专利名称：汽车排气系统冷凝液腐蚀的模拟试验装置的制作方法
汽车排气系统冷凝液腐蚀的模拟试验装置技术领域
本发明属于腐蚀与防护技术领域，涉及排气系统的腐蚀模拟，特别是提供一种汽车排气系统用材料的腐蚀模拟装置。
背景技术：
近年来，我国汽车工业得到快速发展。根据国务院发展研究中心预测，到2020年中国轿车市场需求年增长12. 2 %，总需求量将达2043万辆。而每辆车排气系统用进口不锈钢约Mkg，已占到汽车不锈钢应用总量的一半以上，按2004年的500万辆销售量计，排气系统用不锈钢年需求量约12万吨，不锈钢在我国汽车工业的应用前景非常诱人。
按与发动机距离由近至远的顺序，汽车排气系统的构成部件依次为排气歧管、前导管、挠性管、催化剂转换器、中心导管、主消音器及末端导管。根据车种的不同，有的还在系统中设置了催化剂转换器和副消音器。当前，应轻量化、耐蚀和美观的严苛要求，汽车排气系统用材已基本实现了不锈钢化。
汽车发动机排出的废气中含有一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、硫氧化合物等腐蚀性气体。汽车远距离行驶时，其最高温度可达900°C，即使是尾喷管出口处的温度也在10(T30(TC之间，这种温度环境对排气系统部件具有高温氧化作用；近距离行驶，尤其是汽车开开停停时，排气系统温度较低，特别是消声器内，含水蒸气的高温废气会发生冷凝，凝结形成含有NH4+、CO广、S042_、C1_和有机酸的腐蚀性液体，对排气系统产生冷凝液腐蚀作用。因此，废气氧化循环作用下的冷凝液腐蚀穿孔及溃烂是排气系统消声器等低温端部件失效的主要形式。
显然，应现代汽车的发展要求，排气系统用不锈钢不仅要具备抗高温氧化的能力还要有耐冷凝液腐蚀的性能。为了认识和评价排气系统低温端所用材料的服役性能，必须建立合适的模拟排气系统腐蚀环境的试验装置或研究方法。已有文献根据排气系统低温端特点进行了相关研究报导，例如马弗炉加热保温的半浸泡循环试验法、半浸泡及加热氧化循环试验法(NSC)等。现有这些方法虽然可以再现排气系统低温端(如消声器)内部低温氧化，水汽凝集、湿润等状态，但只考虑了废气的热氧化作用，而未引入汽车排放废气的作用， 同时氧化试验和冷凝液腐蚀试验是分离进行的，操作不方便。此外，现有方法均尚未实现循环试验过程中冷凝液腐蚀的电化学原位监测以认识腐蚀机制。发明内容
本发明的目的是提供一种汽车排气系统冷凝液腐蚀的模拟试验装置，解决了汽车排气系统环境中多因素循环作用的一体化模拟问题，并提供了循环试验过程中冷凝液腐蚀的原位电化学测试方法。
本发明用于汽车排气系统的冷凝液腐蚀模拟试验装置，包括反应气氛控制执行系统，反应系统，冷凝液回收系统，尾气处理系统。这些系统通过连接管依次密闭相连。
上述反应气氛控制执行装置包括气体发生装置、预热装置、液体滴加装置、液体流量计、气体流量计，气体发生装置上部的出气口通过连接管与气体流量计连接，气体流量计通过连接管与多孔烧瓶侧边口相连，多孔烧瓶置于电热套中，液体滴加装置通过连接管与液体流量计相连，然后与多孔烧瓶另一侧边开口接出的连接管相连接后共同接入到反应系统的进气管中。气体发生装置可以是一个气体发生器或多个气体发生器，可以提供空气、 氧气、二氧化硫、二氧化碳、一氧化氮、氯气、水蒸气等气体中的一种或其任意比例的混合气体。预热装置由电热套和多孔烧瓶构成，为反应气体提前预热，以确保反应室内气氛的稳定。多孔烧瓶上方与多孔烧瓶加料漏斗相连，易溶、加热易挥发的固体粉末可先溶于液体中，然后通过多孔烧瓶加料漏斗加入预热的多孔烧瓶中，液体在多孔烧瓶中瞬间挥发随同导入气体混合预热后排出，若添加物并不容易挥发，或者低温挥发效果不好，则需要配合液体滴加装置进行实验。
