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DOC系统催化性能的仿真和分析

谭理刚, 郭雅各, 杨树宝, 冯鹏飞, 李子文. DOC系统催化性能的仿真和分析[J]. 环境工程学报, 2018, 12(7): 2004-2009. doi: 10.12030/j.cjee.201712105
引用本文: 谭理刚, 郭雅各, 杨树宝, 冯鹏飞, 李子文. DOC系统催化性能的仿真和分析[J]. 环境工程学报, 2018, 12(7): 2004-2009. doi: 10.12030/j.cjee.201712105
TAN Ligang, GUO Yage, YANG Shubao, FENG Pengfei, LI Ziwen. Numerical simulation and analysis of catalytic performance of DOC system[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2018, 12(7): 2004-2009. doi: 10.12030/j.cjee.201712105
Citation: TAN Ligang, GUO Yage, YANG Shubao, FENG Pengfei, LI Ziwen. Numerical simulation and analysis of catalytic performance of DOC system[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2018, 12(7): 2004-2009. doi: 10.12030/j.cjee.201712105

DOC系统催化性能的仿真和分析

  • 基金项目:

    国家科技支撑计划项目(2014BAG09B-01)

Numerical simulation and analysis of catalytic performance of DOC system

  • Fund Project:
  • 摘要: 以 Langmuire Hinshelwood机理为理论依据,基于MATLAB/Simulink 建立DOC系统的数值计算模型,研究不同参数(如空速、氧气浓度、NO2/NOx比例)对氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)转化效率的影响, 并对部分工况进行了实验研究,从而验证数值模型的准确性。结果表明,空速的降低可以增大DOC对CO、HC、NO的氧化性能,这是由于排气在催化器内的反应时间增长。当排气温度为225~300 ℃时,减小空速对增大HC的氧化效率效果明显,当排气温度在175~450 ℃范围内,减小空速对增大NO的氧化效率影响明显;当O2浓度低于1%,排气温度在175~250 ℃时,CO转化效率增大,在250 ℃之后均接近100%。当O2浓度为10%时,温度的变化对CO的转化效率影响很小。当O2浓度大于1%时,温度的变化对NO的氧化效率影响较大;当排气温度在300~550 ℃时,NO2/NOx比例的变化对NO的转化效率影响较大。降低排气中NO2/NOx比例,能够在排气温度高于300 ℃时,明显提高NO的转化效率。
  • 随着环境问题的日益严重,国家相关部门对车用柴油机的排放限值[1-2]要求日益严格。虽然当前的柴油机技术已经取得了重大的突破,但是仅仅依靠柴油机的机内净化技术,已经不能满足更加严格的排放法规要求,这就催生了众多先进的柴油机后处理装置。如废气再循环装置(EGR)[3-5],氧化型催化器(DOC),催化型颗粒捕集器(CDPF)[6]以及选择性催化转化器(SCR)[7-8]。在此之前,研究者[9-13]对柴油机颗粒物的排放处理做了大量深入的研究,这方面的工作已经相当成熟。然而对于柴油机的其他气态排放物(CO、HC、NO)研究较少,尤其目前许多柴油机装配EGR系统,改变了柴油机原排中NO2/NOx比例、氧气以及THC、CO等气体浓度。因此,本研究的主要目的是研究不同的参数(如空速、氧气浓度、NO2/NOx比例)对DOC催化器性能的影响。传统的实验研究方法,存在着实验周期长,成本高等问题。本研究以MATLAB/Simulink为开发环境,以Langmuire Hinshelwood机理为理论依据,建立DOC催化器相关的数学方程以及相应的反应机理,对不同空速、氧气浓度、NO2/NOx比例下的DOC性能进行数值计算并对部分的计算结果进行实验研究,验证计算结果的可靠性。研究结果为后处理系统的设计提供了可靠的理论依据。

