Как катализатор влияет на работу двигателя: Что такое катализатор и чем он опасен для мотора

и

Из Nu _из Коэффициент конвекции и тепловой поток можно рассчитать, начиная с

и

, где A _out — внешняя область коллектора. Термодинамические свойства Pr , ρ, μ и λ оцениваются со ссылкой на температуру пленки (т. Е. На среднее значение между температурой стенок коллектора T _w и температурой окружающего наружного воздуха T _sur ).

Поток тепла внешнего излучения Q˙rad_out был оценен в предположении, что внешняя стенка коллектора представляет собой серую поверхность в полости бесконечной протяженности. Следовательно, его можно рассчитать с помощью хорошо известных соотношений Стефана-Больцмана (Incropera et al. , 2013):

, где A _out — внешняя площадь коллектора, ε — коэффициент излучения, σ — постоянная Стефана-Больцмана и T _w и T _на — стенка и температуры наружного окружающего воздуха соответственно.

Общий тепловой поток Q˙out от коллектора можно рассчитать исходя из значений конвекции и излучения как

Катализатор Модель

Каталитический нейтрализатор представляет собой сложный компонент с точки зрения как потока газа, так и химических реакций. Гидродинамика, процессы тепломассопереноса играют важную роль в его поведении, и их следует тщательно учитывать. Принимая во внимание цели представленной работы, ни 3D (например, Lucci et al., 2014, 2015; Von Rickenbach et al., 2014), ни метод одномерного моделирования (например, Shamim et al., 2002; Pontikakis et al., 2004) не использовались. Применялся 0D-подход, предполагающий для каждого компонента однородное пространственное распределение термодинамических параметров и применение уравнений сохранения с эмпирическими корреляциями там, где это необходимо. Доказано, что разработанная модель способна моделировать поведение катализатора и его влияние на характеристики трансмиссии во время значительных переходных процессов (например, ездовых циклов) с очень коротким временем расчета и с учетом компоновки системы, размеров компонентов и стратегий управления, принятых во время переходных процессов.

Модель была разработана в соответствии с причинно-следственной связью, представленной на Рисунке 2. Были рассмотрены два объема (выделены голубым цветом до и после каталитического ядра) в соответствии с подходом F&E. Модель ядра (выделена оранжевым цветом) была основана на процедуре QSF (т.е., предполагая отсутствие накопления массы и энергии). Поскольку процессы в каталитическом нейтрализаторе сложны и, как правило, трехмерны, необходимо было ввести правильные допущения, чтобы уловить их общие эффекты, все еще ограничивая нагрузку на моделирование. Поэтому процессы, происходящие в активной зоне, были упрощены путем разделения модели на два модуля, как показано на рисунке 3: «модель газа», которая описывает поток газа в катализаторе, и «модель монолита», которая воспроизводит тепловое поведение ядро катализатора. На каждом временном шаге массовый расход и изменения температуры через активную зону оценивались путем решения двух систем алгебраических уравнений из двух модулей, которые связаны посредством теплообмена между выхлопным газом и стенками подложки (в соответствии с рисунком 3).

Рисунок 2 . Схема и причинно-следственная связь модели катализатора.

Рисунок 3 . Макет ядра катализатора.

«Модель газа» была разработана, как показано на рисунке 4. На каждом временном шаге значения давления p и температуры T в двух соседних объемах используются для вычисления разности давлений Δ p , среднего давления p _м и температура T _м (с учетом направления потока).Предполагая, что ядро ​​катализатора представляет собой концентрированное сопротивление потоку (без накопления массы), массовый расход газа можно оценить с помощью эмпирической алгебраической корреляции в следующей форме:

, где ρ и μ (как другие свойства жидкости) рассчитываются как p _m и T _m с учетом состава выхлопных газов. Геометрия катализатора включает как габаритные размеры ядра, так и его морфологические характеристики (соты / пена, пористость и т. Д.).). Тогда температура газа на выходе из активной зоны может быть определена путем интегрирования уравнения сохранения энергии в 1D и в установившемся режиме:

, где не учитываются осевой теплообмен и изменение кинетической и потенциальной энергии в газе (как обычно считается; Pontikakis et al., 2004), A ‘ — удельная площадь контакта на единицу длины, а q _gen — это одномерное распределение тепловыделения по осевой длине сердечника (между x = 0 и x = L ). Свойства газа оцениваются как p _m и T _m и принимаются постоянными.

Рисунок 4 . Структура модуля «модель газа» (входные и выходные переменные выделены зеленым и красным цветом соответственно).

Конвективный теплообмен между газом и активной зоной описывается, как обычно, с помощью коэффициента конвекции h , полученного из Nu , оцененного с помощью эмпирической корреляции в следующей форме (Konstantinidis et al., 1997; Кандилас и Стамателос, 1999):

Температура стенки монолита T _mon предполагается постоянной на временном шаге, т.е. как осевой, так и радиальный градиенты температуры не учитываются в соответствии с подходом 0D, чтобы ограничить время моделирования.

Молекулярная диффузия различных частиц и химические реакции в газовой смеси и в активной зоне не рассматривались. Однако общие эффекты окисления несгоревших частиц воспроизводятся в терминах выделяемого тепла с помощью следующего выражения (в [Вт / м]):

, который представляет собой одномерное распределение тепловыделения по осевой длине сердечника (между x = 0 и x = L ).Q˙gen — это общий тепловой поток (в [Вт]), производимый в объеме активной зоны из-за реакций окисления загрязняющих веществ, и оценивается по массовому расходу выхлопных газов ṁ, концентрации загрязняющих веществ X _mi , что соответствует более низкому значению. теплотворная способность LHV _i и коэффициент преобразования η _i следующим образом:

Номер N и тип загрязнителей зависят от конкретного применения.В представленной модели были рассмотрены CO и один или несколько видов, представляющих HC, поскольку их реакции окисления были приняты как наиболее важные при определении температуры катализатора. Следует отметить, что рабочая жидкость рассматривалась как смесь 7 химических веществ, то есть N ₂ , O ₂ , CO ₂ , H ₂ O, CO, H ₂ NO. Вектор концентраций загрязняющих веществ { X _mi } в выхлопных газах (т.е.е., выхлопные газы двигателя) могут быть получены из экспериментальных данных в виде справочных таблиц как функции рабочих параметров двигателя (например, коэффициент эквивалентности φ, частота вращения двигателя n и выходная мощность; Fiorani et al., 2008). Таким же образом вектор {η _i } эффективности преобразования может быть определен с помощью справочных таблиц, определенных экспериментально как функция температуры монолита T _mon и скорости газа (Fiorani et al., 2008) . Этот подход (который в основном представляет собой черный ящик, как это обычно требуется для моделей реального времени) позволяет учитывать дальнейшие реакции, которые могут происходить в катализаторе, путем введения надлежащих эмпирических корреляций для моделирования различных каталитических преобразователей и систем доочистки.

Член q _gen (который является функцией осевой координаты x , длины активной зоны L , количества N вовлеченных загрязняющих веществ и общего теплового потока Qgen от окисления несгоревшие соединения) зависит от скоростей реакции в ядре катализатора, на которые влияют многие сложные процессы: химическая кинетика при низких температурах, диффузия в порах монолита при средних температурах и диффузия в газовой фазе при высоких температурах.Следовательно, если температуры достаточно высоки, химические вещества могут реагировать мгновенно, как только они достигают стенок субстрата. Предполагая, что концентрация химических веществ в текущих газах экспоненциально падает вдоль осевой абсциссы, и учитывая, что диффузионный массообмен пропорционален разнице в концентрациях, было принято экспоненциальное распределение тепла, выделяемого несгоревшими соединениями, выраженное в следующей форме:

Коэффициенты a, и b могут быть определены исходя из того, что интеграл q _gen по длине подложки равен общему тепловому потоку Q˙gen, генерируемому в сердечнике, т.е.э.,:

и предполагая, что отношение q _gen (0) / q _gen (L) = 100. Таким образом, получаем следующие выражения для a и b :

Интеграция уравнения сохранения энергии в 1D и в установившемся режиме между x = 0 и x = L позволяет определить изменения температуры газа вдоль активной зоны.Для x = л можно определить температуру газа на выходе T _{на выходе} .

Тепловой поток между газом и монолитом на каждом временном шаге можно оценить с помощью уравнения:

Следует отметить, что, поскольку свойства газовой смеси определяются относительно средней температуры в активной зоне, значение T _out оценивается посредством итерационного расчета (процедура do-while , рисунок 4 ) с 0.Порог 1К.

Для оценки изменения средней температуры монолита T _mon можно использовать уравнение сохранения энергии в следующем виде:

Помимо теплового потока, обмениваемого с газами Q˙int и теплоемкости монолита м _mon · c _mon , требуется также тепловой поток во внешний окружающий воздух Q˙ext.

Даже если могут быть найдены разные конфигурации, наиболее распространенным методом является установка монолита в металлический кожух со слоем вставленного изоляционного материала: такая компоновка была принята в разработанной модели, как схематично показано на рисунке 5.Передача тепла от монолита к окружающему воздуху происходит сначала за счет теплопроводности через слой изоляционного материала и металлический кожух, а затем за счет конвекции и излучения от внешних стен к окружающему воздуху. В этом случае конвекция может быть принудительной или естественной в зависимости от скорости автомобиля v , которая, следовательно, представляет собой входной параметр для модели. Следуя квазистационарному подходу, установившийся процесс теплопередачи может быть смоделирован на каждом временном шаге, предполагая два последовательно соединенных тепловых сопротивления, и поэтому общее тепловое сопротивление может быть выражено как:

, где R _{t _ cond} связано с проводимостью, а R _{t _ conv} и R _{t _ irr} связаны с конвекцией и излучением передача тепла наружу.

Рисунок 5 . Схема процессов течения и теплообмена в ядре катализатора.

Принимая во внимание только слой изоляционного материала (т. Е. Пренебрегая термическим сопротивлением металлического корпуса) и предполагая цилиндрическую геометрию, R _{t _ cond} был рассчитан по следующей формуле (Incropera et al. ., 2013):

Принудительную конвекцию в окружающий воздух можно рассматривать, принимая цилиндрический корпус с радиусом равным r _ext : следовательно,

где

, предполагая коэффициент усиления 3/2, чтобы учесть осевую проводимость в металлическом кожухе.

