汽油机三元催化转换器的原理

中图分类号：TK417+.4

随着汽车工业的迅速发展 ，汽车保有量的不断增加 ，汽车有害气体排放已逐渐成为城市大气污染的主要来源之一。现在，我们来分析一下汽车尾气中的有害物质。

一、废气中的有害成分

一氧化碳：一氧化碳与血液中的血红蛋白结合的速度比氧气快250倍。一氧化碳经呼吸道进入血液循环，与血红蛋白亲合后生成碳氧血红蛋白，从而削弱血液向各组织输送氧的功能，危害中枢神经系统，造成人的感觉、反应、理解、记忆力等机能障碍，重者危害血液循环系统，导致生命危险。

氮氧化物：氮氧化物主要是指一氧化氮、二氧化氮，它们都是对人体有害的气体，特别是对呼吸系统有危害。在二氧化氮浓度为9.4毫克/立方米的空气中暴露10分钟，即可造成人的呼吸系统功能失调。

碳氢化合物：目前还不清楚它对人体健康的直接危害。但当氮氧化物和碳氢化合物在太阳紫外线的作用下，会产生一种具有刺激性的浅蓝色烟雾，这种光化学烟雾对人体最突出的危害是刺激眼睛和上呼吸道黏膜，引起眼睛红肿和喉炎。

铅：铅是有毒的重金属元素，汽车用油大多数掺有防爆剂四乙基铅或甲基铅，燃烧后生成的铅及其化合物均为有毒物质。城市大气中的铅60%以上来自汽车含铅汽油的燃烧。

尾气在直接危害人体健康的同时，还会对人类生活的环境产生深远影响。尾气中的二氧化硫具有强烈的刺激气味，达到一定浓度时容易导致“酸雨”的发生，造成土壤和水源酸化，影响农作物和森林的生长。在排放法规日益严格的今天，不安装汽车三元催化转化器（简称催化器）的汽油车已经无法满足法规的要求。三元催化转化器安装在汽车排气系统中的机外净化装置，可将有害气体一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物通过氧化和还原作用转变为二氧化碳、水和氮气。三元催化转化器是汽车尾气排放控制的核心部件，

二、三元催化转化器的结构和工作原理

三元催化转化器一般由壳体、减振层、载体和催化剂涂层四部分组成。催化器壳体由含铬、镍等金属的不锈钢材料制成，以防氧化皮脱落造成载体堵塞。减振层一般采用膨胀垫片或钢丝网垫，起密封、保温和固定载体的作用，防止催化器壳体受热变形等对载体造成损害。催化器载体一般采用蜂窝状陶瓷材料，也有少数采用金属 （如不锈钢）材料。在载体孔道壁面上涂有一层非常疏松的活性层，即催化剂涂层（如氧化铝），其粗造的表面可使壁面的实际催化反应表面积扩大7000倍左右。在涂层表面散布着作为活性材料的催化剂。催化剂是一种能改变化学反应速率而本身的质量和组成在化学反应前后保持不变的物质，它对参与化学反应的分子起活化作用，以加快反应的进程。目前效果较理想的催化剂是贵金属铂、钯、铑等。当有害气体被吸附到催化剂表面时，它们就分别与同样吸附在催化剂表面的氧化剂分子或还原剂分子发生氧化或还原反应。在三元催化转化器中主要发生的是一氧化碳氧化反应、碳氢化合物氧化反应和氮氧化物还原反应。

从反应方程式可以看出，在有害气体一氧化碳、碳氢化合物实质上是作为还原剂在起作用。当有氧存在时，其先被氧化；当无氧存在时，可去还原氮氧化物。而催化剂在上述反应中都起了加速的作用。

三、三元催化转化器的匹配

三元催化转化器与汽车的匹配是非常重要的，一般包括以下几个方面：催化器与发动机的匹配；催化器与电控燃油喷射系统的匹配；催化器与排气系统的匹配；催化器与燃料和油的匹配等。

（一） 催化器与发动机的匹配

在汽车上安装三元催化转化器要根据三元催化反应器的结构和所配套发动机的特性，经过一系列的匹配实验后有选择地安装，以保证配套发动机给三元催化反应器提供合适的工作条件。

（二）空燃比

通过有害气体氧化还原反应方程式可以看出，催化器能将一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物等三种有害物质一举转化成为以二氧化碳和水为主的物质。很显然，一氧化碳和碳氢化合物的氧化反应需要氧气，而氮氧化合物的还原反应不需要氧气。因此，它们各自的转化率与催化器内的氧浓度有关，而氧浓度与进入发动机混合气的空燃比呈正比关系，如图1。从图中可以看出，发动机的理论空燃比为14.7时，催化器的转化效率最高。空燃比大于14.7时，氮氧化合物的转化效率下降，因为过剩的氧气抑制了还原反应；当空燃比小于14.7 时，一氧化碳、碳氢化合物的转化效率下降，因为缺乏氧气而抑制了氧化反应。为此，必须把空燃比控制在一个范围内，经研究表明理论空燃比的控制区宽度为0.15～0.30时，催化器的转化效率最佳，但这个控制区并不是相对于14.7对称分布的，而是偏向于浓的一侧。只要空燃比处于控制区内，一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物的转化效率均可达到80%以上。

（三）三元催化转换器的工作温度

催化剂转化效率的高低与温度有密切的关系，催化剂只有达到一定的温度才能起作用。在有害气体的氧化还原反应中，三元催化转换器开始起作用的温度是250℃左右，最佳工作温度范围为400℃-800℃，而工作温度超过850℃后，催化剂中的贵金属自身也会产生化学变化，从而使有效催化剂成分降低，使三元催化转换器作用减弱。

（四）尾气的排气速度

尾气的排气速度实际上表示了气体在催化剂中的停留时间。排气速度越大，有害气体在催化剂中停留的时间就越短，从而导致转化效率的降低；但由于过高的气体流速有利于有害气体向催化剂表面的扩散，在一定程度上这又增大了转化效率，因此应综合评价排气速度对转化效率的影响。

（五） 催化器与电控燃油喷射系统的匹配

由三元催化反应器原理可知：当其工作在空燃比为理论空燃比附近时才能同时使一氧化碳、碳氢化合物 氧化和使氮氧化合物x 还原的转化效率都较高。为了现代汽车三元催化转化器的匹配。保证空燃比的精确控制，必须采用由氧传感器作为反馈元件的闭环电控系统。即利用安装在排气管的氧传感器来检测尾气中的氧的含量进而判断实际空燃比偏离理论空燃比的程度，并向ECU 反馈相应的电压信号，从而空燃比处于14.7 附近的窄小范围内进行修正。这样就导致了闭环电控系统中的实际空燃比总是在理论值附近波动。

（六） 催化器与排气系统的匹配

排气系统对发动机性能的影响主要是通过压力波对扫气干扰而产生的，其影响程度随排气管长度而变化。催化器的安装位置会显著影响排气系统的这种波动效应，进而对发动机的动力性和经济性造成显著影响。

（七） 催化器与燃料和油的匹配

随着机动车污染物排放限值标准的不断提高，当汽车排放污染控制技术发展到一定阶段后，燃油作为一项基础条件，其品质的好坏就将决定催化剂的转化效率，所以很多国家都致力于燃油品质与排放关系的研究。