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三元催化转化装置的工作原理及检测

汽服1201班

胡婷婷

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三元催化转换器及其工作原理及检测

三元（三效）催化转化器是指在发动机的排气系统中的专门催化装置，能够将排气中的碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）氧化，同时也能够将排气中的氮氧化物（NOx）还原成无害的氮气和氧气。催化转化器必须有足够大的表面积来保证足够多的排气与转化器表面上的活性催化物质（主要是白金、铑、钯、或稀土活性物质）接触足够长的时间，一般采用蜂窝陶瓷或金属孔网载体，表面涂催化剂。碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）与排气中微量的氧气的氧化反应在催化剂的作用下，会更容易发生，即发生反应的温度和反应物浓度会大大降低。所以催化转化器可以将90%以上的碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）氧化成无害的水蒸气和氧气。在排气中的氧气浓度很低时，NOx会和HC等发生反应，还原成为无害的氧气和氮气。这个反映在条件合适时也可以达到90%以上的转换效率。

催化转换效率受很多因素的影响，最主要的因素是排气中的氧气浓度（也即进入缸内的混合气的空燃比）和催化转换器温度。另外，铅和硫等元素对催化转换器会造成非常负面的影响，因为铅和硫等会与催化活性物质作用形成新的结晶体结构或沉积在催化物质上面，从而破坏催化物质的表面活性，这就是所谓的催化器中毒，是影响催化器寿命的最为严重的物理现象。因此，使用催化转换器的前提是汽油的无铅化。硫主要对稀土类催化器的寿命有较大影响。

三元催化器，是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。由于这种催化器可同时将废气中的工种主要有害物质转化为无害物质，故称三元。

三元催化器的工作原理是：当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中CO在高温下氧化成为五色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水(H20)和二氧化碳；NOx三元催化的作用与汽车尾气排放还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。

标准的关系随着国家一系列强制性法规的出台，更多人开始关注汽车尾气问题。我们知道，在汽缸中燃烧的可燃气体由燃油和空气组成。当它们混合并燃烧时，产生一氧化碳、二氧化碳和水。氧气和氮气在高温下生成氮氧化物。此外，燃油不可能全部燃烧，因此排放物中还包括碳氢化合物。

汽车排放的废气主要由一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化合物(NOX)等组成，它们在空气中积累到一定程度后在太阳光线的作用下，氮气化合物和碳氢化合物会起反应，生成含有二氧化氮(NO2)和臭氧(O3)的光化学烟雾，这两种物质均难溶于水，被吸入人体会长

驱直入到肺部，浓度大时可引起中毒性水肿，进入血液可形成变性血红蛋白，使组织缺氧，对人们健康危害极大。1955年美国洛杉矶市曾被光化学烟雾笼罩几天，几千人受害，三百人死亡。另外，氢氧化合物进入大气后会形成酸雨，危害生态环境。所以，随着汽车数量不断增加，世界各国日益重视汽车废气的排放问题。从70年代以来，欧美各国针对汽车排放问题相继制定了法律条例，控制汽车废气排放。这种政府行为促进了汽车排气净化装置的发展和应用，一种比较简便和有效的催化式排气净化器也就应运而生了。

催化式排气净化器的关键在于“催化”，也就是利用催化剂对汽车的废气进行净化，将废气中的有害物质转化为无害物质。早在70年代中期，美国已经实行了这种方法，以后被各国汽车业广泛使用，到目前为止仍是最有效的净化方法。催化式排气净化器有氧化型、双床型、三元型等多种型式，其中最常用的是三元型催化式净化器。欧共体规定从1993年1月开始，在欧共体各国出售的汽油发动机新车一律要配置三元型催化式净化器。

三元型催化式净化器的外形象一个排气消声器，实际上也起到消声器的作用。壳体用耐高温的不锈钢制成，内部的蜂巢式通道上涂有催化剂，催化剂的成份有铂、钯和铑等稀土金属，当汽车废气通过净化器的通道时，一氧化碳和碳氢化合物就会在催化剂铂与钯的作用下，与空气中的氧发生反应产生无害的水和二氧化碳，而氮氧化合物则在催

化剂铑的作用下被还原为无害的氧和氮。所谓三元型催化式净化器是指汽车废气只要通过净化器本身，就可同时将废气中的三种主要有害物质转化为无害物质的一种高效率净化器。为了充分发挥三元催化剂的效率，必须要将汽车发动机的空燃比(充入气缸的空气量与进入气缸燃油量的重量比值)要接近理论上的比值，其空燃比只能在很小的范围内变动，否则就不能同时对废气中的三种有害物质进行净化。所以，三元型催化式净化器要与车上的电子计算机控制系统连在一起使用，用氧传感器检测排气中的氧浓度，将信息反馈到计算机，再由计算机去控制空燃比。

三元型催化式排气净化器是安装在汽车发动机的排气装置上，其净化效率十分高，可以净化90%以上的有害物质，是现代轿车上一种新的装置。当然，催化式排气净化器也不是全能的，它只能适用于无铅汽油做燃料的汽车，因为使用含铅汽油，废气中的铅就会复盖住催化剂，使净化器停止工作而不起任何作用，俗称“中毒”。因此，汽车使用三元型催化式排气净化器的前提条件有二个：一是要用无铅汽油，二是发动机要使用电控燃油喷射装置，这样，三元型催化式排气净化器才能起到净化效果。而且，三元型催化式排气净化器的技术较高，蜂巢式通道上的催化剂涂层如果展开的话，足有两个足球场面积那么大，制造工艺相当严格，但由于有良好的废气转化效果，因此得到广泛的应用。最近，北京执行了新的轻型汽车排放标准，上海及其它一些大城市也将会公布类此汽车排放标准，三元型催化式排气净化器在

中国将会被大量使用。

一氧化碳（空气中浓度过高会引起人的氧代谢障碍）、氮氧化物（酸雨的罪魁之一）和碳氢化合物（强效应温室气体及油雾污染）就成为汽车尾气排放控制的重点。要有效控制上述有害气体的排放，首先必须让汽缸中气、油混合物充分燃烧，燃烧越充分，更多的一氧化碳就会充分地转化为二氧化碳，同时更多的燃油被燃烧、排出气体中未燃烧的油就越少，也就是排出的碳氢化合物越少。

要保证充分燃烧，除了要求控制好燃气混合比、混合的充分程度（喷油方式、气流控制等等）、保证有足够的燃烧速度和燃烧时间（点火时机和气门正时控制等）外，压缩比是一个重要的物理量。其中，混合比的控制尤为重要，如果混合气体中的油浓度太高，必然燃烧后剩余的未燃烧的油、也就是碳氢化合物的量越大；反之，如果油浓度过稀，也会让过多的氧与氮反应生成更多的氮氧化合物。但混合比的控制不可能随时与理论值一致，为了缓解这个问题，在发动机设计中往往采用二次空气系统和废气再循环系统，前者通过引入二次空气让未完全燃烧的油在排气回路中进行二次燃烧，后者则将未完全燃烧的混合气体再次引回汽缸进一步燃烧。对氮氧化合物以及剩余的一氧化碳和碳氢化合物，如果单级三元催化器不足以将其排放控制在规定标准之内，则将采用两级三元催化系统。

我们通过三环催化装置，来最大程度的改善汽车尾气的排放。