OKLADKI JOK 2006 No 3 600

Transkrypt

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 3
COMPARATIVE ANALYSIS OF NITRIC OXIDE-TRAPS REACTORS
PROPERTIES WITH MAGNESIUM OXIDE AND BAR ALUMINATES
Stanisáaw KruczyĔski, Wiktor Danilczyk, Wojciech Kamela
Technical University of Warsaw, Institute of Vehicles
Narbutta Street 84, 02-524 Warszawa, Poland
tel.+48 22 6608782, fax: +48 22 8490303
e-mail: [email protected]
Andrzej Darkowski, Maágorzata KsiĊĪopolska
Technical University of Warsaw
Department of Nonorganic Chemistry and Solid Body Technology
Noakowskiego Street 3, 00-664 Warsaw, Poland
tel.+48 22 6607372, fax: +48 22 6282741
e-mail: [email protected]
Abstract
In this paper properties of the LNT reactors were described. In the discussed reactors the bar aluminates and
magnesium oxide were used as a compound for NOX storage. There is also discussed a procedure of reactor studies
and the test bench. The structure of tested reactor and diffraction analysis of catalysts surface was also described,
including pictures from the scanning electron microscope and the X-ray examinations of surface structure with size
determination of noble metals crystallites. Article contain analysis of reactors properties in carbon monoxide and
hydrocarbon oxidation and nitric oxides storage and reduction for botch models of catalysts at conditions when
engine was running by turns rich and lean and when it was running under stechiometrical conditions. Tests were
conducted in few different reactor temperatures. Additionally the analysis of conversion of mine, toxic exhaust gases
under conditions when engine was running low had been conducted to simulate the real conditions in which LNT
reactors are being used. Summary of all results and determinate parameters showed which of elaborated reactors had
better catalytic properties. In this case reactor with magnesium oxide in his structure had better conversion values
than the reactor with bar aluminates.
Keywords: combustion engines, air pollution, catalysts, nitric oxides
ANALIZA PORÓWNAWCZA WàASNOĝCI REAKTORÓW-PUàAPEK
TLENKÓW AZOTU ZAWIERAJĄCYCH TLENEK MAGNEZU I GLINIAN
BARU
Streszczenie
W pracy opisane zostaáy wáasnoĞci reaktorów LNT, w których skáadnikiem magazynującym tlenki azotu jest tlenek
magnezu i glinian baru. Omówiona zostaáa procedura badaĔ oraz stanowisko badawcze. Przedstawiona zostaáa
równieĪ budowa badanych modeli reaktorów i badania fizykochemiczne ich powierzchni aktywnych, w tym obrazy ze
skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) oraz badania rentgenowskie struktury powierzchni wraz
z okreĞleniem rozmiarów krystalitów metali szlachetnych (XRD). Praca zawiera analizĊ wáaĞciwoĞci utleniających
reaktora (tlenku wĊgla i wĊglowodorów) oraz magazynowania i redukcji tlenków azotu przez reaktory, przy zasilaniu
silnika na przemian zmienną mieszanką bogatą i ubogą oraz mieszanką stechiometryczną w róĪnych temperaturach
pracy reaktora. Przedstawiono równieĪ analizĊ wartoĞci konwersji toksycznych skáadników spalin dla przypadku, w
S. KruczyĔski, W. Danilczyk, W. Kamela, A. Darkowski, M. KsiĊĪopolska
którym przez badane reaktory przepáywaáy spaliny z silnika zasilanego mieszanką ubogą. Symulacja ta zostaáa
przeprowadzona w celu odwzorowania rzeczywistych warunków pracy tego typu reaktorów. Podsumowanie
wszystkich wyników zarówno badaĔ, jak i wyznaczonych parametrów pozwoliáo ostatecznie okreĞliü, który
z opracowanych reaktorów charakteryzowaá siĊ lepszymi parametrami pracy. Z dwóch reaktorów, których dotyczy
niniejsza praca lepszym pod wzglĊdem wáaĞciwoĞci katalitycznych okazaá siĊ reaktor zawierający w swojej strukturze
tlenek magnezu.
