汽油发动机的尾气净化催化剂

1、汽油发动机的尾气净化催化剂1、满足欧W及以上排放标准的汽油车尾气净化催化剂尾气排放特征:常规污染物为HC，CO, NOx，尾气温度有时超过1000r以上，高空速（30,000 一100,000h-1）,高水蒸气（10%左右）浓度和SOx存在的极端条件下具有高活性和10万 公里耐久性要求，且要求低贵金属。欧W及以上排放标准采用密偶催化剂（CCC） +三效催化剂（TWC）。1）密偶催化剂（CCC）:靠近发动机、解决发动机冷启动时尾气排放。主要功能是降低冷启 动时HC的排放量，大部分HC是冷启动时排出的,这时催化剂未达到起燃温度不能进行反应 和发动机启动时处于富油工况，氧化过程因贫氧而不完全。其关键

2、是催化剂的低温活性、高 温稳定性、抑制CO的转化和HC的高转化率。2）三效催化剂（TWC）：在密偶催化剂（CCC）后，低贵金属，高性能及高温抗老化性（10-16 万Km耐久试验）。3）组成：基体：陶瓷蜂窝体或金属蜂窝体催化剂载体：氧化铝、储氧材料等助剂：ZrO2, La2O3等辅助材料活性组分：Pt、Pd、Rh等贵金属4）尾气净化催化反应原理：HC+O2 CO2 +H2O （1）CO+O2 CO2 （2）NO+CO N2+CO2 （3）NO+HC CO2+N2+H2O （4）NO+H2 N2+H2O （5）CO+H2O CO2+H2 （6）HC+H2O CO+H2 （7）空燃比控制好才能保证最

3、佳反应效果，每个反应都需两种反应物，入=1，才能保证所需的各 种反应物的量是合适的，净化效果最好，若空燃比偏差增大，净化效果急剧下降，甚至不能 净化。应用领域：轻型汽油车新车配套及在用车改装2、满足国III及以上排放标准的摩托车尾气净化催化剂尾气排放的特征：常规污染CO、 HC、NOx，成分复杂，温度高，空速大，对催化剂的要求非常苛刻。产品的特点1）优良的催化剂性能、三效窗口宽，转化效率高；2）具有优异的温度特性，空速特性，空燃比特性；3）催化剂的贵金属含量低，具有高的性价比；4）催化剂涂覆均匀、牢固、不生锈、不脱落；5）优异的耐久性能可满足国I及以上排放标准和耐久性要求。达到国I标准的技术路

4、线：化油器+二次补气+双级催化剂，化油器的空燃比变化很大。电 喷+单级催化剂，电喷的空燃比变化较小。应用领域：二轮、三轮摩托车及沙滩车（ATV）等新车配套3、满足EPA/CARB、欧洲认证等排放标准的非道路用催化剂产品的特点1）优良的催化剂性能、转化效率高；2）催化剂的贵金属含量低，具有高的性价比；3）催化剂具有优异的温度特性，空速特性，空燃比特性和抗老化性能，特别适合对耐久性 要求很高的场合。载体：金属蜂窝体或金属丝网状体。柴油发动机尾气排放污染物：CO、HC、NOx、PM四种污染物。排放特征：温度低(200-450C), O 2过量，高空速(30, 000-100, 000h-1 )和SO

5、x存在。1、DOC (柴油发动机氧化型催化剂)功能氧化HC和CO；氧化PM中的可溶性有机物(SOF)；部分氧化PM中的碳颗粒(SOOT)；涂覆在POC表面，氧化PM；作为SCR催化剂的前级将NO氧化为NO2,增加SCR催化剂的性能。DOC尾气净化催化反应原理：HC + O 2 CO 2+ H 2OCO+O2CO2SOOT+O2CO2部分转化SOF+O2CO2+H2OSO2+O2SO3抑制发生性能SOF的起燃温度低，净化效果好；HC, CO净化效果好；良好的SO2氧化抑制性能；DOC可单独使用或与POC、DPF和SCR配合使用。2、POCPOC,为带催化剂层的通透式的DPF。通透式的DPF称为P

