汽車三元催化器儲(chǔ)氧量對排放的影響

摘 要：汽車尾氣排放對環(huán)境造成的污染日益嚴(yán)峻，催化器作為控制尾氣排放的關(guān)鍵裝置，其儲(chǔ)氧量對排放的影響至關(guān)重要。在整車全壽命周期中發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)三元催化器儲(chǔ)氧量的大小對整車排放的影響至關(guān)重要。儲(chǔ)氧量越低三元催化器對整車排氣污染物的三元催化轉(zhuǎn)換能力就越低，排氣污染物的數(shù)值就越接近法規(guī)限值甚至排放不合格，本文深入研究催化器儲(chǔ)氧量與一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化物等污染物排放之間的關(guān)聯(lián)。通過理論分析與實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，充足的儲(chǔ)氧量能為一氧化碳、碳?xì)浠衔锏难趸磻?yīng)及氮氧化物的還原反應(yīng)提供適宜條件，顯著降低這些有害氣體的排放量，確保車輛排放符合標(biāo)準(zhǔn)。而儲(chǔ)氧量不足時(shí)，催化器轉(zhuǎn)化效率大幅下降，致使各污染物排放顯著增加，加劇環(huán)境污染。研究結(jié)果為優(yōu)化催化器性能、提升尾氣凈化效率以及降低車輛排放提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)，對推動(dòng)汽車環(huán)保技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：三元催化器 儲(chǔ)氧量 排放

隨著全球汽車保有量的持續(xù)增長，汽車尾氣排放對環(huán)境和人類健康的影響日益嚴(yán)重。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，各國紛紛制定了嚴(yán)格的汽車排放法規(guī)，推動(dòng)汽車制造商不斷改進(jìn)尾氣后處理技術(shù)。三元催化器作為汽油車尾氣后處理系統(tǒng)的核心部件，其性能直接影響著汽車尾氣中一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）和氮氧化物（NOx）的排放水平。三元催化器通過氧化還原反應(yīng)將有害氣體轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳（CO2）、水（H2O）和氮?dú)猓∟2）。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中空燃比的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致排氣中氧氣濃度發(fā)生變化，進(jìn)而影響三元催化器的轉(zhuǎn)化效率。為了應(yīng)對這一問題，三元催化器中引入了儲(chǔ)氧材料（OSC），用于儲(chǔ)存和釋放氧氣，以維持催化反應(yīng)所需的氧濃度。儲(chǔ)氧量是衡量三元催化器儲(chǔ)氧能力的重要指標(biāo)，直接影響著其對空燃比波動(dòng)的適應(yīng)能力和尾氣凈化效率。近年來，隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，對三元催化器儲(chǔ)氧量的研究也越來越受到關(guān)注。本文旨在探討汽車三元催化器儲(chǔ)氧量對排放的影響，分析儲(chǔ)氧量對三元催化器性能的作用機(jī)制，并探討提高儲(chǔ)氧量的技術(shù)途徑，為開發(fā)高效、低排放的汽車尾氣后處理系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 催化器的結(jié)構(gòu)和工作原理

催化器的載體呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，材質(zhì)一般是陶瓷或金屬。載體表面先反復(fù)涂抹幾遍氧化鈰，氧化鋁和氧化鋯組成的涂層，再涂上含有鉑，鈀，鎂的貴金屬涂層。其中圖層中的氧化鋁所起的作用可以使表面積增大約1000倍、氧化鈰的作用影響催化器儲(chǔ)氧量、氧化鋯的作用增加熱容[1]。其中貴金屬主要由鉑（Pt）、鈀（Pd）、銠（Rh）等貴金屬組成。鉑和鈀能促進(jìn)一氧化碳和碳?xì)浠衔锏难趸磻?yīng)，銠主要用于催化氮氧化物的還原反應(yīng)，通過這些貴金屬的催化作用，將汽車尾氣中的一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸镛D(zhuǎn)化為無害的二氧化碳、水和氮?dú)馓岣呷N排放物HC，CO，NOx的轉(zhuǎn)化率。