上述反应系统包括电热炉、反应室、试样台、控制杆、温度传感器、进气管及排气管，反应室置于电热炉中，反应室上部有盖子，盖子上有进气管和提供温度传感器和控制杆接入的开口，温度传感器和控制杆通过这些开口接入到反应室中，控制杆下部连接试样台， 进气管在反应室内的开口处连接小口喷嘴，反应室上部一侧有排气管，以便于气体导出反应室，反应室上方外侧还有冷却水套，防止上部温度过高，对实验产生不利影响。电热炉可以是坩锅炉、管式炉或井式炉。反应室可以是石英材质，保证骤冷骤热实验的顺利进行，反应室的空间较大，保证实验时气氛的稳定。试样台可由耐高温耐腐蚀材质制作，如陶瓷、石英材料，可以是环状、凹槽状、片状等，具体形状根据试样形状、大小和实验要求确定。试样台一般可以悬挂或承载多个试样。控制杆的功能是辅助安装试样，并可以通过控制杆来调节试样的高低位置，以达到实验的某些要求。温度传感器的功能是校对反应室的温度，以保证精确控温。小口喷嘴的加入可以使液体滴加时随同气体一起呈喷雾状进入反应室，进而在在反应室内迅速汽化，形成稳定的反应气氛。反应室内进气管出口和排气管的入口分别置于反应室的顶端和底端，可以保证反应气氛能够充满整个反应室后从排气管排出，避免了反应气体不接触试样便从排气管逸出，进气管和排气管的功能可以互换，具体根据实验条件确定。
上述冷凝液回收系统包括储液器、进气口、冷凝回流管、出气口，进气口通过连接管与反应室排气管密闭连通，冷凝回流管连接在储液器上部，冷凝回流管上部有出气口供冷凝回流处理后的气体导出。反应室的高温气体通过连接管排出后进入冷凝液回收系统， 在连接管中流动时高温气体中的水汽已经部分冷凝，沿管道流入储液器，未冷凝蒸汽经过冷凝回流管进一步冷却回流。回收的冷凝液可做实验分析，或者做冷凝液浸泡等相关实验。
上述尾气处理系统形式不一，一般是装有可吸收尾气中危害气体溶液的装置，包括防倒吸装置、进气管、吸收瓶、倒扣漏斗、吸收液。吸收瓶中装有吸收液，倒扣漏斗上部连接在进气管上，下部浸入吸收液面下，深度可调，防倒吸装置通过连接管连接在冷凝液回收系统出气口和进气管之间。从冷凝液回收系统中排出的废气通过连接管导入吸收溶液中，倒扣漏斗形装置的功能是增加气液接触面积，防倒吸装置主要是防止液体倒吸入冷凝液中，造成污染。尾气处理系统也可以是通风橱或者是气囊收集废气或者是其他方式，不论是何种形式，压力都不能过大，以保证气体畅通和实验安全。
作为本发明的改进，将反应系统改装成反应及电化学测试系统。它主要由电热套和电解池部分构成。电解池置于电热套中，以提供实验所需温度，电解池顶部有电解池盖，电解池盖上部有进气口，进气管通过进气口连入电解池内，试样和辅助电极通过电解池盖上另外开口连接入电解池中，电解池两侧有开口，一侧为排气口，排气口通过连接管与冷凝液回收系统相连，温度传感器和参比电极装在电解池另一侧开口处。电解池可以是石英材质，或者是由其他耐高温、耐骤冷骤热材料制作，电解池部分主要由三电极电化学测试系统构成，试样为工作电极，辅助电极和参比电极均为Pt，三电极通过耐高温材质导线连接至电解池外的电化学工作站。待测试试样用耐高温硅酮类材料封样，反应气体由电解池顶部进气管导入电解池内，反应气体与试样充分反应后从排气口导出。实验温度由温度传感器控制，为使电解池迅速降温，可以在高温处理后将电解池转移至恒温水浴中，以提供电化学测试所需温度。电化学测试所需电解液由电解池排气口加入，测试结束时可倒出。电化学测试时在排气口安装冷凝回流管，以减少电解液蒸发对实验的影响。
这样就实现了反应试样的原位电化学测试，解决了试样要反复取出测试的繁杂操作，缩短了实验周期，防止了试样在操作过程中的污染和划伤，电解液由反应收集的冷凝液提供，再现了真实排气系统的腐蚀环境。
综上所述，本发明有如下优点1、集废气的热氧化作用和冷凝液腐蚀实验于一体，解决了汽车排气系统环境中多因素循环作用的一体化模拟问题，通过温度的调节可以真实模拟排气系统低温端的腐蚀环境。