6、DPF，也称为部分的DPF。带 催化剂层的通透式DPF全称应为CPDPF，通常为POC。由金属纤维或金属孔板等材料制 成，可经过处理后涂覆催化剂层，其特点是非壁流式，不会堵塞，免维护，成本较低，缺点 是对PM的过滤效果较低，适合于柴油机欧III、欧W排放标准使用。3、DPFWDPF:即壁流式DPF，特点是过滤效率高带催化剂层的WDPF通常称为CDPFDPF有SiC和堇青石两种，SiC耐热震性能好，价格高，制备困难，堇青石价格较低，耐 热震不如SiC.未来不仅柴油车要使用，而且汽油车等车都要使用。应用领域：轻、中型柴油车和船舶、叉车、挖掘机、柴油发电机组等4、SCR (选择性催化还原NOx催化剂

7、)在稀燃，富氧，含硫，高空速(30, 000-100, 000h-1 )，低温极端条件下净化NOx，极具挑 战。SCR催化剂上的催化反应CO(NH2)2 + H 2O 2NH 3+ CO2 (1)4NH 3+ 4NO + O 2 4N 2+ 6H 2O (2)4NH 3+ 6NO 5N 2+ 6H 2O (3)4NH 3+ 2NO + 2NO 2 4N 2+ 6H 2O (4)8NH 3+ 6NO 2 7N 2+ 12H 2O (5)4NH 3+ 3O 2 2N2 + 6H 2O (6)4NH 3+ 5O 2 4NO + 6H 2O (7)4NH 3+ 4NO + 3O 2 4N 2O + 6

8、H 2O （8）SCR反应是一个复杂的反应体系网络，对反应条件敏感，存在温度窗口。2）分子筛基SCR催化剂目前在一些国家使用的V 2O5 /WO 3 /TiO 2催化剂，V 2O 5具有毒性，同时催化剂的温度 窗口窄，耐高温性能差，报废后污染环境等。发展的分子筛基SCR催化剂体系，由分子筛负载的Fe,Cu等氧化物组成。其优点是温度窗 口宽，高温稳定性好，净化效率高，其性能明显优于V 2O 5/WO 3/TiO 2催化剂。催化剂经 650C64小时老化后仍保持优异的净化性能。为柴油机尾气中NOx净化的主流催化剂。3）复合氧化物低温SCR催化剂发展的复合氧化物基低温SCR催化剂，在150C以下起燃

9、，表现出了优异的低温SCR活性 和较宽的温度窗口。复合氧化物低温SCR催化剂的性能应用领域：中、重型柴油车和船舶、中重型叉车、挖掘机、柴油发电机组等1、理论空燃比天然气汽车（CNG/LNG/LPG）尾气净化催化剂CNG车尾气排放特征：除CO和NOx夕卜，HC的主要成分为CH4，CH4是最稳定的HC化 合物，CH4和NOx的偶联反应比其它HC与NOx的偶联反应困难，导致NOx的转化难度 大；同时CH4自身氧化的难度也大，所以，汽油车尾气净化催化剂不能用于CNG车的尾气 净化。针对CNG车尾气净化的特点，专门开发了适合CNG车尾气净化催化剂的催化剂载 体材料，在此基础上研制出满足理论空燃比CNG车

10、欧III和欧W的尾气净化催化剂，具有优 异的活性和耐久性。同时，此类催化剂可覆盖LPG和汽油车的尾气净化。应用领域：CNG/LNG/LPG和含氧燃料车配套及在用车催化剂更换2、稀燃CNG/LNG/LPG车尾气净化催化剂尾气排放特征：主要成分是CH4和CO，尾气排放温度较低（最高温度550C左右），NOx 少。在低温高空速条件下净化上述尾气极为困难。在研制出适合于稀燃CNG车尾气净化催化剂的载体材料的基础上，研制出满足欧I、欧W、 欧V排放标准的稀燃CNG车催化剂，已成功用于多种型号的整车。尾气排放特征：主要成 分是CH4和CO，尾气排放温度较低（最高温度550C左右），NOx少。在低温高空速条

