涂覆方式對DOC催化劑起燃特性的影響

陳寧,劉偉達,李俊普,楊起,李嵩,孫志江

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

近來我國大力倡導生態文明建設,主張人與自然和諧共生,努力建設美麗中國。我國在世界環境大會上承諾2030年實現碳達峰,21世紀中葉實現碳中和,低碳環保已經成為國家施政的重中之重。在2016年和2018年,我國分別頒布了《輕型汽車污染排放限值及測量方法(中國第六階段)》和《重型汽車污染排放限值及測量方法(中國第六階段)》相關法規[1]。目前我國是機動車產銷第一大國,機動車是污染物排放總量的主要貢獻者,其排放的一氧化碳(CO)和碳氫化合物(HC)占比超過80%,氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)占比超過90%,而柴油車排放的NOx約占機動車排放總量的70%,PM約占機動車排放總量的90%[2]。根據國六階段排放限值要求,NOx的排放限值在國五基礎上加嚴30%[3]。機內凈化和單一后處理技術無法滿足排放法規要求,多種后處理技術并用是降低排放的有效途徑之一,包括氧化催化、微粒捕集、催化還原技術等[4]。

本研究主要研究催化劑涂覆方式對DOC催化劑起燃性能的影響,對載體進行不同方式的催化劑涂覆,通過催化劑樣件老化以及臺架性能驗證對比,找出較優的催化劑涂覆方案,以期為催化劑性能的提升提供應用參考。

1 試驗方案及裝置

1.1 試驗流程

為了研究不同的涂覆方式對DOC催化劑起燃特性的影響,設計3種DOC催化劑涂覆方案,通過性能測試選出催化劑性能較為優良的涂覆方式。為了完成測試目標,進行了試驗方案設計試驗流程見圖1。

圖1 試驗流程

1.2 涂覆方案設計

為了研究不同的涂覆方式對DOC催化劑起燃性能的影響,設計了3種涂覆方式,分別為方案A、方案B和方案C(見圖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)前區貴金屬密度高,m(Pt)∶m(Pd)為2.5∶1,后區貴金屬密度低,m(Pt)∶m(Pd)為2∶1;方案B：前區貴金屬密度高,m(Pt)∶m(Pd)為2∶1,后區貴金屬密度低,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 試驗設備及試驗條件

試驗發動機為高壓共軌中型柴油機,型式為6缸直列、中冷增壓,標定功率為199 kW,最大扭矩為1 100 N·m,最大扭矩轉速為1 300～1 700 r/min。試驗主要采用AVL INDYS66JD交流電測功機測量轉速和扭矩,采用AVL735智能油耗儀測量油耗,采用HORIB AMEXA-7100D氣體分析儀測量排放等。臺架測試示意如圖3所示。

圖3 臺架測試示意

試驗測試條件如表1所示。發動機測試中空速小于100 000 h-1,空速指在標準狀態下流過催化器的體積流量與其容積的比值。工程目標HC泄漏量不超過1 500×10-6,若達不到HC泄漏量,達到額定溫度后保持5 min;HC泄漏量過高時不再測試,以免對設備造成污染損傷。

表1 測試條件

2 試驗結果分析

2.1 階段一催化劑性能測試及結果分析

將催化劑分別進行兩個階段老化試驗,階段一為40 h 670 ℃臺架老化,階段二為100 h 670 ℃老化。對完成階段一老化后的催化劑樣件進行起燃性能測試,測試條件設定為250 ℃,空速為60 000 h-1,試驗結果如圖4所示。由圖4a可見,A、B、C 3種涂覆方案都能達到550 ℃/570 ℃的溫升目標,但B方案和C方案的起燃時間明顯優于A方案。從圖4中可以看出,B、C兩個方案的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催化劑轉換效率提升,減少了HC泄漏。

當測試條件設定為270 ℃,80 000 h-1空速時,試驗結果如圖5所示。從圖5可以看出,A、B、C 3種涂覆方案都能達到600 ℃/620 ℃的溫升目標,從圖5b中可以看出,B、C兩個方案的HC噴射量及泄漏量少于方案A。

圖5 270 ℃,80 000 h-1空速測試結果

當測試條件設定為300 ℃,100 000 h-1空速時,試驗結果如圖6所示。從圖6中可以看出,A、B、C 3種涂覆方案都能達到600 ℃/620 ℃的溫升目標, A、B、C 3種涂覆方案均能較好地控制HC泄漏,性能基本無差異,在溫度300 ℃以上,DOC催化劑的涂覆方式對起燃特性影響不顯著。

圖6 300 ℃,100 000 h-1空速測試結果

經過40 h 670 ℃老化試驗,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,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試及結果分析

對完成階段二100 h 670 ℃老化后的催化劑樣件進行起燃性能測試,當測試條件設定為250 ℃,60 000 h-1空速時,結果如圖8所示。從圖8中可以看出,B、C兩種方案都能達到550 ℃/570 ℃的溫升目標,方案A可以達到550 ℃的目標,在570 ℃無法穩定。從圖8中可以看出,B、C兩個方案的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。

圖8 250 ℃,60 000 h-1空速測試結果

當測試條件設定為270 ℃,80 000 h-1空速時,結果如圖9所示。由圖9可見, A、B、C 3種方案都能達到600 ℃/620 ℃的溫升目標。從圖9中可以看出,B、C兩個方案的HC噴射量及泄漏量明顯少于方案A。

圖9 270 ℃,80 000 h-1空速測試結果

當測試條件設定為300 ℃,100 000 h-1空速時,結果如圖10所示。由圖10可見,A、B、C 3種方案都能達到600 ℃/620 ℃的溫升目標,方案A性能稍差。從圖10中可以看出,B、C兩個方案的HC噴射量及泄漏量明顯少于方案A。

圖10 300 ℃,100 000 h-1空速測試結果

經過階段二老化試驗,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, 方案C的NO2生成量優于方案B和方案A,經過100 h老化后可以發現,方案A明顯處于劣勢。

圖11 DOC后NO2占比

3 結論

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

b) B、C兩種涂覆方案的DOC催化劑的HC轉化效率高,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的溫升不能穩定在570 ℃;

c) 經過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;經過100 h老化后發現,NO2占比由大到小依次為方案C、方案B、方案A。