三元催化器基础知识介绍

北汽股份株洲分公司生产技术部何正清2013.9.7三元催化器基础知识介绍一、三元催化器功能介绍二、三元催化器总成的布置方式三、三元催化器总成的结构四、三元催化器的工作原理五、三元催化器工作要求六、三元催化器使用时注意事项一、三元催化器功能介绍随着汽车保有量的增加和人类对环保的要求越来越高，汽车尾气的治理越来越重要，催生出了汽车尾气净化装置，三元催化器是汽车尾气净化装置的主要组成部分。三元催化器是对汽车及其它发动机固定污染源进行排气净化处理的主要部件。它采用铂（Pt)、铑(Rh)、钯(Pd)三种贵金属作为催化剂对排气中的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物进行氧化和还原处理，生成二氧化碳、氮气以及水，从而达到净化的结果。其净化效率十分高，可以净化90%以上的有害物质。随着人们对环境的关注程度的提高，各个国家及地区都制定了越来越严格的排放法规，该部件在排放后处理方面起着举足轻重的地位。二、三元催化器的布置方式三元催化器按照布置位置划分可分为三种方式：2.1、底盘下置式催化器：优点：布置空间较为宽广缺点：因为离发动机排气出口的距离相对较远，催化器的起燃时间较长，所以发动机在启动时的排放值相对比较高。底盘下置式三元催化器主要用于发动机仓布置空间不能满足要求，且需要满足的排放法规相对较低的车型中，该布置一般在满足欧洲2号排放标准的车型上大量使用。随着排放法规的加严，该布置已经不能满足越来越苛刻的排放法规的要求。2.2、紧耦合式优点：距离发动机排气歧管出口较近，起燃快，三元催化器在很短的时间里能达到很高的转化效率，从而降低有害气体的排放值。缺点：要求三元催化器总成与发动机排气歧管出口之间的距离较小，不利于一些车型特别是紧凑型车型的发动机仓布置。选择条件：排放法规要求较高、发动机舱三元催化器总成布置空间较为充裕的车型。2.3、紧耦合＋底盘下置式优点：预三元催化器总成体积较小且离发动机排气歧管较近便于布置且较底盘下置式三元催化器总成有较好的起燃性。缺点：若要满足更为严格的排放法规，则三元催化器的前后总体积较大，且前级催化器要求的贵金属含量较高。使用条件：发动机舱布置空间狭小且需要满足法规较高的车型。三、三元催化器总成的结构三元催化器一般主要由以下几个部分组成：载体、涂层、催化剂、衬垫、壳体、隔热罩以及同排气系统其它部件连接的法兰。载体涂层催化剂衬垫、壳体隔热罩连接法兰3.11.壳体大小和厚度根据布置空间和零件强度要求来定。2.壳体材料一般为SUH409，SUH409有很强的防腐性，可以满足使用要求。壳体3.2催化器使用中，金属外壳的热膨胀系数很大，而陶瓷载体的热膨胀系数很小，要靠衬垫的膨胀和弹性加以缓冲，保证载体不会松动。衬垫是催化器中保护载体不受损坏的部分。衬垫3.3载体分为金属和稀土陶瓷两种，形状为蜂窝状，现在主要使用400目的载体。1.金属载体优点：升温快，凉车启动尾气达标快，和排出气体的几何接触面积大，有利于催化反应；流通阻力小，对发动机的性能影响小；载体的热传导好，可以延缓催化剂的热老化。缺点：耐热性差，抗过载能力低；成本高，现在使用的金属材质为铬铝钇不锈钢金属波纹板，价格较昂贵；高温后金属材质极性变大，容易吸附燃油中的杂质。2.稀土陶瓷特点：成本低，抗过载抗高温能力较好，缺点是升温慢，流动阻力比金属的高，对发动机性能影响比金属定的大，净化效率比金属的低，现在90%车辆使用稀土陶瓷载体的三元催化。载体3.4主要为氧化铝、氧化锶等化合物。粗糙多孔的表面可以使载体壁面的实际催化反应面积大大增加，在涂层表面分散着作为催化剂的贵金属，以及作为助催化剂的铈、钡、镧等稀土材料和普通金属材料。助催化剂的主要作用在于提高催化剂的活性和高温稳定性。涂层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在高温下氧化成为无色、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。氧化反应4HC+5O2=4CO2+2H2O2CO+=2CO2还原反应2NO+2CO=N2+2CO210NO+4HC=5N2+2H2O+4CO2四、三元催化器的工作原理要使三元催化器正常高效的工作，需要满足以下要求，否则会降低三元催化器的转化效率，甚至损坏三元催化器。5.1.燃油要求车辆所用燃油必须为无铅清洁燃油。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，这就是常说的“三元催化器铅中毒”。低品质燃油也是导致三元催化器烧缩、烧结、堵塞的主要原因之一。对汽油中硫、磷等杂质的含量也有要求。五、三元催化器工作要求5.2.现代点燃式（汽油）发动机在燃烧时，空气—燃料混合比对于其所产生燃烧废气含量的成分有直接的影响。汽油的构成成分为碳氢化合物，当发动机的空燃比较浓时，意味着混合气中有更多的燃料（汽油）参与燃烧，因此，相对而言发动机排出燃烧废气中的碳氢化合物成分含量会较高；当发动机的空燃比较稀时，意味着混合气中有较少的燃料（汽油）参与燃烧。由于发动机的工作特点，发动机此时非常容易造成高温燃烧过程。相对而言此时发动机排出的燃烧废气温度相对较高且其中的氧含量成分较高。此时容易产生更多的氮氧化合物。为了更有效地控制发动机在燃烧过程中产生较少的有害废气HC，CO，NOx，通常需要对这三种元素的输出含量加以平衡。如图所示，将发动机的空燃比控制在理想空燃比（14.7：1亦称λ═1）附近或略低些时，发动机的有害排放物输出较低。5.3.温度要求燃烧废气中的化学有害成分HC、CO和NOx气流流经预热后的催化剂表面，方可进行高效催化转化反应。在催化剂反应床上，HC，CO和NOx的转化需要在载体的温度达到350º左右时方可达到50%的转化效率。通常将使催化器开始达到50%时的转化效率时，载体自身的温度称为催化器的起燃温度。由下图可知三元催化器的最佳工作温度为500-850º之间，温度太低三元催化器转化效率较低，温度太高容易使催化剂失去活性和催化剂载体烧结。六、三元催化器使用时注意事项鉴于三元催化转化器早期失效的原因，使用时应注意如下事项1、勿用含铅汽油。2、勿长期急速运转(开环控制状态)。3、勿让发动机转速忽快忽慢。4、点火时间勿太迟。5、长时间启动不着。6、发现有气缸工作不良时，应及时停车检查、排除故障。7、催化器只要正确使用，一般不需要维护，故不要随便拆卸，如需更换时一定要与原车匹配。8、车辆行驶时避免拖底、磕碰三元催化器，以免损坏三元催化。