2、引入电化学测试体系可以原位测试腐蚀试样的腐蚀电位、阻抗谱等，缩短了实验周期，可以实现对腐蚀试样的即时监测，电化学测试用电解液由反应收集的冷凝液提供， 确保再现排气系统真实的腐蚀环境。
3、实现了通入混合气体模拟汽车尾气的腐蚀环境，系统的整体设计保证了整个反应过程中气氛的稳定和温度的精确控制。
4、本模拟试验装置操作简单，可以实现从单因素到多因素影响的试验分析。
图1是本发明汽车排气系统冷凝液腐蚀的模拟试验装置的第一实施例的系统结构图。其中，反应气氛控制执行系统包括气体发生装置1、连接管2、气体流量计3、电热套 4、多孔烧瓶5、多孔烧瓶加料漏斗6、液体滴加装置7、液体流量计8，反应系统包括电热炉 9、反应室10、进气管11、小口喷嘴12、排气管13、试样台14、试样15、控制杆16、温度传感器17、冷却水套18、反应室盖子39，冷凝液回收系统包括储液器19、进气口 20、冷凝回流管21、出气口 22，尾气处理系统包括防倒吸装置23、吸收瓶M、进气管25、倒扣漏斗沈、吸收液27。
图2是本发明汽车排气系统冷凝液腐蚀的模拟试验装置的第二实施例的系统结构图，图3是单独的反应和电化学测试系统。其中，电解池部分包括进气口 29、电解池盖 30、参比电极31、温度传感器32、电解池33、试样34、辅助电极36、排气口 37、冷凝回流管 38，此外还有控制开关28、电热套35。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例一参见图1，本发明提供了一种汽车排气系统的冷凝液腐蚀模拟装置，解决了汽车排气系统环境中多因素循环作用的一体化模拟问题，并提供了循环试验过程中冷凝液腐蚀的原位电化学测试方法。本发明装置主要包括反应气氛控制执行系统，反应系统，冷凝液回收系统，尾气处理系统。这些系统通过连接管依次密闭连通。
上述反应气氛控制执行装置包括气体发生装置1、预热装置、液体滴加装置7、液体流量计8、气体流量计3，气体发生装置1上部的出气口通过连接管2与气体流量计3连接，气体流量计3通过连接管与多孔烧瓶侧边口相连，多孔烧瓶置于电热套4中，液体滴加装置7通过连接管与液体流量计8相连，然后与多孔烧瓶5另一侧边开口接出的连接管相连接后共同接入到反应系统的进气管11中。预热装置由电热套4和多孔烧瓶5构成，多孔烧瓶5上方与多孔烧瓶加料漏斗6相连。上述反应系统包括电热炉9、反应室10、试样台14、 控制杆16、温度传感器17、进气管11及排气管13，反应室10置于电热炉9中，反应室10上部有盖子，盖子上有进气管11和提供温度传感器17和控制杆16接入的开口，温度传感器 17和控制杆16通过这些开口接入到反应室10中，控制杆16下部连接试样台14，进气管11 在反应室10内的开口处连接小口喷嘴12，反应室10上部一侧有排气管13，反应室10上方外侧还有冷却水套18。上述冷凝液回收系统包括储液器19、进气口 20、冷凝回流管21、出气口 22，进气口 20通过连接管与反应室排气管13密闭连通，冷凝回流管21连接在储液器 19上部，冷凝回流管21上部有出气口 22。上述尾气处理系统包括防倒吸装置23、进气管 25、吸收瓶M、倒扣漏斗沈、吸收液27。吸收瓶M中装有吸收液27，倒扣漏斗沈上部连接在进气管25上，下部浸入吸收液面下，深度可调，防倒吸装置23通过连接管连接在冷凝液回收系统出气口 22和进气管25之间。
为了探索SCR系统中，因尿素的加入对机动车排气系统不锈钢的腐蚀影响，采用了本发明装置进行试验。选用现行重型卡车排气系统添加尿素系统用材料304不锈钢为实验材料，设置添加尿素和不加尿素两组对比实验。
