四管齐下,打造清洁的汽油发动机

巴斯夫紧凑型催化转化系统可同时去除气态污染物和颗粒物

  • 减少排放
    陶瓷基材上含有贵金属的催化转化器可清洁发动机尾气
  • 去除颗粒物
    集成颗粒物捕集器的紧凑型催化转化系统
  • 遵守限制
    四元转化催化系统帮助达到欧 6 标准
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随着新兴市场的日益繁荣,人们对个人交通的要求也在不断提高。与此同时,全球城市化也加大了机动车密度。据 LMC Automotive 估计,目前全球约有 10 亿辆汽车,到 2018 年这一数字将增加到近 12 亿辆——这将对全球各大城市的空气质量造成严重影响。从全电动到混合动力,电动等推进方案的重要性不断提高。“然而,从中期来看,内燃发动机仍将占据主流。”负责巴斯夫催化转化器研究的 Klaus Harth 博士表示:“因此,减少内燃发动机污染物排放已经成为全球所面临的一个严峻问题。”世界各国的官方排放标准正变得越来越严格。未来要达到这些标准,就必须对催化转化器进行进一步的优化。巴斯夫四元催化转化催化剂就是其中一种前景广阔的新技术。

四元转化催化系统由陶瓷支架和贵金属涂层组成。

内燃机之所以会产生对环境有害的排放,是因为燃油(多种烃的混合物)燃烧不完全。为了防止氮氧化合物、一氧化碳、未燃烧的烃和颗粒物进入大气,汽油车和柴油车可以装配催化转化器;在某些情况下,还可配备颗粒物捕集系统。它们能够在废气排出前对其进行净化。在过去四十年里,这些设备大幅降低了污染水平。

著名的三元转化催化剂分别于 1976 年和 1986 年在北美和欧洲投入使用。据 Harth 博士介绍,“现在的催化转化器能够去除尾气中 95% 以上的有害物质。”这主要得益于转化催化剂的内部结构:尾气净化催化剂由特制陶瓷支架构成,在一个整体中包含了大量的平行通道。

三元转化催化剂局部放大图:钯层(蓝色)可将氧化烃和一氧化碳选择性地氧化为二氧化碳和水;与此同时,铑层(红色)在一氧化碳或烃的辅助下将氮氧化合物转化为氮气、二氧化碳和水(陶瓷基材:灰色)。巴斯夫全新四元转化催化剂还可去除颗粒物(放大比例 120:1,宽 15 厘米)。

通道内壁根据设计用途提供了不同大小的微孔。陶瓷支架上的载体涂料含有金属氧化物颗粒,因此内部表面积非常大。贵金属颗粒在载体涂料中呈均匀分布(比如三元转化催化剂中的钯和铑)。这些具有催化活性的材料可确保将一氧化碳 (CO)、未燃烧的烃 (HC) 和氮氧化物 (NOx) 转化为水 (H2O)、氮气 (N2)和二氧化碳 (CO2)。作为催化活性成分,贵金属可促成和参与反应,但在反应前后性质不变——这是催化剂的最基本特点。

