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摩托车尾气净化催化剂注意几个关键问题
发布日期:[2014-12-31]    浏览量[1292]

  1 影响催化剂性能的关键因素满足国Ⅲ排放标准的摩托车尾气净化催化剂由四部分组成:

  1)基体:FeCrAl蜂窝体;2)载体:高性能稀土储氧材料和耐高温高比表面材料;3)助剂:La2O3,Y2O3,Pr2O3,CeO2,BaO等;4)活性组份:Pt,Rh,Pd。制备催化剂,首先制备出高性能稀土储氧材料和耐高温高比表面材料2种载体材料,然后将贵重金属及助剂负载于载体之上,得到粉状催化剂,最后将粉状催化剂涂覆于FeCrAl基体上即得到催化剂成品。所以摩托车催化剂技术包括:1)金属载体表面氧化技术;

  2)连接层技术;

  3)高性能稀土储氧材料制备技术;

  4)耐高温高比表面材料制备技术;

  5)贵金属及助剂负载技术;

  6)耐久性涂层技术。在上述6大技术中,决定催化剂涂层是否脱落的是1)和2)、决定催化剂的性能和寿命的是3)、4)和5),其中3)为源头技术和核心技术,4)和5)为核心技术。尾气净化催化剂的性能和寿命是否合格,不仅要看是否具备有上述技术,更重要的是要看源头技术和核心技术所达到的程度够不够,不具有上述技术,制备的催化剂性能和寿命满足不了国Ⅲ排放标准;具备上述技术,但源头技术和核心技术达到的水平不够,制备的催化剂性能和寿命同样达不到排放标准要求。高性能稀土储氧材料技术是摩托车尾气净化催化剂的源头技术和核心技术,没有高性能稀土储氧材料技术的发展,即使大量使用贵金属,尾气净化催化剂也发展不到现在的程度。稀土储氧材料的发展,给尾气净化催化剂带来了两方面重要进展:催化剂性能出现极大提高;贵金属使用量明显降低。故稀土储氧材料达到的技术水平显得特别重要,它不是材料的组成和结构,而是织构性能(比表面,孔容和孔径分布)和储氧性能及高温稳定性,这些性能是整车企业不熟悉的。对于满足国Ⅲ排放标准的催化剂,要求高性能稀土储氧材料经1000℃、5 h老化后,比表面积保持住50m2/g左右,200℃储氧量在200μmol/g左右,要使稀土储氧材料达到此性能,难度很大,必须发展储氧材料的制备。贵金属和助剂负载是催化剂的核心技术,稀土储氧材料和耐高温高比表面材料是具有纳米孔道结构的多孔性物质,贵金属和助剂必须用特殊的制备技术装进纳米孔道内,并具有高分散度和稳定性,催化剂的性能和寿命才能满足国Ⅲ排放标准,同样为苛刻要求。以上表明,摩托车尾气净化催化剂是科学密集和技术密集产品,需要高水平基础研究为支撑,其技术来源于对科学规律的掌握,而不是通过炒配方可以达到的。充分认识尾气净化催化剂的科学和技术内涵以及难度,对于整车企业选择好、应用好尾气净化催化剂很有帮助。
 
  2 尾气净化催化剂与整车的匹配催化转化器实际上是一个催化反应器,与整车的匹配实际上是将催化反应器安装到车上并使其正常工作,这和将一个机械零部件装到车上不一样,并且复杂得多。催化剂的正常工作条件包括:适宜的温度条件,催化剂的用量和反应物的适当比例。相对摩托车而言,合格的催化剂与整车匹配有3个问题要解决:空然比控制(反应物的比例是否适当)、催化剂安装位置(催化剂是否具有合适的工作温度)、催化剂体积(催化剂的用量是否适当)。

  2.1 空燃比控制与催化剂的性能和寿命空燃比控制对于匹配至关重要,图1为空燃比控制窗口与催化剂的空燃比窗口关系。从图中看到,即使是合格催化剂,在差的空燃比条件下也达不到排放标准,因此:
  1)提高空燃比控制精度,在所有测试工况中使λ≈1,是实现匹配和排放合格的关键;
  2)不同催化剂空燃比窗口宽度不同,性能优异的催化剂空燃比窗口宽,性能差的催化剂空燃比窗口窄,甚至无空燃比窗口(无法匹配),所以空燃比窗口的宽窄对于成功匹配很关键;
  3)扩大空燃比窗口,主靠稀土储氧材料,高性能稀土储氧材料制备的催化剂才有可能具有宽的空燃比窗口。图2为性能优异的稀土储氧材料制备的催化剂空燃比窗口。值得指出的是,空燃比控制不仅关系到催化转化器是否能顺利匹配,还关系到催化转化器的使用寿命,空燃比控制差,污染物排放量大,催化转化器长期处于超负荷工作状态,会使催化剂的使用寿命缩短。

  2.2 催化剂的安装位置与催化剂的性能和寿命满足国Ⅲ排放标准的催化剂最佳工作温度为300~700℃,短时间在800~1000℃左右,如长时间暴露在高温下会缩短催 化剂寿命,要保证催化剂大部分时间工作在最适宜的工作温度范围。催化剂较佳的安装位置要求:
  1)满足欧Ⅲ排放标准的催化剂,要求能快速起燃,即发动机起动后40s就能使Hc转化50%,保证冷起动期间污染物排放不超标;
  2)保证催化剂工作在正常温度范围内。确定安装催化剂位置的方法:1)发动机起动后,用温度传感器(如热电偶及显示器)测量排气管的温度分布,从中找出发动机起动后40s左右,排气管中尾气温度能达到250~280℃的位置区域;2)在一所选的位置区域中,测量高工况下,此区域位置内各备候选位置所能达到的最高温度;
  3)将1)和2)测定结果进行综合平衡,确定催化剂在排气管中安装的位置;
  4)在所选位置安装催化剂后进行试验验证和适当调整。催化剂的位置安装正确,能保证合格催化剂的性能和寿命。安装位置相对正确位置近,匹配可以通过(甚至不合格催化剂也可通过),但满足不了寿命的要求;对于不合格催化剂,根本承受不了尾气的高温会很快失效。安装位置相对正确位置远,一般会出现排放达不到标准,催化剂不能发挥作用现象。

  2.3 催化剂的体积(用量) 达到国Ⅲ排放标准的催化剂配置有2种形式,密偶催化剂(前级催化剂或紧耦合催化剂)+三元催化剂;中偶催化剂(即一级催化剂)形式。通常催化剂体积=发动机气缸体积×(1~1.2),即与排量相同或稍大;密偶催化剂体积=发动机气缸体积×(1~1.2)×(0.2~0.4);三元催化剂体积=发动机气缸体积×(1~1.2)×(0.6~0.8);中偶催化剂体积=发动机气缸体积×(1~1.2)。
 
3 催化剂的性能和寿命评价随着摩托车国Ⅲ排放标准的实施,催化剂的性能和寿命评价对整车企业已变成一项日常工作,主要体现在配车前和催化剂入厂前的检验,如果没有催化剂的性能和寿命评价,会造成不合格催化剂匹配,给整车企业带来人力、物力损失。评价催化剂的性能和寿命有实验室评价、台架评价和实车评价3种方法,并均有相应的标准。适合于配车前及催化剂入厂检验的是实验室评价(QC/T752-2006),可方便、准确和经济地对催化剂的温度特性、空速特性和空燃比特性及抗老化性能进行评价,每次费用仅几十元。同时,实验室评价装置的使用将会极大地增强整车企业对催化剂的选择、评价和使用能力,推动摩托车产业的发展。

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