涂层分布形式对汽油机颗粒捕集器催化剂性能的影响.pdf

第 卷 第 期 年 月内燃机与动力装置 .收稿日期:第一作者简介:史学刚()男山东烟台人工程师主要研究方向为后处理系统设计与开发:.:./.涂层分布形式对汽油机颗粒捕集器催化剂性能的影响史学刚张萌萌潍柴动力股份有限公司山东 潍坊 摘要:制备 内(涂层在孔道壁内部微孔中)和 外(涂层在孔道壁外部)种催化剂涂层分布的汽油机颗粒捕集器()样品并辅以不同涂覆工艺对 种样品的微观涂层分布、冷流/热流背压、积碳冷流背压、台架起燃温度、储氧量和整车排放性能进行试验对比 试验结果表明:内的冷流和热流平均背压较 外分别低约 和 碳载量为./时内的积碳冷流背压较 外低约 内的台架、和 起燃温度分别较 外低约.、.和.外的粒子数量和颗粒物排放比 内分别低.、.两者台架储氧量基本相当 内对降低气态污染物排放及油耗的效果好外对颗粒污染物的捕集效率高关键词:涂层分布形式 背压 排放性能中图分类号:.文献标志码:文章编号:()引用格式:史学刚张萌萌.涂层分布形式对汽油机颗粒捕集器催化剂性能的影响.内燃机与动力装置():.():.引言汽油缸内直喷()技术可有效减少 排放同时提高发动机功率和燃油经济性广泛应用于汽油机设计及制造中 预计到 年全球汽油发动机市场中 发动机将占有的市场份额 发动机在某些运行工况(冷起动和高负荷工况)下产生大量颗粒污染物 与国五排放标准相比国六轻型汽车排放标准对于各种污染物排放的控制更为严格:)颗粒物()排放限值较国五标准降低约)新增粒子数量()排放限值要求限值为.个/)国六排放标准整车排放测试循环采用全球轻型车辆测试循环()替代国五阶段使用的新欧洲驾驶循环()全程均为瞬态工况 排放较高 但是在国五及以前阶段常用的三效催化剂()无法处理颗粒污染物汽油机颗粒捕集器()成为满足国六标准对 排放要求的主要技术手段 常用载体材料为堇青石蜂窝陶瓷常用结构为壁流式端面上开、闭孔相邻间隔排列 尾气由 端面开孔流入载体孔道穿过孔道壁由相邻孔道流出 在尾气穿过载体孔道壁的过程中通过拦截、碰撞、扩散、重力沉降等方式将颗粒物捕集在载体的壁面上 为增强孔道壁的颗粒捕集效果通常在载体上涂覆催化剂涂层辅助拦截颗粒同时降低气态污染物排放 通常用排气背压和 捕集率评价 性能排气背压低对发动机经济性影响较小排气背压高有利于提高 捕集率可使尾气排放满足国六标准要求目前国内外对 性能的研究集中在集成应用方面单独针对催化剂涂层的研究较少 涂层在 载体孔道中的分布形式对 性能包括排气背压和 捕集率影响很大 本文中重点研究催化剂涂层在 载体内的分布形式对 性能的影响为 的开发和应用提供参考 催化剂制备与表征.制备涂覆工艺不同 催化剂涂层分布形式不同 制备 种不同涂层分布形式的 试验样品:一种为催化剂涂层在 载体孔道壁外部另一种为涂层在 载体孔道壁内部分别命名为 外和内 种 样品的长度、宽度均为 、规格为 目催化剂涂覆量为 /催化剂中 和 的密度均为 /外的涂覆工艺为:将一定量的 氧化铝、铈锆复合氧化物和去离子水混合加入一定量的铝溶胶粘结剂搅拌 后依次加入硝酸钯和硝酸铑原液混合均匀得到涂覆用浆液 涂覆用浆液通过定量给浆、负压抽吸的方式涂覆到给定 载体上将涂覆完浆液的载体在 温度下烘干 再在 温度下焙烧 内的涂覆工艺为:涂覆用浆液与 外一致通过浸渍方式将浆液涂覆到给定 载体上将涂覆完浆液的载体在 温度下烘干 再在 温度下焙烧 .