催化转化器技术及应用

论文题目 催化转化器技术及应用 Page 1 of 8 催化转化器技术及应用催化转化器技术及应用 摘要 催化转化器是有效控制汽车尾气排放污染的方法 本文主 要讨论了催化转化器的结构及其工作原理 1 引言 尾气排放就是发动机运行时所产生的废气经汽车排气管 放出来 尾气是燃油燃烧及不完全燃烧造成的 空气的主要 成份是氧和氮 而汽油的主要成份是氢和碳 在燃烧过程中 这四种成份进行化学混合 如果完全燃烧 空气和汽油混合 会产生水 二氧化碳和氮气 这些对环境没有危害 但是 空气与汽油并不总是完全燃烧 这是会产生有害气体 汽车 的尾气排放物对大气的污染日益受到人们的重视 许多国家 纷纷制定出各种法规 采取许多措施 包括行政的 技术的 手段等对汽车的尾气排放污染加以严格的控制 排放标准主 要是针对碳氢化合物 一氧化碳及氮的氧化物这三种物质的 排放而制定的 表 1 为美国联邦轿车尾气排放标准 美美国国联联邦邦轿轿车车尾尾气气排排放放标标准准 84 34 28 15 3 4 2 10 6 4 1 3 1 5 0 41 0 2 4 14 1 3 13 1 1 0 4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 197019701973198119931997 年份 标准 g mi CO HC Nox 表 1 控制发动机的废气排放的方法主要有以下两种 第一种 方法是控制进入燃烧室的空气与燃油的比例 第二种方法是 汽油在燃烧室中燃烧后 控制尾气的排放 论文题目 催化转化器技术及应用 Page 2 of 8 目前 在美国及欧洲的国家生产的轿车都安装了催化净 化装置 在全世界范围内安装有三元催化转换器的轿车已超 过 就中国而言 随着汽车行业的迅猛发展及环境意 识的逐步增强 汽车尾气排放的催化转化技术越来越受到了 人们的重视 2 三元催化转化器 三元催化转化器 如图 1 利用催化剂的作用 同时将 汽车发动机排出的三种有害气体 一氧化碳 未燃的碳氢化 合物和氮氧化合物 转变为对人体无害的物质 这就是三元 催化反应 下面简单介绍一下三元催化反应 一氧化碳 CO 二氧化碳 CO2 这是氧化反应 碳氢化合物 HC 水 H2O 这也是氧化反应 氮氧化合物 NOx 氧气 O2 这是还原反应 图 1 加以净化 是目前最有效的净化排放气体的方法 经实验研 究证明 只有在空燃比保持为 14 7 1 时 降低废气排放量 的效果最好 即一氧化碳 碳氢化合物及氮氧化物的整体排 放浓度为最低 如图 3 因此必须保证发动机在工况条件下 的近理论空燃比 14 7 1 为了达到这个目标值 采用 了闭环燃油控制系统来监控排气成份的变化 通过氧传感器 来感知发动机排气中的氧的浓度 从而由 PCM 来调整进气 量以保证理论空燃比 原理图见图 4 论文题目 催化转化器技术及应用 Page 3 of 8 图 3图 4 3 催化转化器 3 1 载体 在贯彻法规初期 曾使用过散体状载体 这种载体由颗 粒状直径为 2 4mm 的颗粒堆积而成 在颗粒上涂覆铂催化 剂 然后填充到三元催化转化器壳体内 发动机工作时 废 气通过小颗粒的间隙和催化剂接触进行反应 但废气通过多 颗粒式三元催化转换器时 背压损失很大 即排气阻力过大 另外 还存在着废气反应时产生大量的热散发不掉及载体的 载持特性不佳等问题 蜂窝状整体式载体主要由陶瓷材料或金属薄片卷绕而成 目前催化器一般都采用蜂窝状整体式陶瓷载体 