李艷英

LI Yan-ying

（青島工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266300）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，控制汽車(chē)尾氣排放的主要措施之一就是在汽車(chē)上安裝尾氣催化器，而催化器品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響其對(duì)汽車(chē)尾氣的凈化程度，故對(duì)催化器進(jìn)行快速老化測(cè)試具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。汽車(chē)運(yùn)行時(shí)要經(jīng)過(guò)啟動(dòng)、加速、勻速、減速等一系列工作過(guò)程，各階段的尾氣污染狀況不一樣，故催化器的工作環(huán)境非常復(fù)雜，且大部分時(shí)間工作在250℃～950℃高溫狀態(tài)，有時(shí)甚至超過(guò)950℃。在實(shí)車(chē)上對(duì)催化器品質(zhì)進(jìn)行老化測(cè)試有著諸多缺點(diǎn)，一方面，不同車(chē)輛在行駛過(guò)程中無(wú)法保證排氣溫度、流量、尾氣成份含量、機(jī)械振動(dòng)的一致，測(cè)試條件無(wú)法精確定量，故難以形成統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，實(shí)車(chē)很難提供超負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，過(guò)長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間會(huì)造成人力財(cái)力的浪費(fèi)。

通過(guò)催化器快速老化臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試經(jīng)濟(jì)高效，但目前此類(lèi)快速老化臺(tái)架在國(guó)內(nèi)少有，且多為發(fā)動(dòng)機(jī)老化臺(tái)架，測(cè)試成本較高[1]。本快速老化系統(tǒng)采用燃燒產(chǎn)生廢氣模擬發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣，升溫速率快速可控，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)配合，既可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下產(chǎn)生的尾氣，又可以模擬實(shí)車(chē)行進(jìn)過(guò)程中不同路況造成的復(fù)雜振動(dòng)。該老化測(cè)試系統(tǒng)彌補(bǔ)了實(shí)車(chē)測(cè)試的不足，可提供一個(gè)高低溫氣流交替沖刷、機(jī)械振動(dòng)并存的老化測(cè)試環(huán)境，并且可對(duì)測(cè)試過(guò)程中的溫度、流量、振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行精確控制，能夠?qū)ζ?chē)中普遍使用的催化器進(jìn)行快速老化測(cè)試。

1 催化器的主要工作特性指標(biāo)

評(píng)價(jià)催化器的性能指標(biāo)[2]主要有：空速（SV）特性、空燃比（A/F）特性、起燃溫度特性，在快速老化系統(tǒng)對(duì)催化器進(jìn)行老化前后，分別使用催化器活性評(píng)價(jià)測(cè)試儀進(jìn)行以上三種特性測(cè)試，比較老化前后性能變化來(lái)驗(yàn)證快速老化測(cè)試系統(tǒng)的有效性。

1）空速（SV）特性?？账偈侵赴l(fā)動(dòng)機(jī)尾氣流經(jīng)催化器的流量與催化劑體積的比值，是衡量氣體在催化劑停留時(shí)間長(zhǎng)短的指標(biāo)。

2）空燃比（A/F）特性。催化器的空燃比特性指的是轉(zhuǎn)化效率隨空燃比變化而變化的性質(zhì)，催化器的轉(zhuǎn)化率與發(fā)動(dòng)機(jī)燃料混合氣的空燃比相關(guān)。保持催化器入口溫度Ti及SV不變，調(diào)節(jié)A/F的大小，測(cè)量催化器入口與出口處HC和CO的含量，便可得出催化器的空燃比特性。

3）起燃溫度特性。催化器轉(zhuǎn)化效率的高低也與溫度有關(guān)，只有達(dá)到一定溫度或該溫度以上催化器才能夠工作，使得催化器開(kāi)始工作的最低溫度稱(chēng)為起燃溫度，轉(zhuǎn)化效率隨著溫度的變化便為起燃溫度特性。在一定條件下保持空速（SV）和空燃比（A/F）不變，改變催化器的入口溫度Ti，測(cè)量催化器入口和出口處HC和CO含量，得出催化器的轉(zhuǎn)化率。

