一種測定汽車尾氣凈化三效催化劑儲氧量的方法與流程
本發明涉及汽車尾氣凈化三效催化劑的性能評價試驗方法，尤其涉及汽車尾氣凈化三效催化劑在多功能催化性能評價裝置上實現儲氧量測試的方法。
背景技術：
隨著汽車尾氣排放法規的日益嚴格，催化轉化器成為控制碳氫化合物(hc)、氮氧化物(nox)和一氧化碳(co)等尾氣污染物排放最為有效的技術對策之一，是減少汽車尾氣污染物排放的必備零部件，安裝于汽車排氣系統中。三效催化劑作為汽油車尾氣催化轉化器的核心部件，其儲氧能力的好壞或總儲氧量的多少決定著催化轉化器對汽車在瞬態工況下hc和co污染物的凈化效果，因此，三效催化劑的儲氧量是衡量當今汽油車尾氣催化轉化器性能的重要因素之一。
從三效催化材料分析方面著手，儲氧量的測試主要采用h2-tpr計算法和h2-o2滴定法兩種。然而，三效催化材料和三效催化劑的儲氧量之間仍存在著很大的差異，使得催化材料的儲氧量并不能直接反映催化劑的優劣，因而不能有效指導三效催化劑的研究。為高效開發能夠滿足日趨嚴格的排放法規的三效催化劑，急需開發一種快速、準確、低成本化的催化劑儲氧量測試方法。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種在多功能催化性能評價裝置上實現汽車尾氣凈化三效催化劑儲氧量測試的方法，該測試方法對于高性能三效催化劑的高效開發有著非常重要的作用。
本發明涉及的儲氧量測試原理：采用突變式控制多功能催化性能評價裝置反應配氣中o2濃度，當反應配氣從富燃條件切換至稀燃條件時，由于催化劑的氧儲存作用使得催化劑后的o2濃度平衡時間出現滯后現象，通過o2濃度對平衡時間積分實現三效催化劑儲氧值的測量。
硬件條件：反應配氣質量流量控制器、紅外反應爐、高精度氧分析儀(型號：mexa7100h)、數顯游標卡尺等(見圖1)。
軟件條件：origin數據處理軟件，主要用于o2濃度函數的積分計算。
儲氧量測試方法的具體步驟如下：
(1)樣品的取樣
利用鋸條從蜂窩狀汽車尾氣凈化三效催化劑截取長度不小于75mm、截面邊長不小于25mm的長方體試樣，用內徑不小于25mm的不銹管將其試樣沿長邊挫成圓柱形，然后采用數顯游標卡尺測量圓柱形試樣的直徑和長度，多次測量取平均值，測量次數不少于5次，結果精確至0.1mm。
根據催化劑試樣的直徑和長度計算出其體積，單位為ml。
(2)氧分析儀的標定
首先通入n2進行零點標定，o2濃度值在±0.002％范圍內穩定120s視為零點標定成功，然后通入不少于5個不同標氣濃度進行o2濃度檢測標定，每個濃度標定點測量誤差均不大于0.5％視為o2濃度檢測標定成功。
若標定不成功，則調節增益系數直至標定成功。
(3)氣密性檢查
將催化劑試樣裝入紅外反應爐并用特定密封材料進行密封，關閉催化劑后端出氣口閥門，通入一定量的n2至反應壓力穩定，停止供氣后5分鐘內反應壓力衰減率不高于5％視為氣密性良好。
若5分鐘內反應壓力衰減率高于5％，則重新檢查多功能催化性能評價裝置的所有可能漏氣的連接口，直至氣密性檢查通過。
(4)催化劑試樣的預處理
根據空速條件和催化劑試樣體積計算所需反應配氣的總流量，根據除n2以外的各組分反應氣瓶的濃度計算其流量，最后確定需補充高純n2的流量。
在稀燃條件反應配氣氣氛條件下以30℃/min的速率從室溫升溫至儲氧量測試指定溫度。
稀燃條件反應配氣為：0.8％co+0.8％o2+10％co2+10％h2o+n2(平衡氣)。
(5)儲氧量的測試方法
在儲氧量測試指定溫度條件下，稀燃和富燃條件反應配氣之間進行突變式切換，稀燃條件的保留時間(記為δt)根據新鮮催化劑試樣或老化催化劑試樣而定，新鮮樣品測試時稀燃條件的保留時間為50～120s，老化樣品測試時稀燃條件的保留時間則為30～80s。
富燃條件反應配氣為：0.8％co+10％co2+10％h2o+n2(平衡氣)。
稀燃和富燃條件之間進行突變式切換次數不少于4次。
稀燃條件末15s內的氧分析儀o2濃度檢測值的平均值記為α。
(6)氧分析儀檢測滯后時間的確定
由于氧分析儀的取樣管及其閥門存在一定的死體積，使得氧分析儀的檢測出現滯后現象。
氧分析儀檢測滯后時間定義：在不裝催化劑條件下，反應配氣從富燃條件突變為稀燃條件至氧分析儀檢測值開始發生明顯變化所需的時間，記為β(見圖2)。
(7)儲氧量的計算
根據本發明涉及的儲氧量測試原理推導出的儲氧量計算公式如下：
