催化转化器技术及应用

催化转化器技术及应用

摘要：催化转化器是有效控制汽车尾气排放污染的方法，本文主要讨论了催化转化器的结构及其工作原理。

1.引言

尾气排放就是发动机运行时所产生的废气经汽车排气管放出来。尾气是燃油燃烧及不完全燃烧造成的。空气的主要成份是氧和氮，而汽油的主要成份是氢和碳。在燃烧过程中，这四种成份进行化学混合。如果完全燃烧，空气和汽油混合会产生水，二氧化碳和氮气。这些对环境没有危害。但是，空气与汽油并不总是完全燃烧，这是会产生有害气体。汽车的尾气排放物对大气的污染日益受到人们的重视，许多国家纷纷制定出各种法规，采取许多措施，包括行政的、技术的手段等对汽车的尾气排放污染加以严格的控制．排放标准主要是针对碳氢化合物，一氧化碳及氮的氧化物这三种物质的排放而制定的。表1为美国联邦轿车尾气排放标准。

表1

控制发动机的废气排放的方法主要有以下两种：第一种方法是控制进入燃烧室的空气与燃油的比例；第二种方法是汽油在燃烧室中燃烧后，控制尾气的排放。

目前，在美国及欧洲的国家生产的轿车都安装了催化净化装置，在全世界范围内安装有三元催化转换器的轿车已超过９０％。就中国而言，随着汽车行业的迅猛发展及环境意识的逐步增强，汽车尾气排放的催化转化技术越来越受到了人们的重视。

2.三元催化转化器

三元催化转化器（如图1）利用催化剂的作用，同时将汽车发动机排出的三种有害气体（一氧化碳，未燃的碳氢化合物和氮氧化合物）转变为对人体无害的物质，这就是三元催化反应。下面简单介绍一下三元催化反应：

●一氧化碳（CO）→二氧化碳（CO2）,这是氧化反应。

●碳氢化合物（HC）→水（H2O），这也是氧化反应。

●氮氧化合物（NOx）→氧气（O2），这是还原反应。

图1

加以净化，是目前最有效的净化排放气体的方法。经实验研究证明，只有在空燃比保持为14.7：1时，降低废气排放量的效果最好，即一氧化碳，碳氢化合物及氮氧化物的整体排放浓度为最低，如图3。因此必须保证发动机在工况条件下的近理论空燃比（14。7：1），为了达到这个目标值，采用了闭环燃油控制系统来监控排气成份的变化，通过氧传感器来感知发动机排气中的氧的浓度，从而由PCM来调整进气量以保证理论空燃比，原理图见图4。

图3 图4

3.催化转化器

3．1 载体

在贯彻法规初期，曾使用过散体状载体，这种载体由颗粒状直径为2~4mm的颗粒堆积而成，在颗粒上涂覆铂催化剂，然后填充到三元催化转化器壳体内。发动机工作时，废气通过小颗粒的间隙和催化剂接触进行反应。但废气通过多颗粒式三元催化转换器时，背压损失很大，即排气阻力过大。另外，还存在着废气反应时产生大量的热散发不掉及载体的载持特性不佳等问题。

蜂窝状整体式载体主要由陶瓷材料或金属薄片卷绕而成。

目前催化器一般都采用蜂窝状整体式陶瓷载体，这种载体是用堇青石挤压而成，具有容易加工、成本低、在高温条件下强度高、热变形小等特点。这种材料的孔密度可以达到很高

（47~62/cm2）、壁薄（0.15mm），表面积的７１％都是孔结构，排气压力小，接触面积大。但是，这种载体的导热性差、机械性能不好、抗冲击能力底。

金属整体式载体是近年来发展起来的一种催化剂载体。目前，由于这种载体制造成本很高，当体积大时，易产生热变形而不能保证有足够的机械强度，这极大的限制了它的广泛使用。金属载体与陶瓷载体相比，具有以下几个优点：

i.壁薄，可达到５０μm，因而几何面积和孔隙率大，

可以提高催化效率，减少背压损失；

ii.导热性能良好，且热容量少，可以缩短预热时间；iii.抗震强度与性能均较好；

iv.结构紧凑。

与金属载体对比而言，陶瓷载体有以下缺点：

i.热膨胀系数较大；

ii.金属载体附着催化剂前，必须先经过表面处理才能形成Al2O3氧化层；

iii.因载体吸水性能较差，在附着催化剂时需采用特殊的结构和工艺；

iv.可靠性不高；

v.成本很高。

金属载体式催化器在改善发动机功率和排气净化率两方面极具有潜力，是目前具有广阔发展前景的催化器。

3．2 涂层

涂层是将具有催化转换作用的物质固定在载体上的部分。常见的涂层是由Al2O3构成的，将催化剂附着在涂层上。常见的三元催化剂是Pt/Rh按5：1构成，一般涂载量为40~50g/立英尺。中间附加中间夹层以扩大其表面积。Pt要对所有的氧化反应起催化作用，Rh主要对氮氧化物的还原反应起催化作用，它对NO的净化特别有效，且NH3生成率很底。

钯(Pd)是一种近年来使用较多的贵金属，它具有良好的HC氧化活性、高热稳定性，而且相对来说价格也不贵。而它的缺点是对污染物过于敏感，而且通常对NOx转换性差。

三元催化剂的作用是在理论空燃比附近使CO、HC、NOx 同时得到净化。为克服空燃比的变动，常添加辅助催化剂—氧藏物质（OSC），几年前用Ni做OSC，现在则常常侵渗CeO2，它能明显改善三元催化剂的性能。

为解决催化转化器的制造成本问题，国内研制的机构倾向于价格低廉的稀土催化剂，但是这种催化剂存在效率较低，寿命短等一系列问题。稀土催化剂尚进一部的研究。

３．3 衬垫

由于载体和壳体的热膨胀率不同，因此必须在两者之间安装一层衬垫，以祢补催化剂在受热时载体与壳体之间的松动。

常见的衬垫有金属网垫和陶瓷纤维垫层两种形式。

3．4 壳体

壳体是封装载体的容器，一般由铝或不锈钢制成。壳体的设计具有十分重要的作用，它极大的影响催化剂的使用效率和使用寿命。一般对壳体设计要求是使经催化器的气体流场的分布较好，尽可能减少涡流和分离现象的发生，把气流的阻力降至最低，要特别注意进气端形状设计，因为催化器前端面积对压降和净化效率影响最大。

4.催化转化技术

4．1改善催化器的冷启动性能

在冷启动阶段，由于催化器的温度尚未达到催化器工作的预定温度，这一阶段排出的尾气基本上没有经过净化。低温环境下冷启动后的CO 和HC排放增加可能是正常环境条件下的3~5倍，改善冷启动排放常用的措施是采用电加热技术，也就是在发动机冷启动前，通过车辆的蓄电池释放的能量，把催化器加热到适当的温度，这样就减少了冷启动阶段排出的有害气体。

4．2 硫对催化转化器性能的影响

随着排放法规的日益严格，硫对大气的污染越来越受人们的重视。美国1990年制定的净化空气法规对硫的排放提出了限制。随之而来，硫对三元催化转换器性能与寿命的影响也越来越受到重视。

研究结果表明，在理想混合比或稀混合比情况下，催化转化器把硫存起来，而在浓混合比情况下则把它释放出来。在稀混合比环境下，主要通过和氧化铝、基体金属氧化物作用的形式来储存，也就是催化氧化SO2形成SO3。这些产物可以在Pt PD Rh金属表面分解而成。

4．3控制稀薄燃烧时NOx的生成

采用稀薄燃烧发动机的汽车具有燃油消耗率低，经济性好