11、件 下净化上述尾气极为困难。在研制出适合于稀燃CNG车尾气净化催化剂的载体材料的基础上，研制出满足欧I、欧W、 欧V排放标准的稀燃CNG车催化剂。3、醇类、二甲醚等替代含氧燃料发动机尾气净化催化剂替代燃料可与汽油、柴油混合或单独使用，其尾气排放特征：除常规污染物（HC、CO、 NOX）外，还存在醇、醛、酸等非常规污染物，虽然排放量不大，但毒性很大，对人的身 体健康造成极大危害，已开发了具有高低温活性和耐久性等特殊要求的替代含氧燃料发动机 尾气净化催化剂。/ 2.无锡威孚力达催化器有限责任公司催化转化器：催化转化器（Catalytic Converter）也叫催化器、净化器、汽车尾气净化器，是完

12、成催化反应的 装置。催化器应用于汽车排气系统中。在闭环电喷系统下效果最佳。对于空燃比控制不精确的车辆， 转化效率下降，严重的影响催化器的使用寿命。催化器将汽车排气系统中的有害物质碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物转化为水蒸气、二氧 化碳和氮气。（一）工作原理催化器的作用是降低化学反应的活化能，加快反应速度。三元催化转化器（THREE-WAY CATAYST）能同时将有害物质碳氢化合物、一氧化碳和氮 氧化物转化为水蒸气、二氧化碳和氮气。氧化型催化器主要对碳氢化合物、一氧化碳起作用。 主要化学反应有：CO+1/2O2=CO2H4C2 + 3O2 = 2CO2 + 2H2OCO + NOX = CO2+

13、N2三元催化转化器要求对空燃比精确地控制在理论值附近才能对三种有害排放物同时实现高 效率的转化。氧化型催化器要有足够的氧气才能达到理想效果，必要时可引入二次空气。催化器的转化效率除了本身的因素外，还和使用条件密切相关，其中最关键的因素是使用温 度和空燃比。催化转化器 使用温度 空燃比。（1）有害排放物汽车有害排放物一般指碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物。一氧化碳（CO）毒性较强，血液中的血红素对CO比对氧有更高的亲和力，生成一氧化碳 血红蛋白，破坏了血液的输氧能力，使人缺氧，严重时可导致休克和死亡。碳氢化合物（HC）包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物与部分氧化物，未 燃烃成分复杂，多

14、达2 0 0多种。其中有一些成分对人体有严重危害，损害人的呼吸道与中 枢神经，更严重的是还有致癌物质。另外，HC可在阳光下与NOx进行化学反应，产生一 种毒性较大的光化学烟雾。其中最主要的生成物是臭氧O3,它具有很强的氧化力，能使橡 胶裂损，损害植物生长，大气的可见度降低，并刺激眼睛及咽喉。氮氧化物（NOx ）主要是指NO和NO2， NO的毒性比NO2小，但NO在大气中会缓慢 氧化形成NO2。NO2是有刺激性臭味的气体，空气中若含有1020ppm的NOx即可刺 激口腔和鼻道；含有50300ppm则可引起头痛与损伤组织；大于500ppm，经几分钟就可 使人出现肺浮肿而陷入危险NOx还与HC共同形

15、成危害更大的光化学烟雾。CO2虽对人体无直接危害，但它是温室效应气体，大气中CO2浓度增大，会导致地球变暖， 对地球环境造成破坏，因此在发动机上控制CO2的排放，越来越受到人们的重视。（2）空燃比空燃比是空气与燃料质量的比值。从原理上说，空燃比达到理论值时，燃料才会完全燃烧。在不同的空燃比下各种有害物质浓度变化规律有所不同。当空燃比较小时没有足够的氧气烧 完燃料，并造成部分燃料不完全燃烧，碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）生成量较高。 随着空燃比的增加，CO 一直呈下降趋势；HC先是下降，在混合气过稀时会出现点不着火 或火焰传播中断，HC排放增加。氮氧化物（NOX）的生成条件是燃烧室内高温、