实验用亚硫酸铵和亚硫酸添加蒸馏水配制无尿素滴加液，控制溶液中H2O和SO2W 摩尔配比为一定值，并保证经过反应室后收集的冷凝液的pH=3 5，来模拟排气系统的腐蚀气氛。在不添加尿素滴加液的基础上加入尿素，使溶液尿素的含量为广3wt%，即为添加尿素滴加液成分。冷凝液采用AKsteel标准配制，用稀硫酸调节pH=3 5。
实验使用空气作为气体源，调节气体流量计3使气体的流速为3(Tl20ml/min，调节液体流量计8，控制滴加溶液进入反应室10的速度为5 15ml/h，气体在300°C的预热装置中加热后与滴加溶液混合后通过小口喷嘴12进入反应室10，喷出的细小液滴在400°C的高温作用下，迅速汽化，形成模拟真实排气管SCR系统的环境气氛。
试样在400°C反应室10中氧化池后，关闭气体和液体源，并打开反应室盖子39， 用控制杆16取出试样15，采用半浸方式在配制的冷凝液中浸泡30min(6(T8(rC恒温水浴)， 至此为一个循环，期间可以进行电化学测试，如此循环实验50次。
实施例二本实施例与实施例1基本相同，特别之处是反应气氛不同以及将反应系统改装成以电解池为主体的反应及电化学测试系统，以实现汽车排气系统环境中多因素循环作用的一体化模拟问题，并提供循环试验过程中冷凝液腐蚀的原位电化学测试方法。
参见图2、图3，气体发生装置1由多个气体发生器构成，以实现单因素或多因素气体作用模拟试验。反应及电化学测试系统主要由电热套35和电解池部分构成。电解池33 置于电热套35中，电解池33顶部有电解池盖30，电解池盖30上部有进气口 29，进气管11 通过进气口四连入电解池33内，试样34和辅助电极36通过电解池盖30上另外开口连接入电解池33中，电解池33两侧有开口，一侧为排气口 37，排气口 37通过连接管与冷凝液回收系统相连，温度传感器32和参比电极31装在电解池33另一侧开口处。电解池33由石英材质制作，三电极电化学测试系统的构成中试样34为工作电极，辅助电极36和参比电极 31均为Pt，三电极通过耐高温材质导线连接至电解池33外的电化学工作站。
汽车尾气为一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等的混合气体，为研究汽车尾气中一种或几种成分对排气系统材料的腐蚀影响，如研究尾气中二氧化硫和二氧化碳的作用，可通过气体流量计3分别控制二氧化硫和二氧化碳的流量， 其余气体正常添加，水蒸气可以通过多孔烧瓶加料漏斗6或者直接通过液体滴加装置7滴加蒸馏水实现，以形成模拟汽车尾气的反应气氛。
将待测试试样用耐高温硅酮类材料封样，进行实验。反应气体由电解池顶部进气管11导入电解池33内，反应气体与试样34充分反应后从排气口 37导出。待测试样34经过400°C高温氧化池后，关闭控制开关28，并迅速将电解池33从电热套35中移出，待温度降低至室温后，将电解池33置于6(T80°C恒温水浴中。将排气口 37处连接管打开，取一定量收集的冷凝液从排气口 37加入电解池33中，调节三电极位置，使其符合电化学测试要求，在排气口 37安装冷凝回流管38，以减少电解液蒸发对实验的影响，继而在30min的浸泡实验中对试样进行原位电化学测试分析。电化学测试结束后将冷凝液从电解池33中倒出， 以保证下一循环实验的顺利进行。
权利要求
1.一种汽车排气系统冷凝液腐蚀的模拟实验装置，其特征在于该装置包括反应气氛控制执行系统，反应系统，冷凝液回收系统，尾气处理系统，这些系统通过连接管依次密闭相连；上述反应气氛控制执行系统包括气体发生装置(1)、预热装置、液体滴加装置(7)、液体流量计(8)、气体流量计(3)，气体发生装置(1)上部的出气口通过连接管(2)与气体流量计(3)连接，气体流量计(3)通过连接管与多孔烧瓶(5)侧边口相连，多孔烧瓶(5)置于电热套(4)中，液体滴加装置(7)通过连接管与液体流量计(8)相连，然后与多孔烧瓶(5)另一侧边口接出的连接管相连接后共同接入到反应系统的进气管(11)中；预热装置由电热套(4) 