CN109387377A - 一种催化型汽油颗粒捕集器快速老化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种催化型汽油颗粒捕集器快速老化方法，包括：在发动机台架上，按照选取的快速老化工况对催化型汽油颗粒捕集器进行快速老化，其中快速老化工况由三个稳态工况组成；在1～6次老化循环后，在除碳工况下对催化器除碳、称重，确定碳烟、灰分载量；若灰分载量Mi小于目标灰分载量Mt，则继续进行老化；反之，Mi大于或等于Mt则停止试验；在整个试验中定期对催化型汽油颗粒捕集器进行性能测试。本发明方法易操作、实用性强，能够快速精准地实现对催化型汽油颗粒捕集器灰分的加载、碳烟累积与再生及催化剂耐久性能的考察，模拟催化剂实车耐久中老化情况和灰分累积情况，缩短催化剂老化性能评价时间。

Description

一种催化型汽油颗粒捕集器快速老化方法
技术领域
本发明涉及汽车尾气后处理领域，特别是涉及一种催化型汽油颗粒捕集器快速老化方法。
背景技术
近年来，空气污染已成为城市发展和人们生活水平提高的重要制约因素。加强城市机动车污染防治工作、提高排放控制水平，是改善空气质量的重要举措。2016年我国发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》最新的排放标准，加严尾气中气态污染物的排放限值，针对发动机的颗粒物质量和颗粒物数量排放进行了限制，2020年后其限值分别为3.0mg/km和6.0*1011#/km。面对严格的颗粒物排放限值，汽油颗粒捕集器(GPF)被认为是降低颗粒物排放满足国家排放标准的有效处理技术。
在最新的国六排放标准中，采用新的测试循环，同时耐久里程由16万公里增加到20万公里，对催化剂的耐久性能提出更高的要求。由于带催化涂层的催化型汽油颗粒捕集器(cGPF)不仅能够降低颗粒物排放，而且能够实现气态污染物的净化作用，故被大量的研究而推广应用。对于三效催化剂(TWC)，高温热老化是影响其耐久性能的主要因素，可通过温度控制来实现快速老化，获得催化剂的劣化系数。专利CN201110265372.3公布一种面向汽车催化器快速老化的台架试验，通过对整车进行标准道路循环(SRC)试验和对该车的后处理装置进行标准台架循环(SBC)试验，获得SBC试验的TWC的标准有效温度，结合SRC试验中的催化器温度数据使用BAT方程求出达到16万SRC试验后催化剂老化同等效果所需的SBC试验的催化器老化时间。在应用中cGPF老化不仅涉及高温热老化，而且还有灰分(ash)沉积、碳烟(soot)累积与再生的作用。研究者对GPF或cGPF耐久性能也展开相关研究。Lambert,C.,等(Analysis ofHigh Mileage Gasoline ExhaustParticle Filters，SAEInt.J.Engines 9(2):2016)通过实车13万英里、15万英里对灰分的累积、分布、成分开展研究，灰分的不断累积对燃油经济性影响不大。Cusster,N.,等(Lubricant-Derived AshImpact on Gasoline Particulate Filter Performance,SAEInt.J.Engines 9(3):2016)在燃烧器中掺烧机油模拟24万公里耐久，研究灰分对背压、碳烟累积的影响。实车耐久试验研究cGPF的耐久性能，周期长、成本高，虽然燃烧器试验能够快速实现催化剂的灰分快速累积，但也存在温度、和排气气氛不同、工作原理不同等问题，不能够真实模拟实车耐久的不足。因此，需要一种快速老化方法，实现对催化型汽油颗粒捕集器的快速老化，模拟实车耐久，考察催化剂的耐久性能，缩短评价周期，这对催化型汽油颗粒捕集器的应用具有重要意义。
发明内容
为了实现催化型汽油颗粒捕集器的快速老化，模拟实车耐久，考察催化剂的耐久性能，提供一种有效快速、易行的评价方法，本发明提出了一种催化型汽油颗粒捕集器快速老化方法。
本发明的技术方案是：一种催化型汽油颗粒捕集器快速老化方法，包括以下步骤：
