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CN100381681C - 将催化剂设备人工老化的方法和装置 - Google Patents

将催化剂设备人工老化的方法和装置 Download PDF

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CN100381681C CNB03820908XA CN03820908A CN100381681C CN 100381681 C CN100381681 C CN 100381681C CN B03820908X A CNB03820908X A CN B03820908XA CN 03820908 A CN03820908 A CN 03820908A CN 100381681 C CN100381681 C CN 100381681C
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Abstract

本发明涉及一种用于人工老化催化转化器(6)的方法，该方法用于在实验台上转化包含至少一种得自含C、含HC和含NOx组分的成分的废气。根据所述方法，包含至少一种得自含C、含HC和含NOx组分的成分的热的老化气体通过催化转化器(6)。本发明也涉及相应的设备。

Description

将催化剂设备人工老化的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于人工老化催化剂设备的方法，并涉及一种适合实施该方法的装置。
背景技术
在过去，美国加利福尼亚州由于通过对汽车施行了早先且严格的排放量法规而名声大噪。该法规意味着必须开发使用寿命超过100000英里的废气后处理系统。在欧盟，立法机关采用排气分类(exhaust classification)Euro 3，规定使用寿命为80000km，并且之后通过引入排气分类Euro 4，从2005年起，车辆标准(vehicle models)的使用寿命为100000km。
为了减少交通产生的空气污染，在1998年，加利福尼亚大气资源委员会(CARB(the California Air Resources Board))对于加利福尼亚中具有OBD(车载诊断(On-Board Diagnosis))的所有汽车提出了更严格的排放量限制。除了这些更严格的规定之外，与废气相关的所有部件必须通过有效的电子控制器进行连续监控。从标准年度(model year)2001年起，欧盟对于所有汽车提出了类似的规定。排气分类区别于排放量的极限值和车载诊断的极限值之间。OBD的极限值由CARB提供固定的破坏系数(deterioration factor)并用来反映老化部件的性能。因此当超过该排放量极限时，通过视觉系统驾驶员可以知道与排放物相关的部件出现了故障。
为了显示故障检测，所有车载诊断的监控必须在使用相应的老化部件之前、在立法机关批准(认同)期间认证。另外，必须提供这样的证明：根据预定的寿命满足由立法机构规定的排放量指标。
除了类型认证之外，该领域中尤其是加利福尼亚和美国的立法机构正在监控汽车制造商以确定所规定的规则是否被遵守及法定的规则是否可以进一步扩展。例如，从注明2004年起实行的标准中应用的LEVII法规主要提供了NOx排放量的更严格的规定。该规定特别应用于OBD，因为目前仅仅规定了烃(HC)排放量，这意味着汽车制造商也只能使用诊断(diagnosis)技术以监控废气中烃转化的劣化。由于近年来的经验和实地测试已经确定氮氧化物排放物不具有与烃排放物相比的老化性能，因此从注明2004年起实行的标准中，除了烃排放物之外还必须监控过量的NOx排放物。
例如，依照在美国提出的LEVII法规，对于不含甲烷的烃排放物或氮氧化物排放物，来自欲监控的催化剂中的排放物必须不超过要采用的排气极限的1.75倍以上，并且对于不含甲烷的烃排放物或对于氮氧化物排放物，老化的催化剂的转化速率不能下降到50％以下。
另外，对于不提供汽缸(在所检测到的熄火水平高于破坏催化剂的熄火水平的情况下该气缸将被关闭)的制造商，LEVII法规要求老化整个排气系统。