2 排氣濃稀與催化器儲(chǔ)氧量的關(guān)系

汽油機(jī)理想的完全燃燒產(chǎn)物是N2，H2O，和CO2，實(shí)際的不完全燃燒產(chǎn)物很多，其中HC，CO和NOx是受法規(guī)限制的，排放法規(guī)是根據(jù)現(xiàn)有的排氣后處理技術(shù)來制定的，目前法規(guī)所規(guī)定的排放物通過催化器的轉(zhuǎn)化率在80%-99%。三元催化器作用必須在理論空燃比附近（0.997lt;lambdalt;0.999），此時(shí)三種排放物都可以達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率，這個(gè)最佳的空燃比范圍就叫作催化器窗口。在催化器窗口內(nèi)，NOx還原反應(yīng)生成的氧氣，正好可以供給HC和CO的氧化反應(yīng)。催化器窗口的位置和大小取決于發(fā)動(dòng)機(jī)排放物的比例和量，以及催化器特性[2]。不同的空燃比下HC，CO和NOx的原始排放和經(jīng)催化器反應(yīng)后的排放差異是非常巨大的，排氣中有足夠的還原劑（CO，H2，HC），NOx才會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)。空燃比偏稀時(shí)，這些還原劑優(yōu)先和氧氣反應(yīng)，NOx的轉(zhuǎn)化率變低，空燃比偏濃時(shí)，CO、HC則很難被氧化。Lambdagt;1多余的空氣意味著多余的氧氣，HC和CO易于氧化。Lambdalt;1缺少空氣意味著缺少氧氣，NOx容易還原。稀混合氣利于氧化，濃混合氣利于還原。催化器能夠提高低溫下的化學(xué)反應(yīng)速度，促使反應(yīng)向能量低的方向進(jìn)行。HC，CO的氧化反應(yīng)和NOx的還原反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，達(dá)成平衡[3]。實(shí)驗(yàn)證明空燃比在濃稀之間振蕩，比固定一個(gè)空燃比的轉(zhuǎn)化效率要高。而所謂空燃比濃稀之間振蕩與三元催化器的儲(chǔ)氧量有著很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性與影響性?？杖急鹊臐庀≌袷幹苯記Q定了催化器儲(chǔ)氧量的數(shù)值。

3 三元催化器催化器儲(chǔ)氧量決定因素

涂層中的鈰含量以及催化器特性（目數(shù)，貴金屬等），鈰是決定催化器儲(chǔ)氧量的主要因素，鈰可以穩(wěn)定貴金屬的分布，阻礙高溫引起的涂層老化。鈰出了促進(jìn)CO–NO的氧化還原反應(yīng)外，還利于水氣和碳?xì)涞闹亟M反應(yīng)[4]。由于空燃比在濃稀間振蕩，混合氣偏稀時(shí)氧氣儲(chǔ)存進(jìn)鈰里，CO仍然可以還原NOx；混合氣偏濃時(shí)儲(chǔ)存的氧氣釋放出來氧化CO和HC。影響儲(chǔ)氧量的因素有以下幾點(diǎn)。

3.1 催化器容積

催化器容積和儲(chǔ)氧量有直接的正比關(guān)系。

3.2 老化程度

高溫導(dǎo)致燒結(jié)，涂層中的貴金屬逐漸聚集到一起，貴金屬的表面積降低，催化轉(zhuǎn)化效率和儲(chǔ)氧量都隨之降低。HC轉(zhuǎn)化率的降低和儲(chǔ)氧量的降低之間是非線性關(guān)系，這說明新鮮催化器的老化首先影響的是鈰和貴金屬的反應(yīng)。高溫下（鉑：700℃）原本均勻分布的貴金屬聚合到一起形成較大的顆粒，化學(xué)反應(yīng)的表面積降低從而導(dǎo)致儲(chǔ)氧量降低。

3.3 溫度

儲(chǔ)氧量和溫度相關(guān)，低于起燃溫度因?yàn)闊o法發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所以沒有儲(chǔ)氧量。溫度超過800℃后貴金屬會(huì)燒結(jié)同時(shí)引起儲(chǔ)氧量的下降。

3.4 流速

流速?zèng)Q定了各種反應(yīng)物在催化器中停留的時(shí)間。如果流速很高氧氣不可能完全存儲(chǔ)到催化器里。

儲(chǔ)氧量分動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種。靜態(tài)儲(chǔ)氧量可通過低頻切換濃稀空燃比得到；動(dòng)態(tài)儲(chǔ)氧量指的是儲(chǔ)存在表面的氧氣，這部分氧氣釋放起來比較快。當(dāng)混合氣瞬態(tài)偏濃時(shí)，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)氧量對HC，CO的轉(zhuǎn)換起著關(guān)鍵作用。