(1)在发动机台架上，按照快速老化工况对催化型汽油颗粒捕集器进行快速老化；其中，快速老化工况由三个稳态工况(分别记为：1#、2#、3#)组成，一个老化循环包括：依次运行60～150min的具有较高燃油消耗率工况1#、20～90min的具有高燃油消耗率与高排温工况2#、20～60min的具有高颗粒物与烟度排放工况3#；
(2)重复运行1～6次快速老化工况循环后，对催化型汽油颗粒捕集器进行一次称重，确定增重量；
(3)在除碳工况下对步骤(2)中称重后催化器进行15～60分钟的除碳后，对催化型汽油颗粒捕集器进行二次称重，确定灰分载量Mi；
(4)判定Mi是否达到预设的目标灰分载量Mt，若Mi小于Mt，继续步骤(2)、(3)；反之，若Mi大于或等于Mt，则停止试验。其中，整个试验中定期对催化型汽油颗粒捕集器进行性能测试。
其中，本发明步骤(1)中所述的发动机运行工况1#、工况2#所用燃油为掺混0.5％～3％(体积比)机油的汽油，发动机运行工况3#所用燃油为不掺混机油的汽油。
进一步，步骤(1)中，所述所用催化型汽油颗粒捕集器为负载0～200g/L(按汽油机颗粒捕集器体积计)。
进一步，步骤(2)中，所述老化循环为1～6次；催化器称重温度为150～250℃。
进一步，步骤(3)中，所述除碳工况采用二次空气补气方式，催化剂的入口温度为450～650℃，空燃比控制为1.05～1.2，除碳工况所用燃油为不掺混机油的汽油，除碳时间为20～40分钟。
进一步，步骤(3)中，所述的目标灰分载量Mt为模拟催化型汽油颗粒捕集器耐久里程的目标灰分累积量。
进一步，步骤(4)中，所述性能测试为整车排放测试、背压测试、台架性能测试。
本发明的技术原理是：催化型汽油颗粒捕集器耐久包括热老化、灰分的累积、碳烟的累积与再生。通过整车SRC试验、台架SBC试验，能够获得催化剂的标准有效温度，在该温度下按照等效果SRC(如16万公里)耐久里程所需的SBC老化时间进行热老化。由于灰分主要来源于润滑油，依据SRC循环的燃油消耗量、整车机油燃油消耗，计算模拟耐久里程的目标灰分载量，通过发动机燃油中掺混机油的方式，实现灰分的快速累积。综合考虑催化型汽油颗粒捕集器老化因素及发动机的运行状况及寿命，根据发动机万有特性数据及排放测试数据，设计稳态三工况(记为工况1#、工况2#、工况3#)的快速老化，实现催化剂快速老化，模拟实车耐久，考察催化剂耐久性能。该三工况的特点在于：①工况1#具有高的燃油消耗率，通过燃油掺烧机油，有利于灰分累积；②工况2#具有高的燃油消耗率，且排温较高，通过掺烧机油，能够同时达到灰分累积和热老化的作用；③在工况3#下，发动机颗粒物、烟度排放高，燃油不掺烧机油，实现碳烟累积。
按照本发明方法对催化型汽油颗粒捕集器进行快速老化，能够快速模拟实车耐久(如16万公里)的灰分累积情况，考察催化剂耐久性能，该方法易操作、周期短、实用性强。
附图说明
图1为实施例1中灰分载量与加载时间关系曲线；
图2为实施例1所采用的快速老化工况循环图；
图3为实施例1中颗粒物数量过滤效率与加载时间关系曲线；
图4为实施例1中CO2排放、油耗与加载时间关系曲线。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本例所用催化型汽油颗粒捕集器的载体规格为Φ118.4*152.4(mm)，孔目数为300cpsi，壁厚8mil，体积1.68L，其负载75g/L催化剂涂层，贵金属含量为8g/ft3。该实例目标灰分载量Mt为42g，模拟实车20万耐久里程。
本发明包括以下步骤：
(1)根据1.5L TGDI整车进行SRC试验数据与在2.0L TGDI发动机台架上获得的发动机万有特性及排放测试数据；设计稳态三工况(记为工况1#、工况2#、工况3#)的快速老化，其特点为工况1#具有较高燃油消耗率、工况2#具有高燃油消耗率与高排温、工况3#具有高颗粒物与烟度排放，见表1。
表1工况特点
(2)催化型汽油颗粒捕集器在步骤(1)中1.5L TGDI的整车上进行整车排放测试，整车排放测试结果作为老化后的测试对照；
