汽油发动机的三元催化转换器介绍

03-03

废气排放法规对汽车的有害物排放规定了限值，为了满足这些限值，仅仅对发动机进行改进是不够的，必须利用废气催化后处理来净化有害物质。

汽油发动机的尾气净化，到目前为止最有效的方法是采用带有三元催化转换器的λ闭环控制，再没有其它任何技术能达到如此低的排放水平。

对于理论空燃比的可燃混合气，在正常工作温度的三元催化转换器能转化99%以上的有害排放物。

文/老贺

三元催化转换器的结构

三元催化转换器的结构如下：

三元催化转换器主要包括铁皮的壳体，载体，载体涂层以及催化涂层。载体有陶瓷体和金属体两种结构，目前应用较多的是陶瓷载体。

陶瓷载体含有几千个贯通的蜂窝状的小通道。载体涂层可将三元催化转换器表面积增大约7000倍，1L容积的载体涂层展开面积可达到一个足球场大小。

催化涂层包括贵金属铂、钯和铑，贵金属本身不参与化学反应，所以不会有消耗，这些都是有效的催化剂，其中铂和钯加速碳氢化合物和一氧化碳的氧化反应，铑加速氮氧化物的还原反应。

三元催化转换器中贵金属的含量为1-5g，其数值取决于发动机排量、原始排放、废气温度以及要满足的排放标准。

有害物质转换

三元催化转换器将可燃混合气燃烧时所产生的有害成分碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）和氮氧化合物（NOx）转化成无害成分，最终形成的产物是水蒸气（H2O）、二氧化碳（CO2）和氮气（N2）。

有害物质的转换过程可分为氧化反应和还原反应。一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）按照下列方程式进行氧化反应：

氮氧化合物（NOx）按照下列方程式进行还原反应：

根据可燃混合气浓度的不同，碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）所需的氧，取自废气中氧分子或氮氧化合物（NOx）。

空燃比

对有害物转换率的影响

经过三元催化转换器处理后的有害物质排放量和过量空气系数λ之间的关系如下图。

在λ＜1时，混合气偏浓，氮氧化合物（NOx）的转化效果很好。由于缺氧，氧化反应很难进行，使得碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）的排放量很高，且混合气越浓，这两种有害物质排放量越高。

在λ＞1时，混合气偏稀，碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）的转化效果很好，由于富氧，还原反应很难进行，氮氧化合物（NOx）的排放量陡然升高。

在λ=1时，氧化反应和还原反应达到平衡状态，废气中残余氧量（约0.5%）和氮氧化物中的氧使得碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）完全氧化，氮氧化物（NOx）同时得到还原。三种有害物质的排放量都很低。

空燃比决定了三元催化转换器的工作效率，要使三种有害排放物同时获得最大转化率，可燃混合气只能在λ=1附近非常窄的范围内变动，为此，必须对混合气进行闭环控制，每当可燃混合气发生浓、稀变化时，两点式氧传感器输出的电压信号就出现一次跃变。

三元催化转换器的储氧能力

三元催化转换器的涂层中含有储氧的成分，其中主要的物质是氧化铈（CeO2）,它能够储存和释放氧，从而补偿混合气空燃比的轻微波动，反应方程式如下：

三元催化转换器的储氧能力与贵金属催化转化能力成正比，两者都会随着老化而降低，换句话说，三元催化转换器的氧储存能力是转化能力大小的度量参数。

为诊断三元催化转换器，发动机控制器会比较三元催化器前、后的氧传感器信号电压，间接测量其氧存储能力。

三元催化转换器的工作温度

三元催化转换器从某个温度（起燃温度）起才能发挥明显的净化效果，一般情况下，工作温度超过300℃才能转换有害排放物，要达到转化率高且寿命长的理想状况，温度应为400-800℃。

当温度达到800-1000℃时，贵金属会烧结在载体涂层的表面上，减小有效催化接触面积，并加速催化剂的热老化。温度超过1000℃时严重的热老化会使三元催化转换器完全失去功能。

在发动机出现故障时（如失火等），若未燃燃油进入排气管燃烧，三元催化转换器的温度将高达1400℃，该温度会使载体熔化，并彻底损坏转换器。

现代发动机电子控制系统能检测出失火现象，切断相关气缸的燃油喷射，避免未燃燃油进入排气管。

三元催化转换器的布置

三元催化转换器所要求的工作温度限制了其安装的可能性：

①、靠近发动机安装的催化转换器能在冷启动后快速地达到运行温度，但是在高负载和高转速时需要承受非常大的热负荷。

②、远离发动机安装的催化转换器承受的热负荷较小，但是在加热阶段达到运行温度需要更多的时间。

三元催化转换器常见的布置方式是分开安装，即采用两个转换器，其中前转换器尽量靠近发动机，要求优化涂层的耐高温稳定性。

主转换器安装在汽车底板下，要求适应较低的起燃温度。为了更快的加热和净化有害物，前转换器通常较小，并具有较高的蜂窝密度和贵金属催化剂含量。

还有一种串联式催化转换器布置方案，将两个转换器串联安装在同一个壳体中，两个载体被一个空气间隙隔开，为了监控催化器性能，在中间安装了一个氧传感器。

备注：1、连接后部排气装置。2、耦合元件。3、后氧传感器。4、前氧传感器。5、连接涡轮增压器。6、转换器1。7、转换器2。

这种布置方式允许两个转换器单独优化贵金属含量、载体的蜂窝密度和壁厚，为了在冷启动时获得良好的起燃性能，前面的转换器具有较大贵金属催化剂含量和蜂窝密度。

也存在仅有一个整体式催化转换器的方案，采用现代的涂层技术能够在转换器的前、后形成不同的贵金属催化剂含量，这种转换器一般尽可能的靠近发动机安装，其优点是成本较低。

三元催化转换器的加热

当发动机和排气系统处于冷态时，必须尽快将三元催化转换器加热到工作温度，为此需要增加排气温度和排气流量。

常见的方法包括：

①、推迟点火定时

②、提高怠速转速

③、调整排气凸轮轴

④、均质分段喷射（直喷发动机）

④、吹入二次空气

⑤、主动加热方案

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