    1 数值模型

    1.1 主要化学反应及反应速率

    蜂窝状催化器采用沉积在比表面积很大的载体表面上的催化剂作为催化元件,降低反应的活化能,使NO、HC、CO的氧化反应能够在较低的排气温度下进行。DOC催化器内主要的化学反应如下:
    2NO+O22NO2
    (1)
    C3H6+92O23CO2+3H2O
    (2)
    CO+12O2CO2
    (3)
    相应的化学反应速率如下:
    r1=K1Tase(-E1Ts)[(cLNO)2cLO2-(cLNO2)2KEqu(Ts)]
    (4)
    r2=K2e(-E2Ts)yLC3H6yLO2
    (5)
    r3=K3e(-E3Ts)yLCOyLO2
    (6)
    式中:Ki为反应i的指前因子;Ts为固相温度;a为温度指数;Ei为反应i的活化能;yLk为气体k在催化器壁面上的摩尔分数;cLk为气体k在催化器壁面上的摩尔浓度;L表示催化剂壁面;KEqu表示化学反应平衡。

    1.2 流体方程

    为了能够更好地反映催化器的反应动力学模型,做出如下假设:1)气体均匀流动;2)忽略催化器的径向气体浓度梯度;3)在气相内,质量和能量只通过对流作用传递;4)在固相内,能量只通过导热作用传递;5)忽略了催化器内压降。
    单孔道内气体成分k的质量守恒方程为:
    εgρgwk,gt=-εgρgwk,gvgx+Mk,gIivi.kri(cLk,Ts)
    (7)
    式中:wk,g为气体成分k在主流气体中的质量分数;ri(cLk,Ts)为催化剂表面反应i的反应速率;vi,k为气体成分k在反应i中的化学计量系数;εg为催化器孔隙率;ρg为排气密度;Mk,g为气体成分k的摩尔质量;vg为催化器内气体流速。
    气相能量守恒方程如下:
    εgx(λgTgx)=SGSAkh(Ts-Tg)-IiΔhiri(cLk,Ts)
    (8)
    式中:TgTs分别为气相和固相温度;SGSA为单位体积催化器的表面积;kh为固相与气相间的传热系数;λg为气相间的导热系数;Δhi为反应i的反应热。
    固相能量守恒方程如下:
    (1εg)ρs(cp,sTs)t=SGSAkh(TsTg)+IiΔhiri(cLk,Ts)+qext
    (9)
    式中:ρs为催化器固相密度;cp,s为催化器固相比热容;qext为向外界环境的能量损失。
    SGSA=4dhyds2=4(sδ)s2
    (10)
    s=11 550NCPSI
    (11)
    δ=δwall+2δwcl
    (12)
    式中:dhyd为单孔道水力直径;δwall为催化器壁面厚度;δwcl为涂层厚度;NCPSI为催化器孔密度。

    2 实验方案

    实验采用DOC催化单元小样实验方法,使用固定床流动式反应器,使用的DOC催化器小样的长度和直径为25.4 mm,孔目数为0.62 孔·mm−2,壁面厚度为0.1 mm。按照实验要求通入各种尾气模拟气体,用表面活性液对各接口处进行试漏检查,对漏气处进行处理,试漏合格后测CO、HC、NO、NO2的原始值,然后开始试样的装载。催化单元在测试之前需要进行活化处理,活化条件:催化器温度为550 ℃, 体积分数为0.1%,O2体积分数为10%,HC体积分数为0.02%,CO体积分数为0.02%,CO2体积分数为8%,H2O体积分数为7%,N2为平衡气。在模拟气体组成的气氛下,调试加热炉从室温按照10 ℃·min−1的升温速率升到550 ℃,在550 ℃下保温1 h。催化单元活化完成后,可进行催化效率实验,根据需要的模拟气体条件调节气瓶控制阀门,调节加热炉,控制催化器温度。取3次测量的平均值作为测试结果,分别测试不同催化器温度、空速、NO2/NOx比例下CO、HC、NO的转化效率。实验框架如图1所示。
    图1 小样实验台架示意图
    Fig. 1 Schematic diagram for sample experiment
    图1 小样实验台架示意图
    Fig. 1 Schematic diagram for sample experiment
    Cjee 201712105 t1