2 快速老化測(cè)試系統(tǒng)

2.1 快速老化測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

催化器快速老化測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，該系統(tǒng)通過(guò)燃燒器燃燒汽油產(chǎn)生熱風(fēng)，控制汽油的噴射量調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度，切斷燃料供給，則燃燒器風(fēng)機(jī)僅僅吹出空氣，產(chǎn)生冷風(fēng)。溫度與流量控制系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、檢測(cè)傳感器、燃料控制閥組和點(diǎn)火裝置組成。具體控制過(guò)程為：利用熱電偶傳感器測(cè)得爐內(nèi)溫度數(shù)值，溫度信號(hào)經(jīng)溫度變送器轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸送給PLC，PLC接收到數(shù)字信號(hào)后與給定數(shù)值相比較，對(duì)比較后的結(jié)果進(jìn)行邏輯運(yùn)算并將運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)值控制噴油嘴開(kāi)度和變頻器，變頻器再根據(jù)溫度偏差信號(hào)改變輸出頻率控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整進(jìn)風(fēng)量，工作流程如圖2所示。

圖2 快速老化測(cè)試系統(tǒng)工作流程圖

當(dāng)系統(tǒng)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡工況時(shí)，如加載、卸載和加減速時(shí)，運(yùn)用開(kāi)環(huán)控制，對(duì)事先制取的燃?xì)鈬娚湔伎毡萂AP圖進(jìn)行取值操作，從而控制噴油量和噴油時(shí)刻；當(dāng)系統(tǒng)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工況時(shí)，系統(tǒng)則采用開(kāi)環(huán)與閉環(huán)相結(jié)合的方式控制，根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)中廢氣傳感器反饋的廢氣濃度信號(hào)不同，采取不同的空燃比控制策略實(shí)時(shí)計(jì)算噴氣占空比，使系統(tǒng)工況快速穩(wěn)定并達(dá)到較佳廢氣排放濃度。當(dāng)廢氣濃度波形信號(hào)較大程度偏離理想波形信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)采用增量逼近法，使空燃比快速地逼近理想空燃比范圍（表現(xiàn)為過(guò)量空氣系數(shù)處于在λ窗口內(nèi)）；當(dāng)廢氣濃度波形信號(hào)接近理想波形信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)就采用PI控制，使空燃比穩(wěn)定于理想空燃比范圍。

2.2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用PC-DCS控制方式，由計(jì)算機(jī)、PLC、儀表、傳感器組成；軟件部份采用組態(tài)軟件編寫(xiě)，具有功能多、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。系統(tǒng)由條件設(shè)定、實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)控、歷史曲線(xiàn)、報(bào)表及實(shí)驗(yàn)報(bào)告打印等組成，可以自動(dòng)執(zhí)行實(shí)驗(yàn)的功能，操作人員也可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)整干預(yù)。

通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，可將分析儀的數(shù)據(jù)直接采集到軟件中，并在曲線(xiàn)上實(shí)時(shí)顯示各成份的轉(zhuǎn)化效率，并記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中。同理，其他諸如壓力、流量等信號(hào)也可以方便的擴(kuò)展接入軟件。監(jiān)控界面如圖3所示。

圖3 計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面

2.3 快速老化測(cè)試系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)可以在50℃～950℃之間設(shè)定給定溫度的變化，并設(shè)定高溫持續(xù)時(shí)間和低溫持續(xù)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速升溫和快速降溫，最大溫度變化速率為7000K/min，從而創(chuàng)造一高低溫交替變化的環(huán)境，提供超負(fù)荷的測(cè)試環(huán)境。圖4是實(shí)驗(yàn)中被測(cè)件溫度隨著時(shí)間變化的曲線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的入口溫度為950℃，一個(gè)循環(huán)約為5秒鐘，高溫保持2.5秒左右，低溫可達(dá)到50℃，持續(xù)時(shí)間約為1.5秒。實(shí)現(xiàn)了高低溫冷熱沖擊，以模擬實(shí)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中流經(jīng)催化器的溫度變化，配合頻率可調(diào)的振動(dòng)臺(tái)，模擬實(shí)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中催化器的機(jī)械振動(dòng)。

