汽車排氣系統冷凝液腐蝕的模擬試驗裝置的製作方法

2023-09-15 23:35:20 2

專利名稱：汽車排氣系統冷凝液腐蝕的模擬試驗裝置的製作方法
汽車排氣系統冷凝液腐蝕的模擬試驗裝置技術領域
本發明屬於腐蝕與防護技術領域，涉及排氣系統的腐蝕模擬，特別是提供一種汽車排氣系統用材料的腐蝕模擬裝置。
背景技術：
近年來，我國汽車工業得到快速發展。根據國務院發展研究中心預測，到2020年中國轎車市場需求年增長12. 2 %，總需求量將達2043萬輛。而每輛車排氣系統用進口不鏽鋼約Mkg，已佔到汽車不鏽鋼應用總量的一半以上，按2004年的500萬輛銷售量計，排氣系統用不鏽鋼年需求量約12萬噸，不鏽鋼在我國汽車工業的應用前景非常誘人。
按與發動機距離由近至遠的順序，汽車排氣系統的構成部件依次為排氣歧管、前導管、撓性管、催化劑轉換器、中心導管、主消音器及末端導管。根據車種的不同，有的還在系統中設置了催化劑轉換器和副消音器。當前，應輕量化、耐蝕和美觀的嚴苛要求，汽車排氣系統用材已基本實現了不鏽鋼化。
汽車發動機排出的廢氣中含有一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物、硫氧化合物等腐蝕性氣體。汽車遠距離行駛時，其最高溫度可達900°C，即使是尾噴管出口處的溫度也在10(T30(TC之間，這種溫度環境對排氣系統部件具有高溫氧化作用；近距離行駛，尤其是汽車開開停停時，排氣系統溫度較低，特別是消聲器內，含水蒸氣的高溫廢氣會發生冷凝，凝結形成含有NH4+、CO廣、S042_、C1_和有機酸的腐蝕性液體，對排氣系統產生冷凝液腐蝕作用。因此，廢氣氧化循環作用下的冷凝液腐蝕穿孔及潰爛是排氣系統消聲器等低溫端部件失效的主要形式。
顯然，應現代汽車的發展要求，排氣系統用不鏽鋼不僅要具備抗高溫氧化的能力還要有耐冷凝液腐蝕的性能。為了認識和評價排氣系統低溫端所用材料的服役性能，必須建立合適的模擬排氣系統腐蝕環境的試驗裝置或研究方法。已有文獻根據排氣系統低溫端特點進行了相關研究報導，例如馬弗爐加熱保溫的半浸泡循環試驗法、半浸泡及加熱氧化循環試驗法(NSC)等。現有這些方法雖然可以再現排氣系統低溫端(如消聲器)內部低溫氧化，水汽凝集、溼潤等狀態，但只考慮了廢氣的熱氧化作用，而未引入汽車排放廢氣的作用， 同時氧化試驗和冷凝液腐蝕試驗是分離進行的，操作不方便。此外，現有方法均尚未實現循環試驗過程中冷凝液腐蝕的電化學原位監測以認識腐蝕機制。發明內容
本發明的目的是提供一種汽車排氣系統冷凝液腐蝕的模擬試驗裝置，解決了汽車排氣系統環境中多因素循環作用的一體化模擬問題，並提供了循環試驗過程中冷凝液腐蝕的原位電化學測試方法。
本發明用於汽車排氣系統的冷凝液腐蝕模擬試驗裝置，包括反應氣氛控制執行系統，反應系統，冷凝液回收系統，尾氣處理系統。這些系統通過連接管依次密閉相連。