Коэффициент конвекции h получается, начиная с Nu (Incropera et al., 2013): следующая корреляция из Черчилля и Бернштейна (которая не требует коэффициентов, которые изменяются с Re и действительна для широкого диапазона Re и Pr ) было использовано:

где

v — скорость невозмущенного потока, предположительно равная скорости транспортного средства.Тогда h можно рассчитать по следующей формуле:

Что касается теплового излучения, если предположить, что внешняя стенка металлического кожуха представляет собой серое тело внутри большой полости, соответствующий тепловой поток можно оценить как Incropera et al. (2013):

, из которых

Наконец, тепловой поток к внешнему окружающему воздуху можно рассчитать как:

Параметры принудительной и естественной конвекции рассчитаны с учетом свойств жидкости при средней температуре:

, где T _w известно из уравнения:

Следовательно, значение T _w оценивается посредством итеративного вычисления с 0.Порог 1К.

Описанная процедура использовалась для моделирования различных субстратов катализатора (соты или пены) с использованием подходящих корреляций для увязки массовых расходов и изменений давления в ядре катализатора (концентрированное сопротивление потоку) и для определения Nu для теплообмена между выхлопной газ и монолит. Конкретные корреляции, используемые для сот и пен, рассматриваемых в настоящей работе, будут представлены в следующем параграфе.

Физическая идентификация модели Catalyst

Представленная модель системы последующей обработки была затем откалибрована с учетом конкретных геометрических форм сердцевины, сот и пен.Сопротивление потоку и процессы теплопередачи были определены из корреляций, доступных в литературе, и были использованы стандартные физические и геометрические свойства.

В сотах газ должен двигаться по каналам очень малого сечения, поэтому поток в основном ламинарный. Корреляции, связывающие массовый расход с Δ p , очень похожи на корреляции, полученные для ламинарного потока в трубе, и могут быть выражены в форме p = f (ṁ), которую можно переписать в обратной форме ṁ = f ( p ), что подходит для блок-схемы рисунка 4.В настоящем исследовании использовалось следующее соотношение

или, положив Re = ρ · u · ε · Dcμ

, как предложено в Incropera et al. (2013) для полностью развитого ламинарного потока через канал квадратного сечения.

Что касается пены, то первое соотношение было получено из Giani et al. (2005), полученные в результате экспериментальных испытаний металлических пен с высокой пористостью. Геометрия этих пен была схематизирована в предположении кубических ячеек с аккуратно упакованными цилиндрическими стойками.Исходя из выражения для потерь нагрузки внутри пучка труб, авторы предложили следующее соотношение:

, где в Re характерным размером является диаметр стойки d _s , а скорость u получается делением объемного расхода на площадь поперечного сечения A монолита. G ( ε ) — отношение диаметра стойки d _s к диаметру пор D _p : для рассматриваемой геометрии оно зависит только от пористости ε и может быть выражено как следует:

Вторая корреляция, предложенная Луччи и др.(2014), рассмотрено для пен. Чтобы избежать значительного разброса, типичного для экспериментальных данных (из-за изменчивости тестируемых пен), авторы предлагают 3D-моделирование CFD в качестве альтернативы реальным измерениям для характеристики поведения пены (аргументируя необходимость большего контроля над геометрическими параметрами). В частности, со ссылкой на пену, смоделированную как набор ячеек Кельвина (рис. 6), и отмечая, что падение давления в пене возникает из-за сил сопротивления, оказываемых жидкостью на стойки, авторы в Lucci et al.(2014) предлагают следующую корреляцию:

, где χ называется «извилистостью» и представляет собой отношение между длиной фактического пути, по которому проходит жидкость, и соответствующим осевым смещением. Что касается сложной геометрии пен, χ обычно намного больше 1. Чтобы соответствовать результатам трехмерного моделирования, коэффициент сопротивления C _D был определен в следующей форме (Lucci et al., 2014) :

, где Re вычислено с D _p в качестве характеристической длины, предполагающей среднюю скорость на площади поперечного сечения (поэтому ниже, чем эффективное значение внутри пены: по этой причине в предыдущем уравнении термин χ ² / ε ³ добавлен).Хотя приведенное выше уравнение позволяет оценить градиент давления в осевом направлении (одномерная модель), его можно использовать для расчета общего Δ p , оценки свойств жидкости при p _м и T _м таким образом получив

Оценка теплового потока между выхлопными газами и внутренней поверхностью монолита была основана на вычислении коэффициента конвекции h , который может быть получен из Nu .Корреляция, используемая для сот, была получена из Giani et al. (2005) следующим образом:

где

Для пен использовались две корреляции из литературы. Первый был предложен Giani et al. (2005), где авторы расширяют результаты, полученные экспериментально, для определения характеристик металлических пен. Nu выражается как функция от Re и Pr с классической формулировкой с двумя поправочными коэффициентами, определенными на основе экспериментальных данных следующим образом:

, где Re = ρ · u · dsμ = m · ˙dsμ · A.

Вторая корреляция была использована для пен, полученная из Lucci et al. (2014). Для оценки Nu было использовано следующее выражение:

, где номер Хагена Hg используется вместо Re , что определяется как:

Следует напомнить, что первая корреляция (Giani et al., 2005) основана на схематизации пены как набора кубических ячеек (Рисунок 6), принимая диаметр стойки d _s в качестве характерной длины. .При такой геометрии только два из четырех параметров D _p , ε, d _s и SSA являются независимыми, например, если известны D _p и ε , d _s и SSA получаются из следующих уравнений:

Вторая корреляция (Lucci et al., 2014) получена из моделирования CFD, предполагая диаметр пор D _p как характерную длину и моделируя пену как набор ячеек Кельвина (Рисунок 6).Также в этом случае задействованы два независимых параметра и выполняются следующие отношения:

В таблице 1 представлены различные соотношения гидравлического сопротивления и свойств передачи для структур, рассматриваемых в этой статье. Более подробную информацию о них можно найти в указанной литературе (Giani et al., 2005; Lucci et al., 2014).

Таблица 1 . Использованы соотношения гидравлического сопротивления и переноса.

Общий объем каталитического реактора принят равным 1,5 л при длине реактора 15 см. Стандартная сотовая структура, обозначенная далее как «h_Giani», используется в качестве эталонного случая и характеризуется пористостью ε = 63%, характерным диаметром канала D _p = 1 мм и специфическим площадь поверхности SSA = 2700 м ² / м ³ . Сотовую структуру сравнивают с двумя пеноподобными структурами с открытыми ячейками, настоящей пеной (Giani et al., 2005), идентифицированный как «f_Giani», и синтетическая структура клетки Кельвина (Lucci et al., 2014), идентифицированная как «f_Lucci». Обе ячеистые структуры имеют пористость ε = 73%, более высокую, чем у сотовой структуры, меньшую площадь поверхности SSA = 1000 м ² / м ³ и характерный размер пор d _p = 2 мм. Другие параметры, принятые для моделирования, представлены в таблице 2: объем монолита считается одинаковым для сотовых и пенопластов (даже если для пенопласта требуются меньшие объемы).Значения d _p и ε приводят к получению соты примерно 400 cpsi, что можно считать коммерческими стандартами, а значение D _p приводит к образованию пены 12,7 PPI.

Таблица 2 . Значения параметров, принятые для моделей катализаторов.

Толщина s _ins и λ _ins изоляционного слоя была принята равной 6 мм и среднему значению для пенополиуретана.Значение общего коэффициента излучения полусферы ε для внешней металлической поверхности сильно зависит от отделки поверхности и степени окисления (от 0,1 для полированных поверхностей до 0,9 для сильно окисленных поверхностей): в этом случае, поскольку внешний кожух обычно не имеет определенной отделки. и, кроме того, он мог окисляться, было принято значение 0,6. Удельная плотность ρ _mon и теплоемкость c _mon монолита определены с учетом кордиерита для сот и Al ₂ O ₃ для пен.

Однако следует помнить, что все вышеперечисленные параметры можно легко изменить в модели, что позволяет тестировать и сравнивать различные геометрические формы.

Разработка и проверка модели двигателя

Выхлопная система и модели с катализатором были объединены с моделью 0D «угол поворота коленчатого вала» дизельного двигателя с турбонаддувом. Структура модели (чередование объемных и не объемных блоков) позволяет избежать численных проблем и алгебраических циклов (Gambarotta and Lucchetti, 2013).

Модель была идентифицирована со ссылкой на дизельный двигатель 1,6 л с турбонаддувом (основные технические данные приведены в таблице 3) на основе экспериментальных данных в установившемся режиме от производителя оригинального оборудования, которые использовались для определения справочных таблиц и коэффициентов интерполяция функций методом наименьших квадратов (т. е. коэффициентов расхода впускных / выпускных клапанов, коэффициентов потери давления воздушного фильтра и выхлопной системы и т. д.). Модели компрессоров и турбин были определены на основе их характеристик от производителя (Gambarotta and Lucchetti, 2013).Карты для оценки концентраций загрязняющих веществ в выхлопных газах взяты из Fiorani et al. (2008). Алгоритм, разработанный для интегрирования уравнений модели, использует постоянный главный временной шаг 2 мс и переменный временной шаг для процессов в цилиндре, чтобы сохранить угловой шаг ~ 1 ° CA независимо от частоты вращения двигателя n . В этом приложении на ПК с частотой 2 ГГц и 2 ГБ ОЗУ отношение времени моделирования к физическому времени всегда было заметно ниже 0,65.

Таблица 3 .Основные технические данные рассматриваемого дизельного двигателя.

Входными параметрами являются частота вращения двигателя, массовый расход топлива, управляющие сигналы для VGT и EGR, температура и давление окружающей среды. На выходе может быть каждый из параметров, оцениваемых моделью двигателя, например крутящий момент, bmep , эффективная выходная мощность, параметры состояния во впускном и выпускном коллекторе (например, p, T, X _mi ) и т. д. После идентификации модель двигателя была испытана путем сравнения результатов расчетов с экспериментальными данными, измеренными на испытательном стенде в установившихся условиях эксплуатации изготовителем оборудования (кроме тех, которые использовались для идентификации), что дало хорошее согласие, как указано в Гамбаротта и Луккетти (2013).

