RESEARCH OF THE EXHAUST TEMPERATURE INCREASE IN THREE - WAY CATALYTIC CONVERTER FOR OBD II NEEDS

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "RESEARCH OF THE EXHAUST TEMPERATURE INCREASE IN THREE - WAY CATALYTIC CONVERTER FOR OBD II NEEDS"

Halina Czyż
9 lat temu
Przeglądów:

1 JournalofKONESInternalCombustionEngines2No.12ISSN12315 RESEARCH OF THE EXHAUST TEMPERATURE INCREASE IN THREE - WAY CATALYTIC CONVERTER FOR OBD II NEEDS Andrzej Ambrozik, Stanisaw W. Kruczyski, Jacek czyski, Dariusz Tomaszewski Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej Warszawa, ul. Narbutta 84 tel. (-22) skruczyn@simr.pw.edu.pl Abstract. The aim of this paper is to present the results of the catalytic reactor diagnosis, basis on exhaust temperature increase in catalyst. In this paper research conditions are introduced and diagnostic signal is defined. The dependence of the conversion of exhaust components CO, HC, NO X, on the catalytic converter activity is presented. The results of diagnostic signal measurement in the function of catalytic converter activity and in the function of exhaust components CO, HC, NO X are illustrated. The paper is finished by analysis of the research results. BADANIA PRZYROSTU TEMPERATUR SPALIN W TRÓJFUNKCYJNYM REAKTORZE KATALITYCZNYM NA POTRZEBY OBD II Streszczenie W pracy przedstawiono wstpne wyniki bada diagnozowania reaktora katalitycznego oparte o przyrost temperatury spalin. Podano warunki bada oraz zdefiniowano sygna diagnostyczny. Przedstawiono zalenoci konwersji CO, HC i NO X od aktywnoci reaktora katalitycznego. Wykresami zilustrowano wyniki pomiarów sygnau diagnostycznego w zalenoci od aktywnoci reaktora katalitycznego oraz w zalenoci od konwersji CO, HC i NO X. Prac zakoczono analiz wyników bada. 1. Wstp Metody diagnozowania trójfunkcyjnych reaktorów katalitycznych na potrzeby OBD podzieli mona na trzy podstawowe grupy oparte o nastpujce pomiary [1]: temperatur (detekcja iloci wydzielonego ciepa), ste tlenu (detekcja ubytku tlenu i utraty przestrzeni jego magazynowania), ste wybranych skadników spalin (bezporednia detekcja sprawnoci pracy reaktora). Obecnie na potrzeby diagnostyki pokadowej rozwijane s dwie pierwsze metody, lub ich kombinacje. Zastosowanie metody bezporedniej, opartej o pomiary ste skadników spalin ograniczane jest brakiem trwaych i niezawodnych detektorów moliwych do zastosowania w eksploatowanych pojazdach. Celem pracy jest ocena moliwoci diagnozowania trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego spalin w oparciu o wyniki pomiaru rónic temperatur spalin przed i za reaktorem wystpujcych przy ustalonych warunkach pracy badanego silnika spalinowego. Poprawno pracy trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego spalin oceniana jest na podstawie wartoci konwersji tlenku wgla, wglowodorów i tlenków azotu. Przyrost temperatury spalin w reaktorze katalitycznym wynika z egzotermicznych reakcji utleniania CO, HC i H 2. Przyrost ten moe by monitorowany za pomoc czujników temperatury 7

