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摩托车尾气催化净化技术原理与应用(二)

2015-11-30  来源:摩托车行情 阅读次数:0

对于贱金属催化剂,其吸氧能力较强而且牢固,氧分子不易脱附,使催化剂的供氧速率受到制约。在发动机高污染、高空速和低温下,与贵金属催化剂相比,具有致命弱点,即易烧结失效,易发生硫中毒,空速特性差,需加大催化剂体积等。由此可见,贱金属催化材料一般只作为助催化剂,而不能作为主要的活性组分。

1.3摩托车催化转化器的工作特性

摩托车排放控制中应用催化转化器时,如何合理地安装使用催化剂和保证催化剂的正常工作,需要了解催化转化器的主要特性。

a)温度特性:指CO、HC在一定的浓度和空速条件下,净化率随温度变化的情况。CO、HC的净化率为50%的温度,即为催化剂的起燃温度,也是催化剂开始有效工作的温度。起燃温度越低,催化剂发挥作用越快。一般新鲜催化剂的起燃温度为250-300℃,老化后会有一定程度的升高。

b)空速特性:指1h内通过催化剂的气体在标准状态下的体积与催化剂的体积之比。对于同一催化剂,在一定条件(温度,浓度,压力)下,由于排气空速不同,其净化效果也不同。摩托车的发动机转速越高,排气空速越大,排气在催化剂停留的时间越短,对催化反应不利,催化剂的转化效率变低。摩托车排放控制能否达到预期目标,需要综合考虑催化剂在各种工况下的排放净化效果。

c)空燃比特性:对同一催化剂,在相同的温度和空速条件下,CO、HC或NOX转化率随氧含量的不同而不同,富氧条件有助于提高CO和HC的转化率,而贫氧条件有助于提高NOX的转化率。摩托车催化剂主要是转化CO和HC,为了保证净化效果,摩托车排气系统需要有充足的氧含量,即较大的过量空气系数。可以通过化油器的优化匹配或引入二次空气系统补充氧气。

d)热稳定性:由于催化剂长期在高温下工作,易引起涂层结构和活性组分化学状态发生改变,导致催化剂的活性和净化率发生变化。摩托车发动机的排气温度和流速变化很大,这就要求催化剂具有良好的耐热性能,防止催化剂的使用寿命下降。

e)抗中毒性能:摩托车催化剂在使用过程中,由于燃油和机油中的铅(Pb)硫(S)磷(P)等毒性化合物吸附在催化剂上或与活性组分发生化学反应,所引起的催化剂活性下降或失效现象称为催化剂中毒。其中,铅是很强的催化剂毒物,目前还没有任何催化剂可以避免铅中毒。尽管我国已推广使用无铅汽油,但仍有微量残余铅存在,而催化剂的铅中毒是累积性的,会明显损坏催化剂的性能。添加稀土化合物可改善催化剂的抗铅硫中毒能力。

1.4摩托车催化转化器老化及失效原因分析

催化转化器的老化实际上是催化剂的性能劣化,直接影响催化转化器的性能和耐久性,其过程是一个复杂的物理、化学变化过程。而催化剂的失效主要是由高温热老化、催化剂中毒及机械损伤造成的,其中高温热老化是摩托车催化剂的主要失活方式。1.4.1催化剂的热老化失活机理

催化剂在高温(850℃以上)下使用,高比表面积涂层材料中的氧化铝会发生相变和微孔烧结,比表面积大幅下降。同时,贵金属活性组分的晶粒也发生烧结长大或形成合金,导致催化剂的性能下降或失活。通过添加稀土金属氧化物等稳定剂以改善催化剂的耐高温性能。此外,催化器的规格和外部使用条件不合适,也容易产生催化剂的高温老化。

发动机的排放情况:若发动机燃烧不了,CO和HC排放过高,催化剂负担过重,长期使用,会造成热老化,影响催化剂的使用寿命。若点火系统不良造成发动机持续失火,导致催化剂温度大幅升高,也会引起严重的热老化,使催化剂高温失效。对于二冲程摩托车,由于排气中HC含量远高于四冲程,在氧化反应过程中大量放热,导致催化剂升温过高(可达1000℃),更易造成催化剂热老化失效。

催化转化器的规格:在设计摩托车排放控制方案时,应综合考虑各种影响催化剂耐久性的因素,以确定催化器的尺寸和孔密度。当摩托车发动机排放较差或有失火现象时,若采用高孔密度的催化剂,由于转化效果好,更易产生催化剂温升,反而比低孔密度的催化剂容易热老化,此外其抵抗发动机失火损坏能力也差。

1.4.2催化剂的中毒失活

催化剂中毒可分为物理中毒和化学中毒。其中物理中毒也称物理覆盖,主要是由机油中的磷、锌、钙,燃油清洁剂中的硅和汽油添加剂MMT中的锰等燃烧后所产生的化合物灰烬以及含碳沉积物(碳结焦),覆盖在催化剂表面,引起气体扩散通道受阻,导致催化性能下降。覆盖引起的催化剂中毒是暂时中毒,失活也是可逆的,在催化剂工作过程中可自动再生,但有可能影响催化剂的性能和寿命,严重的表面覆盖会导致最高转化率大幅下降。而化学中毒主要由汽油中的铅、硫和卤化物与贵金属活性组分发生化学反应,导致催化剂的永久失活。

1.4.3机械损伤引起的失效

尽管摩托车的减振系统较差,行驶时的振动较大,由于采用金属载体,摩托车催化转化器有较高的抗振性能,一般的机械振动不会损伤催化转化器。但在摩托车工况变化很快时,金属载体处于很高的温度变化率的排气下,较薄的金属芯片和 较厚的外壳之间会产生不同的热膨胀变形,引起较高的热负荷和机械负荷,出现金属蠕变疲劳现象,若金属载体制作不良,还会发生芯体与外壳的脱离造成催化器的失效。


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