16、富氧，在 混合气稍浓于理论值时，排放量最大。在催化器中，HC和CO的转化属于氧化反应，需要有额外的氧气；NOX的转化属于还原反 应，需要脱氧。因此，富氧时HC、CO转化效率高，贫氧时NOX的转化效率高。在理论值 附近一个很窄的范围内，HC、CO和NOX转化效率都比较高，称为空燃比窗口。空燃比窗 口是选择和匹配催化剂配方的一个重要参数。（3）使用温度从原理上讲，催化器应工作在一个适当的温度范围。首先要达到一定温度才能使其发生作用。通常我们把转化效率达到50%的温度称为起燃温 度，它是选择和匹配催化剂配方的一个重要参数。一方面，在催化剂的开发中要尽量降低起 燃温度，另一方面，在排气系统中应使催化器

17、尽量靠近发动机并考虑保温或加热措施，使催 化剂能够尽快达到其正常工作温度。其次，催化器也不能够耐受过高的温度。一般催化器能在800C以下长期工作，最高温度不 能超过900C。过高的温度会使垫层的膨胀功能丧失，也会使增大比表面的Y-A12O3烧结， 造成转化效率永久性地下降。再有，催化器属于发热零件，要注意不能对周围零部件造成危害，也不允许引燃地面的易燃 物。必要时应采取隔热措施，降低其表面温度。（二）基本构造催化转化器主要由壳体、垫层和涂敷催化剂的载体构成。在实际应用中，根据使用的具体条件，还可以有比较复杂的结构形式，包括连接管、法兰、 吊钩、隔热罩、氧传感器座、内导向锥、隔热垫、支撑架、二次

18、空气管等多种零件。（1）载体载体是承载催化剂的物体。它提供很大的表面使催化剂与有害气体充分接触。车用催化器载体目前大多采用蜂窝结构，颗粒载体由于阻力大、易磨损而逐步淘汰。金属蜂窝载体成本高、排气阻力低，用于离发动机近、温度较高的场合。陶瓷蜂窝载体应用最广泛。对封装要求较高。其主要参数有外形尺寸、孔密度、壁厚、等压 强度、抗热冲击性、热膨胀系数、吸水率等。最常用的规格是4 0 0目（孔/平方英寸）、 6.5 mi1（1/1000 英寸）。（2）壳体壳体是催化转化器的外壳部分。催化器的工作条件非常恶劣，要保证其使用寿命，壳体的选材和设计时要充分考虑耐腐蚀、 耐高温、强度、刚度等各方面需求。壳体材料

19、一般要选取不锈钢和耐热钢。常用材料有 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr11Ti等。壳体的型腔要与载体尺寸相配，过渡部分 应合理引导和分布气体的流动方向，体积较大的壳体在结构上要设加强筋以提高刚度。（3）催化剂催化剂是改变化学反应速度的物质，它参加化学反应，但反应前后质量保持不变。所以从原 理上讲，它是无损耗的。目前在车辆中广泛使用的催化剂材料是贵金属铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rh）。其它催化剂材 料有过渡金属氧化物、复合金属氧化物等，一般都与微量贵金属共同使用。但其活性与贵金 属有一定差距，尤其是低温活性较差。催化剂的涂敷材料的构成包括主催化剂、催化助剂、稳定

20、剂、大比表面基础涂层y-A12O3 等。催化剂的标称参数有贵金属含量、贵金属比例。性能指标有转化效率、起燃温度、空燃比特 性、耐久性等。贵金属贵金属是指铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rh），是催化剂中最昂贵的部分。其价格在国际市场上有较 大波动（4）复杂构造在基本结构的基础上，增加一些辅助装置，可以满足具体使用中的不同要求。左下图是一个比较完善的催化器的示例。除一般零件外，它还具有法兰、氧传感器座、内导 向锥、隔热垫、支撑架等零件，整体隔热，表面温度低；减震、密封良好，使用寿命长，一 般用于高性能车辆。右下图是一个用于在用车改造的催化器示例。它具有二次空气管和隔热罩。在用车空燃比控 制较差，很多

