天然气发动机专用催化转化器的研究与发展

体积分数 % &’ ( )
化学成分 怠速 （)’’ *+,-.） & !/’ *+,-. /’ 0 负荷 & !/’ *+,-. 全负荷 甲烷 乙烷 乙烯 丙烷 丙烯 丙二烯 异丁烷 丁烷 异丁烯 & ( 丁烯 异戊烷 正戊烷 苯 甲苯 二甲苯 甲醛 已醛 丙酮 丙醛 丁烯醛 丁醛 1 2’’ 3’ &’’ !) 4& )5’ 35) &! 5 ) && & 5 ’4 &) &5) 35’ 65’ 45’ 1& !5’ ’ 5 31 ’ 5 &3 ’ 5 && ’ 5 ’/ & ’/’ 4/ &3 /5! 25/ ’ 5 &4 ’ 5 24 &54 ’ ’ ’ ’ ’ 5 &’ ’ 5 61 ’ 5 )& &) ’ 5 &) ’ ’ ’ ’ /1’ 4’ &! )5’ !5/ ’ 5 ’1 ’ 5 2’ &54 ’ ’ 5 /’ ’ ’ ’ 5 &/ ’ 5 &’ ’ 5 ’) )53 ’ 5 &’ ’ ’ ’ ’
! 国外天然气发动机专用催化转化器的研 究与发展状况
对天然气发动机而言， 要实现极低的排气污染， 有两条技术路线可循： 一条是采用电控技术， 使进入 发动机缸内的混合气为当量空燃比 （即! C >） ， 排气 后处理采用三效催化转化器， 这一技术为电控喷射 天然气轿车发动机和轻型客车用发动机所普遍采
［+］ 合结构， 两块之间留有小块空腔 ， 排气先经过第 ,
即使在较低温度下甲烷的转化效率也很高。这样， 采用上述技术途径， 并通过进一步的分析和试验进 行筛选和优化， 以实现天然气发动机专用氧化催化 转化器满意的性能。
! 结束语
天然气发动机专用催化转化器的研究与发展涉 及到很多方面， 本文只对有些方面的问题进行综述 和说明， 以期对我国在该领域的研究与发展起到一 定的参考和借鉴作用。
+
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块时用 -. 作催化剂， 可以得到低的起燃温度； 然后， 排气再经过第 / 块时用 -0 作催化剂， 其显著优点是
用； 另一条是稀薄燃烧加氧化催化转化器排气后处 理技术， 目前这一技术在大型公交车用柴油机改为 单一燃 料 的 天 然 气 发 动 机 时 较 多 采 用， 例如美国 （缸径 B 行程 C 36//2(# 公司在将其 D E F ? 柴油机 排量为 E F ? G）改为单一燃料的天 >A= // B >=A //， ［>］ 然气发动机时就采用这一技术方案 。因此， 天然 气发动机专用催化转化器包括三效催化转化器和氧 化催化转化器两种类型。 国外学者研究了天然气发动机 :H3 （未燃烧的 碳氢化合物） 排放中 （没有经过排气后处理） 的各组
参 , / 考 文 献
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万方数据 别对待和处理。
/""" 年 / 月
马凡华等： 天然气发动机专用催化转化器的研究与发展
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国外研究表明， 天然气催化转化器与天然气发 动机及电控系统的匹配与汽油机不同。例如， 天然 气三效催化转化器工作在混合气空燃比 !! " # $% & （即混合气稍偏浓一点） ， 其综合转化效率最 " # $$ 时 好。另外， 天然气催化转化器与排气系统也存在匹 配问题， 如催化转化器的安装位置离发动机太近， 催 化器的温度高， 催化剂很快就老化； 太远则催化剂的 起燃特性差， 转化效率低。催化器的位置还影响排 气压力波的传播， 进而影响发动机的性能。此外， 催 化器的流动特性， 如流速分布均匀性和流动阻力等， 对催化剂的转化效率、 使用寿命以及发动机的动力 经济性也有很大影响。因此， 对上述有关问题也要 进行系统深入的研究， 才能研制和生产出高水平的 天然气催化转化器。 天然气发动机专用氧化催化转化器主要是氧化 排气中的 ’() 和 )*， 因此催化剂的配方、 结构、 性 能及负载工艺要作相应的调整和变动。值得注意的 是， 国外有的天然气催化转化器采用两块拼接的复
摘要
许忠化器的研究与发展状况， 着重介绍了天然气发动机专用催化转化 催化转化器 发展
器的研究难点与重点， 并结合我国实情， 提出了相应的建议。 关键词：天然气发动机 中图分类号：:;<=>
