三元催化轉(zhuǎn)化器與汽車尾氣排放治理策略研究

戴曉鋒

（揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，揚州225127，中國）

1 概述

汽車作為現(xiàn)代主流的交通工具之一，代表著當代科技水平，在給人們生產(chǎn)和生活帶來便捷的同時，卻給環(huán)境帶來了很大的危害。隨著人們生活水平的提高，汽車保有量急劇增加，汽車排放的有害氣體已成為地球大氣的主要污染源之一，可能導致整個地球生態(tài)環(huán)境的惡化，直接影響和威脅人類的生活和生存。為此，越來越嚴格的排放標準、法規(guī)相繼出臺，汽車尾氣排放控制成為當今汽車技術(shù)研究的重要課題。

2 汽車尾氣中的主要有害成份

汽車排放的主要污染物有一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）、二氧化碳（CO2）和微粒物（PM）等。

在內(nèi)燃發(fā)動機中，CO是空氣不足或其他原因造成不完全燃燒時，所產(chǎn)生的一種無色、無味的氣體。CO吸入人體后，非常容易和血液中的血紅蛋白結(jié)合，它的親和力是氧的300倍。因此，肺里的血紅蛋白不與氧結(jié)合而與CO結(jié)合，致使人體缺氧，引起頭痛、頭暈、嘔吐等中毒癥狀，嚴重時可能導致死亡。

HC是指發(fā)動機廢氣中的未燃部分，還包括供油系中燃料的蒸發(fā)和滴漏。單獨的HC只有在含量相當高的情況下才會對人體產(chǎn)生影響，一般情況下作用不大，但它卻是產(chǎn)生光化學煙霧的重要成分。

NOx是發(fā)動機有一定負荷時大量產(chǎn)生的一種褐色的有刺激性氣味的廢氣。發(fā)動機廢氣剛一排出時，氣體內(nèi)存在的NO毒性較小，但容易被氧化成毒性較大的NO2等其他氮氧化合物。NOx進入肺泡后能形成亞硝酸和硝酸，對肺組織產(chǎn)生劇烈的刺激作用。

NOx與HC受陽光中紫外線照射后發(fā)生化學反應，形成有毒的光化學煙霧。當光化學煙霧中的光化學氧化劑超過一定濃度時，具有明顯的刺激性。它能刺激眼結(jié)膜，引起流淚并導致紅眼癥，同時對鼻、咽、喉等器官均有刺激作用，能引起急性喘息癥，可以使人呼吸困難、眼紅喉痛、頭腦暈沉，造成中毒。光化學煙霧還具有損害植物、降低大氣能見度、損壞橡膠制品等危害。1995年，我國的成都、上海發(fā)生了光化學煙霧，北京和南寧分別于1998年和2001年也發(fā)生過光化學煙霧事件。

世界工業(yè)化進程引起的能源大量消耗，導致大氣CO2的劇增，其中30%約來自汽車排氣。CO2為無色無毒氣體，對人體無直接危害，但大氣中的CO2大幅度增加，因其對紅外熱輻射的吸收而形成的溫室效應，會使全球氣溫上升，南北極冰層融化，海平面上升，大陸腹地沙漠趨勢加劇，使人類和動植物賴以生存的生態(tài)環(huán)境遭到破壞。因此，近年來對CO2的控制也已上升為汽車排放研究的重要課題，提高汽車的經(jīng)濟性和使用低排量汽車是減少CO2排放的重要措施。

由燃燒室排放出的顆粒物（Particulate Matter）有三個來源，其一是不可燃物質(zhì)，其二是可燃的但未進行燃燒的物質(zhì)，其三是燃燒生成物。燃燒過程排出的顆粒物質(zhì)的組成中大部分是固態(tài)炭，火焰中形成的固體炭粒子稱為炭黑。炭黑可以在燃燒純氣體燃料時形成，但更多的則是在燃燒液體燃料燃燒時形成。顆粒物質(zhì)的組成中除炭黑外還有碳氫化合物、硫化物和含金屬成分的灰分等。含金屬成分的顆粒物主要來自于燃料中的抗爆劑、潤滑油添加劑以及運動產(chǎn)生的磨屑等。柴油發(fā)動機燃料燃燒不完全時，其內(nèi)含有大量的黑色炭顆粒。炭煙不僅本身對人的呼吸系統(tǒng)有害，而且炭煙粒的孔隙中往往吸附著二氧化硫及有致癌作用的多環(huán)芳香烴等物質(zhì)。

