摘 要：汽車尾氣排放對環(huán)境造成的污染日益嚴峻，催化器作為控制尾氣排放的關(guān)鍵裝置，其儲氧量對排放的影響至關(guān)重要。在整車全壽命周期中發(fā)動機排氣系統(tǒng)三元催化器儲氧量的大小對整車排放的影響至關(guān)重要。儲氧量越低三元催化器對整車排氣污染物的三元催化轉(zhuǎn)換能力就越低，排氣污染物的數(shù)值就越接近法規(guī)限值甚至排放不合格，本文深入研究催化器儲氧量與一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物等污染物排放之間的關(guān)聯(lián)。通過理論分析與實驗研究發(fā)現(xiàn)，充足的儲氧量能為一氧化碳、碳氫化合物的氧化反應(yīng)及氮氧化物的還原反應(yīng)提供適宜條件，顯著降低這些有害氣體的排放量，確保車輛排放符合標準。而儲氧量不足時，催化器轉(zhuǎn)化效率大幅下降，致使各污染物排放顯著增加，加劇環(huán)境污染。研究結(jié)果為優(yōu)化催化器性能、提升尾氣凈化效率以及降低車輛排放提供了重要的理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)，對推動汽車環(huán)保技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：三元催化器 儲氧量 排放

隨著全球汽車保有量的持續(xù)增長，汽車尾氣排放對環(huán)境和人類健康的影響日益嚴重。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，各國紛紛制定了嚴格的汽車排放法規(guī)，推動汽車制造商不斷改進尾氣后處理技術(shù)。三元催化器作為汽油車尾氣后處理系統(tǒng)的核心部件，其性能直接影響著汽車尾氣中一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）和氮氧化物（NOx）的排放水平。三元催化器通過氧化還原反應(yīng)將有害氣體轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳（CO2）、水（H2O）和氮氣（N2）。然而，發(fā)動機運行過程中空燃比的波動會導(dǎo)致排氣中氧氣濃度發(fā)生變化，進而影響三元催化器的轉(zhuǎn)化效率。為了應(yīng)對這一問題，三元催化器中引入了儲氧材料（OSC），用于儲存和釋放氧氣，以維持催化反應(yīng)所需的氧濃度。儲氧量是衡量三元催化器儲氧能力的重要指標，直接影響著其對空燃比波動的適應(yīng)能力和尾氣凈化效率。近年來，隨著排放法規(guī)的日益嚴格，對三元催化器儲氧量的研究也越來越受到關(guān)注。本文旨在探討汽車三元催化器儲氧量對排放的影響，分析儲氧量對三元催化器性能的作用機制，并探討提高儲氧量的技術(shù)途徑，為開發(fā)高效、低排放的汽車尾氣后處理系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 催化器的結(jié)構(gòu)和工作原理

催化器的載體呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，材質(zhì)一般是陶瓷或金屬。載體表面先反復(fù)涂抹幾遍氧化鈰，氧化鋁和氧化鋯組成的涂層，再涂上含有鉑，鈀，鎂的貴金屬涂層。其中圖層中的氧化鋁所起的作用可以使表面積增大約1000倍、氧化鈰的作用影響催化器儲氧量、氧化鋯的作用增加熱容[1]。其中貴金屬主要由鉑（Pt）、鈀（Pd）、銠（Rh）等貴金屬組成。鉑和鈀能促進一氧化碳和碳氫化合物的氧化反應(yīng)，銠主要用于催化氮氧化物的還原反應(yīng)，通過這些貴金屬的催化作用，將汽車尾氣中的一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化物轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳、水和氮氣提高三種排放物HC，CO，NOx的轉(zhuǎn)化率。

