOC的转化效率。为保证试验结果可靠,排气量偏差控制在2 kg/h之内,温度偏差控制在2 ℃之内。

3 试验结果与分析

3.1 CO转化效率的影响

试验研究了废气量以及入口温度对CO转化效率的影响,结果如图2所示。

图2 废气量与入口温度对CO转化效率的影响

试验测量了DOC出、入口的CO体积分数φ(CO),并计算了CO的转化效率。

从图2可以看出：DOC能大幅地降低不同工况下的CO排放,不同温度、不同废气量下DOC入口体积分数差异较大,在温度大于450 ℃时,尾气中的φ(CO)急剧增加;低温状态下, CO转化效率随着废气量的增加而慢慢地下降。这主要是由于低温时DOC催化活性低,废气量越大,CO在DOC中的反应时间越短,反应不完全导致的,但是依然保持着较高的转化效率。由此可以说明，低温状态下废气量和温度对CO的转化效率都有影响,但CO的转化效率随着废气量的增加变化较小;在温度大于200 ℃时,CO的转化效率都接近100%。

3.2 HC转化效率的影响

试验研究了废气量以及入口温度对HC转化效率的影响,结果如图3所示。

图3 废气量与入口温度对HC转化效率的影响

试验测量了DOC出、入口的HC体积分数φ(HC),并计算了HC的转化效率。

3.3 NO转化效率的影响

试验研究了废气量以及入口温度对NO转化效率的影响,结果如图4所示。试验测量了DOC出、入口的NO体积分数φ(NO),并计算了NO的转化效率。

由图4可以看出：随着温度的增加,φ(NO)逐渐增加;温度在大于260～380 ℃时NO的转化效率大于50%。因此可以得出,该DOC的NO起燃温度在260～380 ℃之间。

由图4还可以看出：3种不同工况下,NO的转化效率都是从低温开始的,随着温度的升高而逐渐升高,在300～350 ℃时,NO的转化效率达到最大值,然后随着温度的升高逐渐降低;随着废气量的增大,NO的转化效率有小幅度降低。

NO转化效率受温度变化影响的主要原如下:

(1) 温度低于350℃时,随着温度升高,催化剂的活性越高。

(2) NO与CO、HC相比,氧化动力较低[13],在温度低于350 ℃时,温度升高,CO和HC氧化后其浓度降低，NO逐渐被氧化，因此温度越高,NO转化效率越高。

(3) 在温度大于350 ℃时,温度升高,尾气中的φ(NO)增加,在高浓度的NO环境下,Pt表面产生饱和现象,抑制了NO在Pt上的反应,从而降低了NO的转化效率[14]。

(4) NO与NO2为可逆反应,当温度大于350 ℃时,温度的升高会促进NO2转化为NO,因此NO转化效率会降低。

图4 废气量与入口温度对NO转化效率的影响

4 结 论

(1) DOC在本文试验条件下对CO的转化效率达99%以上,低温时CO的转化效率随废气量的增加而降低,温度大于200 ℃时,CO的转化效率都接近100%。

(2) HC与NO的转化效率都随着温度的增加呈先上升后下降的趋势,随着废气量的增加而降低。温度在300～350 ℃时,HC与NO的转化效率分别达到92%、55%以上。

(3) DOC入口温度应控制在300～350 ℃之间,以保证不同气态污染物的转化效率最大化。