对环保发动机三元催化系统的研究

李瑞峰/本溪钢铁（集团）建设有限责任公司

对环保发动机三元催化系统的研究

李瑞峰/本溪钢铁（集团）建设有限责任公司

机动车尾气排放污染造成环保问题显现。本文对环保发动机三元催化系统进行了研究和论述。

环保发动机；三元催化系统；汽车

一、引言

目前环保部门和汽车企业正在加速推进欧Ⅲ、欧Ⅳ的达标工作，为保护环境、减少污染，控制汽车尾气污染的排放已是社会各界的一项刻不容缓的责任。国家“十二五”期间刺激经济增长的关键领域有新能源、低碳、节能环保。现在《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》也已出台。《规划》中有了明确定义-“要以纯电驱动为汽车工业转型的主要战略取向，当前重点是推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化，推广普及非插电式混合动力汽车、节能内燃机汽车”。据测定，汽车每消耗1万升石油燃料，将排放22.3吨二氧化碳。因此，降低汽车二氧化碳的排放，首要的是减少汽车的排放。发动机是汽车的主要污染源。在汽车维修与保养的范畴中，发动机的保养尤为重要。

二、传统发动机与环保发动机技术比较

笔者认为：一是化油器发动机和开环电喷发动机定期保养方法，即传统的5000公里更换机油三滤定期保养方法和2万公里清洗进气道、喷油嘴定期保养方法。由于传统的5000公里更换机油三滤定期保养方法只限于对发动机润滑系统保养；2万公里清洗进气道、喷油嘴定期保养方法只限于发动机进气系统、燃烧系统保养，均无法满足环保发动机润滑系统、进气系统、燃烧系统、排气系统全方位保养要求，特别是环保发动机排放控制系统保养要求，无法解决因发动机进气系统、燃烧系统、三元催化器堵塞、EGR阀沉积物卡滞等问题造成的油耗增加、动力下降、尾气超标，因此必然无法保证在中国现行燃油、润滑和路况条件下环保发动机正常工作。二是现在汽车使用的都是闭环电喷发动机，最大特点是利用了以氧传感器为中心的空燃比反馈控制三元催化净化系统，该系统能否正常工作决定了发动机的排放工作状态。进行定期保养时，首先检查发动机综合工作状况，然后更换机油三滤保养和三元清洗养护。新技术能同时对发动机润滑系统、进气系统、燃烧系统、排气系统进行全方位养护，可以保证环保发动机正常工作。其特点是：将汽车废气控制系统检查维护项目和传统的发动机定期保养方法有机结合起来，弥补了传统发动机定期保养方法不能满足环保发动机保养要求的缺陷，将被动的解决环保发动机出现排放控制系统工作不正常问题变为主动的预防环保发动机出现排放控制系统工作不正常问题。