上述反應氣氛控制執行裝置包括氣體發生裝置、預熱裝置、液體滴加裝置、液體流量計、氣體流量計，氣體發生裝置上部的出氣口通過連接管與氣體流量計連接，氣體流量計通過連接管與多孔燒瓶側邊口相連，多孔燒瓶置於電熱套中，液體滴加裝置通過連接管與液體流量計相連，然後與多孔燒瓶另一側邊開口接出的連接管相連接後共同接入到反應系統的進氣管中。氣體發生裝置可以是一個氣體發生器或多個氣體發生器，可以提供空氣、 氧氣、二氧化硫、二氧化碳、一氧化氮、氯氣、水蒸氣等氣體中的一種或其任意比例的混合氣體。預熱裝置由電熱套和多孔燒瓶構成，為反應氣體提前預熱，以確保反應室內氣氛的穩定。多孔燒瓶上方與多孔燒瓶加料漏鬥相連，易溶、加熱易揮發的固體粉末可先溶於液體中，然後通過多孔燒瓶加料漏鬥加入預熱的多孔燒瓶中，液體在多孔燒瓶中瞬間揮發隨同導入氣體混合預熱後排出，若添加物並不容易揮發，或者低溫揮發效果不好，則需要配合液體滴加裝置進行實驗。
上述反應系統包括電熱爐、反應室、試樣臺、控制杆、溫度傳感器、進氣管及排氣管，反應室置於電熱爐中，反應室上部有蓋子，蓋子上有進氣管和提供溫度傳感器和控制杆接入的開口，溫度傳感器和控制杆通過這些開口接入到反應室中，控制杆下部連接試樣臺， 進氣管在反應室內的開口處連接小口噴嘴，反應室上部一側有排氣管，以便於氣體導出反應室，反應室上方外側還有冷卻水套，防止上部溫度過高，對實驗產生不利影響。電熱爐可以是坩鍋爐、管式爐或井式爐。反應室可以是石英材質，保證驟冷驟熱實驗的順利進行，反應室的空間較大，保證實驗時氣氛的穩定。試樣臺可由耐高溫耐腐蝕材質製作，如陶瓷、石英材料，可以是環狀、凹槽狀、片狀等，具體形狀根據試樣形狀、大小和實驗要求確定。試樣臺一般可以懸掛或承載多個試樣。控制杆的功能是輔助安裝試樣，並可以通過控制杆來調節試樣的高低位置，以達到實驗的某些要求。溫度傳感器的功能是校對反應室的溫度，以保證精確控溫。小口噴嘴的加入可以使液體滴加時隨同氣體一起呈噴霧狀進入反應室，進而在在反應室內迅速汽化，形成穩定的反應氣氛。反應室內進氣管出口和排氣管的入口分別置於反應室的頂端和底端，可以保證反應氣氛能夠充滿整個反應室後從排氣管排出，避免了反應氣體不接觸試樣便從排氣管逸出，進氣管和排氣管的功能可以互換，具體根據實驗條件確定。
上述冷凝液回收系統包括儲液器、進氣口、冷凝回流管、出氣口，進氣口通過連接管與反應室排氣管密閉連通，冷凝回流管連接在儲液器上部，冷凝回流管上部有出氣口供冷凝回流處理後的氣體導出。反應室的高溫氣體通過連接管排出後進入冷凝液回收系統， 在連接管中流動時高溫氣體中的水汽已經部分冷凝，沿管道流入儲液器，未冷凝蒸汽經過冷凝回流管進一步冷卻回流。回收的冷凝液可做實驗分析，或者做冷凝液浸泡等相關實驗。
上述尾氣處理系統形式不一，一般是裝有可吸收尾氣中危害氣體溶液的裝置，包括防倒吸裝置、進氣管、吸收瓶、倒扣漏鬥、吸收液。吸收瓶中裝有吸收液，倒扣漏鬥上部連接在進氣管上，下部浸入吸收液面下，深度可調，防倒吸裝置通過連接管連接在冷凝液回收系統出氣口和進氣管之間。從冷凝液回收系統中排出的廢氣通過連接管導入吸收溶液中，倒扣漏鬥形裝置的功能是增加氣液接觸面積，防倒吸裝置主要是防止液體倒吸入冷凝液中，造成汙染。尾氣處理系統也可以是通風櫥或者是氣囊收集廢氣或者是其他方式，不論是何種形式，壓力都不能過大，以保證氣體暢通和實驗安全。