由立法机构施加的不断增加的要求需要汽车制造商对与废气排放相关的部件的老化过程投入更多的研究。
老化的部件表示在每一辆车辆的使用期间在与废气相关的研究中的重要部件。例如，一方面必须确定老化的部件对排放物有什么影响，另一方面必须确定相对于新的部件性能改变到什么程度。必须在使用期间在软件中相应地处理该信息。
在此上下文中，催化剂排气系统的老化性能和老化状态的模拟是极其重要的。
目前，主要有三种不同的人工老化方法用于老化机动车辆的催化剂。
方法之一是在汽车中模拟熄火。未燃烧的空气和燃料的混合物在催化剂中后燃烧(afterburnt)并且产生相当高的催化剂温度。然而，在过去已证明该老化方法是不可再现的，因为不可能确定用于老化不同的催化剂体系的相同的循环。而且，在恒定的操作点期间难以将催化剂中的温度保持在同一水平。另外，由于不能控制催化剂中未燃烧燃料的燃烧和相关的温度峰值，该部件受到削弱，甚至达到在视觉上催化剂被破坏的程度。此外，该老化方法是相对消耗时间的且成本昂贵，因为它通常需要许多催化剂用于不同的测试，并且还因为使用昂贵的发动机实验台及其实用性。
另一种催化剂老化的方法是熔炉或真空熔炉老化法。在该方法中，在熔炉中1000-1350℃温度下仅仅老化整块的催化剂。老化后，该催化剂块必须通过相应的供给装置(supplier)以置于催化剂室中。然后，为了稳定排气，相应的老化部件必须安装在车辆中并且运行几百公里。如果在一个废气测试后没有实现排气目的，则必须重复该老化过程。通常，为了获得转化速率所要求的劣化，需要多次重复老化步骤。该方法可导致在OBD应用过程中相当长的时间延迟。除了消耗时间之外，拆除和安装催化剂的工作以及在每一次老化步骤之后必须经过的稳定化程序也包括使用昂贵的资源。此外，该老化方法不能用于老化整个排气体系，因为不能使用该方法模拟因车辆中催化剂位置的不同而引起的部件的不同负载。
除了上述方法之外，也采用在发动机实验台上人工老化催化剂的方法。在一个特定的长期运转周期内，催化剂经受极高的温度峰值和极端的操作状态以加速老化。另外，通过λ控制器干扰(lambda controller interventions)以调节“富”或“贫”的混合物可以加速老化。由于使用发动机实验台，该方法相对昂贵并且不能转换至不同的排气体系。在此上下文中，为了后燃烧更有效，还可以使用富含废气的混合物和另外的富含氧气的废气的组合。然而，已发现由于出现了温度峰值，在催化剂中可能出现部分熔化或者甚至整块完全腐蚀。
因此，列出的所有方法都是需要相对较高的资源成本例如发动机实验台，或者需要有未知数目的测试载体(test carriers)为必要条件的反复老化的方法。另一个问题在于现有催化剂是为了单个汽车制造商而定制的，例如具有不同的单元密度(cell density)和/或不同水平的贵金属，因此这些催化剂之间的老化特性不同。所以，目前不可能采用使废气劣化达到可比较的程度的相同的老化循环。
US 2001/0054281 A1披露了一种用于人工老化催化剂设备的方法，其中将包含含C、含HC和/或含NOx组分的热的老化气体通过催化剂设备，该催化剂设备在催化剂实验台上使用并适合转化包括含C、含HC和/或含NOx组分的废气。由燃烧器直接提供的全部的老化气体流要求采用很高水平的燃料且相应地排放CO2)，而且需要在催化剂设备的入口处连接废气冷却器以产生在发动机中通常遇到的废气温度。
在用于人工老化从WO 03/014620A1中所知的人工老化催化剂设备的方法中，也通过水冷(water cooling)来冷却老化气体。
GB 2356826A披露了一种用于人工老化催化剂设备的方法，其中由内燃机产生的废气与二次空气混合，在送入空气冷却的催化剂设备之前过量的燃料用二次空气进行燃烧。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于人工老化催化剂设备的方法以及一种适合该方法的装置，该方法和装置可以使得人工老化标准化。
具体地，本发明涉及以下的用于人工老化催化剂设备的方法和适合该方法的装置：