随着公众环保意识的不断增强， 对限制机动车 有害废气排放的要求也愈来愈高， 各国政府纷纷制 定了一系列日益严格的排放法规。为了缓解机动车 排放导致的大气污染， 调整能源结构， 以天然气为燃 料的机动车得到了广泛的研究和应用。至 >??@ 年， 全球天然气汽车的保有量已超过 >AA B >A< 辆。近 年来， 我国的一些城市和地区的天然气汽车发展较 快， 保有量在不断增加。为了满足日益严格的排放 法规， 成为真正意义上的清洁汽车， 天然气汽车也需 要考虑安装催化转化器。 在发达国家， 随着天然气汽车的发展， 天然气发 动机专用催化转化器的研制与开发也得到了较快发 展， 已成为推动燃气汽车发展必不可少的重点研究 和发展领域之一。近几年， 由于电控技术和其它相 关技术的发展， 使得天然气发动机专用催化转化器 技术提高到了一个崭新的水平。 相对于发达国家的先进技术而言， 我国的天然 气发动机专用催化转化器的研究刚刚起步， 尚处于 初级阶段。因此， 我们必须下大力进行天然气发动 机专用催化转化器的研制和开发， 积极推动我国天 然气汽车发展。
第>期 （总第 >=E 期） =AAA 年 = 月
车 用 发 动 机 J8HI3G8 857I58
5-F （ > :-0$, 5-F >=E） V"WF =AAA
・ 综合评述 ・
天然气发动机专用催化转化器的研究与发展
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［=］ 分及其比例 。该研究是在一台 IJ83K @ 缸天然气 增压发动机上完成的， 发动机采用电控理论空燃比
加三效催化 转 化 器 技 术 ， 发动机的缸径 B 行程 C 排量为 ? F E G， 压缩比为 >A F A， 标 >=A // B ><A //， 定功率为 >@> LMN= >AA %O /2( P > ， 发动机的最高效率 为 QE R （对应于 > =EA %N/2(） 。试验用天然气的组 分如表 > 所示。
收稿日期： >???U>=U=S
丙烷 丙烯 乙炔 丙炔 异丁烷 丁炔 异戊烷
第一作者简介： 马凡华， 男， >?@@ 年生， >??S 年获西安交通大学内燃机专业博士学位， >??? 年 T 月从北京理工大学车辆工程学院博士后流动
万方数据 清华大学汽车安全与节能国家实验室。 站出站。>AAAT<，
・!・ 表! 发动机 "#$ 排放中各组分的浓度
车
用
发
动
机
!’’’ 年第 & 期
从天然气发动机专用催化转化器研究与发展的 历程来看， 为使催化器的转化效率、 起燃特性、 空速 特性、 劣化系数等主要指标达到满意水平， 必须对天 然气发动机排气条件下的催化反应规律， 催化剂的 配方、 结构、 性能及负载工艺， 批量生产中的工艺流 程与质量控制技术， 催化转化器的发动机台架评定 技术， 催化转化器与发动机及排气系统的匹配和性 能优化等方面进行系统深入的研究； 为了满足欧洲 和我国汽车排放法规中对包括甲烷在内的总 "#$ 排放的限值， 要针对天然气发动机排气组分的特点， 在配方、 结构及负载工艺等方面进行有针对性的专 门研究和开发， 以有效降低排气中包含甲烷在内的 在发动机台架评定时， "#$、 $9 和 79 ! 等有害排放； 进行 要充分考虑到 "#$ 排放中甲烷这一主要因素， 有针对性的专门检测和发动机台架评定， 从而研制 和开发出高水平的天然气发动机专用催化转化器。 为了研究天然气发动机排气条件下的催化反应 规律， 首先必须通过试验测量天然气发动机不采用 排气后处理技术时排气中 "#$、 $9 和 79 ! 的浓度， 一般采用加热火焰离子探测器 （ #:;<:= >?;,: @A.-B;C 和气体色谱仪将 "#$ （含甲 <-A. D:<:E<A*，简称 #>@D） 这样可以得到 烷） 和 78#$ 的浓度分别测量出来， 天然气发动机排气条件下甲烷在 "#$ 中所占的质 量分数； 在此基础上， 再测量天然气发动机采用催化 转化器时排气中 "#$ （甲烷和 78#$） 、 $9 和 79 ! 的 浓度， 为天然气发动机排气条件下的催化反应规律 的研究提供基本数据。 甲烷是 #$ 中最难被氧化的气体， 其起燃温度 较其它的烷烃及不饱和烃都要高。研究表明， 贵金 属 F= （钯） 作为催化剂， 能十分有效地促进 "#$ 排放 中甲烷的氧化， 因此， 天然气发动机专用催化转化器 的催化剂中必须含有相当高比例的 F=。遵循这一 指导思想， 国外天然气发动机专用催化转化器的配 方中， 一种配方为 F<： 另一种配方为 F=： GH I !： /’： &； （/ J &/） ： 并通过进一步的分析和试验来 F=： GH I &， 筛选和优化催化剂的配方、 结构、 性能及负载工艺。 国外所采用的天然气发动机催化转化器台架评 定的试验方法与汽油机催化转化器的台架评定的试 验方法在原理上是基本相同的。研制设计专用的电 控天然气发动机试验台架， 能独立控制空燃比、 催化 器入口温度以及空速这 1 个条件， 并需完成催化器 活性评价和快速老化试验性能评价， 这样就能对研 制的天然气发动机催化转化器的转化效率、 起燃特 性、 空速特性和劣化系数进行台架评定。