機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)尾氣凈化技術(shù)研究.

1、機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)尾氣凈化技術(shù)研究 摘 要近年來(lái)，中國(guó)頻繁爆發(fā)的霧霾天氣對(duì)人們的身體健康構(gòu)成了很大威脅，大量資料顯示機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣是城市空氣主要污染源之一。為了減少機(jī)動(dòng)車(chē)有害氣體排放，最有效辦法是使用尾氣凈化催化劑處理機(jī)動(dòng)車(chē)排出的尾氣。機(jī)動(dòng)車(chē)在正常行駛狀況下，尾氣凈化催化劑能將尾氣中的CO、碳?xì)洌℉Cs）、NOx和碳煙顆粒（PM）轉(zhuǎn)化為CO2、H2O和N2。但機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)瞬間由于催化劑表面溫度低，尾氣得不到很好凈化。為解決上述問(wèn)題，首先對(duì)現(xiàn)有尾氣凈化催化劑組成進(jìn)行了優(yōu)化，降低了它的起始反應(yīng)溫度，縮短了從機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)到催化劑發(fā)揮作用的時(shí)間；同時(shí)尋找到一種極快速加熱方式，使尾氣凈化催化劑在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到凈化所需溫

2、度，充分發(fā)揮凈化作用。通過(guò)這些改進(jìn)，很好地解決了機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)階段污染物排放問(wèn)題。與目前最好的啟動(dòng)階段凈化技術(shù)相比，本方法凈化效果提高了78%，而且具有設(shè)備簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣，催化劑，快速凈化目 錄第一章前言11.1 背景11.2機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣凈化技術(shù)及存在的不足11.3研究目的和技術(shù)方案2第二章催化劑優(yōu)化42.1 前言42.2實(shí)驗(yàn)器材和藥品42.3催化劑制備52.3.1 涂層漿料制備52.3.2 載體預(yù)處理62.3.3 催化劑制備62.4 催化劑性能測(cè)評(píng)62.5 結(jié)果與分析72.5.1 活性組分優(yōu)化72.5.2 載體孔密度優(yōu)化82.5.3 模擬啟動(dòng)階段尾氣凈化反應(yīng)92.6 小結(jié)10第三

3、章 如何快速凈化啟動(dòng)階段尾氣的思考11第四章 快速加熱124.1 前言124.2磁加熱124.2.1磁加熱實(shí)驗(yàn)124.2.2磁加熱反應(yīng)效果134.2.3 小結(jié)144.3電加熱154.3.1電加熱實(shí)驗(yàn)154.3.2高頻電加熱反應(yīng)效果154.3.3與目前最先進(jìn)技術(shù)對(duì)比164.3.4小結(jié)18第五章 極快速加熱技術(shù)應(yīng)用時(shí)需要解決的問(wèn)題195.1前言195.2實(shí)驗(yàn)器材195.3實(shí)驗(yàn)及結(jié)果205.3.1 催化劑載體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)205.3.2 絕緣層的選擇215.4小結(jié)23第六章 結(jié)論246.1結(jié)論246.2創(chuàng)新點(diǎn)24參考文獻(xiàn)25致謝26附錄261. 申請(qǐng)專(zhuān)利262. 極快速加熱視頻26第一章 前言1.1 背

4、景近幾年，中國(guó)大部分地區(qū)的霧霾天氣愈演愈烈，霧霾天氣嚴(yán)重影響了人們的生活，并且導(dǎo)致許多疾病。2015年4月1日中國(guó)環(huán)保部發(fā)布的9個(gè)大氣污染防治重點(diǎn)城市的污染源研究報(bào)告顯示：85-90 %的污染物來(lái)源于機(jī)動(dòng)車(chē)、工業(yè)生產(chǎn)、燃煤、揚(yáng)塵等過(guò)程，其中機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣是眾多大城市空氣污染的首要來(lái)源1。因此要徹底避免城市的空氣污染，就需要充分凈化機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣，如果每一輛機(jī)動(dòng)車(chē)排出的尾氣都是潔凈的，那么我們期待的藍(lán)天、白云就會(huì)出現(xiàn)在包括中國(guó)北京、上海在內(nèi)的世界大城市上空。另外，近期大眾柴油車(chē)尾氣排放造假事件也引起了全世界人們對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放的關(guān)注。雖然大眾汽車(chē)公司機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放造假不可原諒，應(yīng)該受到道德和法律的制裁，

5、但也說(shuō)明目前沒(méi)有一項(xiàng)價(jià)格便宜、簡(jiǎn)單易用的完善技術(shù)很好地凈化機(jī)動(dòng)車(chē)從啟動(dòng)到行駛各階段排放的尾氣，否則大眾汽車(chē)公司不會(huì)做出如此不誠(chéng)實(shí)的事情。九年級(jí)參加“安捷倫杯”清潔空氣知識(shí)與技能大賽時(shí)我了解到：雖然可以在汽油中添加甲醇、乙醇，使用氫源、混合動(dòng)力等降低機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣中有害成分（HCs、NOx、PM和CO2），但最終尾氣都需要經(jīng)過(guò)催化凈化才能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。從那時(shí)起，我就對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣凈化催化劑充滿(mǎn)好奇，在馬路上見(jiàn)到機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)時(shí)發(fā)出的黑煙就會(huì)想到尾氣凈化催化劑，但限于當(dāng)時(shí)自己有限的化學(xué)知識(shí)，不能對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣凈化催化劑有很好的了解。進(jìn)入高中后，我幸運(yùn)地入選學(xué)校的科學(xué)社，有機(jī)會(huì)接觸更多實(shí)驗(yàn)，能夠進(jìn)行初中就困擾著

6、自己的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣凈化項(xiàng)目的研究。1.2機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣凈化技術(shù)及存在的不足正常行駛時(shí)，汽油車(chē)采用三效催化劑，柴油車(chē)采用氧化催化劑、顆粒過(guò)濾器、NOx選擇性催化還原、NOx存儲(chǔ)-還原和四效催化劑，能將尾氣中的有害成分轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2、H2O和N2 3, 4。但機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)階段，由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃料剛?cè)紵矚鈨艋呋瘎┍砻鏈囟鹊?，不能充分發(fā)揮作用，使尾氣中的有害成分不能很好轉(zhuǎn)化。美國(guó)FTP(Federal Test Procedure)測(cè)試結(jié)果顯示，60-80 %的HCs和CO是在機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)的最初3分鐘內(nèi)產(chǎn)生5。圖1是按照規(guī)定測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)實(shí)測(cè)福田時(shí)代馭菱VQ1的HCs排放情況。圖1顯示，HCs主要在啟動(dòng)前200秒內(nèi)產(chǎn)

