對環保發動機三元催化系統的研究

李瑞峰/本溪鋼鐵（集團）建設有限責任公司

對環保發動機三元催化系統的研究

李瑞峰/本溪鋼鐵（集團）建設有限責任公司

機動車尾氣排放污染造成環保問題顯現。本文對環保發動機三元催化系統進行了研究和論述。

環保發動機；三元催化系統；汽車

一、引言

目前環保部門和汽車企業正在加速推進歐Ⅲ、歐Ⅳ的達標工作，為保護環境、減少污染，控制汽車尾氣污染的排放已是社會各界的一項刻不容緩的責任。國家“十二五”期間刺激經濟增長的關鍵領域有新能源、低碳、節能環保。現在《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020年）》也已出臺。《規劃》中有了明確定義-“要以純電驅動為汽車工業轉型的主要戰略取向，當前重點是推進純電動汽車和插電式混合動力汽車產業化，推廣普及非插電式混合動力汽車、節能內燃機汽車”。據測定，汽車每消耗1萬升石油燃料，將排放22.3噸二氧化碳。因此，降低汽車二氧化碳的排放，首要的是減少汽車的排放。發動機是汽車的主要污染源。在汽車維修與保養的范疇中，發動機的保養尤為重要。

二、傳統發動機與環保發動機技術比較

筆者認為：一是化油器發動機和開環電噴發動機定期保養方法，即傳統的5000公里更換機油三濾定期保養方法和2萬公里清洗進氣道、噴油嘴定期保養方法。由于傳統的5000公里更換機油三濾定期保養方法只限于對發動機潤滑系統保養；2萬公里清洗進氣道、噴油嘴定期保養方法只限于發動機進氣系統、燃燒系統保養，均無法滿足環保發動機潤滑系統、進氣系統、燃燒系統、排氣系統全方位保養要求，特別是環保發動機排放控制系統保養要求，無法解決因發動機進氣系統、燃燒系統、三元催化器堵塞、EGR閥沉積物卡滯等問題造成的油耗增加、動力下降、尾氣超標，因此必然無法保證在中國現行燃油、潤滑和路況條件下環保發動機正常工作。二是現在汽車使用的都是閉環電噴發動機，最大特點是利用了以氧傳感器為中心的空燃比反饋控制三元催化凈化系統，該系統能否正常工作決定了發動機的排放工作狀態。進行定期保養時，首先檢查發動機綜合工作狀況，然后更換機油三濾保養和三元清洗養護。新技術能同時對發動機潤滑系統、進氣系統、燃燒系統、排氣系統進行全方位養護，可以保證環保發動機正常工作。其特點是：將汽車廢氣控制系統檢查維護項目和傳統的發動機定期保養方法有機結合起來，彌補了傳統發動機定期保養方法不能滿足環保發動機保養要求的缺陷，將被動的解決環保發動機出現排放控制系統工作不正常問題變為主動的預防環保發動機出現排放控制系統工作不正常問題。