三元加一元

巴斯夫研究人员对三元转化催化剂进行了进一步的开发,优化了产品的清洁效果:全新的 FWC™ 四元转化催化剂是一种面向汽油车的技术。除气态污染物以外,这种催化剂还可去除尾气中的颗粒物等固体。“四元转化催化剂在同一结构中整合了所有重要特性,但体积却十分紧凑。与三元转化催化剂和下游无涂装颗粒捕集器相比,它占用的空间更少。”Harth 说。其他优点:“我们成功确保了 FWC 只对尾气流产生极小的背压。”这位巴斯夫专家解释道。这对汽车制造商而言同样非常重要。因为较高的背压会增大尾气到达尾气处理系统的阻力。如果背压过高,就会降低发动机性能,降低燃油效率。为了尽可能地降低背压,巴斯夫专家开发了一种创新的生产和涂装技术,以便使用催化活性材料对孔状内壁进行涂装。四元转化催化剂的清洁效果十分出色。“得益于巴斯夫在催化剂技术领域的多年经验,我们成功地开发出了一种定制催化结构。”Harth 补充道。这个结构的表面积非常大,具有很高的催化活性。此外,四元转化催化剂所需贵金属的数量也大幅减少。这个孔状结构还可过滤颗粒物质,使其附着于内壁上,并在催化涂层的辅助下,通过高温将其焚烧为二氧化碳。因此,巴斯夫四元转化催化系统的作用远远超过无涂装的捕集系统:由于大部分碳颗粒被焚烧为二氧化碳,避免了催化剂小孔堵塞——这就确保了整个单元能够长期保持良好性能。从一系列测试来看,产品具有长期稳定性:即使在行驶 16 万公里后,四元转化催化剂依然能够对尾气进行有效的净化。新系统已于 2013 年 4 月投放市场,目前我们正在与多家汽车制造商进行开发和测试——希望早日实现量产。“四元转化催化剂将帮助汽车制造商达到日益严格的排放法规要求,比如欧 6 标准。”Harth 表示:“未来几年内,我们的系统就将成为尾气排放控制技术的标杆之一。

Dirk Bosteels,催化剂排放控制协会 (AECC) 执行董事。AECC 是由从事发动机尾气排放控制技术研究的欧盟公司组成的一个国际协会。

来自催化剂排放控制协会 (AECC) 的 Dirk Bosteels 介绍了欧 6 排放标准及其对机动车驾驶者和汽车行业的意义。

欧洲议会为提高空气质量颁布了一系列政策。全新的欧 6 标准已经开始实施,预计到 2017 年欧盟还将采取下一步措施。这对机动车驾驶者和购买者有何影响?

欧 6 标准的重点在于减少柴油车的 NOx 排放以及加强汽油直喷发动机的颗粒物排放控制。驾驶符合欧 6 标准的车辆将有助于改善空气质量。新车购买者不会受到直接影响,但车辆在行驶过程中的排放将有所减少。此外,还有人提议为“超低排放机动车 (SULEV)”制定统一的“最高”标准,由企业自愿实施——这将有助于各成员国解决热点地区的空气污染问题。对于全体驾驶者而言,清洁空气政策最直接的后果之一就是“低排放区”范围扩大。

欧 6 和欧 5 标准有哪些不同?

主要区别在于欧 6 标准将柴油车的 NOx 排放限值从 180 mg/km 下调到 80 mg/km,但这比汽油车仍高出 20 mg/km。第二个区别是欧 6 标准规定了汽油直喷发动机的颗粒物排放限值。从 2017 年 9 月起,柴油车也将实施相同的限值;但在此之前,柴油车制造商只需要达到新标准 10 倍的限值即可。

汽车行业面临的主要挑战有哪些?

欧洲议会的一份提案建议对“实际行驶排放”进行测试,并实施某种形式的限值,这也许是汽车行业面临的最大挑战。欧 6 标准将采用新的测试周期和排放测量程序,它们能够更好地代表当前驾驶行为,提供更真实的排放值。对于汽油车而言,最大的问题在于如何达到 2017 年的颗粒物排放限值。厂商可以采用汽油发动机颗粒物捕集器 1 等技术。

您能否简单介绍未来 10 到 15 年内排放标准的发展趋势?

新的全球统一程序2 和“实际行驶排放”测量技术可能将对未来十年的排放要求产生巨大的影响。采用全球统一程序,其最初目的在于确保测得的 CO2 排放和油耗数据更精确地反应实际排放情况,但它也有助于确保机动车达到现有的排放限值。

新的全球统一程序将在后续阶段继续完善。第二阶段预计于 2018 年完成,它将增加包括低温排放、耐久性、实际行驶排放和用车符合性在内的更多测试程序,以替代现有测试。第三阶段将制定全球统一的排放限值。届时如何扩大统一标准的实施范围,而不牺牲欧盟的高标准,将是摆在我们面前一道难题。

1 编辑注:巴斯夫四元转化催化剂采用了这一技术
2 全球轻型车统一测试程序