7、生。因此在機(jī)動(dòng)車(chē)都已經(jīng)安裝尾氣凈化催化劑的情況下，減輕機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣造成空氣污染的關(guān)鍵是有效凈化啟動(dòng)階段的尾氣。圖1 實(shí)測(cè)汽車(chē)啟動(dòng)過(guò)程中尾氣中HCs的排放情況在本項(xiàng)目中，設(shè)想通過(guò)優(yōu)化現(xiàn)有尾氣凈化催化劑組成，降低催化劑的反應(yīng)溫度，同時(shí)探索極快速加熱方式，爭(zhēng)取在啟動(dòng)階段就能使尾氣凈化催化劑充分發(fā)揮作用，解決啟動(dòng)階段污染物排放問(wèn)題。1.3研究目的和技術(shù)方案機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)瞬間尾氣凈化效果遠(yuǎn)低于正常行駛狀況下的結(jié)果，主要是由于此時(shí)尾氣凈化催化劑未達(dá)到反應(yīng)溫度。如果對(duì)現(xiàn)有的催化劑進(jìn)行改進(jìn)使其具有更低的反應(yīng)溫度，或者使尾氣凈化催化劑在發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)能快速達(dá)到反應(yīng)溫度，應(yīng)該可以利用正常行駛狀況下的尾氣凈化催化劑凈化啟

8、動(dòng)階段的尾氣。因此本項(xiàng)目的研究目的是探索尾氣凈化催化劑在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮作用的方法。通過(guò)文獻(xiàn)檢索和指導(dǎo)老師的幫助，準(zhǔn)備從以下兩方面實(shí)現(xiàn)上述目的：首先借助現(xiàn)有成熟的機(jī)動(dòng)車(chē)行駛狀況下的尾氣凈化催化劑，優(yōu)化該催化劑的主要成分，降低現(xiàn)有催化劑的起始反應(yīng)溫度，達(dá)到快速發(fā)揮作用的目的；如果上述方法降低起始反應(yīng)溫度的效果有限，則在優(yōu)化的催化劑基礎(chǔ)上，尋找簡(jiǎn)潔、極快速加熱方式，幫助尾氣凈化催化劑極快速達(dá)到反應(yīng)溫度，實(shí)現(xiàn)尾氣凈化催化劑既能處理行駛狀態(tài)下的尾氣，也能凈化啟動(dòng)階段的尾氣。技術(shù)方案見(jiàn)圖2。優(yōu)化正常行駛狀況下尾氣凈化催化劑組成，降低反應(yīng)溫度尾氣凈化催化劑極快速發(fā)揮作用在優(yōu)化催化劑基礎(chǔ)上，探索簡(jiǎn)潔、極快速加

9、熱方式實(shí)現(xiàn)尾氣凈化催化劑既能處理行駛狀態(tài)下的尾氣，也能凈化啟動(dòng)階段的尾氣圖2 技術(shù)方案第二章 催化劑優(yōu)化2.1 前言 降低現(xiàn)有機(jī)動(dòng)車(chē)正常行駛狀態(tài)下尾氣凈化催化劑的起效溫度，以便可以用這個(gè)催化劑凈化啟動(dòng)階段的尾氣，是目前尾氣凈化催化劑主要研究方向 6。由于催化劑的起效溫度與組成、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，為了降低起效溫度，本章打算對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)現(xiàn)有尾氣凈化催化劑的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。汽油車(chē)和柴油車(chē)在正常行駛狀況下采用不同催化劑凈化尾氣，由于柴油車(chē)尾氣凈化催化劑種類(lèi)多，而汽油車(chē)僅使用三效催化劑。為了研究工作具有代表性和研究結(jié)果具有普適性，所以選用汽油車(chē)尾氣凈化催化劑進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，汽車(chē)尾氣凈化催化劑由活

10、性組分、載體、涂層和助劑構(gòu)成?；钚越M分是Rh、Pd或Pt、Pd貴金屬；載體有蜂窩陶瓷和金屬兩類(lèi)，蜂窩陶瓷主要是堇青石，金屬主要是Fe-Cr-Al合金；涂層主要是-Al2O3，用于增大催化劑的表面積；助劑主要是Ce-Zr固溶體或改性的Ce-Zr固溶體，利用它的儲(chǔ)放氧性能調(diào)整尾氣凈化時(shí)供氧能力7。由于近年Ce-Zr固溶體顯著改進(jìn)了汽車(chē)尾氣凈化催化劑的性能，且催化劑主要由活性組分和載體組成，所以試驗(yàn)過(guò)程中，主要優(yōu)化現(xiàn)有工業(yè)催化劑中Ce-Zr固溶體的Ce:Zr原子比、活性組分Pd:Rh的重量比和載體的孔密度，希望降低尾氣凈化催化劑的起效溫度。2.2實(shí)驗(yàn)器材和藥品表1 主要儀器和設(shè)備設(shè)備名稱(chēng)生產(chǎn)廠(chǎng)家型號(hào)

11、催化劑測(cè)評(píng)裝置華東理工大學(xué)自建感應(yīng)加熱器上海歐感電氣技術(shù)有限公司MacDZ-10/380熱成像儀美國(guó)福祿克公司Fluke Ti2NOx分析儀Thermo Fisher ScientificModel 42i-HL氣相色譜福立色譜9790臥式行星球磨機(jī)南京大學(xué)QM-WX04負(fù)壓抽提裝置華東理工大學(xué)自制烘箱Shanghai Environmental Equipment CorpLC-223馬弗爐上海意豐電爐有限公司KS60-63-160表2 主要藥品藥品名稱(chēng)生產(chǎn)廠(chǎng)家純度Pd(NO3)2國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司分析純Rh(NO3)3國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司分析純HNO3國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司65

12、-68%CexZr(1-x)O2上海華明高納稀土新材料有限公司分析純Al2O3國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司分析純擬薄水鋁石(Al2O3.H2O)江蘇姜堰市化工助劑廠(chǎng)工業(yè)純Fe-Cr-Al載體康寧公司10% C3H8/N2上海浦江特種氣體有限公司5000ppm NO/ N2上海浦江特種氣體有限公司5% CO/ N2上海浦江特種氣體有限公司催化劑或載體（Cat-I、Cat-II、Cat-III）南通新材料科技有限公司2.3催化劑制備2.3.1 涂層漿料制備含鈀涂層漿料的制備：稱(chēng)取擬薄水鋁石18.8克，三氧化鋁115.2克，鈰鋯固溶體28.8克，鈀含量為10 %硝酸鈀溶液19.2克和水100克，800轉(zhuǎn)