项1.一种用于人工老化催化剂设备的方法，在催化剂实验台上使用该催化剂设备以转化包括至少一种得自含C、含HC和含NOx组分的成分的废气，在该方法中使包括至少一种得自含C、含HC和含NOx组分的成分的热的老化气体流过该催化剂设备，热的老化气体通过用于在催化剂实验台上使用并适合转化包括含C、含HC和/或含NOx组分的废气的催化剂设备，其特征在于：从所述催化剂设备排出的气体部分地与要送入催化剂设备的老化气体混合，以便进行再循环。
项2.如项1中所述的方法，其特征在于：所用的热的老化气体是通过燃烧含C燃料产生的废气。
项3.如项2中所述的方法，其特征在于：通过用燃烧空气燃烧而在燃烧器中产生热的废气。
项4.如项2中所述的方法，其特征在于：在燃气轮机中产生热的废气。
项5.如项1-4中任一项中所述的方法，其特征在于：通过鼓风机使热的老化气体通过催化剂设备。
项6.如项1-5中任一项中所述的方法，其特征在于：在＞250℃的温度下将老化气体引入催化剂设备。
项7.如项6中所述的方法，其特征在于：在＞700℃的温度下将老化气体引入催化剂设备。
项8.如项7中所述的方法，其特征在于：在约1000℃-约1250℃的温度下将老化气体引入催化剂设备。
项9.如项3-8中任一项中所述的方法，其特征在于：在燃烧操作期间产生λ＞1的热的废气。
项10.如项9中所述的方法，其特征在于：在燃烧操作期间产生λ＞1.5的热的废气。
项11.如项2-10中任一项中所述的方法，其特征在于：所用的燃料是选自气态和液态流体的可燃烧的含C流体。
项12.如项11中所述的方法，其特征在于：所用的燃料是低硫燃料。
项13.如项12中所述的方法，其特征在于：使用硫含量＜10ppm的燃料。
项14.如项13中所述的方法，其特征在于：使用硫含量＜5ppm的燃料。
项15.如项2-14中任一项中所述的方法，其特征在于：燃料与燃烧空气的比例以预定的周期变化。
项16.如项15中所述的方法，其特征在于：催化剂设备经受与组合负荷循环相应的不同的老化气体组分和老化气体温度。
项17.如项16中所述的方法，其特征在于：催化剂设备经受对应于复合车辆操作的负荷。
项18.如项1-17中任一项中所述的方法，其特征在于：催化剂设备在每一种情况下，在老化步骤之后经受多次诊断，其中作为氧气储存能力的量度的后催化剂传感器的振幅比例与模型进行比较，该模型与相关极限催化剂匹配，并且由与模型化的后催化剂传感器信号相比的、后催化剂传感器的电流信号之间的振幅比来确定极限值，该后催化剂传感器的信号作为催化剂设备的氧气储存能力的量度。
项19.如项1-18中任一项中所述的方法，其特征在于：冷却送入催化剂设备的老化气体。
项20.如项19中所述的方法，其特征在于：用从催化剂设备中排出的气体冷却送入催化剂设备的老化气体。
项21.如项20中所述的方法，其特征在于：从催化剂设备中排出的气体以冷却的形式与将要送入催化剂设备的老化气体混合。
项22.如项1-21中任一项中所述的方法，特征在于：通过在产生老化气体期间独立于λ设定进行冷却来改变送入催化剂设备的老化气体的温度。
项23.如项1-22中任一项中所述的方法，其特征在于：将至少一种组分混合到热的老化气体中以设定该老化气体的确定组分。
项24.如项23中所述的方法，其特征在于：混合至少一种选自含C和含HC气体组分的成分。
项25.如项1-24中任一项中所述的方法，其特征在于：合成产生老化气体。
项26.如项1-25中任一项中所述的方法，其特征在于：使用老化气体老化选自三元催化剂、NOx催化剂、氧化催化剂、用于还原剂的重整器和用于燃料电池的重整器的催化剂设备。
项27.一种用于人工老化在催化剂实验台上使用、用于转化包括至少一种得自含C、含HC和含NOx组分的成分的废气的催化剂设备(6)的装置，其中配置了用于产生热的老化气体的设备(1)和用于使热的老化气体通过催化剂设备(6)的设备(7)，其特征在于：配置了用于将从催化剂设备(6)排出的气体部分地再循环至老化气体中的设备。
项28.如项27中所述的装置，其特征在于：用于产生热的老化气体的设备(1)是用于采用燃烧空气燃烧含C燃料的设备。
项29.如项27或28中所述的装置，其特征在于：用于使热的老化气体通过催化剂设备的设备(7)是热空气鼓风机。
项30.如项28或29中所述的装置，其特征在于：用于使热的老化气体通过催化剂设备的设备(7)是抽吸喷射泵。
