車用三元催化轉(zhuǎn)化器快速老化試驗(yàn)研究

郝寶玉，侯獻(xiàn)軍，彭輔明，劉華剛，顏伏伍

(1.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

汽車在給人類帶來交通便利和社會(huì)繁榮的同時(shí)，也給環(huán)境帶來了較大的危害，追求低污染已成為汽車行業(yè)發(fā)展的主要方向，目前在汽油機(jī)上主要的排氣后處理凈化技術(shù)是三元催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)。三元催化轉(zhuǎn)化器是利用氧化和還原反應(yīng)，將汽車排氣中的 HC、CO、NOx轉(zhuǎn)化成 CO2、N2、H2O等無害的物質(zhì)［1］。對(duì)催化器的老化失效進(jìn)行分析研究，對(duì)于改進(jìn)催化器的設(shè)計(jì)制造，改善催化器工作環(huán)境，控制在用車排放和提高催化器的使用壽命具有重要意義［2］。國(guó)內(nèi)只有天津大學(xué)利用FOCAS系統(tǒng)對(duì)催化器老化做了試驗(yàn)研究［3］。筆者建立發(fā)動(dòng)機(jī)三元催化轉(zhuǎn)化器快速老化試驗(yàn)臺(tái)架，根據(jù)HJ/T 331-2006對(duì)催化器快速老化進(jìn)行了研究。

1 國(guó)內(nèi)外老化試驗(yàn)規(guī)范

1.1 實(shí)車道路循環(huán)

老化試驗(yàn)分為實(shí)車道路老化和臺(tái)架快速老化兩種方式，是研究三元催化轉(zhuǎn)化器老化的有效手段，可以對(duì)三元催化轉(zhuǎn)化器的老化性能和耐久性壽命進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究。

在美國(guó)，美國(guó)環(huán)保署(EPA)規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)(standard road cycle，SRC)。Ford、GM、Toyota等汽車廠家都有自己的道路循環(huán)(road cycle，RC)，稱為(alternative road cycle，ARC)。目前我國(guó)試車場(chǎng)實(shí)車?yán)匣囼?yàn)是按照GB18352.3-2005中V型試驗(yàn)—污染控制裝置耐久性試驗(yàn)進(jìn)行的。試驗(yàn)員在試車場(chǎng)內(nèi)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)通過儀器發(fā)出的語(yǔ)音提示和顯示的車速來正確操作車輛，耐久性里程不得少于80000 km［4］。

1.2 臺(tái)架快速老化循環(huán)

實(shí)車道路耐久性評(píng)價(jià)試驗(yàn)周期長(zhǎng)，人力、物力消耗大;臺(tái)架快速老化周期短、成本低，又可近似模擬實(shí)車道路老化，因此在國(guó)外廣泛采用快速老化試驗(yàn)來考察其相對(duì)耐久性。目前國(guó)外使用的快速老化方法至少有10多種。一種4階段的老化方法RATSM(也稱為ARL.102方法)開始被廣泛應(yīng)用。Delphi、Coming和Engelhard等公司在臺(tái)架試驗(yàn)中都采用了這種方法［5-7］。4段模式中有加濃、補(bǔ)氣和催化劑升溫的過程，主要考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)都不可避免地會(huì)有失火發(fā)生，會(huì)出現(xiàn)未完全燃燒的燃油和廢氣中多余的氧在催化劑上發(fā)生反應(yīng)，造成催化劑短時(shí)間內(nèi)的急劇升溫，從而加速催化劑老化的問題。

目前國(guó)內(nèi)的快速老化循環(huán)主要采用HJ/T 331-2006中規(guī)定的4段模式老化循環(huán)以及斷油或補(bǔ)氣循環(huán)，如表1和表2所示。天津大學(xué)采用的是表1中的方法，在FOCAS系統(tǒng)上對(duì)催化器老化做試驗(yàn)研究。

表1 4段模式老化循環(huán)A

表2 斷油或補(bǔ)氣循環(huán)B

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

筆者的試驗(yàn)采用表2中的補(bǔ)氣循環(huán)控制，即60 s的穩(wěn)定工況和5 s的補(bǔ)氣工況。該試驗(yàn)的催化器為一個(gè)國(guó)外成品催化器，滿足歐IV排放標(biāo)準(zhǔn)，另一個(gè)為國(guó)內(nèi)新開發(fā)未上市的催化器。催化器轉(zhuǎn)化率主要隨發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比、催化器入口溫度和空速等因素變化，因此，催化器性能臺(tái)架評(píng)價(jià)試驗(yàn)需要能夠控制上述參數(shù)［8］。該裝置包括4個(gè)系統(tǒng):發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、補(bǔ)氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，如圖1所示，圖2為試驗(yàn)裝置的實(shí)物圖。