21、需要补充空气。在这种情况下，前后两块载体有时采用不同的催化剂配方，前 者偏重还原，后者偏重氧化。垫层垫层是催化转化器中保护载体不受损坏的部分。它在催化器的构成中起到吸震、缓冲、隔离、 保护的作用。催化器使用中，金属壳体的热膨胀系数很大，而陶瓷载体的热膨胀系数很小，要靠垫层的膨 胀和弹性加以弥补，保证载体不会松动。金属垫层具有较大的弹性，能够很好地保护载体；非金属膨胀垫层除了减震作用以外，还具 有隔热、吸音、防止气流旁通的作用。目前最常用的是非金属膨胀垫层。催化剂制造催化转化器是一种具有较高技术含量的产品。它的各种零件具有独特的生产规律，一般由各 自的专业生产厂加工制造。涂敷和封装是最关键的两个

22、环节。要生产高质量的催化器，必须 具备完善的质量管理体系，从原材料的控制开始，全面监控工艺流程的各个阶段，严格质量 管理。在催化器的封装过程中，焊接是非常重要手段，焊接质量的好坏，直接影响催化器的使用性 能。全自动的焊接专机、焊接机器人是大批量产品质量稳定的保障。对于单件生产，产品质量主要依赖于制造者对产品的理解、认识和熟悉程度。提高理论和实 践水平是提高质量的关键。材料要制造品质优良的催化器，必须选用适当的材料.壳体材料一般选用 0Cr11Ti(409)、00Cr11Ti(409L)、0Cr18Ni9(304)、1Cr18Ni9(302)。前两种属于耐热钢，后两种属于不锈钢。前者价格低、冲压

23、性能好，后者耐腐蚀性能好，无磁 性。板厚一般为1.2毫米、1.5毫米或2.0毫米。隔热罩一般选用0.6或0.8毫米的镀铝钢板。法兰一般选用铸钢(ZG25)或锻钢(20)。螺栓一般由耐高温材料SNB16、1Cr13等制造。膨胀垫层由硅酸铝纤维、蛭石和有机粘合剂加工而成。金属垫层由1Cr18Ni9Ti、 1Cr18Ni12Mo2Ti 等制造。蜂窝陶瓷载体一般用多孔堇青石(2MgO.2Al2O3.5SiO2)材料制造。常用的是400目，6.5mil、4mil。金属蜂窝载体由Fe-Cr-Al系铁素体不锈钢制成。基础涂层一般采用y-A12O3材料。催化剂采用铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)。催化助剂常

24、采用铈(Ce)、钇(Y)、铪(Hf)、钪(Sc )等稀土金属及氧化物。不锈钢与409材料比较不锈钢是在普通碳钢的基础上，加入一组铬的质量分数(wCr)大于12%合金元素的钢材， 它在空气作用下能保持金属光泽，也就是具有不生锈的特性。409材料对应国内牌号0Cr11Ti，含铬略低于12%，也可称为不锈钢，耐腐蚀性稍差，一般 归在耐热钢类，也有人称其为不锈铁。奥氏体型不锈钢无磁性，热膨胀系数最大，易产生较大的焊接变形。铁素体型不锈钢有磁性， 热膨胀系数及焊接变形稍小。涂敷涂敷是将催化剂均匀地分布在载体表面的过程。Y-A12O3为催化剂提供非常大的比表面积使贵金属的微小颗粒有更多的机会与有害物质接

25、触。此外，涂敷中还要包括一些催化助剂以提高热稳定性，改变化学反应的选择性，提供一 定的储氧功能等。下图为蜂窝陶瓷载体涂敷示意图，右图为蜂窝金属载体涂敷示意图。它们说明了微观的基本 构造。焊接焊接是催化器封装的最基本、最常用的手段。为了保证其耐腐蚀性和焊缝质量，不锈钢材料的焊接多采用气体保护焊。不锈钢气体保护焊接方法有下列形式:非熔化极气体保护电弧焊即包括钨极惰性气体保护焊 简称TIG焊；熔化极气体保护电弧焊，它包括熔化极非惰性气体保护电弧焊(CO2焊)及 熔化极活性气体保护电弧焊(简称MAG焊)和熔化极惰性气体保护电弧焊(简称MIG焊)。 TIG焊分填丝和不填丝两种。其特点是电弧稳定，飞溅小，