这种载体是 用堇青石挤压而成 具有容易加工 成本低 在高温条件下 强度高 热变形小等特点 这种材料的孔密度可以达到很高 论文题目 催化转化器技术及应用 Page 4 of 8 47 62 cm2 壁薄 0 15mm 表面积的 都是孔结 构 排气压力小 接触面积大 但是 这种载体的导热性差 机械性能不好 抗冲击能力底 金属整体式载体是近年来发展起来的一种催化剂载体 目前 由于这种载体制造成本很高 当体积大时 易产生热 变形而不能保证有足够的机械强度 这极大的限制了它的广 泛使用 金属载体与陶瓷载体相比 具有以下几个优点 i 壁薄 可达到 m 因而几何面积和孔隙率大 可以提高催化效率 减少背压损失 ii 导热性能良好 且热容量少 可以缩短预热时间 iii 抗震强度与性能均较好 iv 结构紧凑 与金属载体对比而言 陶瓷载体有以下缺点 i 热膨胀系数较大 ii 金属载体附着催化剂前 必须先经过表面处理才能 形成 Al2O3氧化层 iii 因载体吸水性能较差 在附着催化剂时需采用特殊 的结构和工艺 iv 可靠性不高 v 成本很高 金属载体式催化器在改善发动机功率和排气净化率两方 面极具有潜力 是目前具有广阔发展前景的催化器 3 2 涂层 涂层是将具有催化转换作用的物质固定在载体上的部分 常见的涂层是由 Al2O3构成的 将催化剂附着在涂层上 常 见的三元催化剂是 Pt Rh 按 5 1 构成 一般涂载量为 40 50g 立英尺 中间附加中间夹层以扩大其表面积 Pt 要 对所有的氧化反应起催化作用 Rh 主要对氮氧化物的还原 反应起催化作用 它对 NO 的净化特别有效 且 NH3 生成 率很底 钯 Pd 是一种近年来使用较多的贵金属 它具有良好的 HC 氧化活性 高热稳定性 而且相对来说价格也不贵 而 它的缺点是对污染物过于敏感 而且通常对 NOx 转换性差 三元催化剂的作用是在理论空燃比附近使 CO HC NOx 同时得到净化 为克服空燃比的变动 常添 论文题目 催化转化器技术及应用 Page 5 of 8 加辅助催化剂 氧藏物质 OSC 几年前用 Ni 做 OSC 现 在则常常侵渗 CeO2 它能明显改善三元催化剂的性能 为解决催化转化器的制造成本问题 国内研制的机构倾 向于价格低廉的稀土催化剂 但是这种催化剂存在效率较低 寿命短等一系列问题 稀土催化剂尚进一部的研究 3 衬垫 由于载体和壳体的热膨胀率不同 因此必须在两者之间 安装一层衬垫 以祢补催化剂在受热时载体与壳体之间的松 动 常见的衬垫有金属网垫和陶瓷纤维垫层两种形式 3 4 壳体 壳体是封装载体的容器 一般由铝或不锈钢制成 壳体 的设计具有十分重要的作用 它极大的影响催化剂的使用效 率和使用寿命 一般对壳体设计要求是使经催化器的气体流 场的分布较好 尽可能减少涡流和分离现象的发生 把气流 的阻力降至最低 要特别注意进气端形状设计 因为催化器 前端面积对压降和净化效率影响最大 4 催化转化技术 4 1 改善催化器的冷启动性能 在冷启动阶段 由于催化器的温度尚未达到催化器工作 的预定温度 这一阶段排出的尾气基本上没有经过净化 低 温环境下冷启动后的 CO 和 HC 排放增加可能是正常环境条 件下的 3 5 倍 改善冷启动排放常用的措施是采用电加热技 术 也就是在发动机冷启动前 通过车辆的蓄电池释放的能 量 把催化器加热到适当的温度 这样就减少了冷启动阶段 排出的有害气体 4 2 硫对催化转化器性能的影响 