Условия эксплуатации из ездового цикла

Чтобы подчеркнуть влияние характеристик субстрата на поведение двигателя, был выбран раздел «Дополнительный городской ездовой цикл» (EUDC) Нового европейского ездового цикла (NEDC). В этом случае входные параметры (скорость вращения, массовый расход топлива, управляющие сигналы VGT и EGR) были определены с помощью обратной модели транспортного средства (разработанной в Guzzella и Sciarretta, 2005). Данные автомобиля были идентифицированы со ссылкой на Alfa Romeo Giulietta 1.6 JTD. На основе временных характеристик скорости и передачи, предписанных для 400-секундного EUDC, мгновенные запрошенные значения скорости вращения и крутящего момента были вычислены и использованы в качестве входных данных для модели. Различия между целевым и фактическим крутящим моментом двигателя использовались для оценки с помощью алгоритма ПИД-регулирования с обратной связью массового расхода впрыскиваемого топлива.

Результаты моделирования для EUDC

Поведение системы впуска и выпуска

Проведено сравнение термодинамических параметров впускной и выпускной систем, полученных с разными подложками.В качестве примера ниже приведены некоторые результаты со ссылкой на EUDC, принимая сотовую основу в качестве базовой линии («h_Giani», сплошной красный цвет), и вычисленные различия между двумя пеноподобными структурами с открытыми ячейками (реальная пена «f_Giani» , »Сплошным зеленым цветом, а структура ячейки Кельвина« f_Lucci »- сплошным синим).

Как и ожидалось, пенопласт приводит к более высоким потерям давления. На Фигуре 7 представлена ​​разность статического давления через катализатор Δ p _DOC , показывающая максимальное увеличение примерно на 10 кПа для обоих рассмотренных пен.Однако значительные нелинейности из-за типичных процессов во впускной и выпускной системе приводят к общему нетривиальному поведению. Фактически, перепад давления через турбину Δ p _tur немного ниже (Рисунок 8) и, следовательно, изменения давления в выпускном коллекторе p _{exh _ man} (Рисунок 9 ) ниже ожидаемого (т.е. ниже, чем увеличение падения давления Δ p _DOC , рисунок 7).Это приводит к выводу, что более высокие потери давления, вызванные пеной, могут частично уравновешиваться эффектами турбонагнетателя, по крайней мере, при высоких нагрузках двигателя. Результаты на Рисунке 8 показывают, что немного более высокий перепад давления пенных катализаторов приводит к более высокому КПД турбины (за счет немного более высокого уровня давления на выходе из турбины). Таким образом, в любом случае снижение расхода топлива частично компенсируется более высоким КПД турбины.

Рисунок 7 .Расчетные потери давления через различные подложки катализаторов.

Рисунок 8 . Расчетные изменения давления через турбину.

Рисунок 9 . Расчетное давление в выпускном коллекторе.

Температурные профили внутри блока каталитического реактора представлены на рисунке 10. Из-за более высокой пористости структуры с открытыми ячейками имеют меньшую тепловую инерцию и более короткие тепловые переходные процессы. На рисунке 10 показано, что и пена, и структуры с ячейками Кельвина способны достигать температуры выключения 550 K примерно в два раза быстрее, чем сотовые (следует отметить, что зеленые и синие линии почти полностью накладываются друг на друга).Однако по тем же причинам они характеризуются более быстрой фазой охлаждения.

Рисунок 10 . Расчетная температура подложек.

Прогноз экономии топлива

Модель позволила оценить мгновенный и совокупный расход топлива на рассматриваемой EUDC: результаты представлены на рисунке 11. Сплошная красная линия представляет совокупный расход топлива для двигателя с сотовой подложкой («h_Giani»), который считается эталоном. чтобы подчеркнуть влияние субстратов с открытыми клетками.Таким образом, на рис. 11 синяя и зеленая линии показывают отклонение в процентах при использовании пенопласта (зеленая сплошная линия, «f_Giani») и подложек из ячеек Кельвина (синяя сплошная линия, «f_Lucci») по отношению к сотовой подложке («h_Giani» ).

Рисунок 11 . Расчетный совокупный расход топлива во время EUDC.

Анализ мгновенного расхода топлива ṁ _f показывает, что в предполагаемых условиях для сотовой конструкции достигаются более низкие значения, чем для обеих структур пенопласта с открытыми порами.Однако разница в совокупном расходе топлива между вариантами составляет менее 0,20%. Кроме того, среди субстратов с открытыми порами расход топлива с настоящими пенами («f_Giani») немного ниже, чем со структурами с ячейками Кельвина («f_Lucci»).

Как было показано ранее, падение давления через каталитический нейтрализатор выше для структур с открытыми ячейками (рис. 7) для всех проанализированных случаев, подтверждая, что структуры с открытыми ячейками характеризуются более высоким сопротивлением потоку. Это основная причина более высокого расхода топлива для рассматриваемых структур с открытыми ячейками, особенно при разгоне.При более высоких нагрузках двигателя и более высоких массовых расходах выхлопных газов увеличение перепада давления в выпускном коллекторе более выражено. Однако следует отметить, что в настоящем исследовании увеличение расхода топлива вызвано заменой сотовой подложки пенопластом с открытыми ячейками, принимающим одинаковую форму и объем. Но более высокие массообменные свойства структур с открытыми ячейками позволяют создавать более компактные реакторы по сравнению с сотовыми, и это приводит к снижению их гидравлического сопротивления, таким образом компенсируя недостаток в расходе топлива.

Максимальное отклонение, наблюдаемое в мгновенном расходе топлива между всеми случаями, составило 0,35% и проявляется только во время ускорений, когда требуется более высокий крутящий момент. В устойчивых условиях движения при постоянной скорости увеличенный мгновенный расход топлива из-за подложки с открытой ячеистой структурой ниже (приблизительно 0,10%). Эти изменения приводят к увеличению всего впрыскиваемого топлива всего на 0,20% за все 400 с цикла.

Выводы

Математические модели представляют собой интересный (и часто неизбежный) способ получить правильное понимание поведения сложных систем.Фактически, разработка теоретических инструментов требует хорошего компромисса между физическим и эмпирическим подходами для ограничения времени процессора.

В статье была построена быстрая модель каталитического нейтрализатора для автомобильного применения, которая была интегрирована в модель 0D «угла поворота коленчатого вала» дизельного двигателя с турбонаддувом. После улучшения модели теплообмена для выпускного коллектора (для учета тепловой динамики во время переходных процессов) была разработана 0D-модель катализатора для моделирования связанных потоков и тепловых процессов.Затем модель катализатора была соединена с моделью двигателя для исследования поведения всей системы и влияния характеристик подложки катализатора. В этой связи реальный дизельный двигатель 1,6 л с турбонаддувом и системой рециркуляции отработавших газов был смоделирован в рамках ездового цикла EUDC, сравнивая характеристики двигателя с различными субстратами катализатора.

Было проанализировано поведение трех различных каталитических структур: сотовой структуры, вспененных материалов с открытыми ячейками и структур с открытыми ячейками Кельвина. Было показано, что при использовании реакторов того же объема увеличенный перепад давления, вызванный структурами с открытыми ячейками, приводит к увеличению общего расхода топлива не более 0.20%. С другой стороны, структуры с открытыми ячейками демонстрируют более быстрые тепловые переходные процессы из-за их более низкой тепловой инерции и, таким образом, способны быстро достигать температуры выключения.

Следует отметить, что более высокие массообменные свойства структур с открытыми ячейками могут позволить создавать более компактные реакторы по сравнению с сотовыми структурами. Это может помочь снизить общее гидравлическое сопротивление пен, открывая новые возможности для повышения эффективности системы последующей обработки, снижая при этом удельный расход топлива.Представленный математический инструмент оказался очень эффективным для моделирования поведения комплексной системы (двигатель + система последующей обработки) и будет использован в будущем для исчерпывающего исследования этих тем.

Напомним, что в представленной модели рабочая жидкость рассматривалась как смесь 7 химических веществ, т.е. N ₂ , O ₂ , CO ₂ , H ₂ O, CO, H ₂ NO. Количество N и тип загрязняющих веществ зависит от конкретного применения.В представленной модели были рассмотрены CO и один или несколько видов, представляющих HC, поскольку их реакции окисления были приняты как наиболее важные при определении температуры катализатора. В ближайшем будущем могут быть рассмотрены различные системы доочистки, например трехкомпонентные катализаторы (что представляет собой очень интересное применение для этих новых решений). Однако моделирование трехкомпонентного катализатора является более сложным, поскольку оно включает кислородный баланс (бензиновые двигатели всегда работают почти в стехиометрическом режиме) и, следовательно, всегда работают в условиях нехватки кислорода.Представленный подход может быть использован для попытки моделирования трехкомпонентного катализатора в реальных условиях движения в режиме реального времени.

Напоследок следует подчеркнуть, что в представленной работе модель транспортного средства еще не проработана. Поэтому необходимые входные параметры (то есть скорость вращения, массовый расход топлива, управляющие сигналы VGT и EGR) были определены с помощью обратной модели транспортного средства (разработанной в Guzzella и Sciarretta, 2005). Поэтому был выбран более простой цикл EUDC, поскольку это модальный цикл движения, все еще достаточно значительный, чтобы можно было проверить эффективность и гибкость предлагаемого инструмента моделирования.На следующем этапе деятельности будет разработана подходящая модель для транспортного средства, которая будет интегрирована с моделью двигатель + катализатор, чтобы дать возможность оценить скорость и крутящий момент двигателя в более сложных переходных циклах движения (как WLTC).

Доступность данных

Наборы данных, созданные для этого исследования, доступны по запросу соответствующему автору.

Авторские взносы

AG, вице-президент и PD участвовали в разработке и проведении исследования, анализе результатов и написании рукописи.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Швейцарскому федеральному управлению по окружающей среде (FOEN) за финансовую поддержку проектов, Система последующей обработки выхлопных газов для минимального воздействия на окружающую среду, Транспортное средство для доставки на природном газе, Евро 7 и выше (EAS7 +), проект №UTF 584.13.18 и имитация катализатора Vertrag Nr. 15.0002.PJ / S122-1359.

Список литературы

Бах К. и Димопулос Эггеншвайлер П. (2011). Керамические пенные катализаторы для катализаторов окисления дизельных двигателей: конверсия загрязняющих веществ и вопросы эксплуатации . Документ SAE № 2011-24-079.

