6108天然气发动机三元催化器转换效率的研究

摘 要：文章介绍了笔者曾主持的一项研究设计项目，通过对6108天然气发动机的燃烧特性、排放特性等的分析，研究设计了适用于6108天然气发动机的三元催化器，从而减少发动机的尾气排放，提高三元催化器的转换效率，降低三元催化器的生产制造成本。也可指导其它天然气发动机三元催化器的研究设计。

关键词：天然气发动机；三元催化器；转换效率

中图分类号：U464.9 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）22-142-03

Abstract： 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.

Keywords： natural gas engine； Three - way catalyst； conversion efficiency

CLC NO.： U464.9 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）22-142-03

前言

随着汽车排放法规的日益严格，三元催化转化器的开发和应用已经成为控制汽车排放污染物的首要途径。但现有的三元催化器基本上是基于汽油发动机的工作工况而研发设计生产的，目前天然气发动机的尾气处理装置大多数是借用同排量或相近排量的汽油发动机的三元催化器，这样导致其转化效率较低且成本较高。目前通过公开的文献检索，针对天然气发动机而研究三元催化器转化效率的文献资料并不多见，鉴于此，笔者将近几年来，在针对天然气发动机三元催化器的设计、制造及应用方面的探索、研究所获得的一些心得，并依据曾主持的6108天然气发动机三元催化器的研究设计项目，为专题研究对象进行较为详细的阐述，供同行参考。

1 天然气发动机尾气排放特性

天然气是一种高辛烷值、高燃烧热值、费用低廉和低污染的清洁能源，据资料显示，同排量的天然气发动机与汽油发动机相比，可减少排放45% CO、30% NOx、30% HC，90% SO2、23% CO2，[1]但天然气发动机尾气排放中CH4的含量相当高，是尾气中最难被氧化的气体。天然气燃烧时火焰传播速度较慢，一般采用闭环稀薄燃烧技术，空燃比大于理论空燃比，所以天然气发动机燃烧过程产生的CO排放量较低，但NO会有所增加，且占NOx排放的95%以上。尾气中未完全燃烧的CH4占HC排放的85%以上，主要是因为缸壁激冷作用，燃烧室缝隙中的CH4未得到充分燃烧所致。所以减少天然气发动机的尾气排放主要是针对CO、NO、CH4三种气体。

2 6108天然气发动机三元催化器的研究设计

本次研究设计的三元催化器如图1所示，由壳体、垫层、载体和催化剂四部分组成，能很好的满足国Ⅴ尾气排放要求，比借用汽油发动机的三元催化器的性能优越，转换效率显著提高，且降低了生产制造成本。

2.1 壳体的设计

如图1所示，壳体采用Ni、Cr耐热铁素体不锈钢合金钢板，双层结构设计制造，沿钢板表面与法兰焊接封装，这样设计的壳体热膨胀系数小，耐腐蚀、耐高温性强，具有良好的强度和刚度，双层结构的设计，保证了催化剂的反应温度及快速进入起燃温度，提高了转换效率。壳体的扩张管角设计为75°，这样可明显改善三元催化器内尾气流速分布的均匀性，有效减缓催化剂的劣化，且提高了催化器的使用寿命。[2]

2.2 载体的设计

经文献资料显示及载体生产制造经验，采用董青石陶瓷作为载体，按蜂窝状生产制造是目前国内最优的方法，董青石蜂窝状陶瓷载体具有良好的热稳定性，热膨胀系数小，热容量低，保持高热的能力强，且制造成本低廉。在充分考虑6108天然气发动机的排量、排气流动特性、排气温度特性等条件下，本次采用整体式载体，载体容积设计为3700 mm2，孔密度达到了400孔/平方英尺，壁厚降到了0.1mm，这样设计使载体比表面积达到了8mm2/g，载体内尾气流速均匀，从而增加了气固之间的传热面积，尾气在催化器内的停留时间适宜，有利于催化剂的快速起燃，提高了催化器的转换效率。

