浅析柴油油品对三元催化器的影响

苏玉珍

浅析柴油油品对三元催化器的影响

苏玉珍

福建戴姆勒汽车工业有限公司

介绍了我国当前在执行的国Ⅲ/Ⅳ/Ⅴ法规的柴油硫含量限值及各种有害物质排放量的限值，结合三元催化器的工作原理阐述了柴油油品对其的影响。

国Ⅲ/Ⅳ/Ⅴ法规；柴油油品；三元催化器；影响

随着全球气候变暖和异常气候的增多，越来越多的人开始关注空气质量，哥本哈根世界气候大会就是其中一个缩影。谈到空气质量，人们首先想到的就是城市大气污染主要来源的汽车尾气，汽车尾气中含有的有害物质HC（碳氢化合物）、NOx（氮氧合物）、CO（一氧化碳）、PM（微粒）等,它们主要通过汽车排气管排放，只有将近45%的HC和极小数的其它污染物质由曲轴箱和燃油系统排放。

在上述汽车排放污染物中，CO是燃油不完全燃烧的产物，对人的健康危害较大。HC主要是燃油蒸发及不完全燃烧的产物，由200多种不同的成份构成，含有致癌物质。NOx是在燃烧室高温高压条件下，由氮和氧化合而成，排放到大气后变成NO2，其毒性很强，对人及植物生长均有不良影响，是形成酸雨及光化学烟雾的主要物质之一。PM主要成份是碳烟，上面附有大量化学物质，包含致癌物质，吸入人体后会在肺部长期停留。

所以各国都制定了严格的排放法规，我国部分地区针对柴油车已经在执行国Ⅳ的排放法规，将要执行国Ⅴ的排放法规，那么作为尾气排放净化的关键零部件三元催化器是如何去应对的，又是如何在排放要求与良莠不齐的油品中寻求平衡呢。本文先讨论了法规要求及柴油油品现状，再分析三元催化剂的结构及工作原理，最后对油品的影响作了说明。

1 国Ⅲ/Ⅳ/Ⅴ法规要求及当前我国的油品现状

表1是我国目前实施的柴油排放标准的相关要求及数据。

表1 国Ⅲ/Ⅳ/Ⅴ法规要求

国Ⅲ排放法规2007年7月1日已经在我国全国范围内开始实施，国Ⅳ仅在北京、上海等地率先实施，预计2012年北京、上海等地将要实施国Ⅴ排放法规。

越来越严的排放法规的实施对于实现国家的节能减排目标具有重要意义，但是柴油油品的改善却由于量多面广等原因一直跟不上， 2007年年中时收集的柴油含硫量分布：

图1 2007年年中中国柴油油品含硫量分布

2007年全国平均硫含量1 300×10-6，大部分地区硫含量高于2 000×10-6，只有北京硫含量低于50×10-6。

时至今日，全国大部分地区仍难有含硫量低于350×10-6的柴油。例如，2010年福州中石油油品硫含量558×10-6，中石化油品硫含量1 440×10-6。

所以各车厂为了市场准入，只能通过改善发动机、排气系统等来应对越来越严的排放法规要求，当然油品质量不管怎样都对其有影响。

2 柴油油品对三元催化器的影响

说到油品的影响，首先来看看催化器的结构和工作原理

催化器的结构如图2，主要由外壳衬垫和涂覆有催化剂（一般使用贵金属铂、铑、钯中的1种或2种或3种）的载体组成。

图2 三元催化器的结构示意图

催化器的工作原理如下图3和图4, 从发动机出来的含有有害物质的高温尾气首先通过图3柴油氧化转化器（DOC)的通道，被催化剂氧化成水和二氧化碳。然后再通过图4柴油颗粒过滤器(CSF)过滤掉PM（主要是碳烟）。

图3 三元催化器——柴油氧化转化器（DOC)的工作原理

图4 三元催化器——柴油颗粒过滤器(CSF)的工作原理

从上述可以看出柴油催化器有2种：柴油氧化转化器（DOC)和柴油颗粒过滤器(CSF)，但在当前国Ⅲ排放法规要求下，一般不需要柴油颗粒过滤器(CSF)；到了国Ⅳ排放法规要求，可视发动机排放水平决定是否要柴油颗粒过滤器(CSF)，而国Ⅴ排放法规要求下，随着颗粒排放限值及NOx的降低，2种柴油催化器都需要，柴油颗粒过滤器(CSF)不仅可以过滤掉颗粒，而且可以促进NO转化NO2，从而达到再过滤NO的目的。

以上，我们了解了柴油催化器的相关信息，那么油品品质对其的影响多大呢？

图5 柴油氧化转化器对HC/CO的转化原理

为了承受触发CSF再生所需的高温，DOC必须使用Pt/Pd双金属配方，但Pd易被硫毒化。

从图5可以看出，含硫量高的柴油经发动机高温作用，被氧化成SO2，然后经过催化器孔时，催化剂Pt(铂)/Pd(钯)会把SO2部分再氧化成SO3， SO2和SO3生成多之后，部分以白烟排出到空气中，会形成酸雨，毒化大气；部分没排出去的，会继续与水及载体表面涂料AL2O3反应形成硫酸铝，就会覆盖在催化剂Pt(铂)/Pd(钯)上，致其无法与HC和CO接触，就无法把HC/CO转化成H2O以及CO2，导致催化剂Pt(铂)/Pd(钯)对HC/CO的转化效率降低，也会因此把催化器堵塞住，致其无法工作，只能更换。所以含硫太高的柴油对催化器的影响可归结为如下3点：

（1）含硫太高的柴油会严重降低柴油氧化转化器（DOC)对HC/CO的转化效率。

（2）含硫太高的柴油会堵塞柴油颗粒过滤器(CSF)，而且是不可逆的，只能进行更换。原因是太多的SO3的生成会使烟灰急剧增加造成堵塞。

（3）含硫太高的柴油会形成大家看见的汽车排白烟的现象。原因是柴油颗粒过滤器(CSF)为了降低NO从而达到国Ⅴ排放法规要求，所以需要采用燃烧燃油提高温度触发其再生功能。但太高的含硫情况下，再生就导致了SO3以白烟的形式集中排放出去，反而达不到排放的要求了。

3 结论

本文从我国柴油车的排放法规要求及柴油油品品质现状切入，通过对三元催化器的结构及工作原理的分析，最后导入油品品质不好会对三元催化器造成什么样的影响，由此，我们可以看出我国要想真正实现节能减排的目标，不仅仅只是发布更严格的排放法规要求，还要让油品品质也跟着同步提升，这样才能真正节能减排，让蓝天更蓝。

[1] 陈翀.三元催化器结构原理与性能评价[J].四川工业学院学报, 2001(4).

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[4] 肖坤胜,袁江,荆汝林,莫海俊.三元催化器在柴油机上的应用研究[J].装备制造技术,2005(2).

Impact Analysis of Diesel Fuel Quality on Catalytic Convector

Su Yuzhen

(Fu jian Daimler Automobile Industry Co., Ltd., Fu zhou 350119, China)

The presently enforced limited Sulphuric content of diesel fuel in national emission regulation III,IV,V is provided. The effect of diesel fuel products on catalytic convectors is discussed in relation with the working principle of catalytic convectors.

national emission regulation III,IV,V; diesel fuel product; converters; effect