(3)在2.0L TGDI发动机台架上对整车测试后的催化型汽油颗粒捕集器进行老化，开始老化前在200℃下对催化器进行称重，确定老化前的重量M0；然后按照选取的快速老化工况进行老化。快速老化工况由三个稳态工况组成，老化循环包括：90min的工况1#、30min的工况2#、30min的工况3#，如图1所示；其中发动机在工况1#、工况2#运行所用燃油为1％(体积比)机油掺混的汽油，工况3#所用燃油为不掺混机油的汽油。
(3)每运行4次老化循环(即每10h)后，对催化器在200℃下进行一次称重，然后在除碳工况下对催化剂进行30min除碳；除碳工况采用二次补气的方式，催化剂入口温度为550℃，空燃比为1.10，发动机在除碳工况下所用燃油为不掺混机油的汽油；
(4)除碳后在200℃条件称对催化器进行二次称重，记为Mx(x＝1,2,3,4…)，Mx与M0的差值Mx-M0即为灰分载量Mi；若Mi小于Mt，继续步骤(3)、(4)；反之，若Mi大于或等于Mt，则停止试验。其中，整个试验中在预设Mi为2g、14g、28g、42g时对催化型汽油颗粒捕集器进行整车测试。
催化剂经150h快速老化，催化剂灰分加载量达到目标灰分载量Mt，灰分的加载趋势和加载量与实车20万耐久试验相当。同时，通过BAT方程(阿伦尼乌斯方程)，该快速老化150小时的热老化已达到等效果SRC 20万公里耐久里程的热老化效果；快速老化过程中，碳烟的累积与二次补气再生，能够模拟耐久中碳烟累积与再生情况。综上，该快速老化方法能对催化剂进行耐久评价。整车排放测试结果表明，随着灰分的加载，催化剂的过滤效率增加，最终颗粒物数量过滤效率达99.2％，颗粒物排放满足国家排放标准要求；灰分累积对油耗和CO2排放影响不大；老化后，催化剂的性能仍然能够满足国六排放要求。
实施例2
本例所用催化型汽油颗粒捕集器的载体规格为Φ118.4*152.4(mm)，孔目数为300cpsi，壁厚8mil，体积1.68L，其负载100g/L催化剂涂层，贵金属含量为8g/ft3。该实例目标灰分载量Mt为33.6g，模拟实车16万耐久里程。
包括以下步骤：
(1)催化型汽油颗粒捕集器在1.5LTGDI整车上进行整车排放测试，整车排放测试结果作为老化后的测试对照；
(2)在2.0LTGDI发动机台架上对整车测试后的催化型汽油颗粒捕集器进行老化，开始老化前在200℃下对催化剂进行称重，确定老化前的重量M0。然后按照选取的快速老化工况进行老化。快速老化工况由三个稳态工况组成(即实施例1中采用的工况)，老化循环包括：80min的工况1#、40min的工况2#、20min的工况3#；其中发动机在工况1#、工况2#运行所用燃油为2％(体积比)机油掺混的汽油，工况3#所用燃油为不掺混机油的汽油。
(3)每运行2次老化循环后，对催化器在200℃下进行一次称重，然后在除碳工况下对催化剂进行40min除碳；除碳工况下，催化剂入口温度为600℃，空燃比为1.05，发动机在除碳工况下所用燃油为不掺混机油的汽油；
(4)除碳后在200℃条件称取催化器进行二次称重，记为Mx(x＝1,2,3,4…)，而Mx与M0的差值Mx-M0即为灰分载量Mi；若Mi小于Mt，继续步骤(3)、(4)；反之，若Mi大于或等于Mt，则停止试验。其中，整个试验中在预设Mi为1.6g、11.2g、22.4g、33.6g时对催化型汽油颗粒捕集器进行整车测试。
在保证发动机寿命和正常运行条件下，提高快速老化工况中燃油掺烧比例，经91h灰分已达目标加载量33.6g；该老化方法的热老化程度已超cGPF在SRC 16万公里的等效热老化，说明该方法能同时满足催化剂灰分累积、热老化的要求；整车测试结果表明，随着灰分的加载，GPF对颗粒物的过滤效率由加载前的87.6％增加到99.8％，颗粒物排放满足国六排放要求，灰分加载对油耗和动力影响较小；通过整车排放测试，可以获得催化剂的老化性能。

Claims (8)