2.3 涂层

本次设计选取La-Al2O3作為涂层，并在涂层中加入25% Ce和5% Ba等稀土元素，这样设计的涂层有以下几个优点：①提高涂层的高温稳定性；②有显著的储氧和释放氧的功能，能有效控制载体内氧气的波动；③增强贵金属催化活性。

2.4 催化剂

在Pt、Pd、Rh三种贵金属催化剂中，铂对CO和CH4具有良好的催化转化作用，对No还原转化作用很小。钯也对CO和CH4具有良好的催化转化作用，且在富氧和高温条件下，活性优于铂，但对铅、硫等物质敏感，容易中毒。銠对No具有良好的还原能力，且在低温下对CO有很强的氧化转换作用，还具有较好的抗硫中毒能力，其中钯比铂、銠的资源丰富，价格低廉。根据天然气发动机尾气排放特性，尾气成分主要是CO、NO、CH4三种气体，尤其是CH4的含量是汽油机的10倍左右，在保证催化剂活性的前提下，尽量降低贵金属的总量，以及提高钯的比例。在6108天然气发动机催化器试验设计中，我们采用了Pt/Pd/Rh=2：20：1的配方比例，贵金属总量为3.91克。与汽油机催化剂配方相比，极大的提高了Pd的比例，减少了价格高昂的Pt、Rh贵金属的用量，既有效的提高了催化器的转换效率，又降低了生产制造成本。

3 6108天然气发动机与三元催化器的匹配

发动机与三元催化器的匹配是非常重要的，其主要的匹配特性参数有：空燃比、工作温度、以及催化器的安装位置等。

3.1 空燃比

纯天然气发动机的理论质量空燃比为17.17，笔者当地加气站中天然气的CH4含量为92%左右，经过试验数据得出其空燃比为16.9。由图2可以看出CO、HC、NO的转换效率与催化器中氧的含量有很大关系，且空燃比在16.7～17.05之间时催化器的转换效率最佳，6108天然气发动机采用稀薄燃烧技术，因此其控制的重点区域就在16.9～17.05之间的狭窄区域，为了确保达到精准控制，笔者采用宽域氧传感器闭环电控系统来实现其控制策略。

3.2 载体工作温度

催化转化器的转换效率与载体内温度有密切关系，本次设计的6108天然气发动机催化器在200℃以上开始起作用，当工作温度达到280℃时，转换效率能达到50%，工作温度达到350℃时转换效率最佳，能达到90%，当工作温度长时间在750℃以上时，催化剂出现高温失活、老化失效等现象。

3.3 三元催化器位置的确定

经发动机台架综合试验，6108天然气发动机排气总管后800cm附近，是安装三元催化器的最佳位置。发动机从冷起动开始，12S左右此处排气温度即可达到催化器的起燃温度，40S左右时，催化器前后端温度基本一致，65S左右时，催化器后端温度出现峰值，90S左右时，催化器内温度趋于平稳，催化器轉换效率达到最佳效果。如果安装距离小于770 cm，则容易引起催化器的快速老化，安装距离大于830cm，则需要较长时间催化器才能达到起然温度，且转换效率不容易达到最佳效果。

4 结束语

本文详细分析了6108天然气发动机三元催化器的壳体、垫层、载体和催化剂的设计思路及理念，以及与天然气发动机的匹配方法。通过上述优化设计制作出的产品，与借用汽油发动机三元催化器相比，具有更高的转换效率及更低的生产制造成本，经过发动机台架试验及整车厂家的使用后，得到了其良好的评价。

参考文献

[1] 陈昊，韩斌，陈轶嵩，等.天然气汽车发展现状及趋势[J].中国能源， 2018，40（02）：36-41.

[2] 叶建伟，陈小东，郭七一，等.基于化学反应动力学的三元催化器设计研究[J].内燃机，2018（01）：49-52+57.

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