项31.如项27-30中任一项中所述的装置，其特征在于：配置温度传感器(8)用于测量将要送入催化剂设备(6)的老化气体的温度。
项32.如项31中所述的装置，其特征在于：配置用于控制将要送入催化剂设备(6)的老化气体的温度的设备。
项33.如项27-32中任一项中所述的装置，其特征在于：配置用于冷却将要送入催化剂设备(6)的老化气体的设备。
项34.如项33中所述的装置，其特征在于：用于冷却将要送入催化剂设备(6)的老化气体的设备包括用于冷却从催化剂设备(6)中排出的再循环气体的设备(23，25)。
项35.如项27-34中任一项中所述的装置，其特征在于：在催化剂设备(6)的出口配置氧气传感器(9)以便监控催化剂设备(6)。
项36.如项27-35中任一项中所述的装置，其特征在于：配置氧气传感器(8)以便监控将要送入催化剂设备(6)的老化气体。
附图说明
图1绘制了在本发明的催化剂老化期间对时间[小时]的排放量曲线，曲线A表示CO排放量[％]，曲线B表示NOx排放量[％]，曲线C表示烃排放量(无甲烷)[％]。虚线的曲线D表示烃排放量的极限值。
图2表示在美国制定的FTP 72测试(其对应于欧洲的NEDC测试)中的累积排放量(cumulative emission)曲线。
图3(与图2相比具有更加展开的时间轴)表示用以秒计的时间绘制的以伏特计的后催化剂传感器信号，上面的图用于稳定的催化剂设备，中间的图用于已经在延长运行后已老化的催化剂设备，即，使用100,000英里的机动车辆中的催化剂设备，而下面的图用于根据本发明已老化的催化剂设备。
图4表示对于根据本发明已老化的催化剂设备以km计的驱动功率对以％计的排放量再现性的图，X带表示烃排放量的扩散带(scattering band)，Y带表示CO排放量的扩散带，Z带表示NOx排放量的扩散带，每一种情况都具有相应的测量点，通过后催化剂传感器信号来测量。
图5图示了用于人工老化催化剂设备的装置的一个实施方案。
图6图示了用于人工老化催化剂设备的装置的另一个实施方案。
具体实施方式
因此，通过使包括含C、含HC和/或含NOx组分的热的老化气体通过催化剂设备而进行人工老化，该催化剂设备用于在催化剂实验台上使用并且适合用热的老化气体转化包括含C、含HC和/或含NOx组分的废气，该热的老化气体通过在催化剂实验台上使用、适合转化包括含C、含HC和/或含NOx组分的废气的催化剂设备，并且从催化剂设备中排出的气体部分地与将要送入催化剂设备的老化气体混合，以便进行再循环。
通过用燃烧空气燃烧含C燃料，优选通过在燃烧器或燃气轮机中燃烧而方便地产生老化气体。另外，通过混合其它组分，特别是含C、含HC和/或含NOx的组分而改变老化气体的成分。
然而，也可以通过合成产生老化气体，即通过加热或通过燃烧氢气和其它组分特别是含C、含HC和/或含NOx组分的混合物并从汽缸中移出而产生老化气体。
使用＞250℃，优选＞700℃，特别是约1000℃至约1250℃温度的老化气体是有利的。
如果将从含C液体或气体燃料的燃烧操作得到的热废气作为老化气体，则优选采用＞1、优选＞1.5的λ设定(settings)。可以通过独立于λ设定的冷却来改变将要送入催化剂设备的老化气体的温度。可以以各种方式进行冷却，例如可以相应地冷却用于燃烧的输入气体，或者可以使用具有非常高的蒸发焓的燃料例如甲醇，或者可以在燃烧操作期间注入水，还可以将从催化剂设备中排出的冷空气或冷却气体混合到热的老化气体中。后者可以例如通过热交换器、通过注入水、通过加入冷空气等冷却再循环的气体。
可以通过独立于λ设定的冷却来改变将要送入催化剂设备的老化气体的温度。
适合与燃烧空气燃烧的染料是低硫燃料，其优选含有少于10ppm的硫，特别是少于5ppm的硫；通过热空气鼓风机在大于约700℃，优选为约1000℃至约1250℃的合适温度下将以这种方式标准化的老化气体吹过催化剂设备。用具有非常低的硫含量的燃料避免了在老化期间催化剂设备的化学老化或中毒。这使得可以省去随后的在车辆中稳定催化剂的阶段。
然而，硫含量＞50ppm的含硫燃料同样可以用于产生老化气体，特别是在超过980℃的温度下，由于高温引起老化气体中含有的硫化合物发生分解，因此催化剂设备不会中毒。
