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解析汽油车催化转化器
黄亮
内容摘要：催化转化器是汽车排气系统的重要零件之一。它通过贵金属的化学特性，净化发动机尾气中的有害气体。本文从结构、台架试验、失效几方面介绍催化器的基本知识。
Abstract: Catalytic converter is one of the most important parts in exhaust system. It cleans the exhaust gas by characteristic of precious metal. This text introduced the structure, bench, failure of catalytic converters.
关键词：催化转化器，载体，贵金属
Keywords: catalytic converter, substrate, precious metal

一、 概述
随着人们对健康的日益关注，汽车排出的尾气被要求越来越严格。目前绝大多数汽车仍然使用的是以石油为原材料的汽油或柴油发动机，这类发动机在运作过程中会排出含有以NOX、HC、CO为主的有害气体。催化转化器（亦称催化器）是汽车排气系统的重要组成部分，它的功能是净化发动机排出的有害尾气，将发动机产生的废气转化成无害的CO2、H2O等气体。催化转化器是如何将进入它的有害气体净化掉的呢？以下我们从催化器的构成、废气净化方式等方面入手，剖析催化器净化汽车尾气的原理。
二、 催化转化器的构成
催化器安装在汽车的底盘上，属于排气系统的一部分。它主要由壳体、密封垫、载体和涂层这四大部分组成。壳体和密封垫主要功能是固定催化器、保护内部芯体、防止尾气泄漏。载体和涂层是催化器的核心，是净化尾气的关键因素。发动机排出的尾气在通过催化器中的载体时，通过载体上涂覆物的催化作用发生化学反应，转化成对人体无害的CO2、N2、H2O。汽车是属于机械制造类产品，然而催化器却应该归类到化工产品中，它充分利用了物质的化学性质，净化尾气，保护了我们赖以生存的环境。
三、 壳体与密封垫
催化器的壳体一般使用不锈钢为原材料（常用的有SUH409、SUS430等）。发动机排出的尾气具有相当高的温度，因此对壳体的要求基本与排气管相同，即耐高温、耐腐蚀。另外，在催化器载体封装中，必须保证壳体的密闭性。
密封垫在壳体和载体之间，成为两者的一个缓冲带，避免车辆行驶时产生的震动使载体受到碰撞受损。密封垫的材料是热膨胀陶瓷纤维。这种材料耐火、耐高温。除了固定催化器载体、减震，密封垫还有一定的密封、隔热、消音作用。
四、 载体
催化器的载体，顾名思义就是承载催化剂的“容器”。在排气管内高温、高速气流的恶劣工作环境中，载体必须能够长时间耐高温和抗热冲击。同时，载体的材料还必须有一定的化学稳定性，耐酸碱、耐腐蚀。
载体一般制造成蜂巢形状，内壁非常薄。它的孔密度通常在200~600孔/平方英寸。将载体制造成蜂巢形状，是为了增大载体的表面积，这样就扩大了尾气与催化剂的接触面积，使催化器更有效地对尾气进行净化。当排气气流通过载体时，发动机尾气与载体上的催化剂接触后，尾气中各个成分互相产生化学反应，生成无害的CO2、N2、H2O。扩大载体表面积是提高催化效率的重要手段。
目前，催化器的载体有两大类：陶瓷载体和金属载体。这两类载体都有各自的优点和缺点。据统计，目前世界上车用催化器载体90%是陶瓷载体，其余为金属载体。