13、/分鐘攪拌30分鐘，攪拌過(guò)程中逐量加入硝酸調(diào)整溶液的pH為3-4(總計(jì)加入65-68 %的硝酸7.4克)，補(bǔ)加水至320克，然后1200轉(zhuǎn)/分鐘球磨2小時(shí)，制得含鈀涂層漿料。上述漿料的氧化物含量大約為50 %；金屬鈀的含量為0.6 %。含銠涂層漿料的制備：稱(chēng)取擬薄水鋁石9.4克，三氧化鋁57.6克，鈰鋯固溶體14.4克，銠含量為10%硝酸銠溶液9.6克和水50克，800轉(zhuǎn)/分鐘攪拌30分鐘，攪拌過(guò)程中逐量加入硝酸調(diào)整溶液的pH為3-4(總計(jì)加入65-68 %的硝酸3.7克)，補(bǔ)加水至160克，然后1200轉(zhuǎn)/分鐘球磨2小時(shí)，制得含銠涂層漿料。上述漿料的氧化物含量大約為50 %；金屬銠的含量為0

14、.6 %。2.3.2 載體預(yù)處理將不同孔密度的Fe-Cr-Al載體切割成2 cm ´ 2 cm ´ 2 cm的小塊載體，用表面洗潔劑洗去載體上油污，清水沖淋，空氣氣氛下750 oC烘干3小時(shí)備用。2.3.3 催化劑制備按比例混合上述鈀和銠的涂層漿料，待攪拌均勻后將預(yù)處理過(guò)的載體放入，完全浸沒(méi)載體5分鐘，取出載體放入負(fù)壓抽提裝置抽去多余的漿料，然后室溫下晾干，120 oC干燥24小時(shí)，550 oC焙燒3小時(shí)制得需要的催化劑。焙燒后的催化劑載體大約增重810±20毫克，這樣制得的催化劑涂層氧化物量大約為100克/升，貴金屬負(fù)載量大約為1.2克/升。如果載體增重小于設(shè)定

15、值，應(yīng)進(jìn)行第二次浸涂，且根據(jù)相差多少控制負(fù)壓的抽提量；如果載體增重大于設(shè)定值，則制備失敗，需要重新制備。對(duì)于不含鈰鋯固溶體的催化劑，用三氧化鋁替代鈰鋯固溶體量，其它數(shù)據(jù)和步驟等同上述過(guò)程。2.4 催化劑性能測(cè)評(píng)制備的催化劑裝入圖3的測(cè)評(píng)裝置，熱電偶放在催化劑中心，用肥皂液檢查各管道連接處是否漏氣，然后通入CO、C3H8、NO、CO2、O2 和 N2（平衡氣），其中CO、C3H8和NO的體積濃度分別為1 %、1000 ppm和1000 ppm，O2的濃度是由理論空燃比(A/F =14.6)計(jì)算得出，氣體總流量為1000 ml/(min.g)，不足氣體量由N2補(bǔ)充。常規(guī)測(cè)評(píng)時(shí)用加熱爐對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行加

16、熱，5 oC/min由室溫升至設(shè)定溫度；磁加熱和電加熱分別采用連接在感應(yīng)加熱器上的磁線(xiàn)圈和電極進(jìn)行快速升溫。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)停留20分鐘，在線(xiàn)取樣分析。NO、NO2由NOx分析儀讀出，其它氣體由色譜分析得到。由于汽車(chē)尾氣中C3H8在HCs中含量高，燃燒速度慢；NO大約占NOx的70 %，所以催化劑測(cè)評(píng)時(shí)，選用C3H8、NO作為尾氣中HCs、NOx代表。正常行駛狀況下，汽車(chē)尾氣比例大致為：0.5 % CO, 350 ppm的HCs, 900 ppm的NOx6。由于本項(xiàng)目主要解決啟動(dòng)階段尾氣凈化問(wèn)題，而啟動(dòng)階段HCs和CO含量比行駛狀態(tài)高，因此反應(yīng)氣體組成中增大了CO和C3H8的含量，其具體比

17、例為：1% CO，1000ppm C3H8，1000ppm NO，反應(yīng)時(shí)氣體總流量1000 ml/(min.g)。圖3 尾氣凈化催化劑測(cè)評(píng)裝置圖2.5 結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)選用了Pd和Rh作為活性組分，Ce-Zr固溶體作為助劑，Al2O3作為涂層，F(xiàn)e-Cr-Al合金作為載體，通過(guò)優(yōu)化汽車(chē)尾氣凈化催化劑中Ce:Zr原子比、活性組分Pd:Rh的重量比和載體的孔密度，希望得到較低反應(yīng)溫度的催化劑。2.5.1 活性組分優(yōu)化由于優(yōu)選后的催化劑350 oC時(shí)幾乎能將模擬汽車(chē)尾氣中的有害成分去除（見(jiàn)表3），所以用350 oC時(shí)氣體剩余量評(píng)估催化劑的反應(yīng)效果，催化劑的低溫反應(yīng)性能用起燃溫度衡量。起燃溫度是衡量尾氣

18、凈化催化劑低溫反應(yīng)性能的指標(biāo)之一，它是指尾氣中某成分轉(zhuǎn)化一半所對(duì)應(yīng)的溫度。 A：起燃溫度 B：350 oC時(shí)剩余量圖4 不同Ce:Zr原子比對(duì)催化劑性能的影響改變汽車(chē)尾氣凈化催化劑起始原料中Ce-Zr固溶體的鈰鋯比，制備了系列尾氣凈化催化劑，反應(yīng)性能見(jiàn)圖4。圖4顯示，隨著催化劑中Ce:Zr原子比由4:6增大到8:2，CO、C3H8和NO的起燃溫度先逐步降低，后逐步升高。其中Ce:Zr原子比為6:4時(shí)，CO和C3H8的起燃溫度最低，NO的起燃溫度最低是Ce:Zr原子比為7:3。350 oC時(shí)各催化劑的氣體剩余量都很低，而且變化不大。從這些結(jié)果可以看出，為了得到低溫就能反應(yīng)的催化劑，催化劑中的Ce