Sáowa kluczowe: silniki spalinowe, zanieczyszczenie powietrza, raktory katalityczne, tlenki azotu
1.WstĊp
KoniecznoĞü zmniejszenia zuĪycia paliwa i ograniczenia emisji dwutlenku wĊgla przez
pojazdy samochodowe spowodowaáy rozwój technik pozwalających na spalanie w silnikach o
zapáonie iskrowym mieszanek ubogich. Silniki takie np. silniki FSI Volkswagena czy silniki HPI
koncernu PSA, spalają mieszanki uwarstwione o stosunku powietrza do paliwa A/F okoáo 50 i
zawierają w spalinach ponad do 10% tlenu. Pracując w tych warunkach klasyczny trójfunkcyjny
reaktor katalityczny TWC (Three Way Catalyst) wykazuje bardzo sáabą skutecznoĞü redukcji
NOX. Wobec tego rozwinĊáy siĊ technologie budowy reaktorów umoĪliwiających usuwanie NOX
w obecnoĞci tlenu w spalinach. Reaktory takie nazywane są w literaturze puáapkami tlenków azotu
LNT (Lean NOX Traps) PoniĪej przedstawiony jest rysunek obrazujący sposób magazynowania
oraz uwalniania i redukcji NOX w reaktorach typu LNT.
Tlenki azotu (NOx)
Tlen (O2)
Dwutlenek azotu (NO2)
Platyna (Pt)
Tlenek baru
(BaO)
Azotan barowy
(Ba(NO3)2)
Magazynowanie – mieszanka uboga (Ȝ>1)
Tlenek wĊgla (CO)
WĊglowodory (HC)
Wodór (H2)
Azotan barowy
(Ba(NO3)2)
Dwutlenek wĊgla (CO2)
Tlenki azotu (NOx)
Tlenek wĊgla (CO)
Tlenek baru
(BaO)
Dwutlenek wegla (CO2)
Azot (N2)
Platyna (Pt)
Rod (Rh)
Redukcja – mieszanka bogata (Ȝ<1)
Rys. 1. Schemat mechanizmów magazynowania i redukcji tlenków azotu
Fig. 1. Schematics of mechanisms of nitric oxides storage and reduction
Mechanizm redukcji NOX jest nastĊpujący. W pierwszym kroku NO reaguje z O2 tworząc
NO2, który nastĊpnie tworzy termicznie stabilne azotany z zasadowymi tlenkami. W ten sposób
magazynowany NOX stopniowo pokrywa materiaá magazynujący i musi byü okresowo usuwany.
Aby zredukowaü zmagazynowane NOX do azotu, konieczne są okresowe zmiany z mieszanki
ubogiej na mieszankĊ bogatą (okres redukcji – krótki impuls mieszanki bogatej), w której
powierzchniowe azotany rozkáadają siĊ i NOX są nie selektywnie redukowane, poprzez CO, H2 i
HC tak jak to siĊ dzieje w klasycznym reaktorze trójfunkcyjnym [1].
WáaĞciwoĞci materiaáów adsorbujących tlenki azotu są obecnie przedmiotem intensywnych
prac badawczych [1, 2, 3, 4, 5]. Przebadano wáaĞciwoĞci adsorpcyjne miĊdzy innymi tlenków
takich metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych (litowce i berylowce) jak Ca, Na, K, Ba, Sr,
156
Comparative Analysis of Nitric Oxide-Traps Reactors Properties with Magnesium Oxide and Bar Aluminates
Cs oraz Mg. Rysunek zamieszczony poniĪej obrazuje zdolnoĞü niektórych z wymienionych
pierwiastków do magazynowania tlenków azotu w funkcji ich elektroujemnoĞci [6].