1.一种催化型汽油颗粒捕集器快速老化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在发动机台架上，按照快速老化工况对催化型汽油颗粒捕集器进行快速老化；其中，快速老化工况由三个稳态工况1#、工况2#、工况3#组成，一个老化循环包括：依次运行60～150min的具有较高燃油消耗率工况1#、20～90min的具有高燃油消耗率与高排温工况2#、20～60min的具有高颗粒物与烟度排放工况3#；
(2)重复运行1～6次快速老化工况循环后，对催化型汽油颗粒捕集器进行一次称重，确定增重量；
(3)在除碳工况下对步骤(2)中称重后催化器进行15～60分钟的除碳后，对催化型汽油颗粒捕集器进行二次称重，确定灰分载量Mi；
(4)判定Mi是否达到预设的目标灰分载量Mt，若Mi小于Mt，继续步骤(2)、(3)；反之，若Mi大于或等于Mt，则停止试验。其中，整个试验中定期对催化型汽油颗粒捕集器进行性能测试。
2.根据权利要求1所述的催化型汽油颗粒捕集器快速老化方法，其特征在于：步骤(1)中所述的发动机运行工况1#、工况2#所用燃油为掺混体积比0.5％～3％机油的汽油，发动机运行工况3#所用燃油为不掺混机油的汽油。
3.根据权利要求1所述的催化型汽油颗粒捕集器快速老化方法，其特征在于：所用催化型汽油颗粒捕集器为负载0～200g/L(按汽油颗粒捕集器体积计)催化剂涂层的捕集器。
4.根据权利要求1或2所述的催化型汽油颗粒捕集器快速老化方法，其特征在于：步骤(2)中，所述老化循环为1～6次；催化器称重温度为150～250℃。
5.根据权利要求1或2所述的催化型汽油颗粒捕集器快速老化方法，其特征在于：步骤(3)中，所述除碳工况采用二次空气补气方式，催化剂的入口温度为450～650℃，空燃比控制为1.05～1.2，除碳工况所用燃油为不掺混机油的汽油，除碳时间为20～40分钟。
6.根据权利要求1之一所述的催化型汽油颗粒捕集器快速老化方法，其特征在于：步骤(3)中，所述目标灰分载量Mt为模拟催化型汽油颗粒捕集器耐久里程的目标灰分累积量。
7.根据权利要求1之一所述的催化型汽油颗粒捕集器快速老化方法，其特征在于：步骤(4)中所述的性能测试：发动机台架性能测试、背压测试、整车排放测试。
8.一种催化型汽油颗粒捕集器快速老化方法，所用催化型汽油颗粒捕集器的载体规格为Φ118.4*152.4(mm)，孔目数为300cpsi，壁厚8mil，体积1.68L，其负载100g/L催化剂涂层，贵金属含量为8g/ft3，该目标灰分载量Mt为33.6g，模拟实车16万耐久里程，其特征在于，包括以下步骤：
(1)催化型汽油颗粒捕集器在1.5LTGDI整车上进行整车排放测试，整车排放测试结果作为老化后的测试对照；
(2)在2.0LTGDI发动机台架上对整车测试后的催化型汽油颗粒捕集器进行老化，开始老化前在200℃下对催化剂进行称重，确定老化前的重量M0。然后按照选取的快速老化工况进行老化，快速老化工况由三个稳态工况组成，即工况1#具有较高燃油消耗率、工况2#具有高燃油消耗率与高排温、工况3#具有高颗粒物与烟度排放，
老化循环包括：80min的工况1#、40min的工况2#、20min的工况3#；其中发动机在工况1#、工况2#运行所用燃油体积比为2％机油掺混的汽油，工况3#所用燃油为不掺混机油的汽油；
(3)每运行2次老化循环后，对催化器在200℃下进行一次称重，然后在除碳工况下对催化剂进行40min除碳；除碳工况下，催化剂入口温度为600℃，空燃比为1.05，发动机在除碳工况下所用燃油为不掺混机油的汽油；
(4)除碳后在200℃条件称取催化器进行二次称重，记为Mx其中x＝1,2,3,4…，而Mx与M0的差值Mx-M0即为灰分载量Mi；若Mi小于Mt，继续步骤(3)、(4)；反之，若Mi大于或等于Mt，则停止试验，其中，整个试验中在预设Mi为1.6g、11.2g、22.4g、33.6g时对催化型汽油颗粒捕集器进行整车测试。
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