19、:Zr原子比最好控制在6:4附近。圖5 是保持催化劑中的Pd和Rh總量為1.2克/升不變，Pd和Rh相對(duì)量變化對(duì)催化劑性能的影響。圖5A顯示，在催化劑Pd和Rh總量不變的情況下，隨著Pd量增加，CO、C3H8和NO的起燃溫度降低，有利于催化劑的低溫反應(yīng)性能。但圖5B顯示如果催化劑中Pd量過(guò)多，將會(huì)減少催化劑中Rh的量，導(dǎo)致350 oC時(shí)尾氣中NO的剩余量可能超標(biāo)，考慮降低催化的起始反應(yīng)溫度和350 oC時(shí)尾氣中有害氣體剩余量滿(mǎn)足超低排放標(biāo)準(zhǔn)，尾氣凈化催化劑中Pd:Rh重量比優(yōu)選值在8:2到9:1之間，這樣既有利于機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)階段尾氣凈化催化劑盡快發(fā)揮作用，也有利于排放的尾氣達(dá)標(biāo)。 A：起燃溫度

20、B：350 oC時(shí)剩余量圖5 不同Pd:Rh比對(duì)催化劑性能的影響2.5.2 載體孔密度優(yōu)化圖6是保持催化劑中的Pd和Rh總量為1.2克/升，Pd:Rh重量比為8:2，Ce:Zr原子比為6:4時(shí)，載體孔密度對(duì)催化劑性能的影響。圖6顯示，催化劑載體的孔密度增大，能夠降低催化劑的起燃溫度和尾氣中有害成分的剩余量，這主要是由于載體孔密度增大，增加了催化劑活性成分和尾氣中有害氣體的接觸面積，擴(kuò)大了尾氣的轉(zhuǎn)化幾率。但如果孔密度無(wú)限增大，太小的孔徑很容易被尾氣中的碳煙顆粒堵塞，增大排氣管阻力，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，因此催化劑載體的孔密度應(yīng)保持合適值，不能單純追求低溫反應(yīng)效果而無(wú)限的擴(kuò)大孔密度。 A: 起燃溫

21、度 B：350 oC時(shí)剩余量圖6 載體孔密度對(duì)催化劑性能影響2.5.3 模擬啟動(dòng)階段尾氣凈化反應(yīng)為了模擬機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)階段尾氣凈化催化劑溫度逐漸升高時(shí)尾氣中有害成分變化情況，選擇了上述Ce:Zr原子比為6:4，Pd:Rh重量比為8:2，孔密度為700孔/平方英寸的催化劑進(jìn)行連續(xù)升溫試驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。表3尾氣中各種氣體隨溫度和時(shí)間變化情況（起始溫度：27.5 oC；起始時(shí)間：10:30）時(shí)間溫度色譜上峰面積NONO2oCCOC3H8ppmppm11:10100380812188528870141789819281664272155819151769811250018361165783000184

22、83410614:07350070（0.37 ppm）1.71.4表3數(shù)據(jù)顯示：250 oC時(shí)CO完全轉(zhuǎn)化，300350 oC是C3H8和NO的轉(zhuǎn)化溫度。當(dāng)溫度達(dá)到350 oC時(shí)，CO、C3H8（1000 ´ 70 /188528 =0.37 ppm）、NO（1.7 ppm）和NO2（1.4 ppm，NO高溫氧化生成）含量極低，滿(mǎn)足汽車(chē)嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，溫度未達(dá)到反應(yīng)溫度前，有較多的有害成分經(jīng)反應(yīng)器排入空氣。這些現(xiàn)象說(shuō)明：機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)過(guò)程中，只要尾氣凈化催化劑達(dá)到它的反應(yīng)溫度，就能將尾氣中的有害成分去除；在溫度未達(dá)到反應(yīng)溫度前，經(jīng)反應(yīng)器排入的有害成分，相當(dāng)于機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)初期尾

23、氣凈化催化劑尚未發(fā)揮作用排入大氣的污染物。2.6 小結(jié)實(shí)驗(yàn)了汽車(chē)尾氣凈化催化劑中的Ce:Zr原子比、Pd:Rh重量比和載體的孔密度對(duì)起燃溫度的影響，優(yōu)選出Ce:Zr原子比為6:4，Pd:Rh重量比為8:2，孔密度為700孔/平方英寸的催化劑。使用優(yōu)選的催化劑，模擬汽車(chē)啟動(dòng)階段尾氣凈化反應(yīng)，350 oC時(shí)尾氣中有害氣體幾乎完全轉(zhuǎn)化，好于目前400 oC才具有較好凈化效果的催化劑9。 第三章 如何快速凈化啟動(dòng)階段尾氣的思考第二章的試驗(yàn)顯示，雖然優(yōu)化催化劑組成能夠降低催化劑起效溫度，一定程度上減少機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)階段有害氣體排放，但優(yōu)化后的催化劑起效溫度仍然很高，機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)時(shí)不可避免地排放大量未經(jīng)凈化的尾

24、氣。因此僅進(jìn)行催化劑優(yōu)化難以達(dá)到機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)時(shí)尾氣完全凈化的目的。同時(shí)第二章的結(jié)果也表明，只要溫度達(dá)到反應(yīng)溫度，優(yōu)化后的催化劑就能將尾氣中有害成分去除。但啟動(dòng)階段尾氣凈化催化劑本身溫度低，如果實(shí)現(xiàn)催化劑快速起效，需要借助外力快速提高其自身溫度。資料顯示，近年很多研究者致力于這方面探索，提出了催化劑和發(fā)動(dòng)機(jī)之間密耦技術(shù)、催化反應(yīng)體系外加熱技術(shù)、二次空氣噴射技術(shù)、前級(jí)催化技術(shù)、尾氣捕集器技術(shù)和燃料燃燒器技術(shù)9。由于采用這些單一技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足目前排放要求，他們將這些技術(shù)進(jìn)行組合，采用復(fù)雜的控制手段和設(shè)備，可以將尾氣凈化催化劑開(kāi)始發(fā)揮作用的時(shí)間提前到發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)后的20-30秒，但機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)20-30秒內(nèi)有

25、大量的有害氣體排出，因此這些技術(shù)并不完善。在已出現(xiàn)的快速凈化技術(shù)中，除捕集器技術(shù)，其它技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)都是縮短正常行駛狀態(tài)下凈化催化劑達(dá)到反應(yīng)溫度的時(shí)間。借助這種思路，我們希望探索到一種極快速的加熱方式，能在10秒甚至1秒內(nèi)將尾氣凈化催化劑加熱到反應(yīng)溫度，使正常行駛狀況下的尾氣凈化催化劑在啟動(dòng)時(shí)就能充分發(fā)揮作用?，F(xiàn)有最好的啟動(dòng)技術(shù)仍然有20-30秒的滯后性，主要由于這些加熱技術(shù)都是加熱尾氣、尾氣管道、催化劑三者構(gòu)成的整個(gè)系統(tǒng)，并且熱量傳遞存在時(shí)間差。所以，我們探索的快速加熱方式是直接加熱催化劑本身，使熱量充分利用且避免傳遞，縮短催化劑達(dá)到反應(yīng)溫度所需時(shí)間。第四章 快速加熱4.1 前言日常生活中常用