2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)控制

該試驗(yàn)采用的發(fā)動(dòng)機(jī)為3.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)，采用電控燃油噴射系統(tǒng)。根據(jù)HJ/T 331-2006中規(guī)定催化器快速老化對(duì)空速的要求，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;根據(jù)尾氣溫度要求，通過測(cè)功機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，進(jìn)而提高尾氣溫度達(dá)到HJ/T 331-2006的要求。根據(jù)空速定義，可得:

式中:h-1為催化器空速;i為催化器個(gè)數(shù);Vc為催化器體積;Qv為發(fā)動(dòng)機(jī)容積流量。

式中:n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;Vs為發(fā)動(dòng)機(jī)排量。

由式(1)和式(2)可得:

發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷由測(cè)功機(jī)控制，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2000 r/min，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，并采取保溫措施，使尾氣溫度達(dá)到760℃，根據(jù)試驗(yàn)得出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為249 N·m，節(jié)氣門開度為50%。

圖1 快速老化臺(tái)架試驗(yàn)裝置

圖2 快速老化臺(tái)架試驗(yàn)裝置實(shí)物圖

2.1.2 補(bǔ)氣系統(tǒng)

補(bǔ)氣系統(tǒng)由空壓機(jī)、電控單元及兩個(gè)氣動(dòng)電磁閥和流量控制閥構(gòu)成，如圖3所示。補(bǔ)氣的開閉時(shí)刻由電控單元控制，電控單元根據(jù)HJ/T 331-2006的要求控制電磁閥的開閉時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)控制。補(bǔ)氣量大小由流量控制閥控制，調(diào)節(jié)流量控制閥，根據(jù)HJ/T 331-2006的規(guī)定使尾氣的過量空氣系數(shù)φα為1.3，過量空氣系數(shù)φα可由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Lambda Meter顯示儀讀出，從流量控制器上讀出該試驗(yàn)的補(bǔ)氣量為0.48 kg/min。使用兩個(gè)電磁閥并聯(lián)可以提高補(bǔ)氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性，試驗(yàn)中若有一個(gè)電磁閥異常，試驗(yàn)仍可以繼續(xù)正常進(jìn)行。

圖3 快速老化臺(tái)架補(bǔ)氣系統(tǒng)

2.1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、Thermo-Scanner、兩臺(tái)Lambda Meter顯示器、氧傳感器和溫度傳感器等組成，如圖4所示。儀器串聯(lián)，由專用串口數(shù)據(jù)線K38、K39、K40連接，K39接12V直流電源。Thermo-Scanner有14個(gè)通道，該試驗(yàn)只用到8個(gè)通道，氧傳感器和溫度傳感器接口按圖1所示的位置，分別連接到 Lambda Meter、Thermo-Scanner上。計(jì)算機(jī)端由ETAS公司開發(fā)的專門的數(shù)據(jù)采集軟件INCA控制。

圖4 快速老化臺(tái)架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1.4 冷卻系統(tǒng)

水溫是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)重要參數(shù)，在該老化試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣到達(dá)800℃，冷卻系統(tǒng)性能要好，要求發(fā)動(dòng)機(jī)必須處于熱機(jī)狀態(tài)［9］。冷卻水溫度要求控制在80～85℃范圍內(nèi)［10］。該試驗(yàn)通過熱交換器來實(shí)現(xiàn)冷卻，發(fā)動(dòng)機(jī)使用專用的冷卻液，循環(huán)水通過熱交換器冷卻冷卻液，其冷卻系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 快速老化臺(tái)架冷卻系統(tǒng)

2.2 試驗(yàn)裝置優(yōu)化

2.2.1 保溫措施

試驗(yàn)表明，在不采取保溫措施的情況下，尾氣溫度最高為700℃，而臺(tái)架試驗(yàn)要求尾氣達(dá)到700～800℃，因此要對(duì)試驗(yàn)室和尾氣管都采取保溫措施。試驗(yàn)保溫措施分尾氣管保溫和室內(nèi)保溫。尾氣管保溫用石棉布把尾氣管包住，減少其散熱，達(dá)到保溫效果;室內(nèi)保溫，要適當(dāng)關(guān)閉房間內(nèi)窗戶和門，讓室內(nèi)溫度穩(wěn)定在30℃左右，減小尾氣管與室內(nèi)的溫度差，減少其散熱。