3 三元催化轉(zhuǎn)化原理

所謂“三元”是指汽車尾氣中的CO、HC和NOx等三種主要有害物質(zhì)，三元催化轉(zhuǎn)化能使汽車尾氣中排出的三種有害物質(zhì)同時得到凈化處理。三元催化轉(zhuǎn)化原理是利用排氣自身組份的化學特點來促成反應。在三種有害氣體中，HC和CO的還原性比較強，而NOx有一定的氧化性，在催化劑的作用下，這三者可發(fā)生氧化還原反應，使HC和CO氧化為H2O和CO2，使NOx還原為N2。其化學反應方程式如下：

（1）氧化反應

當含有CO和HC的廢氣通過三元催化轉(zhuǎn)化器時，鉑催化劑便觸發(fā)氧化（燃燒）過程，HC和CO與轉(zhuǎn)換器中的氧結(jié)合生成水蒸氣和二氧化碳，氧化過程對NOx排放沒有影響。

（2）還原反應

為了減少NOx的含量，需要進行“還原”反應。還原反應是去掉物質(zhì)中的氧原子。在三元催化轉(zhuǎn)化器中，銠被用作催化劑，將NOx分解為氮和氧，當溫度為250℃左右時，污染物便會發(fā)生有效的轉(zhuǎn)化。

由上述反應方程式可知，NOx的還原需要CO、H2和HC作為還原劑，如果排氣中氧氣過量，這些還原劑首先和氧反應，則NOx的還原反應不能進行。而如果空氣不足即氧濃度不足時，CO和HC則不能被完全氧化。

三元催化轉(zhuǎn)化器工作性能經(jīng)常用轉(zhuǎn)化效率評價。

式中，催化轉(zhuǎn)化器出、入口濃度分別指催化轉(zhuǎn)化器出、入口HC、CO和NOx的濃度，可見，轉(zhuǎn)化效率表示催化轉(zhuǎn)化器把有害氣體HC、CO和NOx轉(zhuǎn)化為無害氣體的百分率，轉(zhuǎn)化效率的高低受諸多因素的影響。

圖1 三元催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率與空燃比的關(guān)系

由圖1可知，三元催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率達到最高時空燃比取值僅在14.7∶1附近一個很窄的范圍內(nèi)，此時轉(zhuǎn)化效率超過90%。當混合氣變濃，即空燃比變小時，HC和CO的轉(zhuǎn)化效率降低；當混合氣變稀即空燃比變大時，NOx的轉(zhuǎn)化效率降低。因此要想三元催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率達到最佳，就必須嚴格控制汽油的噴射量，確保排氣中氧濃度為一定值，保證排氣中NOx、HC和CO的濃度成一定比例，這樣三種有害尾氣排放才能被同時高效清除。

4 三元催化轉(zhuǎn)化器在汽車尾氣治理中的實際應用

為有效治理汽車尾氣，現(xiàn)代汽油車的排氣系統(tǒng)中都安裝了最重要的機外凈化裝置——三元催化轉(zhuǎn)化器。三元催化轉(zhuǎn)化器（見圖2）由催化劑載體、催化劑和外殼等組成。

圖2 三元催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)

催化劑載體大多采用蜂窩狀陶瓷，在陶瓷載體上浸漬鉑（或鈀）和銠的混合物作為催化劑。鉑和鈀是氧化催化劑，當HC和CO與布滿鉑、鈀的熱表面接觸時，HC和CO就會分別與氧氣化合成H2O和CO2。銠是還原催化劑，當NOx與灸熱的銠接觸時，NOx會脫去氧，還原為 N2。

為能夠?qū)⒖杖急葒栏窨刂圃?4.7∶1附近，使三元催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率達到最佳，可采用氧傳感器來檢測排氣中氧的濃度，為控制裝置提供反饋信號。此氧傳感器安裝于三元催化轉(zhuǎn)化器之前，稱主氧傳感器、前氧傳感器或上游氧傳感器。目前很多車型上采用了雙氧傳感器監(jiān)控，即在三元催化轉(zhuǎn)化器前后各安裝一個氧傳感器。后氧傳感器即副氧傳感器或下游氧傳感器，用于檢測三元催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率。

三元催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率的檢測是通過閉環(huán)控制期間對轉(zhuǎn)化器內(nèi)儲氧量進行監(jiān)控而完成的。后氧傳感器輸出的電壓波形應是非常平直的。擁有高儲氧量表示催化轉(zhuǎn)化器良好；低儲氧能力則代表催化轉(zhuǎn)化器已經(jīng)劣化。失效的催化轉(zhuǎn)化器會使下游氧傳感器出現(xiàn)與上游氧傳感器相同的電壓信號波形，如圖3所示。