    3 结果与分析

    3.1 空速的影响

    对于车用的非均相固定床催化器,通常使用排气体积流量与催化器体积定义排气在催化器内的停留时间。使用排气体积流量除以催化器体积,即可得到此时的空速,由下面方程得到:
    SGHSV=Vexhaust/Vcatalyst
    (13)
    式中:SGHSV为空速,h−1Vexhaust为排气体积流量,m3h-1Vcatalyst为催化器体积,m3
    较低的空速能够提高CO、HC、NO的转化效率,但是也可能导致许多其他的问题,如催化器的安装布局问题,催化器体积增加带来的成本问题。因此,本研究在CO体积分数为0.02%,HC体积分数为0.02%, NO体积分数为0.1%,O2体积分数为10%的条件下,空速在40 000~120 000 h−1范围内,研究不同参数(如空速、氧气浓度、NO2/NOx比例)对DOC性能的影响。从图2(a)可以看出,在不同空速下,CO的转化效率均达到了98%左右,这说明此型号催化器对CO的氧化效率较高,受空速的变化影响较小。从图2(b)可以看出,空速从120 000 h−1变化到40 000 h−1时,HC转化效率均随温度的增大而增大且稳定在91%、94.5%、97%、98.8%、99%左右。这是因为随着空速的降低,排气在催化器内的停留时间增大,从而提高了HC的转化效率。尤其在排气温度为225~300 ℃时,效果明显。从图2(c)可以看出,空速从120 000 h−1变化到40 000 h−1时,NO转化效率均随温度的增大先增大后减小,转化效率最大为36.8%、40.5%、45%、51.5%、60.4%左右。从图2(c)还可以看出,排气温度在175~450 ℃范围内,空速对NO的转化效率影响较大,当排气温度高于450 ℃时,空速对NO转化效率影响较小。
    图2 空速对DOC性能的影响
    Fig. 2 Effect of space velocity on DOC performance
    图2 空速对DOC性能的影响
    Fig. 2 Effect of space velocity on DOC performance
    Cjee 201712105 t2

    3.2 O2 浓度的影响

    由于燃料的不完全燃烧,柴油机废气通常含有2%~17%(体积分数)的O2图3表示在CO体积分数为0.02%,HC体积分数为0.02%, NO体积分数为0.1%,空速为120 000 h−1条件下,O2浓度从0.05%变化到10%时,CO、HC、NO转化效率的变化情况。
    图3(a)可以看出,当O2浓度低于1%,排气温度在175~250 ℃时,CO转化效率逐渐增大,且在250 ℃之后均接近100%。当O2浓度为10%时,温度的变化对CO的转化效率影响很小。从图3(b)可以看出,在不同的O2浓度下,HC转化效率均随排气温度的增大而增大。O2浓度从0.05%变化到10%时,HC转化效率分别在375、325、300、290 ℃时趋于稳定。从图3(c)可以看出,O2浓度从0.05%变化到10%时,HC转化效率均随排气温度的增大先增大后减小,且均在排气温度为400 ℃左右,分别达到最大值4%、5%、15%、37%。这是因为,DOC内的NO氧化反应为可逆反应,当排气温度低于400 ℃时,正向反应速率的增长速率大于逆向反应速率的增长速率,整体表现为NO转化效率随温度的增大而增大。当排气温度高于400 ℃时,正向反应速率的增长速度小于逆向反应速率的增长速度,整体表现为NO转化效率随温度的增大而降低。从图3中可以看出,实验结果与数值计算结果之间能很好吻合。
    图3 O2浓度对DOC性能的影响
    Fig. 3 Effect of O2 concentration on DOC performance
    图3 O2浓度对DOC性能的影响
    Fig. 3 Effect of O2 concentration on DOC performance
    Cjee 201712105 t3