Zagazynowane NOx (10 -1 mola)
2
Cs
1,5
K
1
B
Na
0,5
Mg
0
0
0,5
1
1,5
2
Elektrouj emnoĞü
Rys. 2. ZdolnoĞü pierwiastków do magazynowania NOX w funkcji ich elektroujemnoĞci [6]
Fig. 2. Elements ability to storage NOX in function of their electro negativity [6]
2. Reaktory badawcze
Do badaĔ wykorzystane zostaáy modele reaktorów w ksztaácie walca o wymiarach: Ğrednica
Ø=28mm, dáugoĞü l=70mm. Oba reaktory wykonane zostaáy na monolicie z folii stalowej o iloĞci
kanalików 64/cm2, którą pokryto aktywnym noĞnikiem katalitycznym z mieszaniny tlenków:
- 30% BaAl2O4, 10% CeO2, 60% Al2O3 w iloĞci 130 g/dm3 w przypadku reaktora, w którym jako
podáoĪe magazynujące tlenki azotu zastosowano glinian baru,
- 30% MgO, 10% CeO2, 60% Al2O3 w iloĞci 130 g/dm3 w przypadku reaktora, w którym jako
podáoĪe magazynujące tlenki azotu zastosowano tlenek magnezu,
Powierzchnie obu modeli impregnowano metalami szlachetnymi Pt i Rh odpowiednio w iloĞci
2,8 g/dm3 i 1,1 g/dm3.
Obrazy powierzchni aktywnych reaktorów obrazujące ich topografiĊ w powiĊkszeniu 10000
razy uzyskane za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego LEO 1530 przedstawiono na
rysunku 2 i 3.
Rys. 3. Obraz SEM powierzchni aktywnej
reaktora Pt/Rh-BaAl2O4/CeO2/Al2O3
Fig. 3.The SEM view of active surface of reactor
Pt/Rh-BaAl2O4/CeO2/Al2O3
Rys. 4. Obraz SEM powierzchni aktywnej
reaktora Pt/Rh-MgO/CeO2/Al2O3
Fig. 4.The SEM view of active surface of reactor
Pt/Rh-MgO/CeO2/Al2O3
157
Badania XRD powierzchni aktywnych reaktorów wykonano na dyfraktometrze D5000
Siemens-Bruker AXS z lampą Cu wykorzystując liniĊ promieniowania charakterystycznego CuKĮ
o dáugoĞci fali Ȝ=1,54184Å. Wszystkie widma dyfrakcyjne zostaáy zmierzone w geometrii
symetrycznej Bragg-Brentano. PoniĪej na rysunkach 4 oraz 5 przedstawione zostaáy fragmenty
widm dyfrakcyjnych obu badanych reaktorów.
Dla próbki, w której jako związek magazynujący NOX zastosowano glinian baru, przy
zaáoĪeniu, Īe szerokie maksimum leĪące pod kątem 46,41 stopnia naleĪy do fazy metalicznej, to
odpowiada ono staáej sieci 0,3913 nm i z prawa Vegarda odpowiada lokalnemu skáadowi metali
92% Pt + 8% Rh. Z szerokoĞci refleksów korzystając z zaleĪnoĞci Scherrera moĪna okreĞliü
rozmiar krystalitów metali na okoáo 6,7 nm.
W przypadku reaktora Pt/Rh-MgO/CeO2/Al2O3, trudno analizowane podniesienie táa w okolicy
47 stopni sugeruje, Īe maksimum to reprezentuje fazĊ fcc metalu o staáej sieci 0,3849 nm.
Zastosowanie prawa Vegarda (analiza refleksu w okolicy 39,8 stopnia) sugeruje skáad 38% Pt +
62% Rh, a szerokoĞü maksimum ze wzoru Scherrera sugeruje wielkoĞü krystalitów 5 nm.
PowyĪsze oszacowania są jedynie sugestią, a obwarowana zaáoĪeniami analiza jednego
obszaru nie daje caákowicie pewnych wartoĞci pomiarów.