陶瓷载体采用堇青石为原材料挤压成型，再经过高温烧结而成。堇青石具有非常优良的物理性能和稳定的化学性能。其热膨胀系数低，抗热冲击性能优良，在高温下具有较高的机械强度，耐酸碱耐腐蚀。制造成蜂巢状陶瓷载体，孔密度在200~600孔/平方英寸之间，其内壁厚度约为0.2mm。
金属载体采用不锈钢波纹板卷制而成。与陶瓷载体相比，金属载体具有以下优点：
1、金属载体的内壁厚度可达0.04mm。相同条件下，金属载体的排气压力小于陶瓷载体。
2、金属材料的特性，决定了金属载体能够比陶瓷载体制作的更紧凑。相同体积下，金属载体具有更大的表面积，更高的净化效率。亦或相同净化效率下，金属载体的体积要小于陶瓷载体。
3、金属载体具有良好的韧性和延展性，可按需求加工成不同形状。
4、金属载体热容量小，起燃快可使催化器在车辆启动后迅速进入工作温度。
5、金属载体具有比陶瓷载体更高的熔点，更耐高温和热冲击。
尽管金属载体有如此多的优点，但其昂贵的成本却令汽车制造商望而却步。另一方面，由陶瓷载体制造的催化器现在完全能够满足国家的排放标准，制造商也没必要使用金属载体增加车辆的制造成本。因此，金属载体大多用在紧耦合式催化器或空间比较紧凑的摩托车上。
五、 涂层
涂层是催化器最重要的部分，它决定了催化器净化尾气的能力。涂层由活性层、贵金属和一些助催剂组成。
在陶瓷载体孔道的壁面上涂有一层非常疏松的活性层。活性层由γ-AL2O3 构成，其多孔粗糙的表面可使内壁的表面积扩大几千倍。这样有利于涂在表面的催化剂与尾气的充分接触，提高催化效率。
贵金属一般是由铂（Pt）、铑（Rh）、钯（Pd）组成，是主导净化尾气的关键要素。它们通过自身的化学特性，将尾气中的HC、CO、NOX通过氧化还原反应净化成无毒无害的H2O、N2、CO2。其化学反应式如下：
2CO+O2－→2CO2
4CHn+（4+n）O2－→4CO2+2nH2O
2NO+2CO－→N2+2CO2
在整个净化过程中，贵金属充当着催化剂的角色，不参与化学反应。在室温下，贵金属几乎没有催化活性。当温度超过200℃以上时，贵金属才能发挥净化尾气的催化作用。因此，使用金属载体的催化器由于金属的热容量小、导热迅速，能够使催化剂更快进入工作温度，减少尾气污物的排放。
稀土元素在催化剂中同样有着不可替代的作用，催化剂中的稀土元素的作用主要有以下2点：
1、增加催化器的储氧能力。从上面的化学方程式我们可以看到CO、HC、NOX是发动机燃烧后产生的有害气体。而O2则来源于空气中。我们知道发动机的空燃比一直是在理论值（14.7：1）上波动的，当空燃比大于14.7时，空气比燃油多，则出现多余的氧气。这些多余的氧气在经过催化器时被稀土元素暂时存储起来。当尾气中出现HC、CO时，这些临时储存的氧气将会如上述反应式，参加氧化反应，净化HC、CO。
2、充当助催剂，提高催化剂活性，保证催化剂的高温稳定性。催化剂在一个十分恶劣的环境中工作。不仅要经受强烈的气流冲击，其工作温度可达900℃，甚至可能瞬间超过1000℃。催化剂在这种工作环境下可能会与其他物质发生化学反应而失去其催化的功能。稀土可以保证催化剂高温下的惰性，确保贵金属不与其他物质发生化学反应。同时，稀土元素能够提高催化剂的活性，提高催化器整体的催化效率。
六、 催化转化器性能试验
与其他汽车零件一样，一个合格的催化器从设计到生产必须经过一些试验的验证，才能正式装配在整车上进行销售。作为排气系统一份子的催化器，除了需要进行机械强度的校合、耐腐蚀试验等常规验证外，还需要进行一些催化器专项试验。
1、密封性试验。催化器是排气系统的一部分，因此保证催化器的密封性，才能防止整个排气系统出现尾气泄漏。
