三元催化转换理论在汽车尾气治理中的应用

2013-06-10仇雅莉

交通运输研究 2013年10期

仇雅莉

（湖南交通职业技术学院，湖南长沙 410132）

0 引言

汽车作为现代化的交通工具，在给人们的生产和生活带来便捷的同时也给环境带来了很大的危害。随着汽车工业的高速发展，汽车保有量的急剧增加，汽车产生的有害气体已成为地球大气的主要污染源，可能导致整个地球生态环境的变化，直接影响和威胁人类的生活和生存。为此，越来越严格的排放法规相继出台，汽车的尾气控制成为汽车技术研究的重要课题。

1 汽车尾气中的主要有害成份

汽车尾气中含有近200种化合物，其主要有害成份为：未燃烧或燃烧不完全的HC、NOx、CO、CO2、SO2以及微量的醛、酚、过氧化物、有机酸和含铅、磷汽油所形成的铅、磷污染颗粒等。其中对人危害最大的有碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）。一氧化碳经呼吸道进入血液循环，与血红蛋白亲合后生成碳氧血红蛋白，从而削弱血液向各组织输送氧的功能，危害中枢神经系统，造成人的感觉、反应、理解和记忆力等机能障碍，重者危害血液循环系统，导致生命危险。高浓度的NO能引起神经中枢的障碍，并且容易氧化成剧毒的NO2，NO2有特殊的刺激性臭味，严重时会引起肺气肿。HC及NOx在阳光及其他适宜条件下还会形成光化学烟雾，对人体最突出的危害是刺激眼睛和上呼吸道黏膜，引起眼睛红肿和喉炎。很多城市由于光化学烟雾事件导致人体中毒和死亡的事件时有发生。有害气体扩散到空气中造成空气污染，因此，减少汽车废气对人体和环境造成的污染成为汽车技术发展的当务之急。

2 三元催化转换理论

所谓“三元”是指汽车尾气中的CO、HC和NOx等三种主要有害物质，三元催化转换能使汽车尾气中排出的三种有害物质同时得到净化处理。

三元催化转换原理是利用排气自身组份的化学特点来促成反应。在三种有害气体中，HC和CO的还原性比较强，而NOx有一定的氧化性，在催化剂的作用下，这三者可发生氧化还原反应，使HC和CO氧化为H2O和CO2，使NOx还原为N2。其化学反应方程式如下：

a）氧化反应

b）还原反应

由上述反应可知，NOx的还原需要CO、H2和HC作为还原剂，如果排气中氧气过量，这些还原剂首先和氧反应，则NOx的还原反应不能进行。而如果空气不足即氧浓度不足时，CO和HC则不能被完全氧化。

三元催化转换器工作性能经常用转化效率评价。

式中，催化转换器出、入口浓度分别指催化转换器出、入HC、CO和NOx的浓度，可见，转化效率表示催化转换器把有害气体HC、CO和NOx转化为无害气体的百分率，转化效率的高低受诸多因素的影响。

图1是三元催化转换器的转化效率和空燃比的关系。由图可知，三元催化转换器转化效率达到最高时空燃比取值仅在14.7∶1附近一个很窄的范围内，此时转化效率超过90%。当混合气变浓，即空燃比变小时，HC和CO的转化效率降低；当混合气变稀即空燃比变大时，NOx的转化效率降低。因此要想三元催化转换器转化效率达到最佳，就必须严格控制汽油的喷射量，确保排气中氧浓度为一定值，保证排气中NOx、HC和CO的浓度成一定比例，这样三种有害尾气排放才能被同时高效清除。

图1 三元催化转换器转化效率与空燃比的关系

3 三元催化转换器在汽车尾气治理中的实际应用

为有效治理汽车尾气，现代汽油车的排气系统中都安装了最重要的机外净化装置——三元催化转换器。三元催化转换器（见图2）由催化剂载体、催化剂和外壳等组成。

图2 三元催化转换器结构

催化剂载体大多采用蜂窝状陶瓷，在陶瓷载体上浸渍铂（或钯）和铑的混合物作为催化剂。铂和钯是氧化催化剂，当HC和CO与布满铂、钯的热表面接触时，HC和CO就会分别与氧气化合成H2O和CO2。铑是还原催化剂，当NOx与灸热的铑接触时，NOx会脱去氧，还原为N2。

为能够将空燃比严格控制在14.7∶1附近，使三元催化转换器的转化效率达到最佳，可采用氧传感器来检测排气中氧的浓度，为控制装置提供反馈信号。此氧传感器安装于三元催化转换器之前，称主氧传感器或上游氧传感器。目前很多车型上采用了双氧传感器监控，即在三元催化转换器前后各安装一个氧传感器。后氧传感器即副氧传感器或下游氧传感器，用于检测三元催化转换器的转化效率。三元催化转换器转化效率的检测是通过闭环控制期间对转化器内储氧量进行监控而完成的。拥有高储氧量表示催化转换器良好；低储氧能力则代表催化转换器已经劣化。失效的催化转换器会使下游氧传感器出现与上游氧传感器相同的电压信号波形，如图3所示。

图3 前后氧传感器波形对比

4 三元催化转换器对尾气治理的效果分析

三元催化转换器的使用，对降低汽车尾气排放起到了良好的作用，但在汽车运行的全过程中，三元催化转换器对尾气的治理效果还受到一些因素的制约。

4.1 温度

常温下三元催化转化器不具备催化能力，其催化剂必须加热到一定温度才具有氧化或还原的能力。通常把催化转换器转换效率等于50%的温度称为起燃温度，一般在250～350℃之间，起燃温度越低，汽车冷起动后催化转换器作用的时间越早，对降低冷起动的排放越有利。

催化转换器正常工作温度一般在350～700℃之间，当温度在850～1000℃之间时，其内涂层的催化剂很可能会脱落，载体碎裂。所以必须注意控制造成排气温度升高的各种因素，点火时间过迟或点火次序错乱、断火等都会使未燃烧的混合气进入催化反应器，造成排气温度过高，影响催化转化器的效能。

4.2 发动机运行工况

三元催化转换器的使用，大大降低了汽油机在常用工况下的排放问题，但是在一些特殊工况（如起动、急加速和急减速等）下，发动机对混合气浓度有特殊要求，在此浓度条件下，三元催化转换器不能达到理想的转化效率。例如在发动机冷起动工况下，由于温度尚未达到催化转换器工作的预定温度，且排气温度较低，燃烧后生成的HC和CO的排放浓度增加，对催化转换器的转化效率不利。所以冷起动工况的排放问题是汽油机尾气治理所面临的主要问题。

4.3 与发动机的匹配

在实际使用中，三元催化转换器是与发动机以及汽车组合成一个完整的排放控制系统而发挥作用的，因此存在各部件之间的匹配优化问题。催化转换器性能再好，如果系统不能给它提供一个合适的工作条件（在空燃比、温度和空气流速等方面），催化转换器就不能高效率地净化排气污染物。反之，催化转换器在设计时，也应根据具体车型原始排放水平的不同、要满足的排放法规的不同、对动力性和经济性等指标的要求不同等条件来确定设计方案。即使是同样的发动机，同样的三元催化转化器，如果车型不同，发动机常用的工作区间会不同，排气状况会发生变化，则安装三元催化器的位置会不同，这都会影响三元催化转化器的催化转化效果。因此，不同的车辆，应使用不同的三元催化转化器。