作為本發明的改進，將反應系統改裝成反應及電化學測試系統。它主要由電熱套和電解池部分構成。電解池置於電熱套中，以提供實驗所需溫度，電解池頂部有電解池蓋，電解池蓋上部有進氣口，進氣管通過進氣口連入電解池內，試樣和輔助電極通過電解池蓋上另外開口連接入電解池中，電解池兩側有開口，一側為排氣口，排氣口通過連接管與冷凝液回收系統相連，溫度傳感器和參比電極裝在電解池另一側開口處。電解池可以是石英材質，或者是由其他耐高溫、耐驟冷驟熱材料製作，電解池部分主要由三電極電化學測試系統構成，試樣為工作電極，輔助電極和參比電極均為Pt，三電極通過耐高溫材質導線連接至電解池外的電化學工作站。待測試試樣用耐高溫矽酮類材料封樣，反應氣體由電解池頂部進氣管導入電解池內，反應氣體與試樣充分反應後從排氣口導出。實驗溫度由溫度傳感器控制，為使電解池迅速降溫，可以在高溫處理後將電解池轉移至恆溫水浴中，以提供電化學測試所需溫度。電化學測試所需電解液由電解池排氣口加入，測試結束時可倒出。電化學測試時在排氣口安裝冷凝回流管，以減少電解液蒸發對實驗的影響。
這樣就實現了反應試樣的原位電化學測試，解決了試樣要反覆取出測試的繁雜操作，縮短了實驗周期，防止了試樣在操作過程中的汙染和劃傷，電解液由反應收集的冷凝液提供，再現了真實排氣系統的腐蝕環境。
綜上所述，本發明有如下優點1、集廢氣的熱氧化作用和冷凝液腐蝕實驗於一體，解決了汽車排氣系統環境中多因素循環作用的一體化模擬問題，通過溫度的調節可以真實模擬排氣系統低溫端的腐蝕環境。
2、引入電化學測試體系可以原位測試腐蝕試樣的腐蝕電位、阻抗譜等，縮短了實驗周期，可以實現對腐蝕試樣的即時監測，電化學測試用電解液由反應收集的冷凝液提供， 確保再現排氣系統真實的腐蝕環境。
3、實現了通入混合氣體模擬汽車尾氣的腐蝕環境，系統的整體設計保證了整個反應過程中氣氛的穩定和溫度的精確控制。
4、本模擬試驗裝置操作簡單，可以實現從單因素到多因素影響的試驗分析。


圖1是本發明汽車排氣系統冷凝液腐蝕的模擬試驗裝置的第一實施例的系統結構圖。其中，反應氣氛控制執行系統包括氣體發生裝置1、連接管2、氣體流量計3、電熱套 4、多孔燒瓶5、多孔燒瓶加料漏鬥6、液體滴加裝置7、液體流量計8，反應系統包括電熱爐 9、反應室10、進氣管11、小口噴嘴12、排氣管13、試樣臺14、試樣15、控制杆16、溫度傳感器17、冷卻水套18、反應室蓋子39，冷凝液回收系統包括儲液器19、進氣口 20、冷凝回流管21、出氣口 22，尾氣處理系統包括防倒吸裝置23、吸收瓶M、進氣管25、倒扣漏鬥沈、吸收液27。
圖2是本發明汽車排氣系統冷凝液腐蝕的模擬試驗裝置的第二實施例的系統結構圖，圖3是單獨的反應和電化學測試系統。其中，電解池部分包括進氣口 29、電解池蓋 30、參比電極31、溫度傳感器32、電解池33、試樣34、輔助電極36、排氣口 37、冷凝回流管 38，此外還有控制開關28、電熱套35。
具體實施方式
下面通過實施例對本發明進行詳細說明。
實施例一參見圖1，本發明提供了一種汽車排氣系統的冷凝液腐蝕模擬裝置，解決了汽車排氣系統環境中多因素循環作用的一體化模擬問題，並提供了循環試驗過程中冷凝液腐蝕的原位電化學測試方法。本發明裝置主要包括反應氣氛控制執行系統，反應系統，冷凝液回收系統，尾氣處理系統。這些系統通過連接管依次密閉連通。
