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陶瓷载体催化剂转化器在摩托车排放控制中的应用

2009-4-14  来源:摩托车行情 阅读次数:13865
1、陶瓷载体催化转化器在摩托车排放控制中的应用状况

从1998年开始,国内汽车尾气排放控制达到欧Ⅱ标准的解决方案主要采用的是陶瓷载体催化剂。解决催化器热稳定性和机械稳定性的两大关键技术——陶瓷载体技术和催化剂封装技术,经过近几年的探索和学习,国内已基本掌握,尤其是国产化材料——陶瓷载体和缓冲垫层的技术提升很快,已接近国外产品水平,这也为欧Ⅲ阶段汽车尾气净化器大规模国产化和降低成本奠定了坚实的基础。随着国家对摩托车排放控制力度的日益加大,催化净化器厂家也加大了摩托车催化器产品的开发和应用力度。除了常用的摩托车金属载体催化器,江西的某生产催化剂厂家开发出了催化性能具有明显优势、热稳定性和机械稳定性可靠的陶瓷载体催化转化器,其产品价格低廉,具有较强的市场终端吸引力。与金属载体催化器相比,这一新产品具有3个方面的优势:一是催化器的催化活性已在汽车排放控制领域得到充分的验证和肯定;二是国内已有能生产优良品质陶瓷载体的生产商,其产品在抗热冲击方面具有相当高的水平,完全能满足摩托车尾气净化的需要;三是改进了封闭工艺,封装工艺参数易于控制和实现。随着7月1日摩托车第2阶段排放生产一致性检查的开展,陶瓷载体催化转化器正逐渐被摩托车整车厂所接受。

2、陶瓷载体催化剂技术

2.1配方技术

无论是金属载体催化剂还是陶瓷载体催化剂,活性组分选配的思路没有本质上的区别。技术的先进性主要体现在助活性组分和主活性组分(Pt、Rh、Pb)的选配和结合上,主要目标是在不降低催化性能的前提下,尽量减少贵金属用量,降低制造成本。

2.2工艺技术

不同的配方,工艺肯定不同,工艺对催化剂活性影响很大。产品试制时性能优良的催化剂,不同的生产实现方式对催化剂性能也会有明显的影响。

2.3涂层性能的稳定性

机动车用催化剂工艺大都采取负载型为主的工艺加工方法,因此,必须在陶瓷载体或金属载体表面涂覆一层高比表面活性的y-AL2O3层,它起着担载、分散催化剂活性组分作用。现在的催化剂技术中,涂层性能的稳定性,尤其是涂层强度几乎决定了催化剂的使用寿命。陶瓷载体具有优良的内孔结构和高分散性的比表面,使y-AL2O3涂料易于附着在载体上,形成比较稳定的涂层,涂层脱落率小,耐热冲击稳定性、热膨胀系数与陶瓷载体几乎相近,不易脱落。例如,在1000℃左右的反复热冲击实验后(空气气氛下,每次30min),不会出现脱块和掉粉。催化剂活性组分分散性高,活性组分不易烧结。可以实现较厚的涂层,避免表面活性组分逸失后,催化剂失效。

2.4起燃活性

催化剂在使用过程中,催化剂内表面必须达到起燃温度(如220~280℃)催化剂才能开始发挥作用。理论上讲,由于陶瓷载体的热容比金属大,起燃肯定比金属载体的慢,这有可能使陶瓷载体催化剂在满足欧Ⅲ标准时遇到困难。但目前在欧Ⅱ标准阶段允许有两个预热循环,所以这一缺点并不明显,对净化效率也没有太大影响。

因此,单就催化剂活性来说,陶瓷载体催化剂能应用于汽车尾气净化,并且能够保证8万km的耐久性能考核,这已是世界公认的,即使是欧Ⅲ法规,也是以金属载体作为前置催化剂,陶瓷载体催化剂作为主催化剂来配合使用。而目前我国摩托车排放法规只相当于欧Ⅱ标准,耐久性考核只要求1万km,这对陶瓷载体催化剂来说,现有的技术足以满足要求。

3、载体和封装技术

尽管陶瓷载体催化剂在催化性能方面表现较为优异,但是载体性能和封装技术却几乎决定了陶瓷催化剂是否能够实际使用。无论金属载体催化器还是陶瓷载体催化器,都必须解决使用过程中的热稳定性和机械稳定性,两者相互关联和影响。摩托车净化器的使用环境与汽车净化器不同,且产品体积和直径小,汽车净化器的封闭技术不能简单移植使用,否则产品性能就达不到要求,因此必须在载体技术、垫层技术、封闭技术工艺等3个方面予以创新。

3.1载体技术

陶瓷载体催化器的使用过程中,要承受两种热冲击:1)热冲击造成载体自身热膨胀导致的结构性内应力;2)热膨胀导致的缓冲垫层和外壳的反应力。摩托车排气废气浓度比汽车大,尤其是二冲程摩托车,净化器的催化床层散热性没有金属的快。这就必须提高载体的抗热冲击能力:

a)降低载体材料的热膨胀系数,现在国内已有载体生产商的产品能达到热膨胀系数小于1.5×10-6/℃,通常为(1.5~2.0)×10-6/℃。

b)孔壁要薄,小于0.17mm有利于热扩散。

c)压强度要大,侧压要大于25MPa。

d)采用三角孔结构或六边形结构。

现在,国内已有厂家的产品可以满足上述要求。

3.2垫层

垫层以3M公司的产品为佳,国内产品也有接近3M垫层水平的,对于摩托车1万km的耐久性要求,国产优质的垫层在应用中也可以达到要求,不会出现粉化和失去热变形。

3.3催化剂封装

封装目的主要是解决陶瓷载体和外壳膨胀系数不能统一的问题。解决这个问题,通常采用封装外壳和载体之间加缓冲垫层,垫层有两种:一种是3M类型材料,一种是双“S”型耐热不锈钢垫层。3M类垫层在达到1000℃后冷却到室温保持50%变形,保证高温时有张紧力,低温时不松动。封装时必须选择适当的封装压力,根据载体性能、缓冲材质、外壳材料等,通过实验选择适宜配合,找到最佳封装压力参数。

由于摩托车净化器安装空间有限,净化器尺寸小、垫层薄、外形要求是圆弧而非翼形,一般的合焊方式易造成垫层受损,还容易造成封装后的压力不到位,而且外观尺寸精度难以控制。采用先进的缩管方式封装催化剂,能够一次加工成形,无须焊接,封装工艺可以很方便地实现量化控制。

4、价格

在净化器的成本构成中,陶瓷载体加封装的成本合计大约是目前国内企业金属载体价格的1/3。因此,陶瓷催化净化器具有明显的价格优势。

总之,金属载体和陶瓷载体各有优势又各有不足,关键是采取恰当措施,克服各自不足,使我国摩托车尾气净化器技术迈上一个新台阶,做到既能满足环保要求,又能降低成本,最终减轻消费者的负担。(唐剑/文)


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