三、環保發動機三元催化系統技術研究

筆者在長期從路橋建設工程中，由于各型號汽車是路橋工程主要施工設備，經地長期研究認為：1.三元催化反應器結構。三元催化反應器外面用雙層不銹薄鋼板制成筒形，在雙層薄板夾層中裝有絕熱材料--石棉纖維氈，內部在網狀隔板中間裝有凈化劑。凈化劑由載體和催化劑組成，載體一般由三氧化二鋁制成，其形狀有球形、多棱體形和網狀隔板等。凈化劑實際上是起催化作用的，也稱為催化劑，通常使用鉑、銠、鈀等金屬制成，將其中一種噴涂在載體上，就構成了凈化劑。2.三元催化器的工作原理。三元催化凈化器，起包容催化劑、屏蔽噪音，導向氣流的作用。當高溫的汽車尾氣通過凈化裝置時，裝置中的貴金屬催化劑使有害的一氧化碳（CO），碳氫化合物（HC）產生氧化反應，氮氧化合物（NOx）產生還原反應，將其轉化成對大氣無害的二氧化碳、氮氣和水等，從而使汽車尾氣得以凈化。3.三元催化器失效原因。一是溫度過高。常溫下三元催化轉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，通常催化轉化器的起燃溫度在250-350℃，正常工作溫度一般在350-700℃。催化轉化器工作時，當溫度超過850-1000℃，其內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，如點火時間過遲或點火次序錯亂、斷火等，這都會使未燃燒的混合氣進入催化反應器，造成排氣溫度過高，影響催化轉化器的效能。二是慢性中毒。催化劑對硫、鉛、磷、鋅等元素非常敏感，硫和鉛來于汽油，磷和鋅來于潤滑油，這四種物質及它們在發動機中燃燒后形成的氧化物顆粒易被吸附在催化劑表面，使催化劑無法與廢氣接觸，從而失去催化作用，即所謂的“中毒”現象。三是表面積碳。當汽車長期工作于低溫狀態時，三元催化器無法啟動，發動機排出的炭煙會附著在催化劑的表面，造成無法與CO和HC接觸，長期下來，使載體的孔隙堵塞，影響其轉化。四是排氣惡化。催化轉化器對污染物的轉化能力有一定的限度，因此必須通過機內凈化技術將原始排氣降到最低。如果排放的廢氣污染物各成分的濃度、總量過大，比如混合氣偏濃等，就會影響催化器的催化轉化能力，降低其轉化效率。此外，由于廢氣中有大量的HC和CO進入催化反應器后，會在其中產生過度的氧化反應，從而產生大量熱量將使催化反應器溫度過高而損壞。五是與發動機不匹配。即使是同樣的發動機，同樣的三元催化轉化器，車型不同，發動機常用的工作區間就不同，排氣狀況就發生變化，安裝三元催化器的位置就不同，這都會影響三元催化轉化器的催化轉化效果。因此，不同的車輛，應使用不同的三元催化轉化器。六是氧傳感器失效。為使廢氣催化率達到最佳（90%以上），必須在發動機排氣管中安裝氧傳感器并實現閉環控制，其工作原理是氧傳感器將測得廢氣中氧的濃度，轉換成電信號后發送給ECU，使發動機的空燃比控制在一個狹小的、接近理想的區域內（14.7:1），若空燃比大時，雖然CO和HC的轉化率略有提高，但NOx的轉化率急劇下降，因此必須保證最佳的空燃比。實現最佳的空燃比，關鍵是要保證氧傳感器工作正常。如果燃油中含鉛、硅就會造成氧傳感器中毒。此外使用不當，還會造成氧傳感器積碳、陶瓷碎裂、加熱器電阻絲燒斷、內部線路斷脫等故障。氧傳感器的失效會導致空燃比失準，排氣狀況惡化，催化轉化器效率降低，長時間會降低催化轉化器的使用壽命。

四、三元催化系統的養護方法

一是裝有三元催化器的汽車不能使用含鉛汽油，因為含鉛油燃燒后，鉛顆粒隨廢氣排經三元催化器時，會覆蓋在催化劑表面，使催化劑作用面積減少，從而大大降低催化器的轉換效率，導致三元催化器鉛中毒。二是避免未燃燒的混合氣進入催化器。三元催化器開始起作用的溫度是250℃左右，超過1000℃后作為催化劑的貴金屬成分自身也將會產生化學變化，從而使催化器內的有效催化劑成分降低，使催化作用減弱。行駛在不平整的道路時應特別注意不要“托底”，因為三元催化器大多數內部都是蜂窩陶器形成的催化劑承載體，碰撞后容易破碎，使催化器失效和排氣管堵塞。三是出現不正常的工作狀況，如回火或重復性失速時，應及時停車檢查，因為這些狀況可導致催化轉化器永久性損壞。四是行駛著的車輛切忌切斷點火開關。五是在車輛保養時做好對三元催化器的檢查。檢查內容有：排氣管有無異響，這種異響通常由排氣管接頭松動、三元催化器損壞、催化劑更換塞松動等原因造成；排氣管有無開裂或外殼壓扁之類的外觀損壞；排氣尾管有無催化劑顆粒排出。如果三元催化器外殼損壞或排氣尾管排出顆粒，均需更換。