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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