Rys.6. Fragment widma dyfrakcyjnego powierzchni
reaktora Pt/Rh- MgO/CeO2/Al2O3
Fig. 6. Excerpt of diffraction spectrum of reactor
Pt/Rh- MgO/CeO2/Al2O3 surface
Rys. 5. Fragment widma dyfrakcyjnego powierzchni
reaktora Pt/Rh- BaAl2O4/CeO2/Al2O3
Fig. 5. Excerpt of diffraction spectrum of reactor
Pt/Rh- BaAl2O4/CeO2/Al2O3 surface
3. Procedura badaĔ
Do badaĔ wáaĞciwoĞci magazynowania i redukcji NOX przy zasilaniu silnika mieszanką
uboga/bogata sáuĪyá silnik Honda HX 4000 wspóápracujący z prądnica prądu przemiennego. Silnik
pracowaá ze staáą prĊdkoĞcią obrotową wynoszącą 3000 obr/min. Przeáączanie miĊdzy mieszanką
ubogą i bogatą odbywaáo siĊ poprzez otwieranie lub zamykanie zaworu powietrznego
umieszczonego w podstawie gaĨnika. Otwarcie zaworu powodowaáo dostarczenie do silnika
dodatkowego powietrza, a co za tym idzie przejĞcie na pracĊ w trybie mieszanki ubogiej (Ȝ>1).
Praca na mieszance bogatej (Ȝ<1) byáa realizowana przy zamkniĊtym zaworze powietrznym.
Schemat stanowiska przedstawiono na rysunku 6.
Badania wáaĞciwoĞci konwersji CO, HC i NOX przez reaktor, przy zasilaniu silnika mieszanką
stechiometryczną (Ȝ=1) byáy prowadzone na silniku Rover K16. W tym przypadku obciąĪenie
realizowane byáo poprzez hamulec elektrowirowy. Podczas badaĔ oba silniki byáy zasilane
paliwem o zmniejszonej zawartoĞci siarki (poniĪej 10 ppm). UĪyto je w celu zminimalizowania
prawdopodobieĔstwa szybkiego zatrucia reaktora siarką.
Model reaktora umieszczono w elektrycznym piecu rurowym umoĪliwiającym zadawanie
dowolnych temperatur konwersji katalitycznej. WzglĊdne objĊtoĞciowe natĊĪenie przepáywu
158
spalin wynosiáo SV= 20000 h-1. Rejestrowano stĊĪenia skáadników spalin przed i za modelem
badanego reaktora z czĊstotliwoĞcią 0,5Hz. Badania wykonano w nastĊpującym cyklu:
rejestracja stĊĪeĔ skáadników spalin silnika Honda HX 4000 w ciągu 60s pracy silnika na
mieszance bogatej (redukcja reaktora - A/F=14,0) i skokowe przeáączenie silnika na
zasilanie mieszanką ubogą (magazynowanie NOX - A/F=20,0) na okres pracy 100s.
RejestracjĊ taką wykonano dla staáych temperatur konwersji katalitycznej odpowiednio:
162, 214, 285, 318, 360 i 418ºC dla reaktora Pt/Rh-BaAl2O4/CeO2/Al2O3
160, 207, 269, 300, 357 i 407 ºC dla reaktora Pt/Rh-MgO/CeO2/Al2O3
obliczenia bieĪącej konwersji CO, HC i NOX w trakcie rejestracji stĊĪeĔ,
obliczenia Ğredniej konwersji CO, HC i NOX w cyklu symulującym rzeczywiste warunki
pracy silnika spalającego uwarstwione mieszanki ubogie. Cykl ten (okres redukcji + okres
magazynowania) wynosiá: 5s (A/F=14,0) + 60s (A/F=20,0),
– pomiary stĊĪeĔ CO, HC i NOX silnika Rover K16 przy zasilaniu silnika mieszanką
stechiometryczną (Ȝ=1) oraz obliczenia ich konwersji.