Google Scholar

Бумсман, К., Пуликакос, Д., и Вентикос, Ю. (2003). Моделирование потока через металлические пены с открытыми порами с использованием идеализированной периодической ячеистой структуры. Внутр. J. Heat Mass Trans. 24, 825–834. DOI: 10.1016 / j.ijheatfluidflow.2003.08.002

CrossRef Полный текст

Bracconi, M., Ambrosetti, M., Okafor, O., Sans, V., Ou, X., Pereira, C.F., et al. (2018). Исследование падения давления в трехмерных реплицированных пенопластах с открытыми порами: сопоставление CFD с экспериментальными данными по аддитивным пенам. Chem. Англ. J. DOI: 10.1016 / j.cej.2018.10.060. [Epub перед печатью].

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Депчик, К., и Ассанис, Д. (2001). Универсальная корреляция теплопередачи для впускных и выхлопных потоков в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием . Документ SAE 2002-01-0372.

Google Scholar

Димопулос Эггеншуилер, П., Циноглу, Д., Сейферт, Дж., Бах, К., Фогт, У., и Горбар, М. (2009). Подложки из вспененной керамики для автомобильных катализаторов: жидкостно-механический анализ. Exp. Жидкости 47, 209–222. DOI: 10.1007 / s00348-009-0653-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фьорани, П., Гамбаротта, А., Лучкетти, Г., Аузиелло, Ф. П., Де Чезаре, М., и Серра, Г. (2008). Подробная модель среднего значения выхлопной системы автомобильного дизельного двигателя . Технический документ SAE, № 2008-28-0027.

Google Scholar

Gaiser, G., Oesterle, J., Braun, J., and Zacke, P. (2003). Прогрессивное распределение однородного спининлетного потока при жестких условиях . Технический документ SAE № 2003-01-0840.

Google Scholar

Гамбаротта, А.(2017). «Методы математического моделирования турбонагнетателей и двигателей с турбонаддувом», в книге Turbocharger and Turbocharging: Advancements, Applications and Research (Hauppauge, NY: Nova Science Publishers Inc.,), 375–434.

Гамбаротта А. и Луккетти Г. (2011). Управляемое моделирование автомобильных двигателей на основе «угла поворота коленчатого вала» . Документ SAE NoICE2011-24-0144.

Google Scholar

Гамбаротта А. и Луккетти Г. (2013). «Модель угла поворота коленчатого вала для моделирования дизельных двигателей в системах HiL / SiL« в реальном времени »» в 13-м Международном симпозиуме по автомобильным технологиям и технологиям двигателей в Штутгарте (Штутгарт).

Гамбаротта А., Луккетти Г. и Важа И. (2011). Моделирование переходных режимов дизельных двигателей с турбонаддувом в реальном времени. Proc. Inst. Мех. Англ. Pt D J. Automob. Англ. 225, 1186–1203. DOI: 10.1177 / 0954407011408943

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гамбаротта А., Руджеро А., Шолла М. и Луккетти Г. (2012). Система HiL / SiL для моделирования дизельных двигателей с турбонаддувом. МТЗ в мире 73, 48–53. DOI: 10.1365 / s38313-012-0143-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джани, Л., Гроппи, Г., и Тронкони, Э. (2005). Характеристики массопереноса металлических пен в качестве носителей для структурированных катализаторов. Ind. Eng. Chem. Res. 44, 4993–5002. DOI: 10.1021 / ie04

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Guzzella, L., and Onder, C.H. (2010). Введение в моделирование и управление системами двигателей внутреннего сгорания . Берлин: Springer-Verlag.

Guzzella, L., и Sciarretta, A. (2005). Двигательные установки транспортных средств .Берлин: Springer Verlag.

Google Scholar

Хейвуд, Дж. Б. (1988). Двигатели внутреннего сгорания, Основы . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Макгроу-Хилл.

Google Scholar

Инайят, А., Фройнд, Х., Цайзер, Т., и Швигер, В. (2011). Определение удельной поверхности пенокерамики: новый взгляд на модель тетракаидекаэдров. Chem. Англ. Sci. 66, 1179–1188. DOI: 10.1016 / j.ces.2010.12.031

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Инаят, А., Клумпп, М., фон Бейер, М., Фройнд, Х. и Швигер, В. (2016). Разработка нового соотношения падения давления для пен с открытыми порами, полностью основанного на теоретических основаниях: с учетом формы стойки и геометрической извилистости. Chem. Англ. J . 287, 704–719. DOI: 10.1016 / j.cej.2015.11.050

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Incropera, Ф. П., Девитт, Д. П., Бергман, Т. Л., и Лавин, А. С. (2013). Принципы тепломассообмена, 7-е изд. .Нью-Йорк, Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья.

Кандилас, И. П., и Стамателос, А. М. (1999). Конструкция выхлопной системы двигателя на основе расчета теплопередачи. Конвер. Энергии Управлять. 40, 1057–1072. DOI: 10.1016 / S0196-8904 (99) 00008-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кольцакис, Г. К., Кацаунис, Д. К., Самарас, З. К., Науманн, Д., Сабери, С., Бом, А., и др. (2008). Разработка системы доочистки на основе пенопласта для дизельного легкового автомобиля .Технический документ SAE № 2008-01-0619.

Google Scholar

Константинидис П. А., Кольцакис Г. К. и Стамателос А. М. (1997). Моделирование переходных процессов теплопередачи в выхлопных системах автомобилей. Proc. Inst. Мех. Англ. Часть C 211, 1–14. DOI: 10.1243 / 0954406971521610

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Луччи, Ф., Делла Торре, А., Черногория, Г., и Димопулос Эггеншвилер, П. (2015). О каталитических характеристиках открытых ячеистых структур по сравнению с сотами. Chem. Англ. J. 264, 514–521. DOI: 10.1016 / j.cej.2014.11.080

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Луччи, Ф., Делла Торре, А., Черногория, Г., Кауфманн, Р., и Димопулос Эггеншвилер, П. (2016). Сравнение геометрических, импульсных и массообменных характеристик реальных пен с решетками ячеек Кельвина для применения в катализаторах. Внутр. J. Тепломассообмен . 108, 341–350. DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Луччи, Ф., Делла Торре, А., Фон Рикенбах, Дж., Черногория, Г., Пуликакос, Д., и Димопулос Эггеншвилер, П. (2014). Выполнение рандомизированных структур клеток Кельвина в качестве каталитических субстратов: анализ на основе массопереноса. Chem. Англ. Sci. 112, 143–151. DOI: 10.1016 / j.ces.2014.03.023

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мартин А. П., Уилл Н. С., Бордет А., Корнет П., Гондойн К. и Мутон X. (2000). Влияние распределения потока на характеристики выбросов каталитических нейтрализаторов .Технический документ SAE № 2000-05-0175.

Google Scholar

Папетти, В., Димопулос Эггеншвилер, П., Делла Торре, А., Луччи, Ф., Ортона, А., и Черногория, Г. (2018). Аддитивные полиэдрические структуры с открытыми ячейками в качестве подложек для автомобильных катализаторов. Внутр. J. Heat Mass Transf. 126, 1035–1047. DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2018.06.061

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Понтикакис Г. Н., Константас Г. С. и Стамателос А.М. (2004). Моделирование трехкомпонентного катализатора как современный инструмент инженерного проектирования. J. Eng. Газовые турбины Power 126, 906–923. DOI: 10.1115 / 1.1787506

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сантоликвидо, А., Бьянки, Г., Димопулос Эггеншвилер, П., и Ортона, А. (2017). Аддитивное производство периодических керамических подложек для носителей автомобильных катализаторов. Внутр. J. Appl. Ceram. Technol. 14, 1164–1173. DOI: 10.1111 / ijac.12745

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шамим, Т., Шен, Х., Сенгупта, С., Сон, С., и Адамчик, А. (2002). Комплексная модель для прогнозирования характеристик трехкомпонентного каталитического нейтрализатора. J. Eng. Газовые турбины Power 124, 421–428. DOI: 10.1115 / 1.1424295

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Твигг М. и Ричардсон Дж. (2007). Основы и области применения структурированных пенокерамических катализаторов. Ind. Eng. Chem. Res. 46, 4166–4177. DOI: 10.1021 / ie061122o

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фон Рикенбах, Дж., Луччи, Ф., Нараянан, К., Димопулос Эггеншвилер, П., и Пуликакос, Д. (2014). Многомасштабное моделирование гетерогенных реакций, ограниченных массопереносом, в пенопластах с открытыми ячейками. Внутр. J. Тепломассообмен . 75, 337–346. DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2014.03.060

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фон Рикенбах, Дж., Луччи, Ф., Нараянан, К., Димопулос Эггеншвилер, П., и Пуликакос, Д. (2015). Влияние диффузионного сопротивления покрытия в сотовых и пенных каталитических реакторах. Chem. Англ. J. DOI: 10.1016 / j.cej.2015.03.132

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зигуракис, К. (1989). Переходный режим монолитных каталитических нейтрализаторов: двумерная модель реактора и эффекты радиально неоднородного распределения потока. Chem. Англ. Sci. 44, 2075–2086.

Google Scholar

Номенклатура

Влияние добавок к топливу и маслу на характеристики автомобильного катализатора

С тех пор, как на рынке появились автомобильные катализаторы, был проведен значительный объем работ по изучению влияния примесей топлива и масла на активность катализатора.По этой теме опубликовано большое количество статей, особенно в отношении свинца и фосфора.

В начале 1970-х исследования были сосредоточены на катализаторах окисления, но в последнее время в литературе преобладали эффекты на трехкомпонентных катализаторах. В этой статье будут рассмотрены некоторые из этих результатов и будут указаны только исследования, относящиеся к трехкомпонентным катализаторам с монолитной опорой, опубликованные с 1976 года.

Все рассматриваемые здесь катализаторы контроля загрязнения содержат металлы платиновой группы, особенно комбинации платины и родия.Хорошо известно, что эти металлы не только обладают хорошими низкотемпературными характеристиками и высокой температурной стабильностью в выхлопной среде, но также более устойчивы к ядам, чем катализаторы из неблагородных металлов.

Законодательство о выбросах, действующее в настоящее время в США, требует, чтобы катализаторы были долговечными не менее 50 000 миль по дороге. В Калифорнии предполагается, что к 1993 году выбросы от большинства транспортных средств будут сокращены еще больше, см. Таблицу I, с требованием долговечности на 100 000 миль (уже применимо для грузовиков малой грузоподъемности).Совсем недавно конгрессмены Ваксман и Дингелл внесли предложения сократить вдвое значения 1993 года.