试验方法和内容)利用扫描电子显微镜()观察分析 涂层的分布)采用 冷流背压测试仪测量 的冷流背压在燃烧器上加装背压传感器测量不同气体流量下的热流背压和不同碳载量下的冷流背压)的台架起燃温度和储氧量测试在汽油机台架上进行依据文献的规定进行试验)在整车转毂试验台上进行 整车排放性能测试测试车辆为某装配.发动机的汽车测试循环为 测试设备及环境满足国六标准要求 试验结果分析.涂层分布形式外和 内样品截面的 图片如图 所示 )外 )内图 外和 内截面 图 内燃机与动力装置 年 月 第 卷由图 可知:外的涂层(白色部分)基本分布在载体骨架(灰色部分)外部内的涂层基本均匀分布在载体骨架微孔孔道内部外的涂层高度为 内载体骨架外部几乎无涂层外的涂层每隔一小段会有间隙产生内的涂层虽然都在微孔孔道内但没有将局部区域的孔道全部填满气流可以通过.背压对比排气背压是评价 性能的一个重要参数 背压过高不利于发动机燃油经济性背压过低颗粒捕集效果下降 本文中分别对比 外和 内的冷流、热流和积碳冷流背压进而全面分析不同的涂层分布形式对 背压的影响.冷、热流背压外和 内的冷、热流背压如图、所示 由图 可知:随着气体质量流量的增加外和 内的排气背压都随之升高但 内的平均冷流背压较 外低约 尤其是在气体质量流量较大时(/)绝对降幅为.由图 中可知:内的平均热流背压较 外低约 在气体质量流量较大(/)时绝对降幅为.图 外和 内的冷流背压对比 图 外和 内的热流背压对比冷、热流背压试验趋势一致内的背压较 外低 其原因为:内的涂层完全在载体孔道内最大程度降低了对气流的阻力外的涂层在孔道外层使得气流只能从涂层间的小缝隙通过造成了背压的升高.积碳冷流背压图 外和 内的积碳冷流背压对比虽然 内涂覆工艺具有低背压的优势但由积碳引起的背压变化与 标定紧密相关 在燃烧器上对 外和 内进行积碳并测量其在不同碳载量下的冷流背压测试气体质量流量为 /测试结果如图 所示 由图 可知:无积碳时外的背压较 内高约 碳载量升高外和 内的背压都随之升高但 外的升幅显著高于 内碳载量为 /时 外 的 背 压 较 内 高 约 碳载量为 /时外的背压较内高约 使用过程中碳烟颗粒沉积到 载体孔道和涂层间隙中在一定程度上阻碍气体的流动导致背压升高 内的涂层均匀分散在 载体骨架内部孔道中碳的沉积较为分散故对背压的影响相对较小外的涂层在 载体骨架外部仅留有较小的空隙碳烟堆积逐渐将空隙堵住气流阻力大幅增加背压急速上升 因此不同的涂覆工艺积碳引起的背压增长也不相同内在冷、热流及不同碳载量下的背压都较 外低适用于对背压要求较严格的场合第 期 史学刚等:涂层分布形式对汽油机颗粒捕集器催化剂性能的影响.台架测试起燃温度和储氧量对比 催化涂层上含有活性贵金属和助剂材料可去除发动机尾气中某些气态污染物同时辅助 再生 汽油机台架试验包括起燃温度和储氧量测试 起燃温度指对污染物转化率达到 时的反应温度可以客观地评价催化剂对特定污染物的去除能力起燃温度低则催化活性好 储氧量测试可评估催化剂在不同空燃比下的储、放氧能力催化剂的储氧量越高其在空燃比不断变化时的调节能力越好有利于降低整车气态污染物排放外和 内的台架起燃温度和储氧量对比结果如表 所示 由表 可知:内的台架、起燃温度低于 外分别降低为、表明 内对 种气态污染物的去除活性略好于 外 外的涂层在载体孔道外存在堆积现象导致涂层可用催化活性面积减少影响催化活性内的涂层较为分散与反应物接触的催化剂表面积增大起燃温度较 外低 但是涂覆工艺同样使得涂层在 内的孔道中少量堆积催化活性的提升效果有限所以 内和外的各污染物起燃温度差均小于 表 外和 内的台架起燃温度和储氧量对比样品起燃温度/储氧量/内.外.