三、环保发动机三元催化系统技术研究

笔者在长期从路桥建设工程中，由于各型号汽车是路桥工程主要施工设备，经地长期研究认为：1.三元催化反应器结构。三元催化反应器外面用双层不锈薄钢板制成筒形，在双层薄板夹层中装有绝热材料--石棉纤维毡，内部在网状隔板中间装有净化剂。净化剂由载体和催化剂组成，载体一般由三氧化二铝制成，其形状有球形、多棱体形和网状隔板等。净化剂实际上是起催化作用的，也称为催化剂，通常使用铂、铑、钯等金属制成，将其中一种喷涂在载体上，就构成了净化剂。2.三元催化器的工作原理。三元催化净化器，起包容催化剂、屏蔽噪音，导向气流的作用。当高温的汽车尾气通过净化装置时，装置中的贵金属催化剂使有害的一氧化碳（CO），碳氢化合物（HC）产生氧化反应，氮氧化合物（NOx）产生还原反应，将其转化成对大气无害的二氧化碳、氮气和水等，从而使汽车尾气得以净化。3.三元催化器失效原因。一是温度过高。常温下三元催化转化器不具备催化能力，其催化剂必须加热到一定温度才具有氧化或还原的能力，通常催化转化器的起燃温度在250-350℃，正常工作温度一般在350-700℃。催化转化器工作时，当温度超过850-1000℃，其内涂层的催化剂很可能会脱落，载体碎裂。所以必须注意控制造成排气温度升高的各种因素，如点火时间过迟或点火次序错乱、断火等，这都会使未燃烧的混合气进入催化反应器，造成排气温度过高，影响催化转化器的效能。二是慢性中毒。催化剂对硫、铅、磷、锌等元素非常敏感，硫和铅来于汽油，磷和锌来于润滑油，这四种物质及它们在发动机中燃烧后形成的氧化物颗粒易被吸附在催化剂表面，使催化剂无法与废气接触，从而失去催化作用，即所谓的“中毒”现象。三是表面积碳。当汽车长期工作于低温状态时，三元催化器无法启动，发动机排出的炭烟会附着在催化剂的表面，造成无法与CO和HC接触，长期下来，使载体的孔隙堵塞，影响其转化。四是排气恶化。催化转化器对污染物的转化能力有一定的限度，因此必须通过机内净化技术将原始排气降到最低。如果排放的废气污染物各成分的浓度、总量过大，比如混合气偏浓等，就会影响催化器的催化转化能力，降低其转化效率。此外，由于废气中有大量的HC和CO进入催化反应器后，会在其中产生过度的氧化反应，从而产生大量热量将使催化反应器温度过高而损坏。五是与发动机不匹配。即使是同样的发动机，同样的三元催化转化器，车型不同，发动机常用的工作区间就不同，排气状况就发生变化，安装三元催化器的位置就不同，这都会影响三元催化转化器的催化转化效果。因此，不同的车辆，应使用不同的三元催化转化器。六是氧传感器失效。为使废气催化率达到最佳（90%以上），必须在发动机排气管中安装氧传感器并实现闭环控制，其工作原理是氧传感器将测得废气中氧的浓度，转换成电信号后发送给ECU，使发动机的空燃比控制在一个狭小的、接近理想的区域内（14.7:1），若空燃比大时，虽然CO和HC的转化率略有提高，但NOx的转化率急剧下降，因此必须保证最佳的空燃比。实现最佳的空燃比，关键是要保证氧传感器工作正常。如果燃油中含铅、硅就会造成氧传感器中毒。此外使用不当，还会造成氧传感器积碳、陶瓷碎裂、加热器电阻丝烧断、内部线路断脱等故障。氧传感器的失效会导致空燃比失准，排气状况恶化，催化转化器效率降低，长时间会降低催化转化器的使用寿命。

四、三元催化系统的养护方法

一是装有三元催化器的汽车不能使用含铅汽油，因为含铅油燃烧后，铅颗粒随废气排经三元催化器时，会覆盖在催化剂表面，使催化剂作用面积减少，从而大大降低催化器的转换效率，导致三元催化器铅中毒。二是避免未燃烧的混合气进入催化器。三元催化器开始起作用的温度是250℃左右，超过1000℃后作为催化剂的贵金属成分自身也将会产生化学变化，从而使催化器内的有效催化剂成分降低，使催化作用减弱。行驶在不平整的道路时应特别注意不要“托底”，因为三元催化器大多数内部都是蜂窝陶器形成的催化剂承载体，碰撞后容易破碎，使催化器失效和排气管堵塞。三是出现不正常的工作状况，如回火或重复性失速时，应及时停车检查，因为这些状况可导致催化转化器永久性损坏。四是行驶着的车辆切忌切断点火开关。五是在车辆保养时做好对三元催化器的检查。检查内容有：排气管有无异响，这种异响通常由排气管接头松动、三元催化器损坏、催化剂更换塞松动等原因造成；排气管有无开裂或外壳压扁之类的外观损坏；排气尾管有无催化剂颗粒排出。如果三元催化器外壳损坏或排气尾管排出颗粒，均需更换。