26、的快速加熱方式有電加熱、磁加熱和微波加熱。由于催化劑是負(fù)載在主體骨架載體上，載體早期使用蜂窩陶瓷，現(xiàn)在越來(lái)越多使用金屬，所以探索快速加熱方式時(shí)，以金屬載體為研究對(duì)象。一般金屬的電阻比較小，常規(guī)狀態(tài)下的電阻加熱不能滿(mǎn)足快速升溫要求。通過(guò)文獻(xiàn)檢索和向加熱方面的專(zhuān)家咨詢(xún)，考慮使用高頻交流電產(chǎn)生的交變電場(chǎng)和磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)尾氣凈化催化劑極快速加熱，而且熱量直接作用于催化劑本身。圖7是委托尾氣凈化催化劑加工廠(chǎng)加工的各種小型尾氣凈化催化劑或載體，用于快速加熱試驗(yàn)。Cat-I（左側(cè)視圖，右俯視圖）Cat-II（左側(cè)視圖，右俯視圖）Cat-III（左側(cè)視圖，右俯視圖）Cat-II變形圖7 不同結(jié)構(gòu)小型尾氣凈化催化劑或

27、載體（Cat-II 為載體，Cat-I 和Cat-III為催化劑）4.2磁加熱4.2.1磁加熱實(shí)驗(yàn)首先用磁鐵確認(rèn)了金屬載體具有磁性，因?yàn)橛写判缘奈矬w在磁線(xiàn)圈作用下感應(yīng)更快。然后將催化劑的載體放在家用電磁爐上加熱，發(fā)現(xiàn)載體能迅速被加熱，證明催化劑可以被磁加熱。將Cat-I放入21.9 KHz的電流磁感應(yīng)線(xiàn)圈中，改變機(jī)器電流，用溫度紅外成像儀測(cè)定溫度及溫度分布，數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。表4 Cat-I在不同電流下升溫情況電流(A)功率(KW)加熱時(shí)間(s)外圍溫度()中心溫度()201.110350185302.39350183403.97350185表4顯示：使用不同電流都能使Cat-I外層溫度在10秒內(nèi)達(dá)

28、到設(shè)定的350 ，電流越大，達(dá)到溫度的時(shí)間越短。由于金屬的外層磁場(chǎng)對(duì)內(nèi)層的屏蔽作用，溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在載體外層，中心軸上溫度最低，內(nèi)外層溫差大。如果等內(nèi)層溫度接近設(shè)定溫度，需要20多秒。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是由于外圍的金屬對(duì)內(nèi)部磁場(chǎng)有屏蔽作用，使內(nèi)層無(wú)法生熱。和Cat-I相比，Cat-II是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，相互接觸緊密，有利于傳熱，而且網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)存在大量閉合線(xiàn)路，有利于磁感應(yīng)加熱，因此對(duì)網(wǎng)狀的Cat-II進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。表5 Cat-II在不同電流下升溫情況電流(A)功率(KW)加熱時(shí)間(s)外圍溫度()中心溫度()302.31400215403.91400207表5數(shù)據(jù)顯示，載體形狀改變后，外

29、層溫度1秒就能升到設(shè)定溫度，快于相同條件下Cat-I的升溫速率，但內(nèi)外溫差大的問(wèn)題仍然存在。4.2.2磁加熱反應(yīng)效果磁加熱雖然存在內(nèi)外溫差大，但也可以使外層溫度1秒內(nèi)升至設(shè)定溫度，所以使用第二章優(yōu)化的催化劑，測(cè)評(píng)了磁加熱條件下尾氣凈化效果。在測(cè)評(píng)之前，先進(jìn)行了通氣狀況下升溫試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)設(shè)定溫度350 ，電流20 A，功率1.3 KW，電流頻率21.9 KHz，氣體總氣量6000 ml/min，催化劑Cat-I，外壁（Tw）和中心（Tn）分別放置2根熱電偶，其中Tw為控制溫度，其結(jié)果見(jiàn)表6。表6 磁加熱通氣狀況下升溫效果時(shí)間(s)Tw ()Tn ()15350244036010160350189

30、80350259100350300155350352表6顯示，通氣狀況下催化劑外圍溫度達(dá)到設(shè)定溫度需要15秒，明顯低于不通氣狀況下的升溫速率（表4和表5），這可能是氣體流動(dòng)帶走了部分熱量。表6的數(shù)據(jù)再次驗(yàn)證了磁加熱時(shí)，外圍金屬對(duì)內(nèi)層具有屏蔽效應(yīng)，致使催化劑內(nèi)外層溫差大。如果等內(nèi)部溫度也達(dá)到設(shè)定溫度，通氣狀況下需要155秒。表7是磁加熱催化劑反應(yīng)情況。表中的NO和NO2由分析儀在線(xiàn)直接讀取，CO 和C3H8由色譜分析。由于反應(yīng)時(shí)間太快，試驗(yàn)過(guò)程中部分CO 和C3H8數(shù)據(jù)來(lái)不及分析，只能觀察到NO瞬時(shí)變化數(shù)據(jù)。前面的試驗(yàn)（表3）顯示CO的轉(zhuǎn)化溫度低于NO，C3H8和NO轉(zhuǎn)化幾乎同步進(jìn)行，所以可以根

31、據(jù)NO轉(zhuǎn)化判斷尾氣中的污染物整體變化情況。表7磁加熱催化劑尾氣凈化效果時(shí)間(s)溫度(oC)NONO2色譜峰面積TwTnppmppmCOC3H80141410020390545198722153502838212-603502002927-803502971264-120350349261.703809(19.2ppm) CO 和C3H8部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)不及分析。表7數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)15秒外層溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，轉(zhuǎn)化有害成分的能力有限；當(dāng)2分鐘內(nèi)、外層溫度都接近設(shè)定溫度時(shí)，幾乎能將尾氣中有害成分完全凈化。雖然磁加熱內(nèi)層溫度低，但借助磁場(chǎng)輔助加熱尾氣凈化催化劑，使外層溫度快速達(dá)到反應(yīng)溫度，和表3相比，也明

