劉明來，杜子文，林紹莉，吳泉成

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6108天然氣發(fā)動機三元催化器轉(zhuǎn)換效率的研究

劉明來，杜子文，林紹莉，吳泉成

（南充職業(yè)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(fā)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(fā)動機的三元催化器，從而減少發(fā)動機的尾氣排放，提高三元催化器的轉(zhuǎn)換效率，降低三元催化器的生產(chǎn)制造成本。也可指導其它天然氣發(fā)動機三元催化器的研究設計。

天然氣發(fā)動機；三元催化器；轉(zhuǎn)換效率

前言

隨著汽車排放法規(guī)的日益嚴格，三元催化轉(zhuǎn)化器的開發(fā)和應用已經(jīng)成為控制汽車排放污染物的首要途徑。但現(xiàn)有的三元催化器基本上是基于汽油發(fā)動機的工作工況而研發(fā)設計生產(chǎn)的，目前天然氣發(fā)動機的尾氣處理裝置大多數(shù)是借用同排量或相近排量的汽油發(fā)動機的三元催化器，這樣導致其轉(zhuǎn)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(fā)動機而研究三元催化器轉(zhuǎn)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(fā)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(jù)曾主持的6108天然氣發(fā)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(fā)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(jù)資料顯示，同排量的天然氣發(fā)動機與汽油發(fā)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(fā)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?zhèn)鞑ニ俣容^慢，一般采用閉環(huán)稀薄燃燒技術，空燃比大于理論空燃比，所以天然氣發(fā)動機燃燒過程產(chǎn)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(fā)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(fā)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(fā)動機的三元催化器的性能優(yōu)越，轉(zhuǎn)換效率顯著提高，且降低了生產(chǎn)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(jié)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(shù)小，耐腐蝕、耐高溫性強，具有良好的強度和剛度，雙層結(jié)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(zhuǎn)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(nèi)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(jié)構示意圖

2.2 載體的設計

經(jīng)文獻資料顯示及載體生產(chǎn)制造經(jīng)驗，采用董青石陶瓷作為載體，按蜂窩狀生產(chǎn)制造是目前國內(nèi)最優(yōu)的方法，董青石蜂窩狀陶瓷載體具有良好的熱穩(wěn)定性，熱膨脹系數(shù)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(fā)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)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(yōu)點：①提高涂層的高溫穩(wěn)定性；②有顯著的儲氧和釋放氧的功能，能有效控制載體內(nèi)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(zhuǎn)化作用，對No還原轉(zhuǎn)化作用很小。鈀也對CO和CH4具有良好的催化轉(zhuǎn)化作用，且在富氧和高溫條件下，活性優(yōu)于鉑，但對鉛、硫等物質(zhì)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(zhuǎn)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(jù)天然氣發(fā)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(fā)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(zhuǎn)換效率，又降低了生產(chǎn)制造成本。

3 6108天然氣發(fā)動機與三元催化器的匹配

發(fā)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(shù)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(fā)動機的理論質(zhì)量空燃比為17.17，筆者當?shù)丶託庹局刑烊粴獾腃H4含量為92%左右，經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)得出其空燃比為16.9。由圖2可以看出CO、HC、NO的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率最佳，6108天然氣發(fā)動機采用稀薄燃燒技術，因此其控制的重點區(qū)域就在16.9～17.05之間的狹窄區(qū)域，為了確保達到精準控制，筆者采用寬域氧傳感器閉環(huán)電控系統(tǒng)來實現(xiàn)其控制策略。

圖2 6108天然氣發(fā)動機催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換效率與空燃比的關系

3.2 載體工作溫度

催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)換效率與載體內(nèi)溫度有密切關系，本次設計的6108天然氣發(fā)動機催化器在200℃以上開始起作用，當工作溫度達到280℃時，轉(zhuǎn)換效率能達到50%，工作溫度達到350℃時轉(zhuǎn)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(xiàn)高溫失活、老化失效等現(xiàn)象。

3.3 三元催化器位置的確定

經(jīng)發(fā)動機臺架綜合試驗，6108天然氣發(fā)動機排氣總管后800cm附近，是安裝三元催化器的最佳位置。發(fā)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(xiàn)峰值，90S左右時，催化器內(nèi)溫度趨于平穩(wěn)，催化器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率不容易達到最佳效果。

4 結(jié)束語

本文詳細分析了6108天然氣發(fā)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(fā)動機的匹配方法。通過上述優(yōu)化設計制作出的產(chǎn)品，與借用汽油發(fā)動機三元催化器相比，具有更高的轉(zhuǎn)換效率及更低的生產(chǎn)制造成本，經(jīng)過發(fā)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(fā)展現(xiàn)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(nèi)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

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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(fā)動機及其零部件的研發(fā)設計和實踐實訓教學工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.050