燃料与燃烧空气的比例可以以预定的周期变化。以这种方式可以使将要老化的催化剂设备经受相应于组合负荷循环(combined load cycle)的不同的老化气体组分和老化气体温度，特别是该组合负荷循环等同于复合车辆操作(mixed vehicle operation)。例如，借助于燃烧器和鼓风机的结合，可以制得通过催化剂设备的特定的热废气。通过设定空气和燃料的参数，可以使催化剂设备经受周期性的热负荷，以使其经历那些与真实的驾驶操作中类似的条件。通过的气团(air mass)对应于例如在复合快速车辆操作(mixedvehicle fleet operation)中所使用的气团。典型的老化循环在1000-1250℃温度下进行。这相应地可以合成生产老化气体。
还可以采用适合在实验台上模拟催化剂设备的点火(light-off)性能(点火温度)的特定的老化循环。
催化剂设备可以在每一种情况下在老化步骤之后经受多次诊断，其中作为氧气储存能力的量度的后催化剂(post-cat)传感器的振幅比(amplituderatio)与模型进行比较，该模型与相关的极限催化剂(limit catalyst)相匹配，并且由与模型化的后催化剂传感器信号相比的后催化剂传感器的电流信号之间的振幅比来确定极限值，该后催化剂传感器的信号作为催化剂设备的氧气储存能力的量度。
这导致催化剂设备的系统老化。特别是考虑到在应用期间原部件(prototype parts)的实用性和相关的成本，使催化剂设备逐步老化及可再现老化的老化方法表明其对于在产生老化部件中降低成本和减少时间的重要贡献，并且遵守LEVII法规。特别是可限制NOx的限度并老化整个排气系统。
因此，在接近于现实的条件下进行催化剂设备的老化，从而使得真正获得实践中所知的全部老化的机理。催化剂设备的热失活导致由重结晶引起的活性中心(贵金属)表面积的减少。另外，在涂层中可能出现贵金属的扩散，结果是获得较少的活性中心或者甚至完全不再能够获得活性中心，因此催化剂设备的活性下降。除了这些物理的老化机理之外，在高温下也发生化学反应。在贵金属与活化涂层(washcoat)之间的反应和在活化涂层内的反应是公知的。废气组分例如CO2和H2O可以促进这些反应。特别是在含有水蒸气的气氛中的老化以及参数：氧气含量、压力和温度对于催化剂设备的老化性能是关键的。
气体组分和气体温度结合在一起更加促进了催化剂设备中的老化过程，该气体温度升高到不会破坏整块催化剂或活化涂层的程度。由于活性表面积下降，这些老化过程降低了催化剂设备的活性。借助于该老化方法，现在可以进行催化剂设备的逐步老化。
特别是，该老化方法可以用于机动车辆的三元催化剂、NOx催化剂、氧化催化剂、用于还原剂和用于燃料电池的重整器。
图1绘制了在本发明的催化剂老化期间对时间[小时]的排放量曲线，曲线A表示CO排放量[％]，曲线B表示NOx排放量[％]，曲线C表示烃排放量(无甲烷)[％]。虚线的曲线D表示烃排放量的极限值。
图2表示在美国制定的FTP 72测试(其对应于欧洲的NEDC测试)中的累积排放量(cumulative emission)曲线。在该情况下，将已经试车的，即在运行大约4000km之后处于新状态的机动车辆中的稳定的催化剂设备与使用本发明的方法老化的催化剂设备进行比较。如图2中所示，对于HC、CO和NOx，使用本发明的方法老化的催化剂设备导致活性降低。图2中下面的图表示FTP 72测试中用以km/小时计的速度对以秒计的时间绘制的速度曲线。对于此时间-速度曲线，图2中上面的图表示用以秒计的时间绘制的以g计的累积烃排放量，中间的图表示用以秒计的时间绘制的以g计的累积氮氧化物排放量，在催化剂设备的出口侧确定这些排放量，特别是虚线表示根据本发明已老化的催化剂设备，而实线表示已稳定的催化剂设备。
根据图2的烃排放量和氮氧化物排放量的模型说明表示以在稳定的催化剂设备与根据本发明在FTP72测试中已老化的催化剂设备之间进行比较的形式的排放量的分布。首先可以确认根据本发明已老化的催化剂设备的点火温度与稳定的催化剂设备相比显著上升，其次可以确认在整个测试中的累积烃排放量和累积氮氧化物排放量进一步增加，而稳定的催化剂设备中的累积排放量在最初升高之后保持相同。