上述反應氣氛控制執行裝置包括氣體發生裝置1、預熱裝置、液體滴加裝置7、液體流量計8、氣體流量計3，氣體發生裝置1上部的出氣口通過連接管2與氣體流量計3連接，氣體流量計3通過連接管與多孔燒瓶側邊口相連，多孔燒瓶置於電熱套4中，液體滴加裝置7通過連接管與液體流量計8相連，然後與多孔燒瓶5另一側邊開口接出的連接管相連接後共同接入到反應系統的進氣管11中。預熱裝置由電熱套4和多孔燒瓶5構成，多孔燒瓶5上方與多孔燒瓶加料漏鬥6相連。上述反應系統包括電熱爐9、反應室10、試樣臺14、 控制杆16、溫度傳感器17、進氣管11及排氣管13，反應室10置於電熱爐9中，反應室10上部有蓋子，蓋子上有進氣管11和提供溫度傳感器17和控制杆16接入的開口，溫度傳感器 17和控制杆16通過這些開口接入到反應室10中，控制杆16下部連接試樣臺14，進氣管11 在反應室10內的開口處連接小口噴嘴12，反應室10上部一側有排氣管13，反應室10上方外側還有冷卻水套18。上述冷凝液回收系統包括儲液器19、進氣口 20、冷凝回流管21、出氣口 22，進氣口 20通過連接管與反應室排氣管13密閉連通，冷凝回流管21連接在儲液器 19上部，冷凝回流管21上部有出氣口 22。上述尾氣處理系統包括防倒吸裝置23、進氣管 25、吸收瓶M、倒扣漏鬥沈、吸收液27。吸收瓶M中裝有吸收液27，倒扣漏鬥沈上部連接在進氣管25上，下部浸入吸收液面下，深度可調，防倒吸裝置23通過連接管連接在冷凝液回收系統出氣口 22和進氣管25之間。
為了探索SCR系統中，因尿素的加入對機動車排氣系統不鏽鋼的腐蝕影響，採用了本發明裝置進行試驗。選用現行重型卡車排氣系統添加尿素系統用材料304不鏽鋼為實驗材料，設置添加尿素和不加尿素兩組對比實驗。
實驗用亞硫酸銨和亞硫酸添加蒸餾水配製無尿素滴加液，控制溶液中H2O和SO2W 摩爾配比為一定值，並保證經過反應室後收集的冷凝液的pH=3 5，來模擬排氣系統的腐蝕氣氛。在不添加尿素滴加液的基礎上加入尿素，使溶液尿素的含量為廣3wt%，即為添加尿素滴加液成分。冷凝液採用AKsteel標準配製，用稀硫酸調節pH=3 5。
實驗使用空氣作為氣體源，調節氣體流量計3使氣體的流速為3(Tl20ml/min，調節液體流量計8，控制滴加溶液進入反應室10的速度為5 15ml/h，氣體在300°C的預熱裝置中加熱後與滴加溶液混合後通過小口噴嘴12進入反應室10，噴出的細小液滴在400°C的高溫作用下，迅速汽化，形成模擬真實排氣管SCR系統的環境氣氛。
試樣在400°C反應室10中氧化池後，關閉氣體和液體源，並打開反應室蓋子39， 用控制杆16取出試樣15，採用半浸方式在配製的冷凝液中浸泡30min(6(T8(rC恆溫水浴)， 至此為一個循環，期間可以進行電化學測試，如此循環實驗50次。
實施例二本實施例與實施例1基本相同，特別之處是反應氣氛不同以及將反應系統改裝成以電解池為主體的反應及電化學測試系統，以實現汽車排氣系統環境中多因素循環作用的一體化模擬問題，並提供循環試驗過程中冷凝液腐蝕的原位電化學測試方法。
