汽车尾气检测技术与处理的研究现状

CONTENTS01汽车尾气检测技术◆汽车尾气检测技术◆尾气检测技术的相关研究及发展趋势02汽车尾气处理目录◆汽车尾气催化剂◆玻璃纤维载体◆多孔陶瓷◆钙钛矿型复合氧化物汽车尾气检测技术•汽车尾气检测技术•尾气检测技术的相关研究及发展趋势室外遥感检测法02底盘测功机测试法01车载尾气检测法03汽车尾气检测技术底盘测功机检测法底盘测功机，又称转鼓试验台，是一种室内实验设备。是以模拟汽车在实际行驶中的阻力，测定汽车的使用性能及检测汽车的技术状况，诊断汽车故障。底盘测功机既可以用于汽车科学试验，也可用于维修生产。原理当汽车驱动轮带动测功机滚筒及电涡流制动器转子旋转时,由于磁通密度发生变化使转子表面产生电涡流,该电涡流与磁场相互作用产生反向制动力矩,使定子绕主轴轴线摆动。该制动力矩通过杠杆传递给压力传感器,由压力传感器给出相应的电信号,经处理后则可显示出瞬时驱动力值。与此同时,底盘测功机的速度传感器给出电信号,经处理可显示瞬时的速度值经计算机用公式W=F1V计算则可得出瞬时的功率值。室外遥感检测法借助红外和紫外线光谱技术，测试出各成分在尾气排放物中的混合比率。原理优点缺点交通状况和安置地点有苛刻的要求，且只可以测出排放气体的浓度，因此它无法得到广泛使用优点是能够在汽车正常行驶过程中完成定点检测，自动化程度高、检测速度快，对于强化尾气排放相关法规有着特殊的作用车载尾气检测法实时监测便携广阔的市场前景研究及发展趋势1.对行驶周期的研究2.建立尾气排放化模型3.尾气排放特征与分布规律分析4.虚拟仪器检测技术智能化网络化研究发展趋势汽车尾气处理汽车尾气污染控制可以分为机内和机外两种技术。机内净化主要是提高燃油质量和改善燃料在发动机中的燃烧条件，尽可能减少污染物的生成；机外净化的主要方式是安装催化净化器，对有害气体进行处理是机外尾气净化最有效的方法，催化剂又是净化效果的关键。因此开发实用高效的汽车尾气净化催化剂是控制汽车尾气排放的最佳措施之一。汽车尾气催化剂构造图最常用的催化器是使用蜂窝型催化(honeycombcatalyst)，载体是陶瓷蜂窝体，其外附载有高比表面积的氧化铝涂层，其上再浸渍活性组分。所以，汽车尾气净化催化剂主要由载体、涂层及活性物质三部分组成。氧化型催化剂主要催化CO和HC的氧化反应有关反应如下：2CO+O2→2CO24HC+5O2→4CO2+2H2O2NO+2CO→2CO2+N2HC+NO2→CO2+H2OHC+CO→N2+CO2+H2O3NO+2NH3→2N2+3H2O2NH3→N2+3H2O还原型催化剂主要催化NOX的还原反应：2NO+CO→N2+CO22NO+H2→N2+2H2O2NO+HC→N2+H2O+CO2NO和H2反应除生成无毒的N2和H2O外，尚有所不希望发生的副反应：2NO+5H2→2NH3+H2O2NO+H2→N2O+2H2O从而：CO在高温下氧化为无色、无毒的二氧化碳气体HC化合物在高温下氧化成水(H20)和二氧化碳NOx还原成氮气和氧气玻璃纤维载体把玻璃纤维制作成筛子形状的蜂窝结构,随后涂覆活性的涂层到玻璃纤维的表面,玻璃纤维载体具有以下几点特征:玻璃纤维具有极细的特点,在对其进行特殊的处理之后,便能使其编制结构拥有较大的表面积。因为玻璃纤维具有十分强的热传输以及质量传输的能力,能够将催化净化器净化的效率最大限度的提升,并且排气阻力方面相对于整体型的催化净化器高一些。玻璃纤维载体在对尾气起到催化净化以及消音的作用之外,还可以将尾气中存在的微笑固体的颗粒过滤出去,同时还可以将这些微笑固体的颗粒然绕。需要选择直径大概在9μm左右的玻璃纤维堆将其编织成为筛子形状的蜂窝结构,并且分别采取浸涂法与溶胶-凝胶法以及CVD法,也就是化学气相沉积法。在其玻璃纤维的表面上涂覆活性的涂层,在经过特殊的处理之后,所编织结构表面积能够达到200m2/g,但是其密度仅有0.75g/cm3。