这些特征也直接反映在因其引起的催化剂转换的诊断中。在该诊断中，将作为氧气储存能力的量度的后催化剂传感器的振幅比在每次驾驶周期后与模型比较一次，该传感器设置在催化剂出口用来探测从此处排出的气体的氧气含量。所述模型与OBD相关的极限催化剂相匹配，并且由与模型化的后催化剂传感器信号相比的后催化剂传感器的电流信号之间的振幅比来确定极限值。在这种情况下，后催化剂传感器的信号作为该催化剂设备的氧气储存能力的量度。
图3(与图2相比具有更加展开的时间轴)表示用以秒计的时间绘制的以伏特计的后催化剂传感器信号，上面的图用于稳定的催化剂设备，中间的图用于已经在延长运行后已老化的催化剂设备，即，使用100,000英里的机动车辆中的催化剂设备，而下面的图用于根据本发明已老化的催化剂设备。在延长运行后已老化的催化剂设备与(OBD)极限催化剂之间的后催化剂传感器信号的分离锐度(separation sharpness)表示在实地操作中可靠的催化剂监控的重要的评定标准。关于这一点，可以从图3注意到：根据本发明已老化的催化剂设备在整个废气测试中发出恒定的后催化剂传感器信号，可以清楚地读出连续的信号并且该信号具有基本恒定的振幅。该性能简化了诊断的匹配，因为借此可以在废气测试中选择所需要的检测和诊断范围。这对于美国立法机构“CARB”是一个重要的方面，该机构在前进的基础上进行实地监控(field monitoring)并且核实与消费者相关的驾驶周期中的诊断。
图4表示对于根据本发明已老化的催化剂设备以km计的驱动功率对以％计的排放量再现性的图，X带表示烃排放量的扩散带(scattering band)，Y带表示CO排放量的扩散带，Z带表示NOx排放量的扩散带，每一种情况都具有相应的测量点，通过后催化剂传感器信号来测量。由此可以看出：测量值中的扩散是相对低的并且各自的排放量相对于驱动功率是稳定的。为了在使用期间获得可再现的结果，以这种方式获得的运行时间稳定性对于老化的催化剂设备是另一项重要的评定标准。在约为1400km的整个示范运行时间中，根据本发明已老化的催化剂设备具有真正恒定的性能。例如，烃排放量在约5％的扩散带中波动，氮氧化物排放量在约10％的扩散带中波动。因此，所测量的催化剂设备在老化后不会显著改进也不会劣化。
图5图示了用于人工老化催化剂设备的装置的一个实施方案。该装置包括用于产生热的老化气体的设备1，例如用于由烃组成的燃料的燃烧器(或燃气轮机)，该燃料通过管道2送入设备1。另外，燃烧空气通过另一管道3送入设备1，配置控制单元4以借助于阀5根据预定的程序设定燃料与燃烧空气的比例。在这种情况下，借助于燃料与燃烧空气的比例来调节通过设备1产生的作为老化气体的热废气，以这样的方式使得在将要老化的催化剂设备6的入口处的温度为约1000℃至约1250℃。在这种情况下借助于输送设备7例如热空气鼓风机将老化气体送入催化剂设备6，该热空气鼓风机例如相应于复合车辆快速操作，负责产出老化气体通过催化剂设备6；借助于温度传感器8测量在催化剂设备6入口处老化气体的温度，并且借助于另一个温度传感器9测量催化剂设备6出口处老化气体的温度。另外，借助于两个另外的温度传感器10测量催化剂设备6上游和下游中的温度。最后，借助于两个氧气传感器11、12测量催化剂设备6上游和下游老化气体的氧气含量，氧气传感器12形成后催化剂传感器。
与催化剂设备6有关，将要在燃烧器1中燃烧的任选的低硫燃料是适合火花点火或柴油发动机的燃料。
图6图示了用于人工老化催化剂设备的装置的另一个实施方案，特别示出了：燃烧空气通过管道3经过阀5(和通过管道2的燃料一起)送入混合器16，管道3是用于该燃烧空气的输送设备，例如作为泵13、用于燃烧空气的热交换器14的形式，借助于它可以调节空气的温度，与在管道3中测量位15处的压力一起测量该温度。将燃烧空气和混合器16中得到的燃料的混合物送入设备1(在这种情况下为燃烧器的形式)以产生热的老化气体。设备1的下游有混合器17和用来输送热老化气体的设备7，该热老化气体通过设备7输送到催化剂设备6中。催化剂设备6的下游有涡轮或节流阀18，气体最终从其中排出。
在催化剂设备6的上游和下游提供用来测量氧气含量、气体温度以及气体压力(在适当时)的测量位19，并且在适当时，还可以借助于催化剂设备中合适的温度传感器10测量温度。