以上4條因素其中三元催化器體積以及流速受制于發(fā)動(dòng)機(jī)排量、整車總布置、熱輻射及成本因素影響一般在整車開發(fā)時(shí)已經(jīng)確定了排氣系統(tǒng)尺寸邊界、結(jié)構(gòu)、排氣流量。因此從三元催化器的體積以及流速去影響儲(chǔ)氧量的方法可操作性不高。下面我們著重分析排溫及催化器老化對三崔儲(chǔ)氧量以及排放的影響。

4 不同溫度條件及周期條件下的三元催化器儲(chǔ)氧量水平排放試驗(yàn)測試

4.1 同一臺(tái)車搭載不同燒制溫度條件的元催化器儲(chǔ)氧量及排放對比

4.1.1 新鮮催化器

新鮮催化器在經(jīng)過噴涂后經(jīng)過5小時(shí)500℃到600℃煅燒后裝配整車后低于300km里程的催化器可稱為新鮮催化器。

4.1.2 老化催化器

將催化器裝配在整車上，并且按標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)（SRC）測量催化器的載體溫度曲線；根據(jù)BAT方程計(jì)算催化器臺(tái)架老化所需時(shí)間；新鮮催化器搭載在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，排氣出口端，同時(shí)測量催化器載體溫度，及排放尾氣空燃比，按GM 875流程的空燃比循環(huán)，控制催化器入口溫度（875℃），直至到達(dá)老化時(shí)間約10天左右。

4.1.3 臨界催化器

根據(jù)車輛的排放特點(diǎn)及相關(guān)指標(biāo)要求，將催化器載體，放入馬弗爐中，將溫度升高至1150℃或1200℃左右，保持溫度約15小時(shí)或20小時(shí)。

以上三種不同儲(chǔ)氧量水平的三元催化器搭載在同一臺(tái)車上按照GB 18352.5—2013 I型試驗(yàn)（常溫下冷起動(dòng)后排氣污染物排放試驗(yàn)）進(jìn)行排放測試，對比發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)氧量越低排放污染物值越高，具體對比結(jié)果如下。

4.2 隨機(jī)選取進(jìn)行測試

隨機(jī)選取某一款車某種配置的1臺(tái)車分2批次分別裝配相同的1件新鮮催化器并設(shè)置不同的排溫控制數(shù)據(jù)，在經(jīng)過磨合3000km里程后分別測試不同里程的條件下儲(chǔ)氧量以及排放水平，由于零公里里程汽車的三元催化器未經(jīng)激活以及發(fā)動(dòng)機(jī)未經(jīng)磨合阻力較大、整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)阻力較大也未經(jīng)磨合其儲(chǔ)氧量水平與排放水平無關(guān)聯(lián)性，故未對零公里里程的三崔進(jìn)行排放測試，只對其激活后儲(chǔ)氧量進(jìn)行了測試，測得值為872。下表是不同排溫控制狀態(tài)下三元催化器在經(jīng)過3000km里程磨合后按照GB 18352.5—2013 I型試驗(yàn)（常溫下冷起動(dòng)后排氣污染物排放試驗(yàn)）進(jìn)行儲(chǔ)氧量及排放測試其結(jié)果對比如下。

通過對比發(fā)現(xiàn)在相同磨合里程條件下，不同的排溫對三元催化器的儲(chǔ)氧量有顯著的影響，進(jìn)而對排放也有較大的影響，排溫較高經(jīng)過相同里程的磨合后儲(chǔ)氧量相對較低，整體上NMHC（非甲烷碳?xì)洌?、THC（碳?xì)洌?、CO（一氧化碳）、NOx（氮氧化物）排放污染物值都要比相同磨合條件下排溫較低儲(chǔ)氧量較高的三元催化器高，特別是NOx值是前者里程的一倍。

5 三元催化器的排溫保護(hù)及催化器老化診斷

5.1 三元催化器排溫保護(hù)