5 三元催化轉(zhuǎn)化器失效形式分析

5.1 溫度過高

常溫下三元催化轉(zhuǎn)化器不具備催化能力，其催化劑必須加熱到一定溫度才具有氧化或還原的能力，通常催化轉(zhuǎn)化器的起燃溫度在250-350℃，正常工作溫度一般在400-800℃。催化轉(zhuǎn)化器工作時會產(chǎn)生大量的熱量，當溫度超過1000℃時，其內(nèi)涂層的催化劑就會燒結(jié)壞死，同時也極易發(fā)生車輛自燃事故。所以，必須注意控制造成排氣溫度升高的各種因素，如：點火時間過遲或點火次序錯亂、缺火（缺缸）等，這些故障都會使未燃燒的混合氣進入催化反應器，造成催化轉(zhuǎn)化器工作時溫度過高，影響催化轉(zhuǎn)化器的效能。

5.2 慢性中毒

催化劑對硫、鉛、磷、鋅等元素非常敏感，硫和鉛來自于汽油，磷和鋅來自于潤滑油，這四種物質(zhì)及它們在發(fā)動機中燃燒后形成氧化物顆粒易被吸附在催化劑的表面，使催化劑無法與廢氣接觸，從而失去了催化作用，即所謂的“中毒”現(xiàn)象。

5.3 表面積碳

圖3 前后氧傳感器波形對比（左圖為前氧傳感器、右圖為后氧傳感器）

當汽車長期工作于低溫狀態(tài)時，三元催化轉(zhuǎn)化器無法啟動，發(fā)動機排出的炭煙會附著在催化劑的表面，以及機油竄入汽缸燃燒后機油中的磷和鋅等物質(zhì)也會附著在催化劑的表面，造成無法與CO和HC接觸，長期下來，便使載體的孔隙堵塞，影響其轉(zhuǎn)化效能。

三元催化轉(zhuǎn)化器堵塞可以分為三個階段：第一階段為輕微堵塞階段。此階段化學絡合物吸附在催化劑表面，只表現(xiàn)為尾氣凈化功能降低、尾氣排放超標。第二階段為中度堵塞階段?；瘜W絡合物已在催化劑表面累積到一定程度，此階段排氣背壓升高、油耗增加、動力下降。第三階段為嚴重堵塞階段。由于堵塞嚴重，三元催化轉(zhuǎn)化器工作溫度升高，在三元催化轉(zhuǎn)化器前端形成高溫燒結(jié)堵塞。高溫燒結(jié)堵塞又分為兩種：一種為金屬燒結(jié)堵塞，一種為積碳燒結(jié)結(jié)焦堵塞。它由燃油中是否使用含鉛、含錳抗爆劑而決定，此階段表現(xiàn)為動力嚴重下降，經(jīng)常熄火，嚴重時排氣管燒紅，甚至造成車輛自燃。

5.4 排氣狀況惡化

催化轉(zhuǎn)化器對污染物的轉(zhuǎn)化能力有一定的限度，因此必須通過機內(nèi)凈化技術(shù)將原始排氣中HC、CO、NOx濃度降到最低。如果排放的廢氣污染物各成分的濃度、總量過大，比如混合氣偏濃、點火能量過小、缺火等，都會影響催化器的催化轉(zhuǎn)化能力，降低其轉(zhuǎn)化效率。此外，由于廢氣中有大量的HC和CO進入催化反應器后，會在其中產(chǎn)生過度的氧化反應，氧化反應產(chǎn)生大量熱量將使催化反應器因溫度過高而損壞。

5.5 氧傳感器失效

為使廢氣轉(zhuǎn)化效率達到最佳（90%以上），需要在發(fā)動機排氣管中安裝氧傳感器并實現(xiàn)閉環(huán)控制，其工作原理是氧傳感器將測得廢氣中氧的濃度，轉(zhuǎn)換成電信號后發(fā)送給ECU，使發(fā)動機的空燃比控制在一個狹小的、接近理想的區(qū)域內(nèi)（14.7：1）（見圖1）。若空燃比大時，雖然CO和HC的轉(zhuǎn)化率略有提高，但NOx的轉(zhuǎn)化率急劇下降為20%，因此必須保證最佳的空燃比，實現(xiàn)最佳的空燃比，關(guān)鍵是要保證氧傳感器工作正常。如果燃油中含鉛、硅就會造成氧傳感器中毒。此外使用不當，還會造成氧傳感器積碳、陶瓷芯碎裂、加熱器電阻絲燒斷、內(nèi)部線路斷脫等故障。氧傳感器的失效會導致空燃比失準，排氣狀況惡化，催化轉(zhuǎn)化器效率降低，長時間會使催化轉(zhuǎn)化器的使用壽命降低。