Таблица I

Стандарты выбросов США

Европейское законодательство

В Европейском сообществе был принят закон, требующий снижения выбросов от транспортных средств с объемом двигателя менее 1,4 л до уровней, которые считаются эквивалентными действующим стандартам США, которые приведены в таблице II. . Предполагается, что в 1990 году будут приняты Директивы, чтобы гарантировать, что к концу 1992 года все автомобили, независимо от объема двигателя, будут соответствовать этим нижним пределам; в частности, 19 г монооксида углерода на испытание и 5 г углеводородов на испытание плюс оксиды азота.Также предполагается, что будет включен более скоростной загородный ездовой цикл, который будет следовать непосредственно из городского цикла Европейской экономической комиссии. Пределы выбросов будут отражать комбинацию этих двух циклов, но предлагаемые значения все еще обсуждаются. Также обсуждается введение цикла износостойкости 80 000 км, аналогичного используемому в США

Таблица II

Стандарты выбросов Европейского сообщества

Таким образом, очевидно, что к концу 1992 года трехкомпонентные катализаторы будут установлены на все новые автомобили в Европейском экономическом сообществе (E.E.C.). Более строгие нормы выбросов и повышенные требования к долговечности означают, что загрязнение ядами и их влияние на активность катализатора будут важными факторами в общем сроке службы системы выбросов. Таким образом, в обзоре будет изучено влияние свинца и марганца в топливе, а также фосфора и тяжелых металлов в нефти. Также будут рассмотрены результаты исследований по отказу от топлива в США.

Деактивация катализатора по содержанию свинца в бензине

За последнее десятилетие многие исследователи изучали влияние европейского этилированного бензина, обычно содержащего 0.4 или 0,15 г / л приводят к эффективности состава как окислительного, так и трехкомпонентного катализатора, некоторые из которых были разработаны с учетом устойчивости к свинцу. Однако теперь E.E.C. принял закон, требующий, чтобы неэтилированный бензин продавался в Сообществе. В соответствии с тем же законодательством все новые автомобили, продаваемые с октября 1989 года, должны работать на неэтилированном бензине.

Было показано, что дезактивация катализатора свинцом зависит от количества свинца, осажденного на катализаторе, и хотя это, вероятно, возрастет с повышением содержания свинца в бензине, необходимо также учитывать многие другие факторы, включая состав катализатора. , старение катализатора, условия эксплуатации и взаимодействие свинца с другими присадками к топливу и моторным маслам.

Большая часть исследовательской работы, проводимой по этой теме, включала использование лабораторных установок для сжигания или испытательных стендов двигателей для старения катализаторов, а также установок для синтетических выхлопных газов для оценки характеристик катализаторов (1, 2, 3). Не существует стандартной универсальной процедуры испытаний для лабораторных исследований, и, учитывая влияние различных условий, включая температуру газа и соотношение воздух: топливо, возможно, неудивительно, что представленные данные различаются и в некоторых случаях противоречат друг другу. В последнее время работы проводились с автомобилями в реальных дорожных условиях (4).

Долговечность трехкомпонентных катализаторов для применений в Европейском сообществе была исследована путем исследования их активности в зависимости от более высоких температур, встречающихся в режимах движения по автобану в течение продолжительных периодов времени (1). Уровни свинца 1, 3, 5 и 10 мг / л оценивались в исследованиях долговечности пульсаторов и старении динамометра, таблица III. Загрузки платино-родиевого катализатора 40 г / фут ³ и в соотношении 5: 1 поддерживали существенные трехкомпонентные превращения при старении в богатых условиях при максимальных температурах 900-1000 ° C с содержанием свинца 3 мг / л. .Старение при этих температурах привело к значительному уменьшению площади поверхности по БЭТ, что привело к повышению температуры испускания стехиометрических углеводородов. Чистая конверсия оксидов азота и углеводородов после зажигания была улучшена за счет более низкого удерживания свинца на катализаторе. Повышение уровня остаточного свинца до 10 мг / л при старении в импульсных пламенных реакторах при 1000 ° C значительно снизило характеристики трехкомпонентного катализатора после 4000 имитационных миль.

Таблица III

Влияние уровней свинца в топливе на активность пульсаторных катализаторов ^a

Влияние уровней свинца 3 и 10 мг / л на трехкомпонентную активность катализатора исследовали после старение при испытаниях пульсаторов, динамометров и транспортных средств (4).Эта работа показала, что после выдержки в пульсаторе при максимальных температурах 100 ° C катализаторы, состаренные с содержанием свинца 10 мг / л, были более дезактивированы, чем катализаторы, выдержанные с концентрацией 3 мг / л, причем эффект был более заметен, когда состав воздух: топливо был богат стехиометрией. , и в условиях возмущения. Снижение максимальной температуры старения до 730 ° C вызвало большее снижение активности, чем при 1000 ° C, для катализатора, состаренного с 3 мг / л свинца, даже несмотря на то, что площадь поверхности катализатора, состаренного при более низкой температуре, была на 50 процентов больше.Был сделан вывод, что отравляющее действие свинца, осажденного при более низкой температуре, было более значительным для эффективности катализатора, чем потеря такого количества площади поверхности.

Старение динамометра до эквивалента 80000 км ездового цикла Ассоциации автопроизводителей (AMA) с последующими испытаниями транспортного средства показало, что с 3 мг / л свинца автомобиль соответствовал установленным законодательством США ограничениям, но с 10 мг / л свинца были только оксиды азота. в пределах установленных законом пределов, тогда как выбросы углеводородов и окиси углерода были значительно выше.Ряд автомобилей был испытан между 50 000 и 80 000 км A.M.A. вождение в дорожном цикле с использованием свинца 10 мг / л или свинцового топлива. Эти испытания совершенно ясно показали, что при концентрации свинца 10 мг / л невозможно выполнить ограничения законодательства США, отчасти из-за отравления датчика кислорода. Однако со следовым свинцовым топливом это было вполне возможно, см. Таблицу IV.

Таблица IV

Сводка результатов выбросов для автомобилей с долговечностью 80 000 км

Окончательные выводы из этой работы заключались в том, что уровни свинца 3 мг / л не должны вызывать беспокойства ни при каких условиях вождения; но постоянное длительное воздействие на уровнях 10 мг / л недопустимо для долговечности катализатора и датчика кислорода.Стандарт Европейского сообщества на неэтилированное топливо допускает максимальный уровень свинца 13 мг / л. Однако исследования рынка показывают, что в Западной Германии, Швеции, Швейцарии и Австрии уровень ниже 2,5 мг / л является нормой. Аналогичным образом, в Соединенном Королевстве, поскольку неэтилированное топливо стало более доступным, уровни свинца, измеренные в полевых условиях, значительно ниже максимальных и снижаются. Текущее неэтилированное топливо США и Японии содержит менее 1 мг / л свинца, таблица V. Аналогичные тенденции ожидаются в Сообществе по мере приближения 1992 года.

Таблица V

Топливные исследования Ассоциации производителей транспортных средств США

Влияние прошлых пробуксовок Неправильная заправка, то есть использование этилированного бензина в транспортных средствах, предназначенных для использования неэтилированного топлива, была проблемой в США.S.A. Основными причинами этого явления было то, что этилированное топливо было немного дешевле, чем неэтилированное, и что некоторые владельцы ошибочно восприняли улучшение характеристик автомобиля при использовании этилированного топлива. В середине 1970-х годов, во время нехватки топлива, некоторые владельцы были неразборчивы в своем выборе, и иногда неэтилированный бензин был недоступен на более удаленных заправочных станциях, что приводило к неправильной заправке автомобилей с катализатором.

В Европе неэтилированное топливо, как правило, дешевле, чем этилированное, и это устраняет любые стимулы для владельцев автомобилей к намеренному вмешательству в свои автомобили с целью неправильной заправки топливом.Однако такая возможность будет существовать до тех пор, пока есть запасы этилированного топлива для старых автомобилей. В Европе, как и в США, были приняты аналогичные меры предосторожности: все автомобили, предназначенные для работы на неэтилированном топливе, снабжены более узкими отверстиями для топливного бака, чем автомобили, предназначенные для этилированного топлива. Бензонасосы, подающие неэтилированное топливо, имеют соответственно более узкие заправочные патрубки. Несмотря на эти шаги, опыт США показал, что неправильная заправка может произойти, если существует стимул к более дешевому этилированному топливу.Политика ценообразования на топливо в Европе, где неэтилированный бензин дешевле, должна минимизировать эту возможность.

Два исследования, проведенных Агентством по охране окружающей среды, показали, что основными последствиями неправильной заправки топливом являются увеличение выбросов всех трех регулируемых загрязняющих веществ. Наиболее пагубным эффектом является увеличение выбросов углеводородов, за которыми в порядке убывания следуют оксид углерода и оксиды азота (5, 6). Частота неправильных заправок менее важна, чем общее количество потребляемого этилированного топлива.Даже если неправильная заправка происходит периодически, это может в конечном итоге вызвать серьезную дезактивацию катализатора. Некоторая степень реактивации неправильно заправленных катализаторов возможна при условии, что количество инцидентов, связанных с ошибкой заправки топливом, невелико и они носят периодический характер, хотя реактивация никогда не бывает полной; активность углеводородов является наименее извлекаемой.

Очевидно, что даже незначительные инциденты, связанные с неправильной заправкой топлива, наносят ущерб активности катализатора, и необходимо продолжать принимать меры, уже принятые для предотвращения и предотвращения неправильной заправки топливом.

Деактивация катализатора марганцем

В Северной Америке в 1974 году был введен метилциклопентадиенилтрикарбонил марганца (ММТ) в качестве альтернативы или дополнения к свинцовым антидетонационным соединениям в топливе. Хотя его использование в неэтилированном топливе было запрещено в США в 1979 году, он все еще добавляется к этилированному топливу в этой стране и составляет 90 процентов неэтилированного топлива, используемого в Канаде на протяжении более десяти лет.

Во время горения большая часть марганца превращается в оксид гаусманнита (Mn ₃ 0 ₄ ), на образование которого не влияет отсутствие или присутствие других топливных добавок (7).Хаусманнит не действует как химический дезактиватор, но при температурах на входе катализатора выше 850 ° C он может накапливаться на подложке катализатора, вызывая сужение пор и в конечном итоге закупоривая каналы монолита. (8). Оба эффекта приводят к дезактивации катализатора, и эти отложения можно удалить с катализатора только физическими средствами.