2 umieszczonych przed i za reaktorem katalitycznym, bd czujników umieszczonych w samym monolicie reaktora. Spadek rónicy temperatur spalin mierzonych przed i za reaktorem moe by traktowany jako sygna diagnostyczny reaktorów katalitycznych. Diagnostyka ta wymaga zastosowania dokadnego, trwaego i o maej bezwadnoci cieplnej czujnika temperatury pracujcego w wysokich temperaturach i agresywnych chemicznie gazach spalinowych przez okres kilku lat eksploatacji pojazdu. W nieustalonych warunkach pracy silnika, wartoci temperatury spalin i monolitu reaktora katalitycznego ulegaj cigej zmianie. Jeeli pomiary temperatur dokonane by byy podczas stanów nieustalonych, to efektem tego mog by niedokadne wartoci przyrostu temperatur. Wobec tego przyrost temperatury musi by próbkowany podczas ustalonych warunków pracy silnika po czasie niezbdnym dla ustabilizowania si temperatur przed i za reaktorem. Schemat reaktora i miejsca umieszczenia termopar w katalizatorze przedstawiono na rysunku 1. czujnik czujnik temperatury T 2 temperatury T 1 wlot spalin CO+1/2O 2 CO 2 +Q CO CH y +(1+y/4)O 2 CO 2 +y/2h 2 O+Q CHy CO+NO 1/2N 2 +CO 2 +Q CO H 2 +1/2O 2 H 2 O+Q H2 Q Q2 1 wylot spalin 2 T 1 T 2 katalizator aktywny T 1 T 2 katalizator nieaktywny Z Rys. 1. Schemat reaktora katalitycznego przygotowanego do bada przyrostu temperatur spalin jako sygnau diagnostycznego 1 - reaktor katalityczny spalin, 2 - sonda sterujca skadem mieszanki palnej; - strumie ciepa spalin na wejciu do reaktora, Q - strumie ciepa ogrzewajcy zoe reaktora k Q z Q 2 katalitycznego; - strumie ciepa oddawany przez reaktor katalityczny do otoczenia; - ' strumie ciepa unoszony ze spalinami; Q CO, Q CHy, Q CO, Q H - ilo ciepa wydzielona 2 przez reakcje chemiczne zachodzce w reaktorze katalitycznym 2. Stanowisko badawcze Badania eksperymentalne wykonano na stanowisku badawczym z silnikiem Rover 1.4 wyposaonym we wtryskowy ukad zasilania z korekcj skadu mieszanki za pomoc czujnika tlenu. W ukadzie wylotowym silnika zainstalowano trójfunkcyjny reaktor katalityczny Q 1 8

3 Pt-Rh/Al 2 O 3 -CeO 2 o objtoci monolitu dobranej do pojemnoci skokowej silnika. Badany reaktor katalityczny posiada blok wykonany w postaci monolitu metalowego pokrytego nonikiem -Al 2 O 3 -CeO 2 z naniesionymi na nim krystalitami platyny i rodu w proporcji 5:1 i iloci 2. g/dm 3 monolitu. Reaktor katalityczny w celu symulacji procesu dezaktywacji pocito na osiem segmentów o jednakowej dugoci. Symulacji dezaktywacji reaktora katalitycznego dokonywano poprzez wymian segmentów aktywnych z przedniej czci reaktora na segmenty nieaktywne. W ten sposób uzyskano róne poziomy aktywnoci reaktora A poczwszy od aktywnoci A = 1% a do aktywnoci A = % z krokiem równym 12.5%. Aktywno reaktora katalitycznego okrelono jako stosunek objtoci segmentów aktywnych V a do objtoci caego katalizatora V k. A V V a k Rónic temperatur spalin przed i za monolitem katalizatora traktowano jako sygna diagnostyczny mierzony za pomoc termoelementów typu NiCr NiAl umieszczonych w obudowie stalowej. W celu wyznaczenia stopnia konwersji CO, HC i NO X próbki spalin pobierano z przed i z za reaktora i kierowano do zestawu analizatorów spalin mierzcych stenia tlenku wgla metod NDIR, wglowodorów metod FID oraz tlenków azotu metod CLD. 3. Wyniki bada Badania sygnaów diagnostycznych oraz pomiary konwersji skadników spalin w reaktorze katalitycznym przy rónej jego aktywnoci wykonano przy prdkoci obrotowej n = i 3 obr/min i trzech rónych obcieniach silnika M e = 36, 46, 56 Nm odpowiadajcych rónym wzgldnym objtociowym nateniom przepywu spalin przez reaktor katalityczny SV zaczynajc odpowiednio si od 2 h -1 do 5 h -1. Badania przeprowadzono przy staej temperaturze otoczenia. Wyniki bada przedstawiono kolejno na rysunkach 2, 3 i 4, które ilustruj zalenoci odpowiednich konwersji od aktywnoci reaktora katalitycznego. 1 k CO [%] A [%] Rys. 2. Zaleno konwersji tlenku wgla k CO od aktywnoci A reaktora katalitycznego przy rónych nateniach przepywu spalin 9