Komputer
Analizator
skáadu spalin
firmy
Richard Oliver
Pomiar temperatury
spalin
za reaktorem
Pomiar temperatury
spalin
przed reaktorem
Tunel grzewczy
Spaliny
za reaktorem
Zestaw
gazów wzorcowych
Spaliny
przed reaktorem
Badany
reaktor katalityczny
Elektryczny piec oporowy RTH 940
Obwód do pomiaru emisji bezpoĞrednio za silnikiem
Silnik
Honda HX 4000
z prądnicą
Silnik
Rover K16
Waá
napĊdowy
Przewody
elektryczne
Hamulec elektrowirowy
HEW150
Opornik elektryczny
Rys.7. Schemat stanowiska badawczego
Fig. 7. Schematic of test bench
4. Wyniki badaĔ
Na rysunkach 8÷13 przedstawione zostaáy wyniki pomiarów stĊĪeĔ tlenku wĊgla,
wĊglowodorów oraz tlenków azotu mierzone za i przed reaktorami w warunkach zasilania silnika
na przemian zmienną mieszanką bogatą i ubogą. Przedstawiono równieĪ obliczone wartoĞci
konwersji wymienionych skáadników spalin.
Pomiary wartoĞci stĊĪeĔ dla obu reaktorów byáby przeprowadzane dla kilku wartoĞci
temperatury pracy reaktorów. Jednak w niniejszym opracowaniu przedstawione zostaáy wyniki
tylko dla temperatur, w których reaktory osiągaáy najwyĪsze wartoĞci konwersji tlenków azotu.
159
5
100
100
Za reaktorem
Za reaktorem
60
2
40
A/F = 20,0
1
0
40
80
120
60
2
40
A/F = 14,0
20
1
0
0
A/F = 20,0
20
0
160
40
80
Czas pomiaru [s]
Czas pomiaru [s]
Rys. 8. StĊĪenia CO za i przed reaktorem Pt/RhBaAl2O4/CeO2/Al2O3 oraz wartoĞü konwersji przy
temperaturze pracy reaktora wynoszącej 318°C
Fig. 8. CO concentrations before and after reactor
Pt/Rh-BaAl2O4/CeO2/Al2O3 and conversion value at
the reactor temperature 318°C
500
Rys. 9. StĊĪenia CO za i przed reaktorem Pt/RhMgO/CeO2/Al2O3 oraz wartoĞü konwersji przy
Fig. 9. CO concentrations before and after reactor
Pt/Rh-MgO/CeO2/Al2O3 and conversion value at the
reactor temperature 269°C
500
100
100
Za reaktorem
Za reaktorem
A/F = 20,0
60
200
40
100
20
0
StĊĪenie HC [ppm]
StĊĪenie HC [ppm]
A/F = 14,0
300
40
80
120
300
60
A/F = 20,0
A/F = 14,0
200
40
6
20
0
160
0
0
40
Czas pomiaru [s]
80
1500
1500
100
100
900
60
A/F = 20,0
6
40
300
0
40
80
120
900
60
600
40
6
A/F = 14,0
A/F = 20,0
0
0
160
20
0
0
Czas pomiaru [s]
80
Konwersja
300
20
0
Przed reaktorem
1200
80
Konwersja
StĊĪenie NOx [ppm]
StĊĪenie NOx [ppm]
Za reaktorem
Konwersja NOx [%]
Przed reaktorem
600
160
Rys. 11. StĊĪenia HC za i przed reaktorem Pt/RhMgO/CeO2/Al2O3 oraz wartoĞü konwersji przy
Fig. 11. HC concentrations before and after reactor
Za reaktorem
A/F = 14,0
120
Czas pomiaru [s]
Rys. 10. StĊĪenia HC za i przed reaktorem Pt/RhBaAl2O4/CeO2/Al2O3 oraz wartoĞü konwersji przy
Fig. 10. HC concentrations before and after reactor
1200
80
Konwersja
100
0
0
Przed reaktorem
400
80
Konwersja
Konwersja HC [%]
Przed reaktorem
400
0
160
120
Konwersja HC [%]
0
3
Konwersja NOx [%]
A/F = 14,0
80
Konwersja
Konwersja CO [%]
StĊĪenie CO [%]
3
Przed reaktorem
4
80
Konwersja
StĊĪenie CO [%]
Przed reaktorem
4
Konwersja CO [%]
5
40
80
120
160
Czas pomiaru [s]
Rys. 12. StĊĪenia NOX za i przed reaktorem Pt/RhBaAl2O4/CeO2/Al2O3 oraz wartoĞü konwersji przy
Fig. 12. NOX concentrations before and after reactor
Rys. 13. StĊĪenia NOX za i przed reaktorem Pt/RhMgO/CeO2/Al2O3 oraz wartoĞü konwersji przy
Fig. 13. NOX concentrations before and after reactor
160
Wyniki uzyskane podczas badaĔ prowadzonych na silniku Honda HX 4000 pozwoliáy
wyznaczyü wartoĞci Ğredniej konwersji CO, HC i NOX przy ciągáym spalaniu mieszanki ubogiej
oraz przy spalaniu na przemian zmiennej mieszanki bogatej i ubogiej w funkcji temperatury pracy
reaktora. Szczególnie waĪne z punktu widzenia rzeczywistych zastosowaĔ reaktorów LNT jest
drugie z wspomnianych zagadnieĔ, poniewaĪ pozwala ono w przybliĪeniu okreĞliü jak dany
reaktor zachowywaáby siĊ w komercyjnych zastosowaniach.
