陳寧,劉偉達(dá),李俊普,楊起,李嵩,孫志江

(1.濰柴動(dòng)力股份有限公司,山東 濰坊 261061;2.濰柴動(dòng)力空氣凈化科技有限公司,山東 濰坊 261061)

近來(lái)我國(guó)大力倡導(dǎo)生態(tài)文明建設(shè),主張人與自然和諧共生,努力建設(shè)美麗中國(guó)。我國(guó)在世界環(huán)境大會(huì)上承諾2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,21世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)碳中和,低碳環(huán)保已經(jīng)成為國(guó)家施政的重中之重。在2016年和2018年,我國(guó)分別頒布了《輕型汽車(chē)污染排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》和《重型汽車(chē)污染排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》相關(guān)法規(guī)[1]。目前我國(guó)是機(jī)動(dòng)車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)第一大國(guó),機(jī)動(dòng)車(chē)是污染物排放總量的主要貢獻(xiàn)者,其排放的一氧化碳(CO)和碳?xì)浠衔?HC)占比超過(guò)80%,氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)占比超過(guò)90%,而柴油車(chē)排放的NOx約占機(jī)動(dòng)車(chē)排放總量的70%,PM約占機(jī)動(dòng)車(chē)排放總量的90%[2]。根據(jù)國(guó)六階段排放限值要求,NOx的排放限值在國(guó)五基礎(chǔ)上加嚴(yán)30%[3]。機(jī)內(nèi)凈化和單一后處理技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足排放法規(guī)要求,多種后處理技術(shù)并用是降低排放的有效途徑之一,包括氧化催化、微粒捕集、催化還原技術(shù)等[4]。

本研究主要研究催化劑涂覆方式對(duì)DOC催化劑起燃性能的影響,對(duì)載體進(jìn)行不同方式的催化劑涂覆,通過(guò)催化劑樣件老化以及臺(tái)架性能驗(yàn)證對(duì)比,找出較優(yōu)的催化劑涂覆方案,以期為催化劑性能的提升提供應(yīng)用參考。

1 試驗(yàn)方案及裝置

1.1 試驗(yàn)流程

為了研究不同的涂覆方式對(duì)DOC催化劑起燃特性的影響,設(shè)計(jì)3種DOC催化劑涂覆方案,通過(guò)性能測(cè)試選出催化劑性能較為優(yōu)良的涂覆方式。為了完成測(cè)試目標(biāo),進(jìn)行了試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)試驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)流程

1.2 涂覆方案設(shè)計(jì)

為了研究不同的涂覆方式對(duì)DOC催化劑起燃性能的影響,設(shè)計(jì)了3種涂覆方式,分別為方案A、方案B和方案C(見(jiàn)圖2)。3種方案的貴金屬總含量相同,圖中淺色方框表示催化劑中的貴金屬含量較高,深色方框表示貴金屬含量較低,方案C中提高了Pt的比例。方案A：沿氣流方向(圖中箭頭方向)前區(qū)貴金屬密度高,m(Pt)∶m(Pd)為2.5∶1,后區(qū)貴金屬密度低,m(Pt)∶m(Pd)為2∶1;方案B：前區(qū)貴金屬密度高,m(Pt)∶m(Pd)為2∶1,后區(qū)貴金屬密度低,m(Pt)∶m(Pd)為3∶1;方案C：上層淺色部分貴金屬密度高,m(Pt)∶m(Pd)為3∶2,下層深色部分貴金屬密度低,m(Pt)∶m(Pd)為12∶1。

圖2 3種不同涂覆方式示意

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)條件

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為高壓共軌中型柴油機(jī),型式為6缸直列、中冷增壓,標(biāo)定功率為199 kW,最大扭矩為1 100 N·m,最大扭矩轉(zhuǎn)速為1 300～1 700 r/min。試驗(yàn)主要采用AVL INDYS66JD交流電測(cè)功機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速和扭矩,采用AVL735智能油耗儀測(cè)量油耗,采用HORIB AMEXA-7100D氣體分析儀測(cè)量排放等。臺(tái)架測(cè)試示意如圖3所示。

圖3 臺(tái)架測(cè)試示意

試驗(yàn)測(cè)試條件如表1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中空速小于100 000 h-1,空速指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流過(guò)催化器的體積流量與其容積的比值。工程目標(biāo)HC泄漏量不超過(guò)1 500×10-6,若達(dá)不到HC泄漏量,達(dá)到額定溫度后保持5 min;HC泄漏量過(guò)高時(shí)不再測(cè)試,以免對(duì)設(shè)備造成污染損傷。