2 排氣濃稀與催化器儲氧量的關(guān)系

汽油機理想的完全燃燒產(chǎn)物是N2，H2O，和CO2，實際的不完全燃燒產(chǎn)物很多，其中HC，CO和NOx是受法規(guī)限制的，排放法規(guī)是根據(jù)現(xiàn)有的排氣后處理技術(shù)來制定的，目前法規(guī)所規(guī)定的排放物通過催化器的轉(zhuǎn)化率在80%-99%。三元催化器作用必須在理論空燃比附近（0.997lt;lambdalt;0.999），此時三種排放物都可以達到較高的轉(zhuǎn)化率，這個最佳的空燃比范圍就叫作催化器窗口。在催化器窗口內(nèi)，NOx還原反應(yīng)生成的氧氣，正好可以供給HC和CO的氧化反應(yīng)。催化器窗口的位置和大小取決于發(fā)動機排放物的比例和量，以及催化器特性[2]。不同的空燃比下HC，CO和NOx的原始排放和經(jīng)催化器反應(yīng)后的排放差異是非常巨大的，排氣中有足夠的還原劑（CO，H2，HC），NOx才會發(fā)生還原反應(yīng)?？杖急绕r，這些還原劑優(yōu)先和氧氣反應(yīng)，NOx的轉(zhuǎn)化率變低，空燃比偏濃時，CO、HC則很難被氧化。Lambdagt;1多余的空氣意味著多余的氧氣，HC和CO易于氧化。Lambdalt;1缺少空氣意味著缺少氧氣，NOx容易還原。稀混合氣利于氧化，濃混合氣利于還原。催化器能夠提高低溫下的化學(xué)反應(yīng)速度，促使反應(yīng)向能量低的方向進行。HC，CO的氧化反應(yīng)和NOx的還原反應(yīng)同時進行，達成平衡[3]。實驗證明空燃比在濃稀之間振蕩，比固定一個空燃比的轉(zhuǎn)化效率要高。而所謂空燃比濃稀之間振蕩與三元催化器的儲氧量有著很強的關(guān)聯(lián)性與影響性?？杖急鹊臐庀≌袷幹苯記Q定了催化器儲氧量的數(shù)值。

3 三元催化器催化器儲氧量決定因素

涂層中的鈰含量以及催化器特性（目數(shù)，貴金屬等），鈰是決定催化器儲氧量的主要因素，鈰可以穩(wěn)定貴金屬的分布，阻礙高溫引起的涂層老化。鈰出了促進CO–NO的氧化還原反應(yīng)外，還利于水氣和碳氫的重組反應(yīng)[4]。由于空燃比在濃稀間振蕩，混合氣偏稀時氧氣儲存進鈰里，CO仍然可以還原NOx；混合氣偏濃時儲存的氧氣釋放出來氧化CO和HC。影響儲氧量的因素有以下幾點。

3.1 催化器容積

催化器容積和儲氧量有直接的正比關(guān)系。

3.2 老化程度

高溫導(dǎo)致燒結(jié)，涂層中的貴金屬逐漸聚集到一起，貴金屬的表面積降低，催化轉(zhuǎn)化效率和儲氧量都隨之降低。HC轉(zhuǎn)化率的降低和儲氧量的降低之間是非線性關(guān)系，這說明新鮮催化器的老化首先影響的是鈰和貴金屬的反應(yīng)。高溫下（鉑：700℃）原本均勻分布的貴金屬聚合到一起形成較大的顆粒，化學(xué)反應(yīng)的表面積降低從而導(dǎo)致儲氧量降低。

3.3 溫度

儲氧量和溫度相關(guān)，低于起燃溫度因為無法發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所以沒有儲氧量。溫度超過800℃后貴金屬會燒結(jié)同時引起儲氧量的下降。

3.4 流速

流速決定了各種反應(yīng)物在催化器中停留的時間。如果流速很高氧氣不可能完全存儲到催化器里。

儲氧量分動態(tài)和靜態(tài)兩種。靜態(tài)儲氧量可通過低頻切換濃稀空燃比得到；動態(tài)儲氧量指的是儲存在表面的氧氣，這部分氧氣釋放起來比較快。當混合氣瞬態(tài)偏濃時，動態(tài)儲氧量對HC，CO的轉(zhuǎn)換起著關(guān)鍵作用。