32、顯縮短了尾氣凈化時(shí)間，有利于機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)時(shí)尾氣凈化。4.2.3 小結(jié)高頻電產(chǎn)生的磁加熱能使尾氣凈化催化劑外層溫度快速達(dá)到反應(yīng)溫度，尾氣的去除效果好于常規(guī)加熱，但由于磁加熱無(wú)法克服外部金屬對(duì)內(nèi)部的屏蔽，而且能夠預(yù)見(jiàn)隨著催化劑體積增大，內(nèi)外溫差大的問(wèn)題會(huì)更突出，所以用磁快速加熱尾氣凈化催化劑難于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。4.3電加熱4.3.1電加熱實(shí)驗(yàn)由于磁加熱存在無(wú)法克服的缺陷，所以嘗試使用高頻電直接加熱尾氣凈化催化劑。將高頻電流兩端直接連接到Cat-I，Cat-II上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，通入高頻電流后電流很容易分布不均，電流強(qiáng)度高的地方溫度高，電流強(qiáng)度低的地方溫度低，像磁加熱一樣存在溫度分布不均勻且溫差特別大的問(wèn)題

33、。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們改進(jìn)了金屬載體的形狀：將Cat-II拆開(kāi)，疊成2層(見(jiàn)圖8中Cat-II的變形)，在兩邊加上剛才使用的高頻電流，進(jìn)行不同電流試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表8。表8 改形的Cat-II在不同電流下升溫情況電流(A)功率(KW)加熱時(shí)間(s)最高溫度()最低溫度()403.9135235070-1500496表8顯示，通過(guò)對(duì)催化劑載體形狀的改進(jìn)，使高頻電在載體上均勻分布，能夠使催化劑載體1秒內(nèi)均勻升至設(shè)定溫度，而且控制電流強(qiáng)度可以得到不同的設(shè)定溫度。4.3.2高頻電加熱反應(yīng)效果與磁加熱一樣，在進(jìn)行高頻電加熱反應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，先進(jìn)行通氣狀況下升溫試驗(yàn)。使用第二章優(yōu)化的催化劑，其它條件與磁加熱相同。為

34、保證高頻電流在催化劑中分布均勻，優(yōu)化催化劑被加工成圖8中的Cat-III(1 cm ´ 1 cm ´ 1 cm)形狀。催化劑加工時(shí)，瓦楞狀催化劑載體的層與層之間用陶瓷絕緣材料隔離，催化劑兩邊焊上寬度等于催化劑兩邊寬度的銅片，用于連接電極。因銅的電阻小和陶瓷的絕緣，這樣既可以避免電極兩端加熱快于催化劑，也可以保證各層都能立即分配到大致相等的電流。試驗(yàn)最初曾焊接不銹鋼作為催化劑兩端的電極，高頻電流只是2點(diǎn)接入，催化劑層與層之間不絕緣，結(jié)果造成電流接入點(diǎn)兩端升溫快于催化劑其它地方，并且在這2點(diǎn)處過(guò)熱，電流在催化劑層與層之間分布不均，溫差特別大（有的地方常溫，有的地方已經(jīng)呈紅熱狀）

35、。表9顯示，和磁加熱方式一樣，通氣后升溫速率低于不通氣的結(jié)果（表8），這主要也是由于氣體流動(dòng)帶走了部分熱量。和磁加熱方式相比，高頻電加熱的升溫速度更快，5秒內(nèi)催化劑的內(nèi)外層都達(dá)到了設(shè)定溫度，而且溫度分布均勻。表9 通氣狀況下電加熱升溫效果時(shí)間(s)Tw ()Tn ()099123523733453435350350表10是采用高頻電加熱催化劑反應(yīng)結(jié)果。表中數(shù)據(jù)顯示，采用高頻電流對(duì)催化劑進(jìn)行加熱，根據(jù)NO轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)可以看到，3秒內(nèi)尾氣中大部分有害成分已經(jīng)轉(zhuǎn)化；5秒時(shí)尾氣中NO、C3H8僅剩0.9 ppm和0.56 ppm，CO完全轉(zhuǎn)化。20分鐘時(shí)取樣分析，各種氣體的剩余量幾乎重復(fù)了5秒時(shí)的結(jié)果，說(shuō)

36、明5秒時(shí)尾氣凈化催化劑已經(jīng)充分發(fā)揮了作用。這樣就能夠利用正常行駛狀況下的催化劑充分凈化啟動(dòng)階段的尾氣，很好的解決了機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)時(shí)尾氣凈化不充分的問(wèn)題。表10電加熱催化劑尾氣凈化效果時(shí)間(s)溫度(oC)NONO2色譜峰面積TwTnppmppmCOC3H80991001038772619237612282277639-334934713111-53503500.91.20107(0.56ppm)12003503500.70.5048(0.25ppm) CO 和C3H8部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)不及分析。4.3.3與目前最先進(jìn)技術(shù)對(duì)比為了顯示高頻電加熱去除效果，需要將該技術(shù)與現(xiàn)在最好啟動(dòng)階段尾氣凈化技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。最

37、直接的對(duì)比方法是將尾氣凈化催化劑裝入排氣管，應(yīng)用上述2種方法分別進(jìn)行去除效果測(cè)定，但目前我們實(shí)驗(yàn)室無(wú)法這樣做，原因：（1）機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的測(cè)試需要在專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)室（能夠模擬機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行時(shí)的各種路況狀況），發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油/氣比按規(guī)定條件進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)或跑車(chē)試驗(yàn)；（2）上述實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高。因此，選用表3，即“尾氣中各種氣體隨溫度和時(shí)間變化情況”（見(jiàn)第二章）和表10，即“電加熱催化劑尾氣凈化效果”中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比：（1）因?yàn)樗鼈兪窍嗤姆磻?yīng)條件，只是加熱方式不同；（2）尾氣剩余量應(yīng)該是濃度和時(shí)間的乘積，所以應(yīng)該做濃度對(duì)時(shí)間圖，但不能用表3中時(shí)間和濃度直接作圖，這是因?yàn)橐环矫姹?中升溫過(guò)程有停頓；另方面表3是程序升

38、溫，如果設(shè)置更快的加熱速率，相應(yīng)就會(huì)縮短時(shí)間，因此需要對(duì)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理才具有可比性。數(shù)據(jù)處理的思路：（1）表3和表10中溫度對(duì)應(yīng)的剩余氣體濃度不會(huì)隨加熱功率變化而變化，所以選取這兩個(gè)不變的數(shù)值為數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)；（2）假定在某一溫度下，剩余氣體的濃度保持一段時(shí)間（實(shí)際上是變化的，但可以認(rèn)為這個(gè)濃度是這段時(shí)間內(nèi)的平均值）；（3）選用目前啟動(dòng)階段最好凈化技術(shù)的升溫時(shí)間20-30s(選取25s)作為表3的升溫時(shí)間。這樣雖然表3中的時(shí)間發(fā)生了變化，但每個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氣體濃度不變；（4）假設(shè)表3和表10加熱過(guò)程都是勻速升溫，則表3每升溫1oC所需要的時(shí)間：25s/(350-25(室溫) oC= 1