2.2.2 精簡(jiǎn)儀器

該試驗(yàn)需持續(xù)100 h，對(duì)儀器使用損耗也較大。減少不必要的儀器，顯得更為經(jīng)濟(jì)，節(jié)省物力、財(cái)力。如補(bǔ)氣系統(tǒng)的流量控制器可以去掉;空氣質(zhì)量流量控制器可由相對(duì)便宜的手動(dòng)流量控制閥代替;補(bǔ)氣量可由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的λ儀控制，調(diào)節(jié)手動(dòng)流量閥，使其補(bǔ)氣時(shí)過量空氣系數(shù)φα達(dá)到1.3，固定流量閥位置;補(bǔ)氣開閉由單片機(jī)控制電磁閥來實(shí)現(xiàn)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在研制的老化臺(tái)架試驗(yàn)裝置上，進(jìn)行車用三元催化轉(zhuǎn)化器性能試驗(yàn)和快速老化試驗(yàn)，得到車用催化器的起燃溫度等特性和空燃比特性。圖6為催化器老化前后起燃溫度特性曲線，CO、HC、NOx的起燃溫度分別從老化前的311℃、316℃、319℃變化到老化后的353℃、356℃、349℃，分別升高了42℃、40℃、30℃，對(duì)催化器起燃不利。

圖7為催化器老化前后空燃比特性曲線，由圖7可知，老化前催化器的高效窗口λ為14.38～14.43;而老化后，高效窗口幾乎不復(fù)存在，這主要與老化后HC的轉(zhuǎn)化效率顯著降低有直接關(guān)系。經(jīng)100 h快速老化試驗(yàn)后，催化器的上述特性顯示出性能趨向惡化。這表明所開發(fā)的試驗(yàn)裝置使催化器快速老化并可用于考核催化器的使用壽命。

圖6 催化器老化前后起燃溫度特性

圖7 催化器老化前后空燃比特性

4 結(jié)論

(1)在國(guó)內(nèi)首次建立了車用三元催化轉(zhuǎn)化器快速老化試驗(yàn)臺(tái)架，包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制、補(bǔ)氣，數(shù)據(jù)采集、冷卻4個(gè)系統(tǒng)，并完成了100 h老化試驗(yàn)。結(jié)果表明試驗(yàn)裝置可靠，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案可行，儀器選用準(zhǔn)確，可用于考核催化器的使用壽命。

(2)100 h老化后三元催化轉(zhuǎn)化器CO、HC、NOx的起燃溫度分別升高了42℃、40℃、30℃，對(duì)催化器起燃不利;老化后HC的轉(zhuǎn)化效率顯著降低，空燃比特性曲線的高效窗口幾乎不復(fù)存在。催化器的上述特性顯示出性能趨向惡化。

［1］鐘祥麟，于秀敏，梁晶晶，等.三效催化器起燃特性影響因素的仿真研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2007(6):73-76.

［2］龔金科，郭華，蔡皓，等.三效催化轉(zhuǎn)化器快速老化過程性能仿真［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2010(6):100-104.

［3］任美林.三元催化轉(zhuǎn)化器快速老化循環(huán)試驗(yàn)研究［D］.天津:天津大學(xué)圖書館，2007.

［4］郭華.基于詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的三效催化器快速老化特性數(shù)值研究［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)圖書館，2009.

［5］COOPER B J.Platinum catalysts for automotive［J］.Platinum Metals Review，1994，38(1):1-9.

［6］VYAZOVKIN S.Alternative description of process kinetics'［J］.Thermochim Acts，1992，21(1):181-187.

［7］孟浩，陳穎健.英國(guó)能源與CO2排放現(xiàn)狀、應(yīng)對(duì)氣候變化的對(duì)策及啟示［J］.中國(guó)軟科學(xué)，2010(6):25-35.

［8］程勇，吳波.摩托車催化器性能及快速老化臺(tái)架評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究［J］. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2002，20(3):243-246.

［9］邱兆文，魏朗，王生昌.車用三效催化轉(zhuǎn)化器工作效率的溫度監(jiān)控模型及其試驗(yàn)驗(yàn)證［J］.汽車工程，2009(4):326-329.

［10］馬向明.三元催化轉(zhuǎn)化器快速老化試驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)［D］.武漢:武漢理工大學(xué)圖書館，2009.