在催化剂设备6的出口侧有管道20的支管，用于在节流阀21的控制下使从催化剂设备6(连接管道20)中排出的气体再循环到设备7，为了操作该设备7，在需要时将其设计成抽吸喷射泵(suctionjet pump)。
然而，作为设计成抽吸喷射泵的替代，设备7还可设计成热气鼓风机、流体压缩机，或者旋转或往复的活塞压缩机。
然而，作为替代或者除此之外，管道20还可以通过节流阀22连接到混合器17，以这种方式达到将来自催化剂设备6出口侧的气体与老化气体流混合的目的。在适当时，以这种方式再循环的气体可以借助热交换器23进行冷却并且然后通过输送设备24例如泵送入混合器17，在适当时可通过另一个热交换器25以将已经过输送设备24压缩的气体再次冷却。另外，可以包括带有测量位27的储存容器26，该测量位用于测量氧气含量、气体温度和气体压力。
对于将要与老化气体混合的另外的物质还可以通过管道28送入混合器17。
混合器17的上游可以有节流阀29，在这种情况下，装有节流阀30的管道31在设备2与节流阀29之间分支，以排出过剩的老化气体。
油箱26也可以通过节流阀32连接到管道2和/或混合器16，以使气体再循环到燃料/燃烧空气混合物中。
可以看出，采用简单结构的装置可以产生不同压力、温度和品质(空气比)的老化气体，借助于相应的控制器(未示出)，可以将状态函数设置为时间的函数或者处于恒定的水平下。可以通过将得自催化剂设备6出口的冷却气体混合到由设备1产生的老化气体中来调节机动车辆发动机操作中的温度。
为了避免在启动用于老化的装置时催化剂设备6的过热，当启动时可以使整个老化气体流经管道31从旁路通过催化剂设备。该老化气体流的部分量还可以通过管道20以冷却的形式返回直到达到空气比例和温度的目标值。
为了提高动力学性能，通过将得自催化剂设备6上游出口侧的和/或设备1(例如燃烧器)下游的气体，具体地以冷却或未冷却的形式进行混合，可以获得老化气体的产量、压力、温度和空气比例的设定范围。将老化气体和新鲜空气压缩至高压例如原有压力的两倍，意思是指：通过各种阀的质量流量与背压(back-pressure)无关，且因此仅仅是阀的开孔和阀上游的流体密度的函数。与储存容积的大小有关，质量流、温度和λ的动力学控制可能需要另外的测量，例如在以下气体中的λ测量，这些气体包括从催化剂设备6的出口侧再循环的任选的储存气体、通过设备1输送的老化气体的部分流的排出气(blowing-off)或者已冷却或未冷却的混合气体。
可以将另外的物质，例如由于其蒸发热而降低温度的添加剂，或者与催化剂材料化学反应的添加剂送入混合器2中。特别是第二种方案使得可以有选择地考察有催化活性的废气的后处理策略，例如，依照该策略，在适当时用合成的、热的老化气体与氮氧化物进行混合。
如果将燃料作为另外的物质加入，则由于反应热在催化剂设备6中可以达到非常高的温度，结果可以模拟在内燃机产生的废气中的烃水平瞬时增加的行为。

Claims (36)

1.一种用于人工老化催化剂设备的方法，在催化剂实验台上使用该催化剂设备以转化包括至少一种得自含C、含HC和含NOx组分的成分的废气，在该方法中使包括至少一种得自含C、含HC和含NOx组分的成分的热的老化气体流过该催化剂设备，热的老化气体通过用于在催化剂实验台上使用并适合转化包括含C、含HC和/或含NOx组分的废气的催化剂设备，其特征在于：从所述催化剂设备排出的气体部分地与要送入催化剂设备的老化气体混合，以便进行再循环。
2.如权利要求1中所述的方法，其特征在于：所用的热的老化气体是通过燃烧含C燃料产生的废气。
3.如权利要求2中所述的方法，其特征在于：通过用燃烧空气燃烧而在燃烧器中产生热的废气。
4.如权利要求2中所述的方法，其特征在于：在燃气轮机中产生热的废气。
5.如权利要求1-4中任一项中所述的方法，其特征在于：通过鼓风机使热的老化气体通过催化剂设备。
6.如权利要求1-4中任一项中所述的方法，其特征在于：在＞250℃的温度下将老化气体引入催化剂设备。
7.如权利要求6中所述的方法，其特征在于：在＞700℃的温度下将老化气体引入催化剂设备。
8.如权利要求7中所述的方法，其特征在于：在约1000℃-约1250℃的温度下将老化气体引入催化剂设备。