5.6 陶瓷芯子破損

熱循環(huán)的長期作用、外部碰撞和擠壓，都有可能使陶瓷芯子破損，從而使得催化轉(zhuǎn)化器失效。

6 三元催化轉(zhuǎn)化器性能修復

三元催化轉(zhuǎn)化器如果本體完好，陶瓷芯沒有燒結(jié)現(xiàn)象，一般可以通過清洗的辦法加以修復。

6.1 三元催化轉(zhuǎn)化器檢查

6.1.1 錘擊法

用橡膠皮錘敲打三元催化轉(zhuǎn)化器，聽有無散碎的雜物聲，如有這種聲音則證明三元催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部的蜂窩陶瓷體破碎，必須更換三元催化轉(zhuǎn)化器。

6.1.2 紅外溫度計測量法

在正常情況下，三元催化轉(zhuǎn)化器的出口溫度比發(fā)動機進氣口溫度高38℃，在怠速時器溫度也相差10%，如果出口與進口溫度沒有差別或出口低于進口溫度，則說明三元催化轉(zhuǎn)化器沒有發(fā)生氧化反應；此時應檢查二次空氣噴射泵是否有故障，若沒有則說明三元催化轉(zhuǎn)化器已經(jīng)損壞。

6.1.3 利用雙氧傳感器信號電壓波形分析

目前，許多發(fā)動機燃油反饋控制系統(tǒng)中都安裝兩個氧傳感器。分別裝載三元催化轉(zhuǎn)化器的反應前、后兩端。這種結(jié)構(gòu)在裝有OBD-Ⅱ系統(tǒng)的汽車上，可以有效地檢測三元催化轉(zhuǎn)化器的性能。OBD-Ⅱ系統(tǒng)改進了三元催化轉(zhuǎn)化器的隨車監(jiān)視系統(tǒng)，安裝在三元催化轉(zhuǎn)化器后端的氧傳感器電壓波動要比安裝在三元催化轉(zhuǎn)化器前端的氧傳感器電壓波動少得多。這是因為運行正常的三元催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化CO和HC時消耗O2。當三元催化轉(zhuǎn)化器損壞時，其轉(zhuǎn)化效率基本喪失，使前、后端的氧傳感器信號的電壓波形和波動范圍均趨于一致，此時，需要更換三元催化轉(zhuǎn)化器。

6.1.4 簡易檢查法

發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，把手伸到排氣管處，看能否感覺到氣流，如感覺不到，說明堵塞；摘下空氣濾清器，原地急踩油門，看空濾處是否往外冒黑煙，如果是，說明堵塞；試車時達不到最高車速、加速不良，這也是三元催化轉(zhuǎn)化器堵塞的可能表現(xiàn)。

6.2 三元催化轉(zhuǎn)化器修復方法

現(xiàn)在市面上三元催化轉(zhuǎn)化器清洗修復的方法大致分為兩大類：一類是通過向發(fā)動機內(nèi)部注入添加劑或清洗劑（直接添加進燃油或者采用打吊瓶的方法），清洗劑通過進氣真空管（或進燃油管路，由噴油器噴射）進入燃燒室燃燒后，經(jīng)排氣門進入三元催化轉(zhuǎn)化器，在三元催化轉(zhuǎn)化器周圍建立一個高溫氧化環(huán)境，通過氧化還原反應將附著在三元催化劑表面的硫、磷化學絡合物，汽油燃燒不完全產(chǎn)物，變成SO2、CO2等氣體排出，從而達到清洗三元催化轉(zhuǎn)化器，恢復三元催化轉(zhuǎn)化器活性的目的。

另一類是直接清洗。將三元催化轉(zhuǎn)化器從汽車上拆下，或者將前后氧傳感器拆下，將清洗劑直接倒入三元催化轉(zhuǎn)化器中，浸泡一段時間后，再進行清洗，最后用壓縮空氣吹凈。

這兩種修復法各有千秋，市面上各種產(chǎn)品，五花八門，良莠不齊，筆者建議在選用修復方法時，一定要選用正規(guī)廠家生產(chǎn)的，特別是第一種方法，弄不好會損壞發(fā)動機，因此應慎之又慎。不管何種方法，首先必須判定三元催化轉(zhuǎn)化器有沒有修復的可能性，陶瓷芯破損的沒有修復價值。

