机动车启动时排出的黑烟怎么办

汪然

简介

目前，汽油车多采用三效催化剂，柴油车多采用氧化催化剂、颗粒过滤器、NO2选择性催化还原、NO2存储

还原和四效催化剂，将尾气中的有害成分转变为CO2、H2O和N2。使用上述催化剂可以较好地净化机动车正常行驶状态下的尾气，但启动时由于发动机燃料刚燃烧，尾气净化催化剂表面温度低，不能充分发挥作用，使此阶段尾气中的有害成分不能很好转化。在本项目中，通过优化现有尾气净化催化剂组成，降低了催化剂的反应温度，结合探索到的极快速加热方式，5秒钟就能使尾气净化催化剂充分发挥作用，很好地解决了启动阶段污染物排放问题。

研究目的和技术方案

如果对现有的催化剂进行改进，使其具有更低的反应温度，或者使尾气净化催化剂在发动机刚启动时能快速达到反应温度，应该可以更好地净化启动阶段的尾气。因此本项目的研究目的是探索尾气净化催化剂在极短时间内发挥作用的方法。

本项目技术方案见图1。

催化剂优化

由于催化剂的起效温度与其成分组成和结构密切相关，为了降低起效温度，本项目打算对机动车现有尾气净化催化剂的组成和结构进行优化。实验过程中，主要优化现有工业催化剂中Ce-Zr固溶体的Ce：zr原子比、活性组分Pd：Rh的重量比和载体的孔密度，希望降低尾气净化催化剂的起效温度。

催化剂制备

按一定比例混合事先制备并经预处理的钯和铑的涂层浆料，待搅拌均匀后将预处理过的载体放入，完全浸没载体5分钟，取出载体放入负压抽提装置抽去多余的浆料，然后室温下晾干，120℃干燥24小时，550℃焙烧3小时制得需要的催化剂。焙烧后的催化剂载体大约增重（810±20）毫克，这样制得的催化剂涂层氧化物量大约为100克/升，贵金属负载量大约为1.2克/升。

催化剂性能测评

制备的催化剂装入图2的测评装置，热电偶放在催化剂中心，用肥皂液检查各管道连接处是否漏气，然后通入CO、C3H2、NO、CO2、O2和N2（平衡气）。常规测评时用加热炉对反应器进行加热，以5℃/分钟的速度由室温升至设定温度；磁加热和电加热分别采用连接在感应加热器上的磁线圈和电极进行快速升温。当温度达到设定温度时停留20分钟，在线取样分析。NO、NO2由NOY分析仪读出，其他气体由色谱分析得到。

结果与分析

使用经过活性组分优化和载体孔密度优化后的催化剂进行了模拟启动阶段的尾气净化反应。实验结果显示，机动车启动过程中，只要尾气净化催化剂达到它的反应温度，就能将尾气中的有害成分去除；在温度未达到反应温度前，经反应器放空的有害成分，相当于机动车启动初期尾气净化催化剂尚未发挥作用排入大气的污染物。使用优化后的催化剂（Ce：zr原子比为6：4，Pd：Rh重量比为8：2，孔密度为700孔/平方英寸），模拟汽车启动阶段尾气净化反应，350℃时尾气中有害气体几乎完全转化，效果好于目前400℃才具有较好净化效果的催化剂。

快速加热

思路的建立

优化后的催化剂起效温度仍然很高，机动车启动时不可避免地排放大量未经净化的尾气。实验结果表明，只要温度达到反应温度，优化后的催化剂就能将尾气中有害成分去除。借助这种思路，我们希望探索到一种极快速的加热方式，能在10秒甚至1秒内将尾气净化催化剂加热到反应温度，使正常行驶状况下的尾气净化催化剂在启动时就能充分发挥作用。

日常生活中常用的快速加热方式有电加热、磁加热和微波加热。由于目前催化剂的载体越来越多使用金属，所以探索快速加热方式时，以金属载体为研究对象。通过文献检索和请教加热方面的专家，考虑使用高频交流电产生的交变电场和磁场实现尾气净化催化剂极快速加热，而且热量直接作用于催化剂本身。

电加热实验

由于磁加热存在无法克服的缺陷，所以被迫使用高频电流直接加热尾气净化催化剂。实验结果显示，通入高频电流后，载体上电流很容易分布不均，电流强度高的地方温度高，电流强度低的地方温度低，存在温度分布不均匀且温差大的问题。为解决这个问题，我们改进了金属载体的形状。再次实验的结果显示，通过对催化剂载体形状的改进，使高频电流在载体上均匀分布，能够使整个催化剂载体1秒内均匀升至设定温度，而且控制电流强度可以得到不同的设定温度。

实验数据显示，采用高频电流对催化剂进行加热，3秒内尾气中大部分有害成分已经转化；5秒时尾气中NO、C3H3仅剩0.9毫克/千克和0.56毫克/千克，CO完全转化。20分钟时取样分析，各种气体的剩余量几乎重复了5秒时的结果。这说明，采用高频电加热，使用优化的低温起燃催化剂，通过催化剂形状的改变，通气状况下5秒时就能使催化剂达到反应温度，尾气中的NO、C3H2和CO能够充分转化。这个结果明显好于现有20～30秒的启动技术，为机动车启动阶段尾气中污染物控制提供了很好的解决方法。

创新点

与现有机动车启动阶段尾气净化技术相比，本研究的创新点主要有：

◇利用现有机动车正常行驶状况下的催化剂净化启动阶段的尾气，实现了两个阶段的尾气在同一个催化剂上净化，无需增加新的设备单元。

◇催化剂起效快，净化效果好。机动车启动5秒内就能使尾气净化催化剂充分发挥作用，很好地净化了机动车启动阶段排出的尾气，加热时热量直接作用于催化剂本身，减少了热量散失。