9.如权利要求3-4中任一项中所述的方法，其特征在于：在燃烧操作期间产生λ＞1的热的废气。
10.如权利要求9中所述的方法，其特征在于：在燃烧操作期间产生λ＞1.5的热的废气。
11.如权利要求2-4中任一项中所述的方法，其特征在于：所用的燃料是选自气态和液态流体的可燃烧的含C流体。
12.如权利要求11中所述的方法，其特征在于：所用的燃料是低硫燃料。
13.如权利要求12中所述的方法，其特征在于：使用硫含量＜10ppm的燃料。
14.如权利要求13中所述的方法，其特征在于：使用硫含量＜5ppm的燃料。
15.如权利要求2-4中任一项中所述的方法，其特征在于：燃料与燃烧空气的比例以预定的周期变化。
16.如权利要求15中所述的方法，其特征在于：催化剂设备经受与组合负荷循环相应的不同的老化气体组分和老化气体温度。
17.如权利要求16中所述的方法，其特征在于：催化剂设备经受对应于复合车辆操作的负荷。
18.如权利要求1-4中任一项中所述的方法，其特征在于：催化剂设备在每一种情况下，在老化步骤之后经受多次诊断，其中作为氧气储存能力的量度的后催化剂传感器的振幅比例与模型进行比较，该模型与相关极限催化剂匹配，并且由与模型化的后催化剂传感器信号相比的、后催化剂传感器的电流信号之间的振幅比来确定极限值，该后催化剂传感器的信号作为催化剂设备的氧气储存能力的量度。
19.如权利要求1-4中任一项中所述的方法，其特征在于：冷却送入催化剂设备的老化气体。
20.如权利要求19中所述的方法，其特征在于：用从催化剂设备中排出的气体冷却送入催化剂设备的老化气体。
21.如权利要求20中所述的方法，其特征在于：从催化剂设备中排出的气体以冷却的形式与将要送入催化剂设备的老化气体混合。
22.如权利要求1-4中任一项中所述的方法，特征在于：通过在产生老化气体期间独立于λ设定进行冷却来改变送入催化剂设备的老化气体的温度。
23.如权利要求1-4中任一项中所述的方法，其特征在于：将至少一种组分混合到热的老化气体中以设定该老化气体的确定组分。
24.如权利要求23中所述的方法，其特征在于：混合至少一种选自含C和含HC气体组分的成分。
25.如权利要求1-4中任一项中所述的方法，其特征在于：合成产生老化气体。
26.如权利要求1-4中任一项中所述的方法，其特征在于：使用老化气体老化选自三元催化剂、NOx催化剂、氧化催化剂、用于还原剂的重整器和用于燃料电池的重整器的催化剂设备。
27.一种用于人工老化在催化剂实验台上使用、用于转化包括至少一种得自含C、含HC和含NOx组分的成分的废气的催化剂设备(6)的装置，其中配置了用于产生热的老化气体的设备(1)和用于使热的老化气体通过催化剂设备(6)的设备(7)，其特征在于：配置了用于将从催化剂设备(6)排出的气体部分地再循环至老化气体中的设备。
28.如权利要求27中所述的装置，其特征在于：用于产生热的老化气体的设备(1)是用于采用燃烧空气燃烧含C燃料的设备。
29.如权利要求27或28中所述的装置，其特征在于：用于使热的老化气体通过催化剂设备的设备(7)是热空气鼓风机。
30.如权利要求29中所述的装置，其特征在于：用于使热的老化气体通过催化剂设备的设备(7)是抽吸喷射泵。
31.如权利要求27或28中所述的装置，其特征在于：配置温度传感器(8)用于测量将要送入催化剂设备(6)的老化气体的温度。
32.如权利要求31中所述的装置，其特征在于：配置用于控制将要送入催化剂设备(6)的老化气体的温度的设备。
33.如权利要求27或28中所述的装置，其特征在于：配置用于冷却将要送入催化剂设备(6)的老化气体的设备。
34.如权利要求33中所述的装置，其特征在于：用于冷却将要送入催化剂设备(6)的老化气体的设备包括用于冷却从催化剂设备(6)中排出的再循环气体的设备(23，25)。
35.如权利要求27或28中所述的装置，其特征在于：在催化剂设备(6)的出口配置氧气传感器(9)以便监控催化剂设备(6)。
36.如权利要求27或28中所述的装置，其特征在于：配置氧气传感器(8)以便监控将要送入催化剂设备(6)的老化气体。
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