催化劑的氧儲存作用產生的催化劑后端o2濃度變化總量為
式中，t1為儲氧量測試開始至富燃條件切換為稀燃條件的運行時間,單位為s；
f(t-β)為催化劑后端的實時o2濃度變化函數。
催化劑試樣的氧儲存量為
式中，ρ0為純氧的密度，取1.429mg/ml；
v為反應配氣的總體積流量，單位為l/min。
單位體積催化劑的氧儲存量為
式中，vcat.為催化劑試樣的體積，單位為ml。
將空速
將ρ0＝1.429mg/ml代入，化簡可得
式中，定積分項
選定從t1到t1+δt區域→analysis→ingetrate，點擊“ok”按鈕后得到的“area”值即為定積分值。
由于采用了上述儲氧量測試和計算方法，本發明具有以下優點：
本發明所述汽車尾氣凈化三效催化劑儲氧量測試是在多功能催化性能評價裝置上實現的，測試成本低，測試結果準確且可靠性高；
一顆催化劑包括預處理在內的儲氧量測試僅需30～50分鐘，測試效率高；
催化劑的儲氧量是通過origin數據處理軟件積分計算得出的，人為誤差小，儲氧量可測試下限低，這一點優于根據催化劑前后o2濃度變化時間差計算儲氧量的方法。
附圖說明
圖1為本發明硬件系統的示意圖
圖2為本發明β值及測定方法
圖3為本發明
圖4為新鮮催化劑的儲氧量測試試驗結果的曲線圖。試驗地點：昆明貴研催化劑有限責任公司分析測試中心；試驗人員：王成雄。
圖5為極限老化催化劑的儲氧量測試試驗結果的曲線圖。試驗地點：昆明貴研催化劑有限責任公司分析測試中心；試驗人員：王成雄。
具體實施方式
為了使本發明實現的技術手段和創作特征更加清楚并易于理解，下面結合儲氧量測試實例和附圖對本發明做進一步闡述：
催化劑樣品的取樣是利用鋸條截取試樣后，借助不銹鋼管將其挫圓，催化劑樣品的長度不小于75mm、直徑不小于25mm，并采用數顯游標卡尺準確測量催化劑樣品的長度和直徑，結果精確值0.1mm，根據測量值計算其體積。
圖1是多功能催化性能評價裝置的硬件系統示意圖，包括反應配氣質量流量控制器、紅外反應爐、高精度氧分析儀、紅外爐溫度控制器、計算機主控等。
說明：
1)紅外反應爐具有升溫、降溫速率快，恒定溫度控制精度高等特點，適合應用于催化劑的儲氧量測試；
2)紅外爐溫度控制器包括爐腔紅外加熱器及其控制系統、爐壁冷卻系統；
3)計算機主控用于控制質量流量控制器、紅外反應爐、高精度氧分析儀、紅外爐溫度控制器。
催化劑的儲氧量測試之前，應對硬件系統進行檢驗和校準，包括如下步驟：
步驟1：紅外反應爐中裝填待測催化劑試樣并進行密封后，做硬件系統的氣密性檢驗；
步驟2：對高精度氧分析儀進行零點校準和o2濃度檢測標定；
步驟3：稀燃/富燃突變式交替切換測定高精度氧分析儀的檢測滯后時間β(見圖2)。
催化劑的儲氧量測試試驗包括催化劑預處理和儲氧量測試，預處理是在稀燃條件下以30℃/min的速率升溫至儲氧量測試指定溫度，儲氧量測試是在恒定指定測試溫度的條件下進行稀燃/富燃突變式交替切換。
本發明的實施例中，通過如下公式得到所述汽車催尾氣凈化三效催化劑的儲氧量，其中，所述公式為
催化劑儲氧量計算結果的單位為mg/lcat.。
式中，
實施例1選用新鮮催化劑樣品進行儲氧量測試，催化劑試樣的直徑為26.6mm，長度為77.0mm，體積為42.79ml，空速為40000h-1，測試溫度為550℃，反應氣按發明內容所述的稀燃/富燃條件之間進行突變式切換，切換次數為4次，每隔80s切換一次，β的檢測值為12.5s，
則osc＝0.00397×40000×5.8323＝926.17mg/lcat.。
該催化劑在相同溫度條件下的臺架測試結果為945.13mg/lcat.，可見本發明涉及儲氧量測試方法的測試結果具有可靠性。
實施例2選用老化催化劑樣品進行儲氧量測試，催化劑試樣的直徑為26.5mm，長度為70.3mm，體積為38.77ml，空速為40000h-1，測試溫度為550℃，反應氣按發明內容所述的稀燃/富燃條件之間進行突變式切換，切換次數為4次，每隔50s切換一次，β的檢測值為12.5s，
則osc＝0.00397×40000×0.8802＝139.78mg/lcat.。
臺架測試無法獲得該老化催化劑的儲氧值，說明本發明涉及儲氧量測試方法的可測試下限低。
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