以上4條因素其中三元催化器體積以及流速受制于發(fā)動機排量、整車總布置、熱輻射及成本因素影響一般在整車開發(fā)時已經(jīng)確定了排氣系統(tǒng)尺寸邊界、結(jié)構(gòu)、排氣流量。因此從三元催化器的體積以及流速去影響儲氧量的方法可操作性不高。下面我們著重分析排溫及催化器老化對三崔儲氧量以及排放的影響。

4 不同溫度條件及周期條件下的三元催化器儲氧量水平排放試驗測試

4.1 同一臺車搭載不同燒制溫度條件的元催化器儲氧量及排放對比

4.1.1 新鮮催化器

新鮮催化器在經(jīng)過噴涂后經(jīng)過5小時500℃到600℃煅燒后裝配整車后低于300km里程的催化器可稱為新鮮催化器。

4.1.2 老化催化器

將催化器裝配在整車上，并且按標準道路循環(huán)（SRC）測量催化器的載體溫度曲線；根據(jù)BAT方程計算催化器臺架老化所需時間；新鮮催化器搭載在發(fā)動機臺架，排氣出口端，同時測量催化器載體溫度，及排放尾氣空燃比，按GM 875流程的空燃比循環(huán)，控制催化器入口溫度（875℃），直至到達老化時間約10天左右。

4.1.3 臨界催化器

根據(jù)車輛的排放特點及相關(guān)指標要求，將催化器載體，放入馬弗爐中，將溫度升高至1150℃或1200℃左右，保持溫度約15小時或20小時。

以上三種不同儲氧量水平的三元催化器搭載在同一臺車上按照GB 18352.5—2013 I型試驗（常溫下冷起動后排氣污染物排放試驗）進行排放測試，對比發(fā)現(xiàn)儲氧量越低排放污染物值越高，具體對比結(jié)果如下。

4.2 隨機選取進行測試

隨機選取某一款車某種配置的1臺車分2批次分別裝配相同的1件新鮮催化器并設(shè)置不同的排溫控制數(shù)據(jù)，在經(jīng)過磨合3000km里程后分別測試不同里程的條件下儲氧量以及排放水平，由于零公里里程汽車的三元催化器未經(jīng)激活以及發(fā)動機未經(jīng)磨合阻力較大、整車驅(qū)動系統(tǒng)阻力較大也未經(jīng)磨合其儲氧量水平與排放水平無關(guān)聯(lián)性，故未對零公里里程的三崔進行排放測試，只對其激活后儲氧量進行了測試，測得值為872。下表是不同排溫控制狀態(tài)下三元催化器在經(jīng)過3000km里程磨合后按照GB 18352.5—2013 I型試驗（常溫下冷起動后排氣污染物排放試驗）進行儲氧量及排放測試其結(jié)果對比如下。

通過對比發(fā)現(xiàn)在相同磨合里程條件下，不同的排溫對三元催化器的儲氧量有顯著的影響，進而對排放也有較大的影響，排溫較高經(jīng)過相同里程的磨合后儲氧量相對較低，整體上NMHC（非甲烷碳氫）、THC（碳氫）、CO（一氧化碳）、NOx（氮氧化物）排放污染物值都要比相同磨合條件下排溫較低儲氧量較高的三元催化器高，特別是NOx值是前者里程的一倍。