39、/13(s/oC)；表10每升溫1oC所需要的時(shí)間：5s/(350-9(室溫) oC= 5/341(s/oC)；（5）根據(jù)上述升溫速率，表3和表10中的數(shù)據(jù)相應(yīng)轉(zhuǎn)換為表11和表12(以NO為例)：表11：從表3轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)溫度（oC）NO（ppm）到達(dá)該濃度范圍內(nèi)的時(shí)間（s）251000(25-25) ´ 1/13 = 0100870(100-25) ´ 1/13 = 5.8178642(178-25) ´ 1/13 = 11.8215698(215-25) ´ 1/13 = 14.6250657(250-25) ´ 1/13 = 17.33

40、00410(300-25) ´ 1/13 = 21.23501.7(350-25) ´ 1/13 = 25表12：從表10轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)溫度（oC）NO（ppm）到達(dá)該濃度范圍內(nèi)的時(shí)間（s）91001(9-9) ´ 5/341= 0228763(228-9) ´ 5/341= 3.2349131(349-9) ´ 5/341= 4.993500.9(9-9) ´ 5/341= 5.0根據(jù)表11和表12中的數(shù)據(jù)，作NO剩余濃度-停留時(shí)間圖，圖中的面積即為機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)階段NO的排出量。由圖8中的面積可知：采用高頻電加熱，NO的排出量?jī)H是目前

41、最好技術(shù)的22%，NO的去除效果提高了78%。另外現(xiàn)有最好的20-30秒的啟動(dòng)技術(shù)需要2-3個(gè)技術(shù)組合才能實(shí)現(xiàn)，設(shè)備復(fù)雜，而本項(xiàng)目中所采取的處理方法，借用了機(jī)動(dòng)車(chē)行駛狀況下的尾氣凈化催化劑來(lái)處理啟動(dòng)階段的尾氣，無(wú)需增加新的主要設(shè)備。圖8：機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)階段使用高頻電加熱和目前最好凈化技術(shù)對(duì)尾氣凈化效果的對(duì)比上述計(jì)算的誤差主要來(lái)源于溫度數(shù)值點(diǎn)偏少，溫度間隔大。但計(jì)算的結(jié)果能夠代表整體趨勢(shì)。4.3.4小結(jié)采用高頻電加熱，使用優(yōu)化的低溫起燃催化劑，通過(guò)催化劑形狀的改變，通氣狀況下5秒時(shí)就能使催化劑達(dá)到反應(yīng)溫度，尾氣中的NO、C3H8和CO能夠充分轉(zhuǎn)化。與目前最好的啟動(dòng)階段凈化技術(shù)相比，凈化效果提高了78

42、%，而且具有設(shè)備簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。 第五章 極快速加熱技術(shù)應(yīng)用時(shí)需要解決的問(wèn)題5.1前言眾所周知，電流總喜歡走電阻小的線(xiàn)路，在復(fù)雜多線(xiàn)路電路中如果阻抗不均，就會(huì)引起各線(xiàn)路電流不均，尤其高頻電在大體積導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí)更容易引起這種現(xiàn)象，從而造成導(dǎo)體各部分之間極大的溫差。金屬載體的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣凈化催化劑是由多層網(wǎng)狀或多層波紋狀金屬片疊加制成，有縱橫交錯(cuò)的眾多線(xiàn)路，極易造成高頻電在載體各處分布不均，所以在第四章高頻電實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了避免這種現(xiàn)象，制作的催化劑的體積非常小(1 cm ´ 1 cm ´ 1 cm)，但機(jī)動(dòng)車(chē)使用的尾氣凈化催化劑的體積（汽車(chē)100 mm ´ 115 mm、摩托

43、車(chē)50 mm ´ 90 mm）遠(yuǎn)大于上述催化劑。同時(shí)在第四章高頻電加熱試驗(yàn)過(guò)程中觀察到：一旦制作的催化劑體積增大，即使保持層與層之間并聯(lián)絕緣，但各處溫差大的問(wèn)題仍然會(huì)出現(xiàn)（中心溫度低，外圍局部地方溫度高）。但是如果要把這種極快速加熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，必須增大催化劑體積，因此保證催化劑增大體積增大后高頻電流在各處均勻分布是這項(xiàng)技術(shù)能否實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。這一章主要研究如何在實(shí)際應(yīng)用階段克服催化劑體積增大后高頻電流分布不均問(wèn)題。由于載體是機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣凈化催化劑骨架；活性組分和涂層極薄極少；通電后只有金屬載體生熱，活性組分和涂層（因是氧化物）并不生熱，因此載體的溫度分布基本代表了催化劑的溫度分布，所

44、以實(shí)驗(yàn)時(shí)選用催化劑的金屬載體作為研究對(duì)5.2實(shí)驗(yàn)器材表13 主要儀器和設(shè)備設(shè)備名稱(chēng)生產(chǎn)廠(chǎng)家型號(hào)感應(yīng)加熱器上海歐感電氣技術(shù)有限公司MacDZ-10/380熱成像儀美國(guó)福祿克公司Fluke Ti2云母紙揚(yáng)州榮佳電氣有限公司0.3mm高硅氧布宜興市貝泰絕熱材料有限公司0.3mmFe-Cr-Al金屬載體巴斯夫催化劑（桂林）有限公司直紋/斜紋5.3實(shí)驗(yàn)及結(jié)果5.3.1 催化劑載體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)源于汽車(chē)點(diǎn)煙器結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了如下結(jié)構(gòu)的催化劑載體成型方式，將金屬片用高溫絕緣材料隔開(kāi)，卷成如圖9所示的結(jié)構(gòu)。金屬片的兩段焊接銅片作為電源的接線(xiàn)柱，以便保證高頻電在尾氣凈化催化劑中單層、等電量流動(dòng)，用于克服電流分布