Wyniki obliczeĔ konwersji dla omówionych przypadków zasilania silnika przedstawione są na
rysunkach 14÷19.
100
100
Konwersja HC [%]
Konwersja CO [%]
60
40
Pt/RhBaAl2O4/CeO2/Al2O3
20
60
40
20
0
150
80
80
0
200
250
300
350
400
450
500
150
200
250
Temperatura [oC]
Rys. 14. ZaleĪnoĞü Ğredniej konwersji CO od
temperatury dla obu opracowanych reaktorów przy
ciągáym spalaniu mieszanki ubogiej A/F=20,0
Fig. 14. Average CO conversion for both reactors in
function of temperature under conditions when
engine was running low A/F=20,0.
450
500
80
Konwersja CO [%]
Konwersja NOx [%]
400
100
60
40
20
60
40
20
0
150
350
Rys. 15. ZaleĪnoĞü Ğredniej konwersji HC od
Fig. 15. Average HC conversion for both reactors in
100
80
300
Temperatura [oC]
200
250
300
350
400
450
0
150
500
o
Temperatura [ C]
200
250
300
350
400
450
500
Temperatura [OC]
Rys. 16. ZaleĪnoĞü Ğredniej konwersji NOX od
Fig. 16. Average NOX conversion for both reactors
in function of temperature under conditions when
Rys. 17. ZaleĪnoĞü Ğredniej konwersji CO od
spalaniu mieszanki skokowo zmiennej
(5s-A/F=14,0+60s-A/F=20,0)
Fig. 17. Average CO conversion for both reactors in
engine was running by turns rich and low
(5s-A/F=14,0+60s-A/F=20,0)
161
100
100
60
40
20
60
40
20
0
150
80
Konwersja NOx [%]
Konwersja HC [%]
80
0
200
250
300
350
400
450
500
150
200
Temperatura [oC]
250
300
350
400
450
500
o
Temperatura [ C]
Rys. 18. ZaleĪnoĞü Ğredniej konwersji HC od
(5s-A/F=14,0+60s-A/F=20,0)
Fig. 18. Average HC conversion for both reactors in
(5s-A/F=14,0+60s-A/F=20,0)
Rys. 19. ZaleĪnoĞü Ğredniej konwersji NOX od
(5s-A/F=14,0+60s-A/F=20,0)
Fig. 19. Average NOX conversion for both reactors
in function of temperature under conditions when
(5s-A/F=14,0+60s-A/F=20,0)
Badania wáaĞciwoĞci omawianych reaktorów w warunkach zasilania silnika mieszanką
stechiometryczną zostaáy przeprowadzone na silniku Rover K16. W takim przypadku reaktor LNT
zachowuje siĊ jak typowy reaktor trójfunkcyjny. WartoĞci stĊĪeĔ tlenku wĊgla, wĊglowodorów
oraz tlenków azotu za i przed reaktorem posáuĪyáy do wyznaczenia wartoĞci konwersji tych
skáadników spalin w funkcji temperatury pracy reaktora. Uzyskane wyniki zostaáy przedstawione
na rysunkach 20÷22.