    3.3 NO2/NOx的影响

    通常情况下,柴油机排放的大部分氮氧化物中,NO的比例可达到90%以上。但是由于DOC能够将排气中的NO氧化为NO2,从而改变排气中NO2/NOx的比例,对于DOC催化器下游的SCR来说,当排气中的NO2/NOx接近0.5时,能够有助于SCR的脱硝,因此排气中NO2/NOx的比例也是很重要的考察指标。本部分研究了CO体积分数为0.02%,HC体积分数为0.02%,O2体积分数为10%,NO体积分数为0.1%,空速为120 000 h−1的条件下,NO2/NOx在0.1~0.3范围内,对NO转化效率的影响。
    图4可以看出,在不同的NO2/NOx下,NO转化效率均随温度的增大先增大后减小,当NO2/NOx从0.1增加到0.3时,DOC催化器均在排气温度为390 ℃左右时,分别达到最大值:32%、27.2%、22.4%。当排气温度在175~300 ℃时,NO2/NOx的变化对NO的转化效率影响不大;当排气温度在300~550 ℃时,NO2/NOx的变化对NO的转化效率影响不大,当排气温度在300~550 ℃时,NO2/NOx的变化对NO的转化效率影响较大,从图4可以看出,降低排气中NO2/NOx比例,能够在排气温度高于300 ℃时,明显提高NO的转化效率。
    图4 NO2/NOx对NO转化效率的影响
    Fig. 4 Effect of NO2/NOx on NO conversion efficiency
    图4 NO2/NOx对NO转化效率的影响
    Fig. 4 Effect of NO2/NOx on NO conversion efficiency
    Cjee 201712105 t4

    4 结论

    1)空速的增加会降低DOC对CO、HC、NO的氧化性能,因为排气在催化器内的停留时间缩短。在排气温度为225~300 ℃时,减小空速对增大HC的氧化效率影响明显。当排气温度在175~450 ℃范围内,减小空速对增大NO的氧化效率影响明显。
    2)当O2浓度低于1%,排气温度在175~250 ℃时,CO转化效率逐渐增大,且在250 ℃之后均接近100%。当O2浓度为10%时,温度的变化对CO的转化效率影响很小。当O2浓度大于1%时,温度的变化对NO的氧化影响较大。
    3)当排气温度在175~300 ℃时,NO2/NOx比例变化对NO的转化效率影响不大,当排气温度在300~550 ℃时,NO2/NOx的变化对NO的转化效率影响较大。降低排气中NO2/NOx比例,能够在排气温度高于300 ℃时,明显提高NO的转化效率。

    参考文献

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  • 刊出日期:  2018-07-26
谭理刚, 郭雅各, 杨树宝, 冯鹏飞, 李子文. DOC系统催化性能的仿真和分析[J]. 环境工程学报, 2018, 12(7): 2004-2009. doi: 10.12030/j.cjee.201712105
引用本文: 谭理刚, 郭雅各, 杨树宝, 冯鹏飞, 李子文. DOC系统催化性能的仿真和分析[J]. 环境工程学报, 2018, 12(7): 2004-2009. doi: 10.12030/j.cjee.201712105
TAN Ligang, GUO Yage, YANG Shubao, FENG Pengfei, LI Ziwen. Numerical simulation and analysis of catalytic performance of DOC system[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2018, 12(7): 2004-2009. doi: 10.12030/j.cjee.201712105
Citation: TAN Ligang, GUO Yage, YANG Shubao, FENG Pengfei, LI Ziwen. Numerical simulation and analysis of catalytic performance of DOC system[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2018, 12(7): 2004-2009. doi: 10.12030/j.cjee.201712105

DOC系统催化性能的仿真和分析

  • 1. 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙 410082
  • 2. 广西玉柴机器股份有限公司,玉林 537000
基金项目:

国家科技支撑计划项目(2014BAG09B-01)

摘要: 以 Langmuire Hinshelwood机理为理论依据,基于MATLAB/Simulink 建立DOC系统的数值计算模型,研究不同参数(如空速、氧气浓度、NO2/NOx比例)对氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)转化效率的影响, 并对部分工况进行了实验研究,从而验证数值模型的准确性。结果表明,空速的降低可以增大DOC对CO、HC、NO的氧化性能,这是由于排气在催化器内的反应时间增长。当排气温度为225~300 ℃时,减小空速对增大HC的氧化效率效果明显,当排气温度在175~450 ℃范围内,减小空速对增大NO的氧化效率影响明显;当O2浓度低于1%,排气温度在175~250 ℃时,CO转化效率增大,在250 ℃之后均接近100%。当O2浓度为10%时,温度的变化对CO的转化效率影响很小。当O2浓度大于1%时,温度的变化对NO的氧化效率影响较大;当排气温度在300~550 ℃时,NO2/NOx比例的变化对NO的转化效率影响较大。降低排气中NO2/NOx比例,能够在排气温度高于300 ℃时,明显提高NO的转化效率。

