6108天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)三元催化器轉(zhuǎn)換效率的研究

劉明來(lái)，杜子文，林紹莉，吳泉成

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6108天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)三元催化器轉(zhuǎn)換效率的研究

劉明來(lái)，杜子文，林紹莉，吳泉成

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，四川 南充 637000）

文章介紹了筆者曾主持的一項(xiàng)研究設(shè)計(jì)項(xiàng)目，通過對(duì)6108天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性、排放特性等的分析，研究設(shè)計(jì)了適用于6108天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的三元催化器，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)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(dǎo)其它天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)三元催化器的研究設(shè)計(jì)。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)；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(yán)格，三元催化轉(zhuǎn)化器的開發(fā)和應(yīng)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(dòng)機(jī)的工作工況而研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，目前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的三元催化器，這樣導(dǎo)致其轉(zhuǎn)化效率較低且成本較高。目前通過公開的文獻(xiàn)檢索，針對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)而研究三元催化器轉(zhuǎn)化效率的文獻(xiàn)資料并不多見，鑒于此，筆者將近幾年來(lái)，在針對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)三元催化器的設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)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(dòng)機(jī)三元催化器的研究設(shè)計(jì)項(xiàng)目，為專題研究對(duì)象進(jìn)行較為詳細(xì)的闡述，供同行參考。

1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放特性

天然氣是一種高辛烷值、高燃燒熱值、費(fèi)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(dòng)機(jī)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)尾氣排放中CH4的含量相當(dāng)高，是尾氣中最難被氧化的氣體。天然氣燃燒時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，一般采用閉環(huán)稀薄燃燒技術(shù)，空燃比大于理論空燃比，所以天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程產(chǎn)生的CO排放量較低，但NO會(huì)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?yàn)楦妆诩だ渥饔茫紵铱p隙中的CH4未得到充分燃燒所致。所以減少天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放主要是針對(duì)CO、NO、CH4三種氣體。

2 6108天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)三元催化器的研究設(shè)計(jì)

本次研究設(shè)計(jì)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(guó)Ⅴ尾氣排放要求，比借用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)

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(gòu)設(shè)計(jì)制造，沿鋼板表面與法蘭焊接封裝，這樣設(shè)計(jì)的殼體熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕、耐高溫性強(qiáng)，具有良好的強(qiáng)度和剛度，雙層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，保證了催化劑的反應(yīng)溫度及快速進(jìn)入起燃溫度，提高了轉(zhuǎn)換效率。殼體的擴(kuò)張管角設(shè)計(jì)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(gòu)示意圖

2.2 載體的設(shè)計(jì)

經(jīng)文獻(xiàn)資料顯示及載體生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)，采用董青石陶瓷作為載體，按蜂窩狀生產(chǎn)制造是目前國(guó)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(qiáng)，且制造成本低廉。在充分考慮6108天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的排量、排氣流動(dòng)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(shè)計(jì)為3700 mm2，孔密度達(dá)到了400孔/平方英尺，壁厚降到了0.1mm，這樣設(shè)計(jì)使載體比表面積達(dá)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(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的涂層有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①提高涂層的高溫穩(wěn)定性；②有顯著的儲(chǔ)氧和釋放氧的功能，能有效控制載體內(nèi)氧氣的波動(dòng)；③增強(qiáng)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(duì)CO和CH4具有良好的催化轉(zhuǎn)化作用，對(duì)No還原轉(zhuǎn)化作用很小。鈀也對(duì)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(duì)鉛、硫等物質(zhì)敏感，容易中毒。銠對(duì)No具有良好的還原能力，且在低溫下對(duì)CO有很強(qiáng)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(jià)格低廉。根據(jù)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)催化器試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jī)催化劑配方相比，極大的提高了Pd的比例，減少了價(jià)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(dòng)機(jī)與三元催化器的匹配

發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的理論質(zhì)量空燃比為17.17，筆者當(dāng)?shù)丶託庹局刑烊粴獾腃H4含量為92%左右，經(jīng)過試驗(yàn)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(guān)系，且空燃比在16.7～17.05之間時(shí)催化器的轉(zhuǎn)換效率最佳，6108天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用稀薄燃燒技術(shù)，因此其控制的重點(diǎn)區(qū)域就在16.9～17.05之間的狹窄區(qū)域，為了確保達(dá)到精準(zhǔn)控制，筆者采用寬域氧傳感器閉環(huán)電控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其控制策略。

圖2 6108天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換效率與空燃比的關(guān)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(guān)系，本次設(shè)計(jì)的6108天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)催化器在200℃以上開始起作用，當(dāng)工作溫度達(dá)到280℃時(shí)，轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到50%，工作溫度達(dá)到350℃時(shí)轉(zhuǎn)換效率最佳，能達(dá)到90%，當(dāng)工作溫度長(zhǎng)時(shí)間在750℃以上時(shí)，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(dòng)機(jī)臺(tái)架綜合試驗(yàn)，6108天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣總管后800cm附近，是安裝三元催化器的最佳位置。發(fā)動(dòng)機(jī)從冷起動(dòng)開始，12S左右此處排氣溫度即可達(dá)到催化器的起燃溫度，40S左右時(shí)，催化器前后端溫度基本一致，65S左右時(shí)，催化器后端溫度出現(xiàn)峰值，90S左右時(shí)，催化器內(nèi)溫度趨于平穩(wěn)，催化器轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(zhǎng)時(shí)間催化器才能達(dá)到起然溫度，且轉(zhuǎn)換效率不容易達(dá)到最佳效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了6108天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)三元催化器的殼體、墊層、載體和催化劑的設(shè)計(jì)思路及理念，以及與天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配方法。通過上述優(yōu)化設(shè)計(jì)制作出的產(chǎn)品，與借用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)及整車廠家的使用后，得到了其良好的評(píng)價(jià)。

[1] 陳昊,韓斌,陳軼嵩,等.天然氣汽車發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].中國(guó)能源, 2018,40(02):36-41.

[2] 葉建偉,陳小東,郭七一,等.基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的三元催化器設(shè)計(jì)研究[J].內(nèi)燃機(jī),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(lái)（1979-），男，四川省岳池縣人，本科，高級(jí)工程師，主要從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及其零部件的研發(fā)設(shè)計(jì)和實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.050