Сжигание топлива, содержащего ММТ, приводит к более высоким уровням несгоревших углеводородов, чем топливо без ММТ, что, как следствие, приводит к более высоким выбросам углеводородов из выхлопной трубы (7, 8, 9).

Данные, полученные в ходе программы полевых испытаний MMT Координационного совета по исследованиям, показали, что засорения катализатора не происходит (9). Эта программа для 63 автомобилей, рассчитанная на 50 000 миль пробега, была предпринята с использованием максимальной концентрации ММТ в топливе 16 мг / л. Полевые испытания, проведенные Environment

Canada, показали, что автомобили 1983-85 годов, работающие на неэтилированном бензине, содержащем ММТ, будут соответствовать канадскому стандарту выбросов углеводородов 0,41 г / милю 1988 года.

Совсем недавно было проведено исследование по определению влияния MMT на производительность ряда используемых катализаторов, которые работали в Канаде, и которые прошли от 22 000 до 43 000 миль (10).Авторы подтвердили отложение Mn ₃ 0 ₄ на поверхности катализатора и, по крайней мере, некоторую закупорку каналов. Это сопровождалось снижением функциональной активности и увеличением пробега над катализатором.

Дезактивация катализатора фосфором

В этой статье будет рассмотрено только влияние фосфора, полученного из нефти, на активность катализатора. Некоторые исследования двигателей в лабораторных реакторах и на испытательных стендах показали, что фосфор, полученный из моторного масла, может вызывать потерю активности как трехкомпонентных, так и окислительных катализаторов (11, 12).Основным источником фосфора в выхлопных газах, вероятно, является диалкилдитиофосфат цинка (ZDDP), присутствующий в смазочном масле, который достигает камеры сгорания через поршневые кольца и уплотнения штока клапана. Как сгоревшие, так и несгоревшие формы ZDDP могут присутствовать в выхлопных газах, что приводит к различным эффектам выхлопа катализатора.

Точная природа дезактивации весьма спорна, но, как правило, считается, что она является результатом низкотемпературного осаждения аморфного цинка и / или соединений фосфора на поверхности покрытия.Эти отложения невозможно удалить с катализатора, за исключением условий, которые могут вызвать термическую деактивацию (то есть очень высоких рабочих температур).

Блокировка пор была идентифицирована как один из механизмов дезактивации (12). Сообщалось также о формировании на поверхности покрытия покрытия стекловидного слоя фосфата цинка, непроницаемого для выхлопных газов (11, 12). Взаимодействие благородный металл / фосфор не было идентифицировано как определенный механизм дезактивации. Старение при обогащенном воздухе: соотношение топлива в присутствии сгоревшего ZDDP вызывает большую дезактивацию катализатора, чем аналогичное старение в обедненных условиях (11).

Деактивация ZDDP может быть уменьшена путем увеличения отношения щелочноземельного металла к фосфору в присадках к моторному маслу, это показано данными, приведенными на рисунке 1. Это имеет эффект уменьшения количества фосфора, осажденного на катализаторе. Такие масла были разработаны и уменьшают дезактивацию катализатора без снижения износа двигателя (13, 14). В более поздних работах изучалось влияние уровня фосфора в смазочном масле на характеристики катализатора (14). Эта программа проверяла три уровня фосфора ниже 0.07, 0,07–0,09 и более 0,09%, и изучили влияние на активность катализатора путем прогона образцов в течение длительного периода времени на небольшом испытательном стенде одноцилиндрового двигателя.

Рис. 1

На каталитическую активность монолитных трехкомпонентных катализаторов окисления углеводородов может влиять состав любых отложений на поверхности. Дезактивацию из-за ZDDP в топливе можно уменьшить, увеличив долю щелочноземельных металлов.

В исследовании сделан вывод о том, что отравление катализатора и, следовательно, потеря активности увеличивается с увеличением содержания фосфора в масле.Однако было обнаружено, что потребление масла не оказывает статистически значимого влияния на характеристики катализатора. Масла с высоким содержанием фосфора образовывали плотные когерентные отложения на поверхности катализатора, рис. 2, и проникали в покрытие на большую глубину, чем масла с низким содержанием фосфора, что приводило к едва заметным отложениям, рис. 3 (a) и (b). Эти толстые отложения действуют как диффузионный барьер для выхлопных газов, и, следовательно, происходит снижение активности катализатора.

Рис. 2

Рентгеновский микроанализ участка поверхности катализатора показывает нарастание когерентного слоя фосфора, который проникает в покрытие.

Рис.3

Профили диффузии оксидов, присутствующих в покрытиях катализатора, загрязненных присадками к смазочным маслам; (а) испытательные масла с низким и (б) высоким содержанием фосфора. В каждом случае основным обнаруженным элементом был фосфор, и он проникал на глубину до 30 микрометров в покрытие, с маслом с высоким содержанием фосфора

Подобные отложения фосфора на кислородных датчиках замедляют их время отклика, что может повлиять на точность управления замкнутым контуром система после длительного срока службы.

В исследовании сделан вывод, что масла, разработанные с использованием подходящей противоизносной технологии и пониженного содержания фосфора, являются полезными.

Следует отметить, однако, что в некоторых из этих работ моделировались очень высокие уровни использования масла — до пяти раз превышающие нормальные — за относительно короткое время. Поэтому трудно установить взаимосвязь между этим типом испытаний и реальной долговечностью дороги. Другая работа в испытаниях на долговечность на смешанных дорогах протяженностью более 50 000 миль, когда использование масла не было чрезмерным, но в пределах нормы, показала, что не было никакой корреляции между выбросами выхлопной трубы в тесте FTP75 и уровнями фосфора до 0.1 вес. процентов в масле. Несмотря на эти результаты, вполне реально ожидать, что более низкие уровни фосфора в масле, при условии, что износ двигателя не будет оказываться неблагоприятным образом, должны способствовать увеличению срока службы катализатора.

Выводы

Основные выводы, которые можно сделать из этого обзора опубликованной литературы, заключаются в следующем: содержание свинца 3 мг на литр топлива должно быть приемлемым для большинства условий движения. Для непрерывного использования содержание свинца в топливе 10 мг / л слишком велико для того, чтобы автомобили, оборудованные трехкомпонентными катализаторами, соответствовали U.S. установленные законом ограничения или их эквивалент после 50 000 миль использования. Однако такие высокие уровни не будут регулярно возникать при использовании неэтилированного топлива, поскольку для того, чтобы не превышать максимальный уровень 13 мг / л на сопле насоса, средний уровень должен быть ниже, а на практике, вероятно, будет меньше 3. мг / л.

Неправильная заправка автомобиля очень пагубно сказывается на активности катализатора, даже если инциденты случаются нечасто и периодически. Использование специальных заправочных форсунок и отверстий в баке исключает случайное неправильное заполнение топливом.

Марганец, полученный из MMT, добавленного в топливо, показал некоторое отрицательное влияние на характеристики катализатора при тестировании с накоплением пробега. Эффект, похоже, зависит от температуры. Опыт применения MMT в условиях европейского вождения отсутствует, но ожидается, что MMT не будет использоваться в европейском топливе из-за возможного неблагоприятного воздействия на катализаторы и его токсичности для окружающей среды.

Деактивация фосфором, получаемым из моторного масла, может быть значительной, особенно когда катализаторы работают непрерывно в условиях низких температур и чрезмерного использования масла.Однако хорошо продуманные смазочные материалы и хорошо спроектированные каталитические системы обеспечат соответствие транспортных средств с катализаторами требуемым стандартам выбросов.

Использование катализаторов, содержащих металлы платиновой группы, является наиболее подходящим методом обеспечения более высоких уровней выбросов и целевых показателей долговечности в будущем.

Катализаторы контроля выбросов

Вт.Адди Маевски

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : Катализаторы контроля выбросов, представленные в 1970-х годах, в настоящее время используются во всех типах двигателей внутреннего сгорания, а также в ряде стационарных приложений. В каталитических реакторах для мобильных устройств, известных как каталитические преобразователи, используются монолитные подложки, покрытые катализатором.Термины, которые используются для характеристики характеристик катализатора, включают эффективность преобразования, температуру зажигания и объемную скорость.

Фон

Технологии экологических катализаторов уходят корнями в проблемы загрязнения воздуха легковыми автомобилями, работающими на бензине. Выбросы бензиновых автомобилей были первоочередными целями ранних законодательных актов о загрязнении воздуха, начиная с 1970-х и 1980-х годов. В США федеральные нормы выбросов основаны на четырех законах: Закон о чистом воздухе (CAA) 1967 года, CAA 1970 года и две поправки к нему, принятые в 1977 и 1990 годах [406] .

После принятия CAA и вытекающих из него стандартов выбросов для транспортных средств в середине 1970-х годов в США были внедрены катализаторы окисления (первое коммерческое применение в автомобилях 1975 модельного года) для контроля выбросов CO и HC из бензина с искровым зажиганием (SI). приложения двигателя. Технология трехкомпонентного катализатора, представленная в 1980-х годах, также позволила контролировать выбросы NOx из двигателей SI на уровнях, которые значительно ниже, чем выбросы NOx из дизельных двигателей.Наконец, в 1990-х годах катализаторы окисления были внедрены в автомобили с дизельным двигателем в Европе, а также в двигатели для тяжелых дизельных автобусов и (в ограниченном масштабе) грузовых автомобилей в США. Еще с 1970-х годов дизельные катализаторы также использовались в некоторых производственных средах, например, в подземных горных выработках. В большинстве катализаторов во всех перечисленных выше областях применения в качестве активных компонентов используются благородные металлы платиновой группы.

Вслед за успехом в области применения мобильных двигателей для стационарных применений были внедрены каталитические технологии для контроля летучих органических соединений (ЛОС) и выбросов NOx.Список применений катализаторов включает такие источники выбросов, как химические заводы, процессы окраски и нанесения покрытий, печи, полиграфия, химчистка, производство электроэнергии и, наконец, что не менее важно, стационарные двигатели. Примеры каталитических технологий для стационарных двигателей включают неселективное каталитическое восстановление (NSCR) NOx из двигателей, работающих на обогащенном природном газе, и селективное каталитическое восстановление (SCR) NOx аммиаком из дизельных двигателей.

