三元催化轉(zhuǎn)換理論在汽車尾氣治理中的應(yīng)用

仇雅莉

（湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410132）

0 引言

汽車作為現(xiàn)代化的交通工具，在給人們的生產(chǎn)和生活帶來便捷的同時也給環(huán)境帶來了很大的危害。隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車保有量的急劇增加，汽車產(chǎn)生的有害氣體已成為地球大氣的主要污染源，可能導(dǎo)致整個地球生態(tài)環(huán)境的變化，直接影響和威脅人類的生活和生存。為此，越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)相繼出臺，汽車的尾氣控制成為汽車技術(shù)研究的重要課題。

1 汽車尾氣中的主要有害成份

汽車尾氣中含有近200種化合物，其主要有害成份為：未燃燒或燃燒不完全的HC、NOx、CO、CO2、SO2以及微量的醛、酚、過氧化物、有機酸和含鉛、磷汽油所形成的鉛、磷污染顆粒等。其中對人危害最大的有碳?xì)浠衔铮℉C）、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）。一氧化碳經(jīng)呼吸道進入血液循環(huán)，與血紅蛋白親合后生成碳氧血紅蛋白，從而削弱血液向各組織輸送氧的功能，危害中樞神經(jīng)系統(tǒng)，造成人的感覺、反應(yīng)、理解和記憶力等機能障礙，重者危害血液循環(huán)系統(tǒng)，導(dǎo)致生命危險。高濃度的NO能引起神經(jīng)中樞的障礙，并且容易氧化成劇毒的NO2，NO2有特殊的刺激性臭味，嚴(yán)重時會引起肺氣腫。HC及NOx在陽光及其他適宜條件下還會形成光化學(xué)煙霧，對人體最突出的危害是刺激眼睛和上呼吸道黏膜，引起眼睛紅腫和喉炎。很多城市由于光化學(xué)煙霧事件導(dǎo)致人體中毒和死亡的事件時有發(fā)生。有害氣體擴散到空氣中造成空氣污染，因此，減少汽車廢氣對人體和環(huán)境造成的污染成為汽車技術(shù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

2 三元催化轉(zhuǎn)換理論

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)換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)換原理是利用排氣自身組份的化學(xué)特點來促成反應(yīng)。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(yīng)，使HC和CO氧化為H2O和CO2，使NOx還原為N2。其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

a）氧化反應(yīng)

b）還原反應(yīng)

由上述反應(yīng)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(yīng)，則NOx的還原反應(yīng)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)換器工作性能經(jīng)常用轉(zhuǎn)化效率評價。

式中，催化轉(zhuǎn)換器出、入口濃度分別指催化轉(zhuǎn)換器出、入HC、CO和NOx的濃度，可見，轉(zhuǎn)化效率表示催化轉(zhuǎn)換器把有害氣體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是三元催化轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)化效率和空燃比的關(guān)系。由圖可知，三元催化轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化效率達(dá)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(dāng)混合氣變濃，即空燃比變小時，HC和CO的轉(zhuǎn)化效率降低；當(dāng)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)換器轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最佳，就必須嚴(yán)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。

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

3 三元催化轉(zhuǎn)換器在汽車尾氣治理中的實際應(yīng)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)換器。三元催化轉(zhuǎn)換器（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)換器結(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(dāng)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(dāng)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?yán)格控制在14.7∶1附近，使三元催化轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)化效率達(dá)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)換器之前，稱主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)換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)換器的轉(zhuǎn)化效率。三元催化轉(zhuǎn)換器轉(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。擁有高儲氧量表示催化轉(zhuǎn)換器良好；低儲氧能力則代表催化轉(zhuǎn)換器已經(jīng)劣化。失效的催化轉(zhuǎn)換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。

圖3 前后氧傳感器波形對比

4 三元催化轉(zhuǎn)換器對尾氣治理的效果分析

三元催化轉(zhuǎn)換器的使用，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)換器對尾氣的治理效果還受到一些因素的制約。

4.1 溫度

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)換器轉(zhuǎn)換效率等于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?yán)淦饎雍蟠呋D(zhuǎn)換器作用的時間越早，對降低冷起動的排放越有利。

催化轉(zhuǎn)換器正常工作溫度一般在350～700℃之間，當(dāng)溫度在850～1000℃之間時，其內(nèi)涂層的催化劑很可能會脫落，載體碎裂。所以必須注意控制造成排氣溫度升高的各種因素，點火時間過遲或點火次序錯亂、斷火等都會使未燃燒的混合氣進入催化反應(yīng)器，造成排氣溫度過高，影響催化轉(zhuǎn)化器的效能。

4.2 發(fā)動機運行工況

三元催化轉(zhuǎn)換器的使用，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)換器不能達(dá)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(dá)到催化轉(zhuǎn)換器工作的預(yù)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)換器的轉(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。

4.3 與發(fā)動機的匹配

在實際使用中，三元催化轉(zhuǎn)換器是與發(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)換器性能再好，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)換器就不能高效率地凈化排氣污染物。反之，催化轉(zhuǎn)換器在設(shè)計時，也應(yīng)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(biāo)的要求不同等條件來確定設(shè)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(yīng)使用不同的三元催化轉(zhuǎn)化器。

5 結(jié)語

污染排放日趨嚴(yán)格的今天，不安裝三元催化轉(zhuǎn)換器的汽車已無法滿足排放法規(guī)的要求。三元催化轉(zhuǎn)換器在汽車尾氣治理中發(fā)揮著重要的作用。

[1]魏名山.汽車與環(huán)境[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]王愛娟.基于催化反應(yīng)動力學(xué)的三元催化轉(zhuǎn)化器工作效率溫度監(jiān)控數(shù)學(xué)模型研究[D].西安：長安大學(xué)，2006.