4 1 khc [%] A [ %] Rys. 3. Zaleno konwersji wglowodorów k HC od aktywnoci A reaktora katalitycznego przy rónych nateniach przepywu spalin 1 knox [%] A [%] Rys. 4. Zaleno konwersji tlenków azotu k NOx od aktywnoci A reaktora katalitycznego przy rónych nateniach przepywu spalin Na rysunku 5 przedstawiono wyniki pomiarów sygnau diagnostycznego T = T 2 T 1 w funkcji aktywnoci reaktora. Sygna diagnostyczny T w tej pracy zdefiniowano jako zmian temperatury spalin wewntrz monolitu reaktora wynikajca z egzotermicznych reakcji utleniania tlenku wgla i wglowodorów oraz redukcji tlenków azotu (rónica temperatur spalin przed i za reaktorem katalitycznym mierzona w jego osi) : T = T2 T 1 1

5 1 T2-T1 [ o C] A [%] Rys. 5. Zaleno rónicy temperatur T = T 2 T 1 spalin od aktywnoci reaktora A Na ry sunkach 6, 7 i 8 przedstawiono zaleno sygnau diagnostycznego T = T 2 T 1 od konwersji tlenku wgla k CO, wglowodorów k HC oraz tlenków azotu k NOx. Analiza wyników bada zalenoci konwersji poszczególnych substancji szkodliwych od aktywnoci reaktora, oraz zalenoci sygnau diagnostycznego (rónicy temperatur) od konwersji CO, HC i NO X prowadzi do nastpujcych wniosków. T2 - T1 [ o C] k CO [%] Rys. 6. Zaleno rónicy temperatur T = T 2 - T 1 od konwersji tlenku wgla k CO 11

6 1 T2 - T1 [ o C] k HC [%] Rys. 7. Zaleno rónicy temperatur T = T 2 - T 1 od konwersji wglowodorów k HC 1 T 2 - T 1 [ o C] k NOx [%] Rys. 8. Zaleno rónicy temperatur T = T 2 - T 1 od konwersji tlenków azotu k NOx 4. Wnioski: Reaktor katalityczny dobrany odpowiednio do pojemnoci skokowej silnika zapewnia poprawn prac reaktora nawet przy utracie prawie 75 % jego aktywnoci co spowodowane jest zasadami doboru reaktorów do silników, które uwzgldniaj ich dezaktywacj w czasie eksploatacji. Przyrosty temperatur spalin wynikajce z konwersji poszczególnych skadników spalin s w niewielkim stopniu zalene od prdkoci obrotowej silnika i jego obcienia. Badania eksperymentalne sygnaów diagnostycznych na potrzeby OBD II w ustalonych warunkach pracy silnika oraz w warunkach pracy pojazdu ECE R83 powinny by prowadzone przy symulacji dezaktywacji reaktora gwarantujcej uzyskanie niskich sprawnoci konwersji skadników szkodliwych spalin. Rónice temperatur spalin w reaktorze katalitycznym mierzone w ustalonych warunkach pracy silnika mog by wykorzystane do diagnostyki reaktora katalitycznego. 12

7 - Celowym jest prowadzenie dalszych bada tego typu reaktorów katalitycznych w rzeczywistych warunkach ich eksploatacji. 5. Literatura [1] Ambrozik A., Kruczyski S.W.: Diagnostyka i monitoring trójfunkcyjnych reaktorów katalitycznych spalin. XXVII Ogólnopolskie Sympozjum DIAGNOSTYKA MASZYN, Wgierska Górka, luty. [2] Kruczyski S.W., czyski J., Tomaszewski D.: Ocena sygnaów diagnostycznych przyrostu temperatur podczas symulowanej dezaktywacji trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego spalin. XXIX Ogólnopolskie Sympozjum DIAGNOSTYKA MASZYN, Wgierska Górka, marzec 2. 13

Podobne dokumenty

POMIARY ST E TLENU W DIAGNOZOWANIU POK ADOWYM TRÓJFUNKCYJEGO REAKTORA KATALITYCZNEGO SPALIN

POMIARY ST E TLENU W DIAGNOZOWANIU POK ADOWYM TRÓJFUNKCYJEGO REAKTORA KATALITYCZNEGO SPALIN DIAGNOSTYKA 7 ARTYKY GÓWNE POMIARY STE TLEN W DIAGNOZOWANI POKADOWYM TRÓJFNKCYJEGO REAKTORA KATALITYCZNEGO SPALIN Andrzej AMBROZIK, Stanisaw W. KRCZYSKI Dariusz TOMASZEWSKI, Jacek CZYSKI Instytut Pojazdów