45、不均問(wèn)題。這樣設(shè)計(jì)既保證了催化劑整體仍然保持傳統(tǒng)的圓柱狀結(jié)構(gòu)，又滿(mǎn)足高頻電在各層均勻分布。1兩端焊接銅片2云母紙絕緣3金屬載體和云母紙4 卷繞成型圖9 金屬載體卷繞過(guò)程通過(guò)網(wǎng)上檢索，尋找可卷繞耐高溫薄的絕緣材料，最后確定使用云母紙(網(wǎng)站宣稱(chēng)耐1000 oC高溫)作為實(shí)驗(yàn)的絕緣材料。采用圖10所示，分別對(duì)80 mm ´ 115 mm、30 mm ´ 50 mm兩種圓柱體結(jié)構(gòu)的催化劑進(jìn)行了加熱實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)設(shè)定溫度480 ，電流25 A，功率1.3 KW，電流頻率19.2 KHz。1感應(yīng)加熱電源2電流輸出處3綁在輸出處催化劑4加熱后催化劑圖10 加熱實(shí)驗(yàn)催化劑載體溫度分布見(jiàn)表14

46、，其中最高和最低溫度由紅外測(cè)溫儀讀取，熱電偶測(cè)溫的位置為催化劑載體的中心處。表14顯示，通過(guò)形狀的合理設(shè)計(jì)，和小實(shí)驗(yàn)相比，雖然催化劑的體積增大了很多，但均能在5秒內(nèi)將大小不同的尾氣凈化催化劑載體加熱至設(shè)定溫度附近。雖然最高溫度和最低溫度存在50 oC左右的溫差，但都極快速達(dá)到了設(shè)定溫度，而且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將熱電偶置于催化劑載體內(nèi)部不同位置，各處溫度均能極快速達(dá)到設(shè)定溫度，并未出現(xiàn)第四章中由于高頻電分布不均造成內(nèi)外溫差大的問(wèn)題。表14 體積大小不同的催化劑升溫情況圓柱載體 x h時(shí)間s設(shè)定溫度oC最高溫度oC最低溫度oC熱電偶測(cè)溫oC80 mm x 115 mm448049745548530 m

47、m x 50 mm1480501463482之所以紅外測(cè)溫儀的最高溫度和最低溫度存在50 oC溫差，可能是由于紅外測(cè)溫儀測(cè)得是載體表面溫度，為了捆扎催化劑不至于松散，載體表面包裹了高溫膠帶，表面各處的散熱程度不同（工業(yè)催化劑外層有套筒）。即使存在這么大的溫差，但催化劑各處溫度均達(dá)到起效溫度，能夠保證催化劑各處快速發(fā)揮凈化作用。5.3.2 絕緣層的選擇雖然上述實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了催化劑放大后各處極快速達(dá)到起效溫度，但使用的云母絕緣層經(jīng)過(guò)高溫后極易粉碎，不能再次使用，見(jiàn)圖11。加熱前云母絕緣層加熱后云母絕緣層圖11 高溫對(duì)云母紙強(qiáng)度的影響借助消防器材上的滅火毯材料，尋找到高硅氧布并進(jìn)行了焙燒實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖12。

48、圖12顯示1000 oC處理的高硅氧布保持了原有形狀。選用高硅氧布，制作了55 mm x 50 mm、30 mm x 50 mm兩種圓柱體結(jié)構(gòu)的催化劑載體進(jìn)行了加熱實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖13。試驗(yàn)時(shí)電流21 A，功率10.5 KW，電流頻率17.2 KHz。為了防止催化劑載體松散，催化劑載體外面用玻璃纖維布捆扎，內(nèi)部不同位置放置2根熱電偶，用于校驗(yàn)紅外測(cè)溫儀的溫度。加熱前800oC 1h1000oC 1h圖12 高硅氧布焙燒實(shí)驗(yàn)催化劑載體控制面板(A1.3即加熱1.3s)圖13 加熱實(shí)驗(yàn)熱電偶和紅外測(cè)溫儀測(cè)得溫度分布見(jiàn)圖14和表15。圖14和表15顯示，在很短時(shí)間內(nèi)（5秒）尾氣凈化催化劑載體各處均能達(dá)到設(shè)

49、定溫度，內(nèi)部溫度相對(duì)均勻（熱電偶1和熱電偶2）。55mm x 50mm30mm x 50mm圖14紅外測(cè)溫儀的溫度成像圖（中間陰影部分為捆綁用的玻璃纖維布造成）表15 體積大小不同的催化劑升溫情況圓柱載體 x h時(shí)間s設(shè)定溫度oC最高溫度oC最低溫度oC熱電偶1oC熱電偶2oC55mm x 50mm455064251957658330mm x 50mm1.34505064494554625.4小結(jié) 通過(guò)催化劑載體的合理成型和絕緣材料的選擇，實(shí)現(xiàn)了體積增大后的催化劑各處都能極快速達(dá)到起效溫度，滿(mǎn)足了該技術(shù)在機(jī)動(dòng)車(chē)實(shí)際應(yīng)用的可行性。 第六章 結(jié)論6.1結(jié)論研究中探索出一條簡(jiǎn)單、實(shí)用、高效的機(jī)動(dòng)車(chē)啟

50、動(dòng)階段尾氣凈化方法。實(shí)驗(yàn)時(shí)優(yōu)化了尾氣凈化催化劑的組成，比較了磁加熱和電加熱效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)優(yōu)化催化劑的組成和載體的孔密度，能夠適當(dāng)降低催化劑的反應(yīng)溫度，有利于機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)階段尾氣凈化。在優(yōu)化的催化劑基礎(chǔ)上，采用極快速加熱方式對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)正常行駛狀況下的尾氣凈化催化劑加熱，使機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)5秒內(nèi)催化劑就能充分發(fā)揮作用，模擬尾氣中NO、C3H8僅剩0.9 ppm和0.56 ppm，CO完全轉(zhuǎn)化，很好地解決了啟動(dòng)階段尾氣污染物排放問(wèn)題，同時(shí)也解決了催化劑體積增大后高頻電流分布不均問(wèn)題。和已有相關(guān)技術(shù)相比10-14，該技術(shù)具有尾氣凈化催化劑達(dá)到反應(yīng)溫度所需時(shí)間極短，尾氣凈化充分、能耗低、設(shè)備簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果解決了機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)時(shí)尾氣極快速凈化的主要技術(shù)問(wèn)題。雖然在實(shí)際應(yīng)用前仍然需要解決一些細(xì)節(jié)問(wèn)題，但從技術(shù)角度能夠保證該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。6.2創(chuàng)新點(diǎn)與現(xiàn)有機(jī)動(dòng)車(chē)啟動(dòng)階段尾氣凈化技術(shù)相比，創(chuàng)新點(diǎn)主要有：（1）利