2.4 系統(tǒng)解決的關(guān)鍵問(wèn)題

1）溫度變化范圍廣，可實(shí)現(xiàn)溫度在50℃～950℃(入口溫度)之間變化；

2）溫度變化速率大，可實(shí)現(xiàn)快速升降溫，最大溫度變化速率為7000K/min；

3）入口溫度的控制精度高，控制精度為±5℃；

4）用變頻器控制風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)最大冷風(fēng)流量1500m3/h，最大風(fēng)壓大于70kpa。

3 汽車(chē)催化器快速老化模式及測(cè)試方法

催化器性能老化形式有高溫老化、化學(xué)中毒、街角和機(jī)械損傷四類(lèi)[3]，發(fā)動(dòng)機(jī)工況不同則催化器的老化形式不同。本系統(tǒng)針對(duì)汽車(chē)催化器，參照國(guó)內(nèi)外車(chē)用催化器快速老化模式及試驗(yàn)方法[4]，模擬汽車(chē)催化器工作特點(diǎn)，測(cè)試系統(tǒng)工作模式設(shè)定如下：保持催化器入口溫度為50℃～950℃，空速SV為5.0×104h-1，加入二次空氣，空燃比保持在14.6±0.2，斷火1.5秒，再點(diǎn)火3.5秒為一循環(huán)，連續(xù)重復(fù)運(yùn)行12小時(shí)，運(yùn)行過(guò)程中連續(xù)測(cè)量催化器床溫，保持在850℃～950℃，可模擬實(shí)車(chē)50000公里左右的老化過(guò)程。

圖5 汽車(chē)用催化器老化前后空燃比特性

4 催化器老化前后主要特性比對(duì)

在催化器活性評(píng)價(jià)儀上測(cè)試催化器老化前后的主要性能，得到催化器的空燃比特性、起燃溫度特性，圖5為催化器老化前后空燃比特性，圖6為催化器老化前后起燃溫度特性。測(cè)試結(jié)果表明，催化器經(jīng)過(guò)12小時(shí)快速老化試驗(yàn)后，其起燃溫度明顯提高，老化后催化器的空燃比特性趨于惡化，整體性能變差，表明該老化系統(tǒng)可使汽車(chē)尾氣催化器快速老化，達(dá)到了考核催化器性能的要求。

圖6 汽車(chē)用催化器老化前后起燃溫度特性

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)以燃燒產(chǎn)生的高溫氣體作為熱源，老化過(guò)程進(jìn)行冷熱沖擊，溫度變化范圍廣，升降溫速率快，控制精度高，與振動(dòng)頻率可調(diào)的振動(dòng)臺(tái)相結(jié)合，既可以實(shí)現(xiàn)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下產(chǎn)生的尾氣，又可以模擬實(shí)車(chē)行進(jìn)過(guò)程不同路況造成的復(fù)雜振動(dòng)。該系統(tǒng)已在某大型催化器生產(chǎn)企業(yè)投入使用，實(shí)用價(jià)值高，節(jié)約了人力物力，降低了催化器開(kāi)發(fā)成本。

[1]方茂東,程勇,詹興泉,李孟良.催化轉(zhuǎn)化器老化試驗(yàn)相關(guān)性研究[J].汽車(chē)工程,2003,25(1):56-60.

[2]毛麗.車(chē)用三效催化轉(zhuǎn)化器劣化性能分析及壽命預(yù)測(cè)研究[D].湖南大學(xué),2011.

[3]黃君.車(chē)用催化轉(zhuǎn)化器臺(tái)架快速老化規(guī)范研究[D].武漢理工大學(xué),2010.

[4]Stavroula Y.Christou,Henrik Birgersson,et a1.Reactivation of severely aged three-way catalysts by washing with[J].Weak EDTA and oxalic acid solutions,2007,(71):158-198.