26、焊缝致密，成型美观。焊接速度 稍慢。不填丝时，对零件尺寸精度要求很高。对于熔化极气体保护电弧焊，在惰性气体中加入1%5%氧气的目的是在基本不改变惰性气 体电弧基本特性的条件下，进一步提高电弧稳定性，增强液态金属的流动性，改善焊缝成形， 降低电弧辐射强度。习惯上，很多人将MAG焊也称为MIG焊。二氧化碳气体保护焊的优点是成本低，缺点是飞溅大。缝焊和点焊属于电阻焊，由于熔池与空气极少接触，一般不用保护气。等离子弧焊、电子束焊、激光焊都是高质量不锈钢焊接的方法，但设备复杂，成本很高。封装封装过程是决定催化器制造质量的关键阶段。催化器的封装方式大致分为蚌壳式(Clamshell)、捆绑式(Tourni

27、quet)P塞入式(stuffingU种。 蚌壳式是最简单、最常用的一种封装方式，适用于各种形状的载体。蚌壳式封装大多属于定 型腔封装，封装后催化器尺寸固定，封装力的大小与分布靠各零件的尺寸精度来保证。可采 用TIG焊、MIG焊或缝焊，必要时增加点焊工序。插入蚌壳式是尺寸控制和力控制相结合 的一种方式，其受力状况好于普通蚌壳式封装。一般采用MIG焊。捆绑式封装是控制封装力的一种最理想的方式，它受力最均匀，能够保证较长的使用寿命。 适用于圆柱形载体。一般用MIG焊，点焊固定时可采用TIG焊。塞入式先把筒体焊好再将载体塞入，也属于定型腔封装，但它的型腔尺寸容易控制得很精确， 受力状况比蚌壳式好，采

28、取一些辅助措施后也能达到相当长的使用寿命。圆柱形载体最适合， 配合适当的工装，其它形状载体也能封装。一般筒体用TIG焊，其它部分用MIG焊。有些 催化器塞入后采用旋压成型。单件制造单件制造催化器样品时往往没有现成的工装夹具，各零件需要手工制造或用现有零件改制。 在制造过程中应确保催化器的基本使用性能，着重于连接部分的尺寸和位置精度。对于空间 结构较复杂的催化器，如果有标准样件，一般要利用标准样件制造一个简易胎具，确保制造 的催化器能顺利、可靠地安装使用。对于手工钣金制造或焊接拼装的壳体，要力求各部分接口尺寸一致，以利于牢固焊接。 如果载体需要截短，先采取保护措施再加以固定，截断时要用力均匀，避

29、免冲击。如果垫层需要裁剪，要注意搭口均匀，裁剪断面应整齐，去除多余碎末。在封装过程中，应特别注意封装力的控制，避免载体的破损。封装后一般要检验密封性，确保各焊缝完好。对于批量生产前的首件生产，应按正式生产流程进行。安全安全生产是必须常抓不懈的工作，需要全体员工共同努力。催化器封装时，封装力在1吨左右，常使用液压装置。在操作过程中，必须注意力集中，严 格遵守操作规程。一般每工位都单人操作，避免因配合失误引发事故。对于捆绑式封装，捆 绑钢带承受很大的拉力，必须使它处于抗拉强度高的热处理状态，焊接引起的豁口、砂轮打 磨等都会降低其强度。焊接是常用手段。要注意对眼睛的皮肤的防护。焊接完毕后，表面颜色迅速恢复正常，但高 温要持续较长时间，要注意避免烫伤。在设备方面，要设置一些安全防护装置，避免由于误操作造成人员、设备和工件的损害。（四）催化器