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蜂窝陶瓷,如何满足国六排放标准?

作者:瓷录 更新时间:2021-08-17 08:57 来源:瓷录 点击数:377


7月1日起,我国重型柴油车《国家第六阶段机动车污染物排放标准》已在全国范围内正式实施,禁止生产、销售不符合国六排放标准的重型柴油车,进口重型柴油车应符合国六排放标准。据悉,国六排放标准相对国五而言对汽车尾气测试程序进行了升级改进,汽车尾气污染物排放限值更是做出了规定,严苛程度提升了40%~50%,主要污染物排放放低了将近一倍。由此来看,汽车尾气排放产品升级对各大车企而言是一项必不可少的工作。


1.汽车尾气处理系统的组成

汽车尾气排气系统主要包括排气支管、排气管、消声器和排气净化装置(三元催化)四大组成部分。汽车尾气催化净化器是一种机外净化装置,主要应用于汽油机,由壳体、载体和催化剂三部分组成。其中载体的性能对催化剂活性和使用寿命有极大的影响,因此对整个催化净化器的净化效率起着重要作用。因载体表面的催化剂对汽车发动机排出的废气中的污染物NOx、HC、CO等有害物质和有害气体进行氧化和还原,将其转变为无害的CO2、H2O和N2,从而达到尾气净化的作用。

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图1.三元催化器工作原理via网络


载体应当具备的性能要求有:

1)具有很高的耐热性,以适应汽车发动机较宽的排气温度范围;

2)具有良好的机械强度,能承受高温气流的热冲击,以及路面不平整和气缸振动引起的剧烈冲击;

3)具有较大的比表面积,载体比表面积大,活性成分分布均匀,有利于提高活性成分的利用率,降低成本;

4)具有较低的热容量和高的热导率,有利于缩短催化剂的反应时间,以减少汽车冷启动时尾气排放;

5)具有合适的孔隙结构或开孔率;

6)具有一定的吸水率,价格低廉。


2.催化剂载体材质类型

目前国内外研究用于汽车尾气净化催化剂载体的主要有金属、多孔陶瓷两大类,其中以多孔陶瓷载体中的堇青石蜂窝陶瓷应用最为广泛。


2.1金属载体:

优势:壁薄,比表面积大,具有具有机械强度高、对汽车排气阻力小、载体与金属外壳之间的匹配性能好等优点。其热容小、热导率高,具有较快的响应特性,可以提高冷启动时催化剂的加热速率,因此对冷启动时汽车尾气的净化达到很好的效果。

劣势:成型工艺复杂,生产成本较高(约为陶瓷载体的两倍),并且抗热冲击性不如堇青石蜂窝陶瓷,加之表面涂敷工艺还不完善,因此限制了其发展。


2.2堇青石蜂窝陶瓷载体:

优势:蜂窝陶瓷制品由于具有很多平行流通孔道,因此气体流通的压力损失小,在整个构件内流量分布良好,再加上蜂窝陶瓷可由多种材质制成,主要材质有堇青石、钛酸铝、碳化硅、氧化锆、氮化硅等。其中堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)蜂窝陶瓷以其优良的抗热震性能、良好的吸附性能、较高的耐火度和适当的机械强度而得到广泛应用。

自1973年美国Corning公司开展蜂窝陶瓷载体的挤出法生产以来,堇青石蜂窝陶瓷已成为汽车尾气催化净化器、柴油车尾气颗粒物捕集器等尾气净化部件的重要组成部分。工业上一般选择品质的高岭土、滑石、氧化铝等合成堇青石蜂窝陶瓷。

劣势:通常为增大蜂窝陶瓷载体的表面积,其表面会涂覆一层均匀的高比表面积氧化铝涂层,再把贵金属活性组分负载于表面。但堇青石基体与氧化铝涂层的热膨胀系数差异较大,使得催化剂和涂层易从载体上剥离,堵塞孔道使得催化器失效。热导率低也使得催化剂起燃慢,冷启动时的汽车尾气排放净化效率较差。


2.3新型多孔陶瓷催化剂载体:

①纤维多孔陶瓷:指采用陶瓷纤维作为主要原料制备的一种高孔隙陶瓷材料。

优势:该种材料绝大多数为开口气孔结构,孔隙率可达90%以上,而一般的多孔陶瓷材料孔隙率最高也仅有50%左右。其主要是利用纤维的纺织特征进行三维编织,气孔率、孔径等可控。

劣势:受到陶瓷纤维的长度和编织性能的限制,且三维编织技术要求高,昂贵的产品成本限制了其发展。


②导电型SiC多孔陶瓷材料:其孔道呈三维连通网状结构,具有优异的耐热和耐腐蚀性能、高的热导率和使用温度、良好的再生性能。热抗震性能强于堇青石蜂窝陶瓷,适用于温度经常急剧变化的使用场合。

该种产品采用导电型载体利用电预热的方法来让净化器的温度升高,催化剂能够在较短的时间内达到催化剂的起燃温度,有效减少汽车冷启动开始几分钟内的有害物质排放量。