2、起燃温度试验。通常我们把排气污染物中某种有害物质（譬如CO）的转化率达到50%时，催化器的温度称为CO的起燃温度。起燃温度是衡量催化器的重要指标之一。我们知道，汽车刚启动时，催化器的温度是环境温度，这种状态的催化器是无法完成净化尾气的任务的。随着发动机工作，排出的尾气逐渐将催化器加热，使催化器达到工作温度。目前国家即将实行国Ⅲ、国Ⅳ的排放标准，对汽车尾气的检测将从启动就开始进行。较低的起燃温度将使催化器更早的进入工作状态，大大减少车辆启动期间尾气污染物的排放量。
3、空燃比特性试验。空燃比特性是衡量催化器净化能力的又一个重要指标。催化器的空燃比特性是指在λ=1时，催化器对各个污染物的转化率。汽车行驶时，发动机绝大部分时间都在λ=1附近工作。优良的空燃比特性使汽车的排放始终保持在一个较低的范围内。
4、快速老化试验。该试验是以一定的工况在台架上对催化器进行长时间地连续地试验，使催化器在短时间内快速老化。快速老化的试验目的是要验证催化器的耐久性能。因为如果在整车上进行催化器的耐久考核，那势必需要几个月的时间来进行试验，而快速老化试验模拟整车耐久试验，在短时间（一般约100~200小时）内校合催化器的耐久性能，为开发节约了时间和成本。
5、机械性能试验。机械性能试验以水平热振动试验和纵置热振动试验为主。这两个试验的目的是考核催化器中的载体在振动后是否出现破损情况，通过载体的位移考核载体在催化器中的固定情况。
七、 催化转化器失效简介
催化器的失效，指的是在催化器的使用寿命内由于外界或零件本身的原因，导致催化器不能正常净化发动机排出的尾气。导致催化器失效一般有机械损伤、热损伤和化学中毒几种形式。无论哪种形式的损伤，其结果都是破坏了催化器的热反应结构，使催化器的催化性能下降甚至丧失，并且这个过程是不可逆的，一旦催化器被破坏，那这个催化器基本就报废了。使用损坏的催化器会造成排气污染物排放量的急剧增加。
1、机械损伤。最容易导致催化器机械损伤的就是汽车托底。催化器里的载体是一个脆弱的零件，运输时必须轻拿轻放。一旦受到外力的冲击，载体会产生物理变形或碎裂，这样催化器不仅不能发挥净化尾气的作用，还可能导致排气系统的堵塞，影响发动机功率。
2、热损伤。我们知道催化器的理想工作温度在600~800℃之间。如果发动机出现失火，会导致未燃烧的油气混合物在催化器中继续燃烧，使催化器温度迅速上升。若催化器长时间在900℃以上工作，载体上的贵金属会由于高温而烧损脱落。如果催化器温度达到1000℃以上，还会引起陶瓷载体的烧熔，造成排气背压升高影响发动机功率。另外，驻车时发动机长时间的怠速工作也可能导致催化器过热。
3、催化器中毒。催化器中毒是指由于排气中含有磷、硫铅等元素，在通过催化器时以化学吸附的形式附着在活性层表面，阻碍催化器正常的催化功能。催化器中毒一般由于使用了一些品质较差的燃油或润滑油造成的。在这些有害元素中，以磷和铅的危害最大。
催化转化器是环保零件，它的失效会给环境带来非常恶劣的后果。随着国家法规对尾气排放的要求越来越严格，最新的国3、国4——排放标准要求汽车必须带有OBD系统。有了OBD系统的辅助，催化器失效后OBD会通知驾驶员及时对车辆进行检查维修。
八、 总结
催化转化器是人类保护自然环境，保护自身健康的一个工具，它是以石油为燃料的发动机的一个衍生的产物。随着全球石油资源的不断消耗，汽车的动力来源也必将产生根本的变化，将来的汽车动力可能会被太阳能、电能等新能源所取代。那时，催化转化器也将光荣地离开这个历史的舞台。