5 三元催化器的排溫保護及催化器老化診斷

5.1 三元催化器排溫保護

排溫模型用于模擬計算排氣在渦輪入口、前后級氧傳感器處以及三元催化器中心的溫度。溫度模型首先根據(jù)負荷和轉(zhuǎn)速計算出基本排氣溫度，然后根據(jù)環(huán)境溫度、發(fā)動機水溫、發(fā)動機點火角和空燃比lambda 等因素對基本溫度進行修正，并利用相應(yīng)的時間常數(shù)進行濾波，最終得到與實際排氣溫度相符的溫度模型[5]。一般而言排氣溫度和三元催化中心溫度隨著轉(zhuǎn)速和負荷的增加而上升?？杖急群忘c火推遲對其也有影響。空燃比大于1，溫度會上升，空燃比小于1，溫度會下降。增大點火角，溫度會下降，反之溫度會上升。此外環(huán)境溫度，發(fā)動機水溫、斷油、工況變化等因素都對排氣溫度有影響。

催化器中心溫度模型采用催化器模型作為物理背景，它的溫度調(diào)整分為2個部分。

（1）催化器內(nèi)部的三元催化反應(yīng)所導(dǎo)致的催化器內(nèi)部熱量的增加量，以排氣量為坐標。它的值越大，催化器中心的模型溫度值越高。

（2）催化器與大氣之間的對流換熱系數(shù)以車速為坐標，這個系數(shù)越大表明催化器與大氣的換熱量越大，催化器中心模型溫度越低。

整車標定以以上2個部分的物理模型為基礎(chǔ)進行排氣溫度標定及排溫模型優(yōu)化可以有效的保護三元催化器、前氧傳感器、后氧傳感器等排氣系統(tǒng)關(guān)鍵零部件不被高排溫損壞，進而保護三元催化器不會因排溫過高導(dǎo)致涂覆的貴金屬以及陶瓷載體被燒結(jié)影響三元催化器氧化還原反應(yīng)的有效面積降低導(dǎo)致儲氧量降低影響整車的排放水平。

5.2 三元催化器老化診斷

隨著催化器老化，后氧閉環(huán)的響應(yīng)也會有很大變化，OSC降低之后，后氧信號對擾動或者修正的反應(yīng)變快，這可能會造成更大的擾動。為了避免這種情況的發(fā)生，催化器診斷得到儲氧量下降后，后氧P部分和一些激活條件都要調(diào)整。被動催化器診斷模擬了老化催化器的后氧電壓波動，通過后氧實際信號和模擬信號的比較來評價催化器老化程度，后氧閉環(huán)目標值盡可能平滑，有擾動后的后氧閉環(huán)最好能快速、平穩(wěn)、這樣對診斷最有利。后氧閉環(huán)控制不應(yīng)該產(chǎn)生活放大后氧電壓的波動，否則催化器診斷難以完成[6]?；谝陨喜煌潭葍ρ趿康拇呋饕约扒昂笱跣盘柕脑\斷可以確保三元催化器在儲氧量過低（臨界狀態(tài)）時可以及時點亮故障燈報三元催化器老化故障的故障，并通知客戶及時進行維修。

6 結(jié)語

綜合以上理論論述以及整車試驗測試發(fā)現(xiàn)，三元催化器的儲氧量主要受老化程度和排溫影響。當三元催化器老化程度越老儲氧量越低三元催化器對排放污染物的氧化還原反應(yīng)能力越弱，當排溫越高三元催化器提供催化氧化還原的能力因為高溫?zé)Y(jié)導(dǎo)致吸收氧氣的涂覆表面積降低即儲氧能力降低，導(dǎo)致三元催化器在氧化還原時沒有適量的氧氣釋放出來與排氣污染物中的CH（碳氫化合物）、CO、NOx進行氧化還原反應(yīng)進而導(dǎo)致排氣污染物超標。基于不同老化程度的三崔儲氧量標定勘測以及前后氧信號的比對分析可診斷出三元催化器儲氧量臨界值，這樣可以有效地識別出三元催化器因老化或排溫過高導(dǎo)致三元催化器儲氧量降低帶來排氣污染物超過法規(guī)限值及控制失效污染大氣環(huán)境。

參考文獻：

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