表1 測(cè)試條件

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 階段一催化劑性能測(cè)試及結(jié)果分析

將催化劑分別進(jìn)行兩個(gè)階段老化試驗(yàn),階段一為40 h 670 ℃臺(tái)架老化,階段二為100 h 670 ℃老化。對(duì)完成階段一老化后的催化劑樣件進(jìn)行起燃性能測(cè)試,測(cè)試條件設(shè)定為250 ℃,空速為60 000 h-1,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4a可見(jiàn),A、B、C 3種涂覆方案都能達(dá)到550 ℃/570 ℃的溫升目標(biāo),但B方案和C方案的起燃時(shí)間明顯優(yōu)于A方案。從圖4中可以看出,B、C兩個(gè)方案的HC噴射量及泄漏量少于A方案,這是由于B方案和C方案的貴金屬含量增加,DOC催化劑轉(zhuǎn)換效率提升,減少了HC泄漏。

當(dāng)測(cè)試條件設(shè)定為270 ℃,80 000 h-1空速時(shí),試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出,A、B、C 3種涂覆方案都能達(dá)到600 ℃/620 ℃的溫升目標(biāo),從圖5b中可以看出,B、C兩個(gè)方案的HC噴射量及泄漏量少于方案A。

圖5 270 ℃,80 000 h-1空速測(cè)試結(jié)果

當(dāng)測(cè)試條件設(shè)定為300 ℃,100 000 h-1空速時(shí),試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出,A、B、C 3種涂覆方案都能達(dá)到600 ℃/620 ℃的溫升目標(biāo), A、B、C 3種涂覆方案均能較好地控制HC泄漏,性能基本無(wú)差異,在溫度300 ℃以上,DOC催化劑的涂覆方式對(duì)起燃特性影響不顯著。

圖6 300 ℃,100 000 h-1空速測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)40 h 670 ℃老化試驗(yàn),在相同的空速和溫升條件下,DOC催化劑出口位置的NO2占比如圖7所示。從圖7可以看出,A、B兩種方案的NO2生成量相當(dāng),方案C的催化劑金屬Pt的占比大,NO2的生成量較大。

圖7 DOC后NO2占比

2.2 階段二催化劑性能測(cè)試及結(jié)果分析

對(duì)完成階段二100 h 670 ℃老化后的催化劑樣件進(jìn)行起燃性能測(cè)試,當(dāng)測(cè)試條件設(shè)定為250 ℃,60 000 h-1空速時(shí),結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出,B、C兩種方案都能達(dá)到550 ℃/570 ℃的溫升目標(biāo),方案A可以達(dá)到550 ℃的目標(biāo),在570 ℃無(wú)法穩(wěn)定。從圖8中可以看出,B、C兩個(gè)方案的HC噴射量及泄漏量明顯少于方案A,方案B中的Pd含量略大,抗老化能力強(qiáng)。

圖8 250 ℃,60 000 h-1空速測(cè)試結(jié)果

當(dāng)測(cè)試條件設(shè)定為270 ℃,80 000 h-1空速時(shí),結(jié)果如圖9所示。由圖9可見(jiàn), A、B、C 3種方案都能達(dá)到600 ℃/620 ℃的溫升目標(biāo)。從圖9中可以看出,B、C兩個(gè)方案的HC噴射量及泄漏量明顯少于方案A。

圖9 270 ℃,80 000 h-1空速測(cè)試結(jié)果

當(dāng)測(cè)試條件設(shè)定為300 ℃,100 000 h-1空速時(shí),結(jié)果如圖10所示。由圖10可見(jiàn),A、B、C 3種方案都能達(dá)到600 ℃/620 ℃的溫升目標(biāo),方案A性能稍差。從圖10中可以看出,B、C兩個(gè)方案的HC噴射量及泄漏量明顯少于方案A。

圖10 300 ℃,100 000 h-1空速測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)階段二老化試驗(yàn),在相同的空速和溫升條件下,DOC催化劑出口位置的NO2占比如圖11所示。由圖11可見(jiàn), 方案C的NO2生成量?jī)?yōu)于方案B和方案A,經(jīng)過(guò)100 h老化后可以發(fā)現(xiàn),方案A明顯處于劣勢(shì)。

圖11 DOC后NO2占比

3 結(jié)論

a) A、B、C 3種催化劑涂覆方案的樣件在所有大空速點(diǎn)都能起燃,滿(mǎn)足要求,綜合對(duì)比B方案涂覆的催化劑性能最優(yōu);

b) B、C兩種涂覆方案的DOC催化劑的HC轉(zhuǎn)化效率高,方案A老化后的HC泄漏量較大,完成階段二老化后在溫度為250 ℃,空速為60 000 h-1條件下,方案A的溫升不能穩(wěn)定在570 ℃;

c) 經(jīng)過(guò)40 h老化,方案A和方案B的NO2占比基本相同,方案C的NO2占比較高;經(jīng)過(guò)100 h老化后發(fā)現(xiàn),NO2占比由大到小依次為方案C、方案B、方案A。