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汽车三元催化器如何减少污染物排放

日期:2011/2/15 21:57:02

 
汽车发动机的主要排放物包括:
  • 氮气(N2)——空气中有78%为氮气,大部分氮气在汽车发动机中都不会参与燃烧。
  • 二氧化碳(CO2)——这是燃烧产物之一。燃油中的碳与空气中的氧结合而成。
  • 水蒸气(H2O)——这是另一种燃烧产物。燃油中的氢与空气中的氧结合,形成此化合物。
  • 这些排放物基本上是无害的(尽管人们认为排放出的二氧化碳加剧了全球变暖)。不过,由于燃烧过程绝非完美,汽车发动机还产生了以下一些量比较少但却更有害的排放物:

  • 一氧化碳(CO)——一种无色无味的有毒气体
  • 碳氢化合物或挥发性有机化合物(VOC)——主要由未燃烧的燃油蒸发而成

    阳光将这些物质分解成氧化剂,后者与氮氧化合物反应生成地面臭氧(O3),地面臭氧就是烟雾的主要组成部分。

  • 氮氧化合物(NO和NO2,总称为NOx)——会促进烟雾和酸雨的形成,还会对人体粘膜产生刺激
  • 这是法律主要管制的三种排放物,也是催化转化器用来减少的排放物 

    大多数现代汽车都配备有三元催化转化器。“三元”指催化转化器帮助减少的三种受管制排放物,即一氧化碳、VOC和NOx分子。转化器使用两种不同的催化剂:还原催化剂和氧化催化剂。这两种类型的转化器都由涂覆有金属催化剂的陶瓷结构件组成,这些金属催化剂通常是铂、铑和/或钯。转化器结构的设计理念是要使废气流与催化剂的接触面积达到最大,同时要使所需催化剂量达到最小,因为催化剂比较昂贵。

    三元催化转化器

    三元催化转化器


    三元催化转化器: 注意这两种分开的催化剂。

    催化转化器主要采用两种结构——蜂窝结构陶瓷微珠结构。目前,大多数汽车都采用蜂窝结构。

    陶瓷制蜂窝状催化剂结构
    陶瓷制蜂窝状催化剂结构

    还原催化剂
    还原催化剂在催化转化器的第一阶段使用。在此阶段,转化器使用铂和铑来帮助减少NOx排放物。当NO或NO2分子与催化剂接触时,催化剂将氮原子从分子中分离出来并加以保留,同时以O2的形式释放出氧。分离出来的氮原子与其他粘附在催化剂上的氮原子结合,形成N2。 例如:

    2NO=N2+O2或2NO2=N2+2O2

    氧化催化剂
    氧化催化剂在催化转化器的第二阶段使用。 在此阶段,在铂和钯催化剂的催化作用下燃烧(氧化)之前还未燃烧尽的碳氢化合物和一氧化碳,从而减少这些物质。 此催化剂的作用是促进废气中CO和碳氢化合物与剩余氧气的反应。 例如:

    2CO+O2=2CO2

    但是,这里的氧气从何而来?

    控制系统
    第三阶段采用了控制系统来监测废气流,然后利用监测到的信息来控制燃油喷射系统。有一个氧传感器安装在催化转化器的上游,也就是说它要比转化器更靠近发动机。发动机的电脑可以通过此传感器知道废气中的氧气含量,然后通过调整空气燃油比来提高或降低废气中的氧气含量。于是发动机电脑通过这种控制方案,可以确保发动机以接近化学计量点的空气燃油比运行,同时还可确保废气中有足量的氧气来供氧化催化剂燃烧之前尚未燃烧尽的氮氧化合物CO。

    催化转化器在减少污染物方面卓有成效,但它仍有很大的改进空间。它只能在相当高的温度下工作,这是它最大的缺点之一。当冷起动汽车时,催化转化器在减少废气中的污染物方面几乎无能为力。

    解决此难题的一种简单方法是将催化转化器移近发动机。这意味着到达转化器的废气的温度会更高,从而可以更快地将其加热,但这也有可能会因转化器长期处于极高的温度下运行而缩短其使用寿命。大多数汽车制造商都将转化器放置在前排乘客座椅下面,以使它与发动机之间的距离足够长,从而将温度降至不会对其造成损伤的程度。

    预热催化转化器是一种减少排放物的好方法。预热催化转化器的最简单方法是使用电阻加热器。但遗憾的是,大多数汽车上的12伏电路系统都不能提供充足的能量或电能,从而无法足够快地加热催化转化器。而大部分人也不愿意在起动汽车前花几分钟时间等待催化转化器热起来。具有大容量高电压电池组的混合动力车则可以提供足够的电能来非常快速地加热催化转化器

     
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