English Abstract

    随着环境问题的日益严重,国家相关部门对车用柴油机的排放限值[1-2]要求日益严格。虽然当前的柴油机技术已经取得了重大的突破,但是仅仅依靠柴油机的机内净化技术,已经不能满足更加严格的排放法规要求,这就催生了众多先进的柴油机后处理装置。如废气再循环装置(EGR)[3-5],氧化型催化器(DOC),催化型颗粒捕集器(CDPF)[6]以及选择性催化转化器(SCR)[7-8]。在此之前,研究者[9-13]对柴油机颗粒物的排放处理做了大量深入的研究,这方面的工作已经相当成熟。然而对于柴油机的其他气态排放物(CO、HC、NO)研究较少,尤其目前许多柴油机装配EGR系统,改变了柴油机原排中NO2/NOx比例、氧气以及THC、CO等气体浓度。因此,本研究的主要目的是研究不同的参数(如空速、氧气浓度、NO2/NOx比例)对DOC催化器性能的影响。传统的实验研究方法,存在着实验周期长,成本高等问题。本研究以MATLAB/Simulink为开发环境,以Langmuire Hinshelwood机理为理论依据,建立DOC催化器相关的数学方程以及相应的反应机理,对不同空速、氧气浓度、NO2/NOx比例下的DOC性能进行数值计算并对部分的计算结果进行实验研究,验证计算结果的可靠性。研究结果为后处理系统的设计提供了可靠的理论依据。

    1 数值模型

    1.1 主要化学反应及反应速率

    蜂窝状催化器采用沉积在比表面积很大的载体表面上的催化剂作为催化元件,降低反应的活化能,使NO、HC、CO的氧化反应能够在较低的排气温度下进行。DOC催化器内主要的化学反应如下:
    2NO+O22NO2
    (1)
    C3H6+92O23CO2+3H2O
    (2)
    CO+12O2CO2
    (3)
    相应的化学反应速率如下:
    r1=K1Tase(-E1Ts)[(cLNO)2cLO2-(cLNO2)2KEqu(Ts)]
    (4)
    r2=K2e(-E2Ts)yLC3H6yLO2
    (5)
    r3=K3e(-E3Ts)yLCOyLO2
    (6)
    式中:Ki为反应i的指前因子;Ts为固相温度;a为温度指数;Ei为反应i的活化能;yLk为气体k在催化器壁面上的摩尔分数;cLk为气体k在催化器壁面上的摩尔浓度;L表示催化剂壁面;KEqu表示化学反应平衡。

    1.2 流体方程

    为了能够更好地反映催化器的反应动力学模型,做出如下假设:1)气体均匀流动;2)忽略催化器的径向气体浓度梯度;3)在气相内,质量和能量只通过对流作用传递;4)在固相内,能量只通过导热作用传递;5)忽略了催化器内压降。
    单孔道内气体成分k的质量守恒方程为:
    εgρgwk,gt=-εgρgwk,gvgx+Mk,gIivi.kri(cLk,Ts)
    (7)
    式中:wk,g为气体成分k在主流气体中的质量分数;ri(cLk,Ts)为催化剂表面反应i的反应速率;vi,k为气体成分k在反应i中的化学计量系数;εg为催化器孔隙率;ρg为排气密度;Mk,g为气体成分k的摩尔质量;vg为催化器内气体流速。
    气相能量守恒方程如下:
    εgx(λgTgx)=SGSAkh(Ts-Tg)-IiΔhiri(cLk,Ts)
    (8)
    式中:TgTs分别为气相和固相温度;SGSA为单位体积催化器的表面积;kh为固相与气相间的传热系数;λg为气相间的导热系数;Δhi为反应i的反应热。
    固相能量守恒方程如下:
    (1εg)ρs(cp,sTs)t=SGSAkh(TsTg)+IiΔhiri(cLk,Ts)+qext
    (9)
    式中:ρs为催化器固相密度;cp,s为催化器固相比热容;qext为向外界环境的能量损失。
    SGSA=4dhyds2=4(sδ)s2
    (10)
    s=11 550NCPSI
    (11)
    δ=δwall+2δwcl
    (12)
    式中:dhyd为单孔道水力直径;δwall为催化器壁面厚度;δwcl为涂层厚度;NCPSI为催化器孔密度。