由表 还可知:内和 外的储氧量基本相等相对偏差小于.相关研究表明催化剂储氧量主要由涂层材料中的铈锆复合氧化物决定 内和 外所用铈锆复合氧化物种类及含量均相同故 种 催化剂储氧量相差无几 种涂覆工艺对 催化剂储氧量基本无影响.整车排放性能对比进一步在整车上测试对比 外和 内的排放性能并对排放性能差异进行分析 整车试验条件如.节所述 样品封装后安装在测试车辆底盘位置封装结构和安装部位均相同测试车辆在发动机出口紧耦合位置安装 测试时只需更换底盘上的 样品正式测试前测试车辆在转毂上进行预处理:即车辆以 /的速度运行 每个样品均进行 次 测试取平均值作为最终结果进行对比同时增加一组无 的 测试作为对照 整车 排放测试结果如表 所示(为扣除甲烷的总烃)表 整车 排放、油耗对比样品 排放/()排放/()排放/()排放/()内.外.无 .样品 排放/(个)排放/()排放/()油耗/内.外.无.由表 可得以下结论)相比于 外 内的、和 排放分别低 、和 与起燃温度对比结果一致内对气态污染物的转化效果更好 原因为 内的涂层在孔 内燃机与动力装置 年 月 第 卷道内呈均匀分散分布与气流的有效接触面积大对气态污染物转化效率较高)与无 相比内对、和 的转化率分别达到 、和 对 和 的转化效果最为明显 原因为 可替代后级 并辅助前级 对气态污染物进行转化)相较于 内外的 和 排放分别低.、.外样品涂层的堆积分布对气流流动有较大阻碍作用使得颗粒拦截效率提高但会导致排气背压升高)内和 外的 排放均小于国六标准限值外的、排放降幅更大与无 相比分别降低 、)与无 相比内和 外的 排放和整车油耗略有升高增幅分别约为 、外的增幅大于 内 原因为加装 后背压升高排放和整车油耗随之升高综上分析外对降低颗粒污染物排放效果较好内对降低气态污染物排放和排气背压较好 因此在实际应用中根据车辆实际排放情况及对背压和油耗要求综合考虑确定 涂覆工艺和涂层分布形式 结论通过改变涂覆工艺得到了催化剂涂层在 载体孔道壁面的 外和涂层完全在 载体孔道壁内部微孔中的 内 种试验样品并通过试验分析比较 种样品的冷流背压、热流背压、积碳背压、台架起燃温度、储氧量和整车排放性能)排气背压试验结果表明:内的平均冷流和热流背压较 外分别低约 和 碳载量为 /时内的积碳冷流背压较 外低约 内适用于对背压要求较严格的环境)台架起燃温度试验结果表明:内的台架、和 起燃温度分别较 外低约 、和 内的催化活性较好)储氧量测试结果表明内和 外的台架储氧量基本相同)整车排放结果表明:内对降低气态污染物排放及油耗的效果好于 外外的颗粒捕集效果更好与 内相比外的 和 排放分别低.、.在 的实际应用中应根据目标车型的排放及排气背压要求综合考虑选择合适的 涂层分布形式参考文献:.()/.:.():.环境保护部.轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段):.北京:中国环境科学出版社.环境保护部.轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段):.北京:中国环境科学出版社./.:./.:.:.第 期 史学刚等:涂层分布形式对汽油机颗粒捕集器催化剂性能的影响 国家环境保护总局.环境保护产品技术要求汽油车用催化转化器:/.北京:中国环境科学出版社.:./.:.():.贺泓李俊华何洪等.环境催化:原理及应用.北京:科学出版社:.:.():.:():()()././.:(责任编辑:郎伟锋)内燃机与动力装置 年 月 第 卷