等离子净化器在汽车尾气处理中的研究进展等离子净化原理根据汽车尾气成分的不同而有所差异,汽车尾气排放中,无机物和有机物成分共有几十种。含量最多的有害成分主要NOx,CO,HC和PM微粒。当电子能量10eV,且电子能量大于尾气分子化学键的结合能时,高能的活性粒子可以直接将其分解成单原子分子。当电子能量10eV的时候,氧化反应起主要的作用。因此,活性粒子的能量与气体的键能对净化的影响非常大。表1示出常见的汽车尾气活性粒子的键能表。汽车尾气等离子净化系统主要有3个部分组成:等离子反应器、高压高频电源和控制系统。图2示出等离子净化系统的整体结构。汽车发动机产生的尾气经过等离子净化系统排出,在净化前后通过汽车尾气分析仪来确定汽车尾气中各种有害物质的含量变化。目前,用该项技术还原NOx,效率可达到65%以上。同时,该项技术还可脱除92%~96%的颗粒物,去除40%以上甲醛。国内学者发明了一种后置式汽车尾气净化器,尾气经锥体分散后进入电场的催化剂中,在低温等离子体和催化剂的协同作用下,尾气净化率大大提高。该净化器一方面可使催化剂活性增加,转化率提高;另一方面可避免催化剂烧结,从而降低汽车尾气中有害气体的排放。与现有技术相比,该净化器具有以下优点:1)将低温等离子体技术与催化技术相结合,技术得到升级;2)适用于各种车型,不受汽车的原始排放限制,不同于现有的三元催化装置;3)没有起燃温度限制,对冷车起动同样有效,且适用范围广;4)结构紧凑,设计独特、新颖。结语低温等离子体技术应用的可行性和条件试验已较充分,有了大量理论基础,为这项技术早日工业化打下了充实的基础。但在低温等离子体技术与催化协同作用方面研究较少,是一项全新的处理技术。二者相结合,等离子体场产生高能量活性粒子,促进催化反应,减少能耗;催化主导反应方向,让反应具有选择性,并能大大减少反应副产物,该技术被认为在处理NOx、机动车尾气方面有着广阔的发展前景,但实际应用还很不成熟,必须投入足够力量进行更加深入的理论和实践研究。多孔陶瓷在汽车尾气处理中的研究进展陶瓷载体膨胀系数的降低能够有效提高其抗热冲击的温度。据报道,当陶瓷载体的膨胀系数从2.6×10-6K降到1.0×10-6K时,抗热冲击的温度可从450°C提高到800°C[29]。多孔陶瓷的比表面积随着单位孔面积的增加而增加,净化效果也随之提高。但是并不是孔密度越大越好,因为壁越薄,载体的强度会降低,其抗冲击性能下降。常用的陶瓷载体集中在62~93孔/cm2之间[30]。目前美国、日本已经研制出了93,140孔/cm2甚至高达186孔/cm2的高密度孔蜂窝陶瓷。堇青石蜂窝陶瓷正朝着近零膨胀系数、更高的孔密度、更薄的间壁(厚度可小于人的头发直径)等方向发展[31]。但是随着孔密度加大其制备成本增加,制备过程也更复杂。我国已经生产出62孔/cm2的模具,93孔/cm2挤出成形模具的研究也取得了初步成功[32]。各规格蜂窝陶瓷的性能参数,见表1[33]。1.纤维多孔陶瓷具有高气孔率(90%)、高的比表面积、三维贯通气孔等优点,但其受到陶瓷纤维的长度和编织性能的限制,并且三维编织技术要求高,成本昂贵,限制了它的发展。负载在莫来石多孔纤维陶瓷表面的La0.8Sr0.2CoO3钙钛矿型催化剂具有较好的催化活性,起燃温度较低,600°C左右CO转化率接近100%;在La0.8Sr0.2CoO3钙钛矿型催化剂中掺入少量金属Pd,能明显增强催化剂的催化活性,起燃温度也有所降低,温度在350°C左右,NO与CO转化率达到100%。2.SiC多孔陶瓷主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[40-41],其抗热震性能强于堇青石蜂窝陶瓷,特别适用于温度急剧变化和经常变化的场合。SiC多孔陶瓷在不用涂覆催化剂的情况下,当通电电压为15V,CO在通气46s后开始转化,转化率最高为68%,CH转化率最高为78%;当电压为20V,CO从通气32s后开始转化,转化率最高为80%,CH转化率最高为90%。