參見圖2、圖3，氣體發生裝置1由多個氣體發生器構成，以實現單因素或多因素氣體作用模擬試驗。反應及電化學測試系統主要由電熱套35和電解池部分構成。電解池33 置於電熱套35中，電解池33頂部有電解池蓋30，電解池蓋30上部有進氣口 29，進氣管11 通過進氣口四連入電解池33內，試樣34和輔助電極36通過電解池蓋30上另外開口連接入電解池33中，電解池33兩側有開口，一側為排氣口 37，排氣口 37通過連接管與冷凝液回收系統相連，溫度傳感器32和參比電極31裝在電解池33另一側開口處。電解池33由石英材質製作，三電極電化學測試系統的構成中試樣34為工作電極，輔助電極36和參比電極 31均為Pt，三電極通過耐高溫材質導線連接至電解池33外的電化學工作站。
汽車尾氣為一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物、鉛及硫氧化合物等的混合氣體，為研究汽車尾氣中一種或幾種成分對排氣系統材料的腐蝕影響，如研究尾氣中二氧化硫和二氧化碳的作用，可通過氣體流量計3分別控制二氧化硫和二氧化碳的流量， 其餘氣體正常添加，水蒸氣可以通過多孔燒瓶加料漏鬥6或者直接通過液體滴加裝置7滴加蒸餾水實現，以形成模擬汽車尾氣的反應氣氛。
將待測試試樣用耐高溫矽酮類材料封樣，進行實驗。反應氣體由電解池頂部進氣管11導入電解池33內，反應氣體與試樣34充分反應後從排氣口 37導出。待測試樣34經過400°C高溫氧化池後，關閉控制開關28，並迅速將電解池33從電熱套35中移出，待溫度降低至室溫後，將電解池33置於6(T80°C恆溫水浴中。將排氣口 37處連接管打開，取一定量收集的冷凝液從排氣口 37加入電解池33中，調節三電極位置，使其符合電化學測試要求，在排氣口 37安裝冷凝回流管38，以減少電解液蒸發對實驗的影響，繼而在30min的浸泡實驗中對試樣進行原位電化學測試分析。電化學測試結束後將冷凝液從電解池33中倒出， 以保證下一循環實驗的順利進行。
權利要求
1.一種汽車排氣系統冷凝液腐蝕的模擬實驗裝置，其特徵在於該裝置包括反應氣氛控制執行系統，反應系統，冷凝液回收系統，尾氣處理系統，這些系統通過連接管依次密閉相連；上述反應氣氛控制執行系統包括氣體發生裝置(1)、預熱裝置、液體滴加裝置(7)、液體流量計(8)、氣體流量計(3)，氣體發生裝置(1)上部的出氣口通過連接管(2)與氣體流量計(3)連接，氣體流量計(3)通過連接管與多孔燒瓶(5)側邊口相連，多孔燒瓶(5)置於電熱套(4)中，液體滴加裝置(7)通過連接管與液體流量計(8)相連，然後與多孔燒瓶(5)另一側邊口接出的連接管相連接後共同接入到反應系統的進氣管(11)中；預熱裝置由電熱套(4) 和多孔燒瓶(5)構成，多孔燒瓶(5)上方與多孔燒瓶加料漏鬥(6)相連；上述反應系統包括電熱爐(9)、反應室(10)、試樣臺(14)、控制杆(16)、溫度傳感器(17)、進氣管(11)及排氣管(13)，反應室(10)置於電熱爐(9)中，反應室(10)上部有蓋子，蓋子上有進氣管(11)和提供溫度傳感器(17)和控制杆(16)接入的開口，溫度傳感器(17)和控制杆(16)通過開口接入到反應室(10)中，控制杆(16)下部連接試樣臺(14)，進氣管(11)在反應室(10)內的開口處連接小口噴嘴(12 )，反應室(10 )上部一側有排氣管(13 )，反應室(10 )上方外側還有冷卻水套(18)；上述冷凝液回收系統包括儲液器(19)、進氣口(20)、冷凝回流管(21)、出氣口(22)，進氣口(20)通過連接管與反應室排氣管(13)密閉連通，冷凝回流管(21)連接在儲液器(19)上部，冷凝回流管(21)上部有出氣口(22)；上述尾氣處理系統包括防倒吸裝置(23)、進氣管(25)、吸收瓶(24)、倒扣漏鬥(26)、吸收液(27)；吸收瓶(24)中裝有吸收液 (27)，倒扣漏鬥(26)上部連接在進氣管(25)上，下部浸入吸收液面下，深度可調，防倒吸裝置(23)通過連接管連接在冷凝液回收系統出氣口(22)和進氣管(25)之間。
2.根據權利1所述的汽車排氣系統冷凝液腐蝕的模擬實驗裝置，其特徵在於，氣體發生裝置(1)由多個氣體發生器構成，反應及電化學測試系統主要由電熱套(35 )和電解池部分構成；電解池(33 )置於電熱套(35 )中，電解池(33 )頂部有電解池蓋(30 )，電解池蓋(30 ) 上部有進氣口( 29 )，進氣管(11)通過進氣口( 29 )連入電解池(33 )內，試樣(34)和輔助電極(36)通過電解池蓋(30)上另外開口連接入電解池(33)中，電解池(33)兩側有開口，一側為排氣口(37)，排氣口(37)通過連接管與冷凝液回收系統相連，溫度傳感器(32)和參比電極(31)裝在電解池(33)另一側開口處；電解池(33)由石英材質製作，三電極電化學測試系統的構成中試樣(34)為工作電極，輔助電極(36)和參比電極(31)均為Pt，三電極通過耐高溫材質導線連接至電解池(33)外的電化學工作站。
3.根據權利要求1或2所述的汽車排氣系統冷凝液腐蝕的模擬實驗裝置，其特徵在於，試樣(34)用耐高溫矽酮類材料封樣，反應氣體由電解池頂部進氣管(11)導入電解池 (33)內，反應氣體與試樣(34)充分反應後從排氣口(37)導出；電解池(33)採用恆溫水浴控溫，電化學測試時在排氣口(37)安裝了冷凝回流管(38)。
4.根據權利要求1或2所述的汽車排氣系統冷凝液腐蝕的模擬實驗裝置，其特徵在於，多孔燒瓶(5)和反應室(10)均為石英材質。
全文摘要
本發明公開了一種汽車排氣系統冷凝液腐蝕的模擬試驗裝置，屬於腐蝕與防護技術領域。該裝置包括反應氣氛控制執行系統，反應系統，冷凝液回收系統，尾氣處理系統。反應氣氛控制執行系統通過連接管與反應系統相連；反應系統主要包括電熱爐、反應室、控制杆、試樣臺，反應室置於電熱爐中，控制杆從反應室頂部深入到反應室中，試樣臺連接在控制杆下部，反應室上方外側有冷卻水套；反應系統後面通過連接管依次與冷凝液回收系統和尾氣處理系統相連。本發明裝置模擬汽車排氣系統低溫端的腐蝕環境，解決了汽車排氣系統環境中多因素循環作用的一體化模擬問題，並提供了循環試驗過程中冷凝液腐蝕的原位電化學測試方法。
文檔編號G01N17/02GK102507428SQ20111031717
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月19日 優先權日2011年10月19日
發明者李謀成, 王士棟, 阮偉慧, 韓沛洪, 馬榮耀 申請人:上海大學