和多孔烧瓶(5)构成，多孔烧瓶(5)上方与多孔烧瓶加料漏斗(6)相连；上述反应系统包括电热炉(9)、反应室(10)、试样台(14)、控制杆(16)、温度传感器(17)、进气管(11)及排气管(13)，反应室(10)置于电热炉(9)中，反应室(10)上部有盖子，盖子上有进气管(11)和提供温度传感器(17)和控制杆(16)接入的开口，温度传感器(17)和控制杆(16)通过开口接入到反应室(10)中，控制杆(16)下部连接试样台(14)，进气管(11)在反应室(10)内的开口处连接小口喷嘴(12 )，反应室(10 )上部一侧有排气管(13 )，反应室(10 )上方外侧还有冷却水套(18)；上述冷凝液回收系统包括储液器(19)、进气口(20)、冷凝回流管(21)、出气口(22)，进气口(20)通过连接管与反应室排气管(13)密闭连通，冷凝回流管(21)连接在储液器(19)上部，冷凝回流管(21)上部有出气口(22)；上述尾气处理系统包括防倒吸装置(23)、进气管(25)、吸收瓶(24)、倒扣漏斗(26)、吸收液(27)；吸收瓶(24)中装有吸收液 (27)，倒扣漏斗(26)上部连接在进气管(25)上，下部浸入吸收液面下，深度可调，防倒吸装置(23)通过连接管连接在冷凝液回收系统出气口(22)和进气管(25)之间。
2.根据权利1所述的汽车排气系统冷凝液腐蚀的模拟实验装置，其特征在于，气体发生装置(1)由多个气体发生器构成，反应及电化学测试系统主要由电热套(35 )和电解池部分构成；电解池(33 )置于电热套(35 )中，电解池(33 )顶部有电解池盖(30 )，电解池盖(30 ) 上部有进气口( 29 )，进气管(11)通过进气口( 29 )连入电解池(33 )内，试样(34)和辅助电极(36)通过电解池盖(30)上另外开口连接入电解池(33)中，电解池(33)两侧有开口，一侧为排气口(37)，排气口(37)通过连接管与冷凝液回收系统相连，温度传感器(32)和参比电极(31)装在电解池(33)另一侧开口处；电解池(33)由石英材质制作，三电极电化学测试系统的构成中试样(34)为工作电极，辅助电极(36)和参比电极(31)均为Pt，三电极通过耐高温材质导线连接至电解池(33)外的电化学工作站。
3.根据权利要求1或2所述的汽车排气系统冷凝液腐蚀的模拟实验装置，其特征在于，试样(34)用耐高温硅酮类材料封样，反应气体由电解池顶部进气管(11)导入电解池 (33)内，反应气体与试样(34)充分反应后从排气口(37)导出；电解池(33)采用恒温水浴控温，电化学测试时在排气口(37)安装了冷凝回流管(38)。
4.根据权利要求1或2所述的汽车排气系统冷凝液腐蚀的模拟实验装置，其特征在于，多孔烧瓶(5)和反应室(10)均为石英材质。
全文摘要
本发明公开了一种汽车排气系统冷凝液腐蚀的模拟试验装置，属于腐蚀与防护技术领域。该装置包括反应气氛控制执行系统，反应系统，冷凝液回收系统，尾气处理系统。反应气氛控制执行系统通过连接管与反应系统相连；反应系统主要包括电热炉、反应室、控制杆、试样台，反应室置于电热炉中，控制杆从反应室顶部深入到反应室中，试样台连接在控制杆下部，反应室上方外侧有冷却水套；反应系统后面通过连接管依次与冷凝液回收系统和尾气处理系统相连。本发明装置模拟汽车排气系统低温端的腐蚀环境，解决了汽车排气系统环境中多因素循环作用的一体化模拟问题，并提供了循环试验过程中冷凝液腐蚀的原位电化学测试方法。
文档编号G01N17/02GK102507428SQ20111031717
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者李谋成, 王士栋, 阮伟慧, 韩沛洪, 马荣耀 申请人:上海大学