7 三元催化轉(zhuǎn)化器應用策略

三元催化轉(zhuǎn)化器的使用，對降低汽車尾氣排放起到了良好的作用，但在汽車運行的全過程中，三元催化轉(zhuǎn)化器對尾氣的治理效果還受到一些因素的制約。

7.1 溫度因素的制約

前文講過，常溫下三元催化轉(zhuǎn)化器不具備催化能力，其催化劑必須加熱到一定溫度才具有氧化或還原的能力。通常把催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率等于50%的溫度稱為起燃溫度，一般在250-350℃之間，起燃溫度越低，汽車冷起動后催化轉(zhuǎn)化器作用的時間越早，對降低冷起動的排放越有利。

三元催化轉(zhuǎn)化器正常工作溫度一般在400-800℃之間，因此，一般發(fā)動機都有快怠速功能，讓發(fā)動機盡快達到正常工作溫度，三元催化轉(zhuǎn)化器也才能正常工作。

7.2 發(fā)動機運行工況的制約

三元催化轉(zhuǎn)化器的使用，大大降低了汽油機在常用工況下的排放問題，但是在一些特殊工況（如起動、急加速和急減速等）下，發(fā)動機對混合氣濃度有特殊要求，在此濃度條件下，三元催化轉(zhuǎn)化器不能達到理想的轉(zhuǎn)化效率。例如在發(fā)動機冷起動工況下，由于溫度尚未達到三元催化轉(zhuǎn)化器工作的預定溫度，且排氣溫度較低，燃燒后生成的HC和CO的排放濃度增加，對催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率不利。 所以冷起動工況的排放問題是汽油機尾氣治理所面臨的主要問題。

7.3 與發(fā)動機的匹配

在實際使用中，三元催化轉(zhuǎn)化器是與發(fā)動機以及汽車組合成一個完整的排放控制系統(tǒng)而發(fā)揮作用的，因此存在各部件之間的匹配優(yōu)化問題。催化轉(zhuǎn)化器性能再好，如果系統(tǒng)不能給它提供一個合適的工作條件（在空燃比、溫度和空氣流速等方面），催化轉(zhuǎn)化器就不能高效率地凈化排氣污染物。反之，催化轉(zhuǎn)化器在設計時，也應根據(jù)具體車型原始排放水平的不同、要滿足的排放法規(guī)的不同、對動力性和經(jīng)濟性等指標的要求不同等條件來確定設計方案。即使是同樣的發(fā)動機，同樣的三元催化轉(zhuǎn)化器，如果車型不同，發(fā)動機常用的工作區(qū)間會不同，排氣狀況會發(fā)生變化，則安裝三元催化轉(zhuǎn)化器的位置會不同，這都會影響三元催化轉(zhuǎn)化器的催化轉(zhuǎn)化效果。因此，不同的車輛，應使用不同的三元催化轉(zhuǎn)化器。

8 結(jié)語

伴隨世界各國對排放法規(guī)實施日益嚴格，各種發(fā)動機外凈化技術(shù)也紛紛產(chǎn)生。其中，三元催化轉(zhuǎn)化器對汽車排放控制技術(shù)有了突破性的進展，它可使汽車排放中的CO、HC和NOx同時降低90%以上。目前三元催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)已經(jīng)在汽油車上廣泛使用，不安裝三元催化轉(zhuǎn)化器的汽車已無法滿足排放法規(guī)的要求。不過，由于三元催化轉(zhuǎn)化器受本身的工作環(huán)境十分惡劣以及其轉(zhuǎn)化性能特點的影響，在使用過程中也會有各種不同故障產(chǎn)生。例如，由于三元催化轉(zhuǎn)化器堵塞造成的發(fā)動機動力下降、熄火或啟動困難及尾氣超標等現(xiàn)象，很可能干擾我們對發(fā)動機故障診斷。除此之外，三元催化轉(zhuǎn)化器還會造成嚴重后果，例如三元催化轉(zhuǎn)化器中顆粒催化物的熔化、蜂窩陶瓷狀基底因過熱而破裂、陶瓷芯堵塞引起過熱甚至導致汽車自燃等帶來的損失。

需要說明的是，三元催化轉(zhuǎn)化器是尾氣治理的最后一道關(guān)卡，是亡羊補牢的做法。如果發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)不正常，再好的三元催化轉(zhuǎn)化器也是徒勞無功的。筆者將在以后的文章中，陸續(xù)介紹發(fā)動機電控系統(tǒng)中各傳感器、執(zhí)行元器件工作狀況對尾氣排放的影響和尾氣治理策略。