100
100
80
Konwersja HC [%]
Konwersja CO [%]
80
60
40
20
0
100
60
40
20
0
200
300
400
500
600
700
100
Temperatura [o C]
200
300
400
500
600
700
Temperatura [oC]
Rys. 20. ZaleĪnoĞü konwersji CO od temperatury dla
obu opracowanych reaktorów przy ciągáym spalaniu
mieszanki stechiometrycznej A/F=14,7
Fig. 20. CO conversion for both reactors in function
of temperature at conditions when engine was
running stechiometrical A/F=14,7
Rys. 21. ZaleĪnoĞü konwersji HC od temperatury dla
obu opracowanych reaktorów przy ciągáym spalaniu
mieszanki stechiometrycznej A/F=14,7
Fig. 21. HC conversion for both reactors in function
of temperature at conditions when engine was
running stechiometrical A/F=14,7
162
100
Konwersja NOx [%]
80
60
40
20
0
100
200
300
400
500
600
700
Temperatura [oC]
Rys. 22. ZaleĪnoĞü konwersji NOX od temperatury
dla obu opracowanych reaktorów przy ciągáym
spalaniu mieszanki stechiometrycznej A/F=14,7
Fig. 22. NOX conversion for both reactors in
function of temperature at conditions when engine
was running stechiometrical A/F=14,7
5. Analiza porównawcza
W celu porównania wáaĞciwoĞci katalitycznych obu reaktorów wyznaczono wartoĞci
wybranych parametrów charakteryzujących konwersje CO, HC oraz NOX dla omawianych
warunków zasilania silnika. Otrzymane wyniki przedstawione są w tabelach 1÷3.
gdzie:
–
TNOx,max - temperatura, w której reaktor uzyskiwaá najwyĪszą wartoĞü konwersji NOX, przy
zasilaniu silnika na przemian zmienną mieszanką bogatą i ubogą,
– kNOx, max - wartoĞü konwersji NOX przy temperaturze pracy reaktora TNOx,max,
kCO,HC (T=NOx, max) - wartoĞü konwersji CO i HC dla temperatury, w której uzyskano
–
najwiĊkszą wartoĞü konwersji NOX,
– kCO,HC,NOx, - najwyĪsze uzyskane wartoĞci konwersji CO, HC i NOX przy zasilaniu silnika
mieszanką stechiometryczną,
– T50CO,HC,NOx – temperatury konwersji 50% trzech analizowanych skáadników spalin przy
zasilaniu silnika mieszanką stechiometryczną,
Tab. 1. WartoĞci wybranych parametrów charakteryzujących konwersjĊ stĊĪeĔ CO, HC i NOX oraz wartoĞci
charakterystycznych temperatur przy spalaniu mieszanki skokowo zmiennej w cyklu 5s-A/F=14,0+60s-A/F=20,0
Tab. 1. Values of chosen parameters that describe CO, HC and NOX conversion and characteristic temperatures at the
conditions when engine was runing by turns rich and low in cycle 5s-A/F=14,0+60s-A/F=20,0
Oceniany
parametr
TNOx,max [ºC]
kNOx, max [%]
kCO(T=NOx, max) [%]
kHC(T=NOx, max) [%]
Reaktor – puáapka NOX
285
35
40
15
163
Pt/RhMgO/CeO2/Al2O3
270
58
55
20
Tab. 2. WartoĞci wybranych parametrów charakteryzujących konwersjĊ stĊĪeĔ CO, HC i NOX przy ciągáym spalaniu
mieszanki ubogiej (A/F =20,0)
Tab. 2. Values of chosen parameters that describe CO, HC and NOX conversion at the conditions when engine was
runing low A/F=20
Oceniany
parametr
kNOx, max [%]
kCO(T=NOx, max) [%]
kHC(T=NOx, max) [%]
Pt/RhPt/RhMgO/CeO2/Al2O3
BaAl2O4/CeO2/Al2O3
17
35
40
50
36
32
Tab. 3. WartoĞci wybranych parametrów charakteryzujących konwersjĊ stĊĪeĔ CO, HC i NOX oraz temperatury