    2 实验方案

    实验采用DOC催化单元小样实验方法,使用固定床流动式反应器,使用的DOC催化器小样的长度和直径为25.4 mm,孔目数为0.62 孔·mm−2,壁面厚度为0.1 mm。按照实验要求通入各种尾气模拟气体,用表面活性液对各接口处进行试漏检查,对漏气处进行处理,试漏合格后测CO、HC、NO、NO2的原始值,然后开始试样的装载。催化单元在测试之前需要进行活化处理,活化条件:催化器温度为550 ℃, 体积分数为0.1%,O2体积分数为10%,HC体积分数为0.02%,CO体积分数为0.02%,CO2体积分数为8%,H2O体积分数为7%,N2为平衡气。在模拟气体组成的气氛下,调试加热炉从室温按照10 ℃·min−1的升温速率升到550 ℃,在550 ℃下保温1 h。催化单元活化完成后,可进行催化效率实验,根据需要的模拟气体条件调节气瓶控制阀门,调节加热炉,控制催化器温度。取3次测量的平均值作为测试结果,分别测试不同催化器温度、空速、NO2/NOx比例下CO、HC、NO的转化效率。实验框架如图1所示。
    图1 小样实验台架示意图
    Fig. 1 Schematic diagram for sample experiment
    图1 小样实验台架示意图
    Fig. 1 Schematic diagram for sample experiment
    Cjee 201712105 t1

    3 结果与分析

    3.1 空速的影响

    对于车用的非均相固定床催化器,通常使用排气体积流量与催化器体积定义排气在催化器内的停留时间。使用排气体积流量除以催化器体积,即可得到此时的空速,由下面方程得到:
    SGHSV=Vexhaust/Vcatalyst
    (13)
    式中:SGHSV为空速,h−1Vexhaust为排气体积流量,m3h-1Vcatalyst为催化器体积,m3
    较低的空速能够提高CO、HC、NO的转化效率,但是也可能导致许多其他的问题,如催化器的安装布局问题,催化器体积增加带来的成本问题。因此,本研究在CO体积分数为0.02%,HC体积分数为0.02%, NO体积分数为0.1%,O2体积分数为10%的条件下,空速在40 000~120 000 h−1范围内,研究不同参数(如空速、氧气浓度、NO2/NOx比例)对DOC性能的影响。从图2(a)可以看出,在不同空速下,CO的转化效率均达到了98%左右,这说明此型号催化器对CO的氧化效率较高,受空速的变化影响较小。从图2(b)可以看出,空速从120 000 h−1变化到40 000 h−1时,HC转化效率均随温度的增大而增大且稳定在91%、94.5%、97%、98.8%、99%左右。这是因为随着空速的降低,排气在催化器内的停留时间增大,从而提高了HC的转化效率。尤其在排气温度为225~300 ℃时,效果明显。从图2(c)可以看出,空速从120 000 h−1变化到40 000 h−1时,NO转化效率均随温度的增大先增大后减小,转化效率最大为36.8%、40.5%、45%、51.5%、60.4%左右。从图2(c)还可以看出,排气温度在175~450 ℃范围内,空速对NO的转化效率影响较大,当排气温度高于450 ℃时,空速对NO转化效率影响较小。
    图2 空速对DOC性能的影响
    Fig. 2 Effect of space velocity on DOC performance
    图2 空速对DOC性能的影响
    Fig. 2 Effect of space velocity on DOC performance
    Cjee 201712105 t2