排溫模型用于模擬計(jì)算排氣在渦輪入口、前后級氧傳感器處以及三元催化器中心的溫度。溫度模型首先根據(jù)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速計(jì)算出基本排氣溫度，然后根據(jù)環(huán)境溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火角和空燃比lambda 等因素對基本溫度進(jìn)行修正，并利用相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行濾波，最終得到與實(shí)際排氣溫度相符的溫度模型[5]。一般而言排氣溫度和三元催化中心溫度隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加而上升。空燃比和點(diǎn)火推遲對其也有影響?？杖急却笥?，溫度會(huì)上升，空燃比小于1，溫度會(huì)下降。增大點(diǎn)火角，溫度會(huì)下降，反之溫度會(huì)上升。此外環(huán)境溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、斷油、工況變化等因素都對排氣溫度有影響。

催化器中心溫度模型采用催化器模型作為物理背景，它的溫度調(diào)整分為2個(gè)部分。

（1）催化器內(nèi)部的三元催化反應(yīng)所導(dǎo)致的催化器內(nèi)部熱量的增加量，以排氣量為坐標(biāo)。它的值越大，催化器中心的模型溫度值越高。

（2）催化器與大氣之間的對流換熱系數(shù)以車速為坐標(biāo)，這個(gè)系數(shù)越大表明催化器與大氣的換熱量越大，催化器中心模型溫度越低。

整車標(biāo)定以以上2個(gè)部分的物理模型為基礎(chǔ)進(jìn)行排氣溫度標(biāo)定及排溫模型優(yōu)化可以有效的保護(hù)三元催化器、前氧傳感器、后氧傳感器等排氣系統(tǒng)關(guān)鍵零部件不被高排溫?fù)p壞，進(jìn)而保護(hù)三元催化器不會(huì)因排溫過高導(dǎo)致涂覆的貴金屬以及陶瓷載體被燒結(jié)影響三元催化器氧化還原反應(yīng)的有效面積降低導(dǎo)致儲(chǔ)氧量降低影響整車的排放水平。

5.2 三元催化器老化診斷

隨著催化器老化，后氧閉環(huán)的響應(yīng)也會(huì)有很大變化，OSC降低之后，后氧信號對擾動(dòng)或者修正的反應(yīng)變快，這可能會(huì)造成更大的擾動(dòng)。為了避免這種情況的發(fā)生，催化器診斷得到儲(chǔ)氧量下降后，后氧P部分和一些激活條件都要調(diào)整。被動(dòng)催化器診斷模擬了老化催化器的后氧電壓波動(dòng)，通過后氧實(shí)際信號和模擬信號的比較來評價(jià)催化器老化程度，后氧閉環(huán)目標(biāo)值盡可能平滑，有擾動(dòng)后的后氧閉環(huán)最好能快速、平穩(wěn)、這樣對診斷最有利。后氧閉環(huán)控制不應(yīng)該產(chǎn)生活放大后氧電壓的波動(dòng)，否則催化器診斷難以完成[6]。基于以上不同程度儲(chǔ)氧量的催化器以及前后氧信號的診斷可以確保三元催化器在儲(chǔ)氧量過低（臨界狀態(tài)）時(shí)可以及時(shí)點(diǎn)亮故障燈報(bào)三元催化器老化故障的故障，并通知客戶及時(shí)進(jìn)行維修。

6 結(jié)語

綜合以上理論論述以及整車試驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，三元催化器的儲(chǔ)氧量主要受老化程度和排溫影響。當(dāng)三元催化器老化程度越老儲(chǔ)氧量越低三元催化器對排放污染物的氧化還原反應(yīng)能力越弱，當(dāng)排溫越高三元催化器提供催化氧化還原的能力因?yàn)楦邷責(zé)Y(jié)導(dǎo)致吸收氧氣的涂覆表面積降低即儲(chǔ)氧能力降低，導(dǎo)致三元催化器在氧化還原時(shí)沒有適量的氧氣釋放出來與排氣污染物中的CH（碳?xì)浠衔铮?、CO、NOx進(jìn)行氧化還原反應(yīng)進(jìn)而導(dǎo)致排氣污染物超標(biāo)?；诓煌匣潭鹊娜迌?chǔ)氧量標(biāo)定勘測以及前后氧信號的比對分析可診斷出三元催化器儲(chǔ)氧量臨界值，這樣可以有效地識(shí)別出三元催化器因老化或排溫過高導(dǎo)致三元催化器儲(chǔ)氧量降低帶來排氣污染物超過法規(guī)限值及控制失效污染大氣環(huán)境。

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