Широкое распространение и популярность катализаторов для контроля выбросов из двигателей внутреннего сгорания можно объяснить рядом преимуществ, а именно:

• простота и пассивность большинства каталитических систем,
• незначительное отрицательное влияние на двигатель или экономию топлива (низкий перепад давления),
• эксплуатация, не требующая обслуживания или требующая минимального обслуживания,
• доказала свою надежность, а
• относительно невысокая стоимость.

Катализаторы также имеют ряд недостатков и потенциальных проблем, которые необходимо тщательно учитывать при проектировании систем контроля выбросов. Некоторые из проблем включают:

• Зависимость производительности от температуры. В случае двигателей внутреннего сгорания это означает зависимость производительности от условий работы двигателя и рабочего цикла.
• Потеря активности из-за отравления и термической деактивации.
• Возможность нежелательных реакций.В некоторых случаях над катализатором могут образовываться вторичные выбросы.
• Недостаточное наличие на рынке некоторых каталитических материалов, таких как некоторые благородные металлы, может вызвать непредсказуемые колебания цен и дефицит предложения.
• Металлы платиновой группы — в основном платина, палладий и родий — высвобождаемые из каталитических нейтрализаторов в результате истирания, могут накапливаться в почве и растениях вдоль шоссе [1087] и были обнаружены в дорожной пыли и городских отходах, таких как сожженная зола сточных вод [2468] ] , а также в атмосферных твердых частицах в городской среде [1343] , экологические последствия которых остаются неясными.
• Некоторые неблагородные металлы могут быть потенциальным источником вредного воздействия на здоровье и окружающую среду, если они выбрасываются из каталитического нейтрализатора в результате истирания или других процессов. Использование таких металлов может быть ограничено государственными постановлениями и / или руководящими принципами (например, политика правительства Японии, принятая еще в 1970-х годах, ограничивает использование Cu, Ni, V, Co, Cr и Mn в катализаторах контроля выбросов).

###

7.1: Каталитические преобразователи — Chemistry LibreTexts

Каталитический нейтрализатор — это устройство, используемое для снижения выбросов от двигателя внутреннего сгорания (используется в большинстве современных автомобилей и транспортных средств).Недостаточно кислорода для полного окисления углеродного топлива в этих двигателях до двуокиси углерода и воды; таким образом образуются токсичные побочные продукты. Каталитические преобразователи используются в выхлопных системах, чтобы обеспечить место для окисления и восстановления токсичных побочных продуктов (например, оксидов азота, монооксида углерода и углеводородов) топлива до менее опасных веществ, таких как диоксид углерода, водяной пар и газообразный азот.

Введение

были впервые широко внедрены в автомобили американского производства в 1975 году из-за правил EPA по сокращению токсичных выбросов.Закон Соединенных Штатов о чистом воздухе требовал сокращения выбросов всех новых моделей автомобилей на 75% после 1975 года, причем снижение должно было осуществляться с использованием каталитических нейтрализаторов. Без каталитических нейтрализаторов автомобили выделяют углеводороды, окись углерода и окись азота. Эти газы являются крупнейшим источником приземного озона, который вызывает смог и вреден для растений. Каталитические нейтрализаторы также можно найти в генераторах, автобусах, грузовиках и поездах — почти все, что имеет двигатель внутреннего сгорания, имеет форму каталитического нейтрализатора, прикрепленного к его выхлопной системе.

Каталитический нейтрализатор — это простое устройство, в котором используются базовые окислительно-восстановительные реакции для уменьшения количества загрязняющих веществ, производимых автомобилем. Он преобразует около 98% вредных паров, производимых автомобильным двигателем, в менее вредные газы. Он состоит из металлического корпуса с керамической сотовой внутренней частью с изолирующими слоями. Этот сотовый интерьер имеет тонкостенные каналы, покрытые тонким слоем оксида алюминия. Это пористое покрытие увеличивает площадь поверхности, позволяя протекать большему количеству реакций и содержит драгоценные металлы, такие как платина, родий и палладий.В одном конвертере уходит не более 4-9 граммов этих драгоценных металлов.

Конвертер использует простые реакции окисления и восстановления для преобразования нежелательных паров. Вспомните, что окисление — это потеря электронов, а восстановление — это их получение. Драгоценные металлы, упомянутые ранее, способствуют переносу электронов и, в свою очередь, преобразованию токсичных паров.

Последняя секция преобразователя управляет системой впрыска топлива. Этой системе управления помогает датчик кислорода, который отслеживает, сколько кислорода находится в выхлопном потоке, и, в свою очередь, сообщает компьютеру двигателя, что нужно отрегулировать соотношение воздух-топливо, поддерживая работу каталитического нейтрализатора на стехиометрической точке и около 100%. эффективность.

Функции

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор выполняет одновременно три функции:

1. Восстановление оксидов азота до элементарного азота и кислорода: \ [NO_x \ rightarrow N_x + O_x \]
2. Окисление окиси углерода до двуокиси углерода: \ [CO + O_2 \ rightarrow CO_2 \]
3. Окисление углеводородов до диоксида углерода и воды: \ [C_xH_ {4x} + 2xO_2 \ rightarrow xCO_2 + 2xH_2O \]

Есть два типа «систем», работающих в каталитическом нейтрализаторе: «обедненная» и «богатая».«Когда система работает« на обедненной смеси », кислорода больше, чем требуется, и поэтому реакции способствуют окислению монооксида углерода и углеводородов (за счет восстановления оксидов азота). Напротив, когда система работает «богатый», топлива больше, чем необходимо, и реакции способствуют восстановлению оксидов азота до элементарного азота и кислорода (за счет двух реакций окисления). При постоянном дисбалансе реакций система никогда не достигает 100% эффективность.

Примечание: конвертеры могут накапливать «лишний» кислород в потоке выхлопных газов для дальнейшего использования. Это хранилище обычно происходит, когда система работает экономно; газ выделяется, когда в выхлопном потоке недостаточно кислорода. Выделяемый кислород компенсирует недостаток кислорода, полученный в результате восстановления NO _x , или когда происходит резкое ускорение, и система соотношения воздух-топливо обогащается быстрее, чем каталитический нейтрализатор может адаптироваться к этому. Кроме того, высвобождение накопленного кислорода стимулирует процессы окисления CO и C _x H _4x .

Опасности загрязняющих веществ

Без окислительно-восстановительного процесса для фильтрации и преобразования оксидов азота, монооксидов углерода и углеводородов качество воздуха (особенно в больших городах) становится вредным для человека.

Оксиды азота: Эти соединения относятся к тому же семейству, что и диоксид азота, азотная кислота, закись азота, нитраты и оксид азота. Когда NO _x выбрасывается в воздух, он вступает в реакцию, стимулируемую солнечным светом, с органическими соединениями в воздухе; результат — смог.Смог является загрязнителем и оказывает вредное воздействие на легкие детей. NO _x , реагируя с диоксидом серы, производит кислотные дожди, которые очень разрушительны для всего, на что попадает. Кислотный дождь разъедает автомобили, растения, здания, национальные памятники и загрязняет озера и ручьи до непригодной для рыбы кислотности. NO _x также может связываться с озоном, создавая биологические мутации (например, смог) и уменьшая пропускание света.

Окись углерода: Это опасный вариант природного газа, CO ₂ .Не имеющий запаха и цвета, этот газ не выполняет многих полезных функций в повседневных процессах.

Углеводороды: Вдыхание углеводородов из бензина, бытовых чистящих средств, топлива, керосина и других видов топлива может быть смертельным для детей. Дополнительные осложнения включают нарушения центральной нервной системы и сердечно-сосудистые проблемы.

Каталитическое ингибирование и разрушение

Каталитический нейтрализатор — это чувствительное устройство с внутренним покрытием из драгоценных металлов.Без этих металлов окислительно-восстановительные реакции не могут происходить. Есть несколько веществ и химикатов, которые тормозят работу каталитического нейтрализатора.

1. Свинец: Большинство автомобилей работают на неэтилированном бензине, в котором весь свинец удален из топлива. Однако, если свинец добавляется в топливо и сжигается, он оставляет осадок, покрывающий каталитические металлы (Pt, Rh, Pd и Au) и предотвращающий контакт с выхлопными газами, что необходимо для проведения необходимых окислительно-восстановительных реакций.
2. Марганец и кремний: Марганец в основном содержится в металлоорганическом соединении ММТ (метилциклопентадиенилтрикарбонил марганца).MMT — это соединение, используемое в 1990-х годах для увеличения октанового числа топлива (более высокое октановое число указывает на то, что газ с меньшей вероятностью воспламеняется, вызывая взрыв двигателя. Это важно, поскольку двигатели с более высокими рабочими характеристиками имеют высокую степень сжатия, что может требуется бензин с более высоким октановым числом, чтобы дополнить степень сжатия в двигателе), и в настоящее время запрещен к коммерческой продаже из-за правил EPA. Кремний может просачиваться из камеры сгорания в выхлопной поток из охлаждающей жидкости внутри двигателя.

Эти загрязнения препятствуют нормальной работе каталитического нейтрализатора. Однако этот процесс можно обратить вспять, запустив двигатель при высокой температуре, чтобы увеличить поток горячих выхлопных газов через преобразователь, расплавив или сжижая некоторые загрязнения и удалив их из выхлопной трубы. Этот процесс не работает, если металл покрыт свинцом, потому что свинец имеет высокую температуру кипения. Если отравление свинцом достаточно серьезное, весь преобразователь приходит в негодность и подлежит замене.

Термодинамика каталитических нейтрализаторов

Напомним, что термодинамика предсказывает, являются ли реакция или процесс самопроизвольными при определенных условиях, но не скорость этого процесса. Приведенные ниже окислительно-восстановительные реакции протекают медленно без катализатора; даже если процессы термодинамически благоприятны, они не могут происходить без надлежащей энергии. Эта энергия представляет собой энергию активации (\ (E_a \) на рисунке ниже), необходимую для преодоления начального энергетического барьера, препятствующего реакции.Катализатор способствует термодинамическому процессу за счет снижения энергии активации; сам по себе катализатор не производит продукт, но он влияет на количество и скорость образования продуктов.