利用其电致发热性能可以有效实现CO和CH的转化。3.多孔金属间化合物陶瓷载体黄学辉等[44]以堇青石陶瓷、金属镍等为原料,制备出金属-陶瓷复合型载体材料。研究表明,通过适当的过渡层处理,可实现陶瓷与金属基体之间的牢固结合,用于汽车尾气净化以满足高效催化转化材料的要求。崔洪芝等[45]用反应合成工艺,利用等离子束激发并控制Ni、Al、TiO2、B2O3粉末之间的化学反应,制备了多孔NiAl/TiB2+Al2O3复合材料载体。这种金属间化合物/陶瓷载体综合了金属载体的耐热冲击性、高强度和蜂窝陶瓷的耐高温性,内部的孔洞结构呈三维立体交错连通,孔壁粗糙,孔道曲折,具有更大的催化剂吸附面积。用于汽车尾气净化催化剂载体具有起燃快、耐高温、抗热震性能好、尾气催化转化效率高等特点。1)纤维多孔陶瓷受到陶瓷纤维的长度和编织性能的限制,成本昂贵,且自身强度低;2)导电型复合陶瓷需要加热设备对其加热以达到很好的工作状态,这就需要复杂和昂贵的电路控制系统,额外消耗能源;3)制备成本较高,在应用方面并未完全成熟,有待进一步研究。存在问题钙钛矿型复合氧化物在汽车尾气处理中的应用研究进展钙钛矿指晶体结构与CaTiO3相同的一系列复合金属氧化物。钙钛矿复合氧化物晶体的理想结构为立方晶系,常以ABO3表示,在ABO3结构中,A位多为离子半径较大(0.09nm)的稀土元素,位于立方体的中心,被12个氧所包围;B位多为离子半径较小(0.05nm)的过渡元素,位于立方体的顶角,与6个氧形成正八面体配位。钙钛矿结构对A0B0A、B位金属离子半径r有一定要求:只有容限因子t(t(rr)/[2(rr)])在0.75~1.00之间才能形成并保持稳定的钙钛矿晶型[6]。但是,以理想结构存在的钙钛矿型复合氧化物并不多见,大多数情况下,由于A、B位金属离子或氧离子的缺陷,其结构会发生扭曲而产生晶格畸变。钙钛矿催化剂用于NOx的选择性还原Hansen[14]等人研究了在少量氧存在的情况下LaMnO3系列钙钛矿催化剂上C3H6和NO的SCR性能,结果发现反应是按如下步骤进行的:NO先于氧反应生成NO2,NO2直接与HC反应或与HC在催化剂表面上吸附形成的部分中间氧化物种反应生成CO2和N2,催化剂的活性主要取决于催化剂表面氧空位的数量和B位元素的性质。宋崇林等[15]研究了不同B位元素的La系钙钛矿催化剂对CH4和N2O的SCR催化性能,结果发现该系列催化剂的催化活性顺序为:LaCoO3LaMnO3LaNiO3LaCuO3LaFeO3LaVO3LaTiO3LaCrO3,由此可见,ABO3型钙钛矿中B位离子影响其催化活性。钙钛矿催化剂用于碳烟和NOx的同时消除Hong[17]等和Wang[18]等的研究表明对于同时消除NOx和碳烟颗粒的催化反应,不同B位元素的钙钛矿型复合氧化物有着不同的催化活性,且催化活性大致为:LaCoO3≈LaNiO3LaMnO3LaFeO3LaCrO3.王志成[19]等研究了NO对LaMnO3与La0.8K0.2MnO3催化氧化碳烟的活性,结果表明NO的存在促进了碳烟的催化氧化,且催化剂表面的氧空位和活性氧物种是影响催化性能的关键。上海交通大学的彭小圣课题组[20,21]研究了La0.8K0.2CuxMn1-xO3复合氧化物对同时去除NOx和碳烟的催化性能,结果表明,该催化剂的综合性能较好,碳烟的起燃温度及NO向N2的最大转化率分别为280°C和58.0%,催化剂中起决定性作用的是表面的Mn3+和Cu2+。钙钛矿型催化剂用于新型四效催化剂赵震课题组[23]研究了负载在不同比表面积的Al2O3上的La0.8K0.2MnO3钙钛矿型氧化物对柴油机尾气的四效催化活性,结果表明该系列催化剂对CO和碳烟的燃烧活性、生成CO2的选择性及HC的低温转化率具有很大程度的提高,但是对NO选择性还原为N2的催化性能还有待进一步提高。钙钛矿型复合氧化物催化剂以其结构的独特性和成分的可调性,在汽车尾气催化净化领域发挥着重要的作用,尤其在NOx的选择性还