konwersji 50% (T50) tych stĊĪeĔ przy ciągáym spalaniu mieszanki stechiometrycznej (A/F =14,7)
Tab. 1. Values of chosen parameters that describe CO, HC and NOX conversion and temperatures of 50% conversion
(T50) at the conditions when engine was runing stechiometrical A/F=14,7
Oceniany
parametr
kNOx, [%]
T50NOx [ºC]
kCO [%]
T50CO [ºC]
kHC [%]
T50HC [ºC]
Pt/RhPt/RhMgO/CeO2/Al2O3
BaAl2O4/CeO2/Al2O3
73
93
500
400
70
90
490
420
75
90
460
440
6. Wnioski
1. Opracowane reaktory-puáapki NOX znacznie róĪnią siĊ swoimi wáaĞciwoĞciami
katalitycznymi. Wykazano równieĪ, Īe w trakcie zasilania silnika mieszanką bogatą w obu
reaktorach wystĊpowaá proces uwalniania i redukcji NOX,
2. Podczas zasilania silnika mieszanką stechiometryczną oba reaktory zachowywaáy siĊ jak
typowe reaktory trójfunkcyjne
3. Najlepszymi parametrami charakteryzuje siĊ reaktor Pt/Rh-MgO/CeO2/Al2O3 uzyskujący:
– przy spalaniu mieszanki skokowo zmiennej najwyĪszą 58% maksymalną, Ğrednią
konwersje NOX przy temperaturze 270ºC, a konwersje stĊĪeĔ CO i HC
odpowiednio 55 i 20% w tej samej temperaturze,
– przy ciągáym spalaniu mieszanki ubogiej najwyĪsze konwersje NOX i CO
(odpowiednio okoáo 35% i 50%) w temperaturze 270 ºC przy porównywalnej
konwersji stĊĪeĔ HC,
– przy ciągáym spalaniu mieszanki stechiometrycznej najwyĪsze (okoáo 90%)
konwersje stĊĪeĔ wszystkich trzech skáadników toksycznych w najniĪszych
temperaturach (400-440ºC).
Literatura
[1] Brogan, M., Brisley, R., Walker, D., Webster, D., Boegner, W., Fekate, N., Kramer, M.,
Krutzsch, B., Voightlander, D., Evaluation of NOx Storage Catalysts as an Effective
System from NOx Removal from the Exhaust of Lean Burn Gasoline Engines,
SAE Technical Paper 952490.
[2] Miyoshi, N., Matsumoto, S., Katoh, K., Tankak, T., Harada, J., Takahashi, N., Yokota, K.,
Sugiura, M., Kasahara, K., Development of New Concept Three Way Catalyst for
Automotive Lean Burn Engines, SAE Technical Paper 950809.
164
[3] Boegner, W., Kramer, M., Krutzsch, B., Pischinger, S., Voightlander, D., Wenniger, F.,
Wirbleit, F., Brogan, M., Brisley, R., Webster, D., Removal of Nitrogen Oxides from
the Exhaust of Lean-tune Engine, Applied Catalysis B Environmental 7. 153-171, 1995.
[4] Feeley, J., Deeba, M., Farrauto, R., A catalytic management system for lean burn
engines, Catalysis and Automotive Pollutin Control IV. Studies in surface Science
and Catalysis. Vol. 116. 1998 Elsevier Science B,V.
[5] Hepburn, J., Thanasiu, E., Dobson, D., Watkins, W., Experimental and Modeling
Investigations of NOx Trap Performance, SAE Technical Paper 962051.
[6] Takeuchi, M., Matsumoto S., NOx Storage Reduction Catalysts for Gasoline Engines, In
Topics in Catalysis; Burch R.: Ed 2004, Vol.28.
165

OKLADKI JOK 2006 No 3 600

Transkrypt

Podobne dokumenty

Inżynier Jakości Audytor

Ocena wpływu ładunku platyny na redukcję NOX w reaktorze Pt/Al2O3

Torba kurierska 11 Nox Aquila - ulotka produktu - Tech

NOWY KATALIZATOR TLENKOWY DO USUWANIA