1. Восстановление оксидов азота до элементарного азота и кислорода: \ [NO_x \ rightarrow N_x + O_x \]
2. Окисление окиси углерода до двуокиси углерода. \ [CO + O_2 \ вправо CO_2 \]
3. Окисление углеводородов до диоксида углерода и воды. \ [C_xH_ {4x} + 2xO_2 \ стрелка вправо xCO_2 + 2xH_2O \]

Каталитический нейтрализатор угон

Из-за наличия драгоценных металлов в покрытии внутренней керамической конструкции многие каталитические нейтрализаторы стали объектами краж.Преобразователь является наиболее легкодоступным компонентом, поскольку он находится снаружи и под автомобилем. Вор мог легко проскользнуть под машину, пропилить соединительные трубки на каждом конце и уйти вместе с каталитическим нейтрализатором. В зависимости от типа и количества драгоценных металлов внутри каталитический нейтрализатор можно легко продать по 200 долларов за штуку.

Глобальное потепление

Хотя каталитический нейтрализатор помог снизить токсичность выхлопных газов автомобильных двигателей, он также оказывает вредное воздействие на окружающую среду.При конверсии углеводородов и окиси углерода образуется двуокись углерода. Двуокись углерода — один из наиболее распространенных парниковых газов, вносящий значительный вклад в глобальное потепление. Конвертеры иногда вместе с углекислым газом перестраивают азотно-кислородные соединения с образованием закиси азота. Это то же соединение, которое используется в веселящем газе и в качестве усилителя скорости в автомобилях. Как парниковый газ, закись азота в 300 раз сильнее углекислого газа и пропорционально способствует глобальному потеплению.

Список литературы

1. Тимберлейк, Карен К. Химия: Введение в общую, органическую и биологическую химию . 10-е изд. Верхняя Сэдл Ривер: Высшее образование Прентис Холл, 2008.
2. Петруччи, Ральф Х., Уильям С. Харвуд и Джефф Э. Херринг. Общая химия: принципы и современные приложения . 9 изд. Река Аппер Сэдл: Prentice Hall, 2006. d Biological Chemistry . 10-е изд. Тимберлейк, Карен К. Химия: Введение в общие, органические и биологические Chmi

Проблемы

1. Каковы потенциальные опасности токсичных веществ, выбрасываемых автомобилем без каталитического нейтрализатора?
2. Какие 3 окислительно-восстановительных реакции происходят в трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе?
3. Каталитический нейтрализатор работает с КПД 100%? Почему или почему нет?
4. Как можно повредить или неправильно использовать каталитические нейтрализаторы?
5. Почему кражи каталитических нейтрализаторов? Что ar

Авторы

Влияние свойств топлива и катализатора окисления на выбросы выхлопных газов для тяжелых дизельных двигателей и дизельных легковых автомобилей на JSTOR

Влияние свойств топлива с точки зрения температуры кипения 90% (T90) и содержания полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), а также катализаторов окисления на выбросы дизельных выхлопных газов было исследовано с использованием трех дизельных двигателей с прямым впрыском (DI) и два дизельных легковых автомобиля с катализаторами окисления.Испытания на выбросы дизельного топлива с использованием двух серий тестовых топлив, одна для изучения воздействия T90, а другая для полициклических ароматических углеводородов, показали, что общее количество углеводородов (THC) и твердых частиц (PM) уменьшается по мере снижения T90. Также было обнаружено, что ТЧ и ТГК имеют тенденцию к снижению с уменьшением содержания полициклических ароматических углеводородов. Степень такого влияния свойств топлива на выбросы выхлопных газов варьировалась в зависимости от двигателей и моделей автомобилей и оказалась меньше в двигателях или автомобилях с более низкими выбросами выхлопных газов.Испытания трех дизельных двигателей с установленными катализаторами, проведенные для определения влияния катализаторов окисления на выбросы выхлопных газов, показали значительное снижение как THC, так и PM. Тенденции к снижению содержания ТГК и ТЧ также наблюдались при испытаниях двух легковых автомобилей с катализаторами окисления. Вышеупомянутые результаты позволяют предположить, что вклад катализаторов окисления в восстановление THC и PM, очевидно, намного больше, чем вклад таких свойств топлива, как восстановление T90 или полициклических ароматических углеводородов.

SAE International — это глобальная ассоциация, объединяющая более 128 000 инженеров и технических экспертов в аэрокосмической, автомобильной и коммерческой промышленности. Основные направления деятельности SAE International — обучение на протяжении всей жизни и разработка добровольных согласованных стандартов. Благотворительным подразделением SAE International является SAE Foundation, который поддерживает множество программ, включая A World In Motion® и Collegiate Design Series.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Дизельный катализатор окисления — обзор

1.1 Предпосылки

Соблюдение строгих стандартов выбросов Евро 6 для легких дизельных автомобилей было серьезной проблемой для большинства производителей дизельных автомобилей с момента вступления в силу в 2014 г. ужесточение с введением реальных норм выхлопных газов от вождения [1].Контроль над двумя основными загрязнителями дизельных двигателей, а именно твердыми частицами (ТЧ) и оксидами азота (NO _x ), остается сложной задачей, которую необходимо решить.

Дизельные ТЧ, или более широко известные как «дизельная сажа», могут вызывать различные респираторные заболевания, такие как астма и рак легких, а также сердечно-сосудистые заболевания из-за своей твердой природы и микроразмеров [2,3]. Сажа химически сложна и в основном состоит из нерастворимых фракций, например твердого углерода и золы, сульфатов и растворимых органических фракций (SOF), которые могут состоять из первичных органических групп, таких как насыщенные / ненасыщенные углеводороды и полициклические ароматические углеводороды (PAH). [4–6].Сажа может образовываться в двигателе в результате частичного сгорания топлива или частичного сжигания смазочного масла [7]. С другой стороны, NO _x является газообразным и состоит из трех основных соединений: оксида азота (NO), диоксида азота (NO ₂ ) и закиси азота (N ₂ O). Его образование происходит из-за нежелательной реакции между атмосферным азотом и кислородом в двигателе по механизму Зельдовича, происходящей за фактическим пламенем или внутри него при температуре выше 1600 ° C [8].NO _x в значительной степени ответственен за подкисление, фотохимический смог и разрушение озонового слоя. Однако NO ₂ , красновато-коричневый, острый и токсичный по своей природе, как сообщается, вызывает кашель, боль в горле, эмфизему и отек легких при вдыхании [4,9]. Использование технологий последующей обработки неизбежно стало основным подходом к соблюдению действующих европейских правил. Хотя установка катализатора окисления дизельного топлива (DOC) и дизельного сажевого фильтра (DPF) все еще требуется для снижения выбросов CO, углеводородов (HC) и PM, дополнительное использование либо обедненной NO _x ловушки (LNT), либо селективной Каталитическое восстановление (SCR) для обработки NO _x строго предписано [10].

DOC — это каталитический нейтрализатор первого поколения, который уже 40 лет должен применяться в автомобилях с дизельным двигателем. Благодаря очень простой рецептуре катализатора (оксид алюминия, пропитанный платиной), DOC представляет собой только двусторонний конвертер; он просто опосредует окисление CO и HC до CO ₂ и H ₂ O [6,11]. ТЧ, с другой стороны, улавливается и периодически удаляется в DPF — пористой монолитной структуре, которая обеспечивает фильтрацию потока через стенку [12–14]. Вскоре после достижения максимальной эффективности фильтрации падение давления на фильтре линейно увеличивается со временем.Это приводит к постепенному противодавлению в двигателе, которое дополнительно влияет на экономию топлива, отсюда и периодическая очистка сажевого фильтра, также известная как «регенерация», посредством окисления. Реакция окисления сажи в некаталитических сажевых фильтрах и сажевых фильтрах на основе SiC обычно требует высоких температур (> 550 ° C) для эффективного протекания [15–17]. Однако это требование является ненасытным, поскольку использование высокого соотношения воздух-топливо в дизельном двигателе приводит к более низким температурам выхлопных газов (300–400 ° C). Обратный впрыск топлива в DOC по умолчанию используется для компенсации этого температурного несоответствия, так как он извлекает выгоду из экзотермичности реакции окисления топлива.Эта система DOC + DPF, в которой DOC расположен выше по потоку, в настоящее время является единственным жизнеспособным подходом к снижению выбросов CO / HC / сажи и широко применяется в большинстве дизельных автомобилей.

1.2 Активная регенерация DPF против пассивной

Проблема высокой рабочей температуры DPF может быть решена с помощью каталитического DPF. Нанесение дополнительных каталитических слоев на внутреннюю стенку фильтра может помочь улучшить конверсию реакции при более низкой температуре. Диоксид церия (CeO ₂ ), известный просто как «церий», был наиболее изученным материалом для каталитического слоя.Церия широко известна своим ранним применением в качестве трехкомпонентного катализатора (TWC), который извлекает выгоду из так называемых «окислительно-восстановительных свойств» [18–22]. Способность церия подвергаться быстрому восстановлению и окислению может обеспечить хорошую подвижность форм кислорода на границе раздела церий-сажа. На ранних этапах разработки каталитических сажевых фильтров предполагалось, что процесс очистки или регенерации будет осуществляться, по большей части, кислородом, так как молекула составляет около 10-15% выхлопных газов. Эта схема известна как «активная» регенерация, потому что требуется «активное» участие кислорода из объемной фазы на границе раздела катализатор-сажа [15,16,23].Предыдущие исследования показали, что количество точек контакта между оксидом церия и сажей играет решающую роль в минимизации температуры реакции [24–26]. Следовательно, в схеме активной регенерации катализатор должен быть не только внутренне активным по отношению к реакции, но также не иметь геометрических ограничений при установлении тесного контакта с сажей.

Высокое соотношение воздух-топливо в дизельном двигателе приводит не только к более низким температурам выхлопных газов по сравнению с бензиновыми двигателями, но и к большему количеству NO _x .Это главное преимущество процесса регенерации, поскольку NO ₂ является более сильным окислителем, чем кислород. Газ настолько сильно окисляет, что контакт между катализатором и сажей становится менее важным. Присутствие NO ₂ в реакции может помочь снизить температуру реакции даже до 250–300 ° C [27,28]. Эта схема называется «пассивной» регенерацией DPF, так как требует меньше энергии и меньше кислорода [15,16]. Однако NO ₂ содержится в выхлопных газах меньше, чем NO, что увеличивает потребность в катализаторе окисления.В 1990 году Джонсон Матти запатентовал конфигурацию фильтра непрерывно регенерирующей ловушки (CRT) [29], которая используется в серии DOC на основе платины (16.1) в качестве катализатора реакции окисления NO и некатализируемого DPF (16.2), где протекает реакция окисления сажи.

(16.1) NO + 0.5O2 → PtNO2

(16.