    3.2 O2 浓度的影响

    由于燃料的不完全燃烧,柴油机废气通常含有2%~17%(体积分数)的O2图3表示在CO体积分数为0.02%,HC体积分数为0.02%, NO体积分数为0.1%,空速为120 000 h−1条件下,O2浓度从0.05%变化到10%时,CO、HC、NO转化效率的变化情况。
    图3(a)可以看出,当O2浓度低于1%,排气温度在175~250 ℃时,CO转化效率逐渐增大,且在250 ℃之后均接近100%。当O2浓度为10%时,温度的变化对CO的转化效率影响很小。从图3(b)可以看出,在不同的O2浓度下,HC转化效率均随排气温度的增大而增大。O2浓度从0.05%变化到10%时,HC转化效率分别在375、325、300、290 ℃时趋于稳定。从图3(c)可以看出,O2浓度从0.05%变化到10%时,HC转化效率均随排气温度的增大先增大后减小,且均在排气温度为400 ℃左右,分别达到最大值4%、5%、15%、37%。这是因为,DOC内的NO氧化反应为可逆反应,当排气温度低于400 ℃时,正向反应速率的增长速率大于逆向反应速率的增长速率,整体表现为NO转化效率随温度的增大而增大。当排气温度高于400 ℃时,正向反应速率的增长速度小于逆向反应速率的增长速度,整体表现为NO转化效率随温度的增大而降低。从图3中可以看出,实验结果与数值计算结果之间能很好吻合。
    图3 O2浓度对DOC性能的影响
    Fig. 3 Effect of O2 concentration on DOC performance
    图3 O2浓度对DOC性能的影响
    Fig. 3 Effect of O2 concentration on DOC performance
    Cjee 201712105 t3

    3.3 NO2/NOx的影响

    通常情况下,柴油机排放的大部分氮氧化物中,NO的比例可达到90%以上。但是由于DOC能够将排气中的NO氧化为NO2,从而改变排气中NO2/NOx的比例,对于DOC催化器下游的SCR来说,当排气中的NO2/NOx接近0.5时,能够有助于SCR的脱硝,因此排气中NO2/NOx的比例也是很重要的考察指标。本部分研究了CO体积分数为0.02%,HC体积分数为0.02%,O2体积分数为10%,NO体积分数为0.1%,空速为120 000 h−1的条件下,NO2/NOx在0.1~0.3范围内,对NO转化效率的影响。
    图4可以看出,在不同的NO2/NOx下,NO转化效率均随温度的增大先增大后减小,当NO2/NOx从0.1增加到0.3时,DOC催化器均在排气温度为390 ℃左右时,分别达到最大值:32%、27.2%、22.4%。当排气温度在175~300 ℃时,NO2/NOx的变化对NO的转化效率影响不大;当排气温度在300~550 ℃时,NO2/NOx的变化对NO的转化效率影响不大,当排气温度在300~550 ℃时,NO2/NOx的变化对NO的转化效率影响较大,从图4可以看出,降低排气中NO2/NOx比例,能够在排气温度高于300 ℃时,明显提高NO的转化效率。
    图4 NO2/NOx对NO转化效率的影响
    Fig. 4 Effect of NO2/NOx on NO conversion efficiency
    图4 NO2/NOx对NO转化效率的影响
    Fig. 4 Effect of NO2/NOx on NO conversion efficiency
    Cjee 201712105 t4

    4 结论

    1)空速的增加会降低DOC对CO、HC、NO的氧化性能,因为排气在催化器内的停留时间缩短。在排气温度为225~300 ℃时,减小空速对增大HC的氧化效率影响明显。当排气温度在175~450 ℃范围内,减小空速对增大NO的氧化效率影响明显。
    2)当O2浓度低于1%,排气温度在175~250 ℃时,CO转化效率逐渐增大,且在250 ℃之后均接近100%。当O2浓度为10%时,温度的变化对CO的转化效率影响很小。当O2浓度大于1%时,温度的变化对NO的氧化影响较大。
    3)当排气温度在175~300 ℃时,NO2/NOx比例变化对NO的转化效率影响不大,当排气温度在300~550 ℃时,NO2/NOx的变化对NO的转化效率影响较大。降低排气中NO2/NOx比例,能够在排气温度高于300 ℃时,明显提高NO的转化效率。
参考文献 (13)

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