涂覆方式对DOC催化剂起燃特性的影响

陈宁,刘伟达,李俊普,杨起,李嵩,孙志江

(1.潍柴动力股份有限公司,山东 潍坊 261061;2.潍柴动力空气净化科技有限公司,山东 潍坊 261061)

近来我国大力倡导生态文明建设,主张人与自然和谐共生,努力建设美丽中国。我国在世界环境大会上承诺2030年实现碳达峰,21世纪中叶实现碳中和,低碳环保已经成为国家施政的重中之重。在2016年和2018年,我国分别颁布了《轻型汽车污染排放限值及测量方法(中国第六阶段)》和《重型汽车污染排放限值及测量方法(中国第六阶段)》相关法规[1]。目前我国是机动车产销第一大国,机动车是污染物排放总量的主要贡献者,其排放的一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)占比超过80%,氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)占比超过90%,而柴油车排放的NOx约占机动车排放总量的70%,PM约占机动车排放总量的90%[2]。根据国六阶段排放限值要求,NOx的排放限值在国五基础上加严30%[3]。机内净化和单一后处理技术无法满足排放法规要求,多种后处理技术并用是降低排放的有效途径之一,包括氧化催化、微粒捕集、催化还原技术等[4]。

本研究主要研究催化剂涂覆方式对DOC催化剂起燃性能的影响,对载体进行不同方式的催化剂涂覆,通过催化剂样件老化以及台架性能验证对比,找出较优的催化剂涂覆方案,以期为催化剂性能的提升提供应用参考。

1 试验方案及装置

1.1 试验流程

为了研究不同的涂覆方式对DOC催化剂起燃特性的影响,设计3种DOC催化剂涂覆方案,通过性能测试选出催化剂性能较为优良的涂覆方式。为了完成测试目标,进行了试验方案设计试验流程见图1。

图1 试验流程

1.2 涂覆方案设计

为了研究不同的涂覆方式对DOC催化剂起燃性能的影响,设计了3种涂覆方式,分别为方案A、方案B和方案C(见图2)。3种方案的贵金属总含量相同,图中浅色方框表示催化剂中的贵金属含量较高,深色方框表示贵金属含量较低,方案C中提高了Pt的比例。方案A：沿气流方向(图中箭头方向)前区贵金属密度高,m(Pt)∶m(Pd)为2.5∶1,后区贵金属密度低,m(Pt)∶m(Pd)为2∶1;方案B：前区贵金属密度高,m(Pt)∶m(Pd)为2∶1,后区贵金属密度低,m(Pt)∶m(Pd)为3∶1;方案C：上层浅色部分贵金属密度高,m(Pt)∶m(Pd)为3∶2,下层深色部分贵金属密度低,m(Pt)∶m(Pd)为12∶1。

图2 3种不同涂覆方式示意

1.3 试验设备及试验条件

试验发动机为高压共轨中型柴油机,型式为6缸直列、中冷增压,标定功率为199 kW,最大扭矩为1 100 N·m,最大扭矩转速为1 300～1 700 r/min。试验主要采用AVL INDYS66JD交流电测功机测量转速和扭矩,采用AVL735智能油耗仪测量油耗,采用HORIB AMEXA-7100D气体分析仪测量排放等。台架测试示意如图3所示。

图3 台架测试示意

试验测试条件如表1所示。发动机测试中空速小于100 000 h-1,空速指在标准状态下流过催化器的体积流量与其容积的比值。工程目标HC泄漏量不超过1 500×10-6,若达不到HC泄漏量,达到额定温度后保持5 min;HC泄漏量过高时不再测试,以免对设备造成污染损伤。

表1 测试条件

2 试验结果分析

2.1 阶段一催化剂性能测试及结果分析

将催化剂分别进行两个阶段老化试验,阶段一为40 h 670 ℃台架老化,阶段二为100 h 670 ℃老化。对完成阶段一老化后的催化剂样件进行起燃性能测试,测试条件设定为250 ℃,空速为60 000 h-1,试验结果如图4所示。由图4a可见,A、B、C 3种涂覆方案都能达到550 ℃/570 ℃的温升目标,但B方案和C方案的起燃时间明显优于A方案。从图4中可以看出,B、C两个方案的HC喷射量及泄漏量少于A方案,这是由于B方案和C方案的贵金属含量增加,DOC催化剂转换效率提升,减少了HC泄漏。

当测试条件设定为270 ℃,80 000 h-1空速时,试验结果如图5所示。从图5可以看出,A、B、C 3种涂覆方案都能达到600 ℃/620 ℃的温升目标,从图5b中可以看出,B、C两个方案的HC喷射量及泄漏量少于方案A。

图5 270 ℃,80 000 h-1空速测试结果

当测试条件设定为300 ℃,100 000 h-1空速时,试验结果如图6所示。从图6中可以看出,A、B、C 3种涂覆方案都能达到600 ℃/620 ℃的温升目标, A、B、C 3种涂覆方案均能较好地控制HC泄漏,性能基本无差异,在温度300 ℃以上,DOC催化剂的涂覆方式对起燃特性影响不显著。

图6 300 ℃,100 000 h-1空速测试结果

经过40 h 670 ℃老化试验,在相同的空速和温升条件下,DOC催化剂出口位置的NO2占比如图7所示。从图7可以看出,A、B两种方案的NO2生成量相当,方案C的催化剂金属Pt的占比大,NO2的生成量较大。

图7 DOC后NO2占比

2.2 阶段二催化剂性能测试及结果分析

对完成阶段二100 h 670 ℃老化后的催化剂样件进行起燃性能测试,当测试条件设定为250 ℃,60 000 h-1空速时,结果如图8所示。从图8中可以看出,B、C两种方案都能达到550 ℃/570 ℃的温升目标,方案A可以达到550 ℃的目标,在570 ℃无法稳定。从图8中可以看出,B、C两个方案的HC喷射量及泄漏量明显少于方案A,方案B中的Pd含量略大,抗老化能力强。

图8 250 ℃,60 000 h-1空速测试结果

当测试条件设定为270 ℃,80 000 h-1空速时,结果如图9所示。由图9可见, A、B、C 3种方案都能达到600 ℃/620 ℃的温升目标。从图9中可以看出,B、C两个方案的HC喷射量及泄漏量明显少于方案A。

图9 270 ℃,80 000 h-1空速测试结果

当测试条件设定为300 ℃,100 000 h-1空速时,结果如图10所示。由图10可见,A、B、C 3种方案都能达到600 ℃/620 ℃的温升目标,方案A性能稍差。从图10中可以看出,B、C两个方案的HC喷射量及泄漏量明显少于方案A。

图10 300 ℃,100 000 h-1空速测试结果

经过阶段二老化试验,在相同的空速和温升条件下,DOC催化剂出口位置的NO2占比如图11所示。由图11可见, 方案C的NO2生成量优于方案B和方案A,经过100 h老化后可以发现,方案A明显处于劣势。

图11 DOC后NO2占比

3 结论

a) A、B、C 3种催化剂涂覆方案的样件在所有大空速点都能起燃,满足要求,综合对比B方案涂覆的催化剂性能最优;

b) B、C两种涂覆方案的DOC催化剂的HC转化效率高,方案A老化后的HC泄漏量较大,完成阶段二老化后在温度为250 ℃,空速为60 000 h-1条件下,方案A的温升不能稳定在570 ℃;

c) 经过40 h老化,方案A和方案B的NO2占比基本相同,方案C的NO2占比较高;经过100 h老化后发现,NO2占比由大到小依次为方案C、方案B、方案A。