随着排放法规的日益严格 硫对大气的污染越来越受人 们的重视 美国 1990 年制定的净化空气法规对硫的排放提 出了限制 随之而来 硫对三元催化转换器性能与寿命的影 响也越来越受到重视 研究结果表明 在理想混合比或稀混合比情况下 催化 转化器把硫存起来 而在浓混合比情况下则把它释放出来 在稀混合比环境下 主要通过和氧化铝 基体金属氧化物作 用的形式来储存 也就是催化氧化 SO2形成 SO3 这些产物 可以在 Pt PD Rh 金属表面分解而成 论文题目 催化转化器技术及应用 Page 6 of 8 4 3 控制稀薄燃烧时 NOx 的生成 采用稀薄燃烧发动机的汽车具有燃油消耗率低 经济性 好的优点 但其主要难点在于难以降低 NOx 的排放 由于 NOx 被认为在阳光作用下 是形成雾和地面臭氧的重要物质 因此美国环保局和加州空气资源委员会对 NOx 的排放制定 了严格的法规 对其加以限制 这迫使许多汽车发动机厂家 纷纷采取相应的措施来控制 NOx 的排放 许多年前 IVAMOTO 发现氟石催化剂在富氧的条件下 如果存在还原剂 可以降低 NOx 的排放 以后又有许多科 学家对此进行研究 但是由于 NOx 的还原率很底 对水蒸 气和排气中微粒的稳定性很差 而且还必须找到供应还原剂 的合适方法 因此 很难将此成果投入运用 在三元催化转化器中 当在理想混合比工况时 NOx 是 通过 HC CO 的还原作用而得到净化的 反应方程式如下 2NO 2CO 2CO2 N2 10NO 4HC 4CO2 2H2O 5N2 2NO 2H2 N2 2H2O 在稀混合比工况下 NOx 的还原反应并不是在通常的排 气系统温度下进行的 目前 仅有一种方法可以降低 NOx 的排放 既在排气流中喷入 NH3或其它的还原剂 但是 喷 入 NH3的方法并不是十分可行 因为 NH3 的喷入量必须十 分准确 否则 NH3本身也会带来污染 分解是另外一种化学处理方法 在 NOx 中 大部分是 NO 其分解方程式如下 2NO N2 O2 这个反应是在 900 C 以下的温度进行的 但这个反应所需 要的活化能很高 曾经有人在 600 C 以下试过几种催化剂 但没有一种是可行的 由于分解的方法即简单又不需要还原 剂喷射系统 因此全世界的研究人员都在寻找合适的催化剂 一般认为在有氧的环境下 某些含氟石的催化剂可以还原或 分解 NO 它能净化刚排出气体的 25 当加入碳氢还原剂 后 可以净化 75 这个结果还有待于进一步的提高 4 4 催化器失去活性的问题 研究催化转换器失去活性的问题对于延长催化转化器的 寿命 提高催化转化器的转化效率 具有十分重要的意义 催化转化器失去活性的原因可归结为以下四类 论文题目 催化转化器技术及应用 Page 7 of 8 a 化学因素 中毒 在催化转化器表面发生不可逆转的吸附或化 学反应 图 5 抑制物 以前可逆性吸附得到的毒性物质 催化器表面毒性物质还原性重组 基体孔物理 化学性堵塞 b 热因素 烧结 合金化 基体发生变化 贵金属与基体金属发生相互作用 金属 基体金属氧化物发生相互作用 被氧化 c 淤塞 碳质沉淀 焦化 d 机械因素 热冲击 机械磨损 物理断裂 由于催化转化器的工作温度为 800 C 1050 C 因此研 究催化剂在高温环境下保持热稳定性 对于正确设计催化转 化器 延长其寿命具有非常重要的意义 5 结束语 论文题目 催化转化器技术及应用 Page 8 of 8 随着汽车行业的迅猛发展 汽车的尾