2009/3/12/10:00 来源：慧聪汽车维修保养网
        三元催化器中毒失效及堵塞是目前环保发动机最常见问题。环保发动机各个系统都是围绕限度保证三元催化器转化效率这一中心工作的，三元催化器一旦中毒失效及堵塞，转化效率便无从保证，环保发动机便无法正常工作，因此三元催化器保养问题是环保发动机保养的中心工作。
 
        1、三元催化器的结构及工作机理：
        催化剂可以提高化学反应速度以及降低反应的起始温度，而本身在反应中并不消耗。三元催化转化器是目前各类排气后处理技术中应用最广泛的技术。
        三元催化转化器简称三元催化器，如图3-12所示，它由壳体、减振层、载体及催化剂涂层四部分组成。人们往往把催化剂涂层部分或载体和涂层称为催化剂。催化剂是整个催化转化器的核心部分，它决定了催化转化器的主要性能指标。因此，在许多文献上并不严格区分催化剂和催化转化器的定义。
        1）壳体
        催化器壳体由不锈钢板材制成，以防因氧化皮脱落造成催化剂的堵塞。为保证催化器的反应温度以及减小对外热辐射，许多催化器的壳体做成双层结构。为减少催化器对车身底板的高温辐射或防止进入加油站时催化器炽热表面引起火灾，以及避免路面积水飞溅对催化器的激冷损坏和路面飞石造成的撞击损坏，壳体外面还装有半周或全周的隔热罩。
        2）减振层
        减振层一般有膨胀垫片和钢丝网垫两种，起减振、缓解热应力、固定载体、保温和密封作用。膨胀垫片由膨胀云母（45％-60％）、硅酸铝纤维（30％-45％）以及粘接剂（6％-13%）组成。膨胀垫片在次受热时体积明显膨胀，而在冷却时仅部分收缩，这样就使金属壳体与陶瓷载体之间的缝隙完全涨死并密封。
        3）载体
        早期的催化剂曾采用氧化铝（Al2O3）的球状载体，这种载体存在磨损快、阻力大的缺点，目前在汽车催化器中已不采用。美国康宁（Corning）公司于70年代初发明了陶瓷蜂窝载体，并很快占据了车用催化器载体的主导地位。之后，日本NGK公司也掌握了这种技术并开始大量生产。据统计，目前在世界上车用催化器载体的90%是陶瓷载体，其余为金属载体，而陶瓷载体年产量的95%以上由康宁公司和NGK公司生产。
        蜂窝陶瓷载体和金属载体的主要性能参数如表3-1所示。陶瓷载体采用堇青石材料挤压成型烧结而成，金属载体则采用不锈钢波纹板卷制而成。加大孔密度可以提高催化反应表面积，孔密度一般为200-600cpi（孔/平方英寸）。目前最常用的陶瓷载体是400cpi,而900甚至1200cpi及壁厚0.05mm的陶瓷载体最近已开发成功。金属载体具有几何表面积大、流通阻力小、加热快和机械强度高的优点，但由于成本高，目前主要用于控制冷起动排放的紧凑耦合催化器和摩托车用催化器。
        4)涂层
        催化转化器的涂层如图3-13所示，在载体孔道的壁面上涂有一层非常疏松的活性层(英文为Washcoat)，即催化剂涂层。它以γ—Al2O3为主，其粗糙多孔的表面可使壁面的实际催化反应表面积扩大7000倍左右。在涂层表面散布着作为活性材料的贵金属，一般为铂(Pt)、铑(Rh)和钯(Pd)以及作为助催化剂成分的铈(Ce)、钡(Ba)和镧(La)等稀土材料。助催化剂主要用于提高催化剂活性和高温稳定性。催化剂的活性及耐久性除与涂层的成分有关外，也与涂层的制备工艺密切相关。

        催化剂的分类及工作原理：
        按工作原理不同，催化剂可分为氧化型催化剂、还原型催化剂、三元催化剂和稀燃催化剂。最常用的氧化型催化剂和三元催化剂的工作原理介绍如下。
        氧化型催化器(OC,OxidationCatalyst)2CO+O2→2CO2（1）4HC+5O2→4CO2+2H2O（2）
        三元催化器(TWC,ThreeWayCatalyst)2CO+2NO→2CO2+N2（3）4HC+10NO→4CO2+2H2O+5N2（4）
        在氧化型催化剂中，CO和HC与氧气进行氧化反应，生成无害的CO2和H2O，但对NOx基本无效。而在三元催化剂中，CO和HC与NOx互为氧化剂和还原剂，生成无害的CO2、H2O及N2。剩余的CO和HC则进行式(1)和(2)的反应。

        2.三元催化器失效的原因
        （1）高温失活：三元催化器长期在高温条件下，会造成高温失活，三元催化器产生高温的原因是：（A）发动机失火使未燃混合气在催化器中燃烧发生剧烈氧化放热反应。（B）汽车连续高速大负荷运行。（C）汽车突然制动、减速。发动机排气温度的变化范围很大，怠速时一般为300~400℃，低速、中速常用工况行驶为400~600℃，高速全负荷行驶时为900℃。如果三元催化剂长期暴露在800℃以上的高温环境下，催化剂的活性组分铂、钯和铑贵金属等组分易挥发，其涂层易剥落，其晶粒及助催化剂氧化铈的晶粒会明显增大，而且载体氧化铝也会发生相变，会从比表面较大的γ型转变比表面较小的?型，从而加剧了贵金属活性组分和助剂氧化铈晶粒的长大烧结和聚集，使该催化剂的比表面急剧下降，而使催化剂失活。如图3-14高温还会引起氧化铈助剂等储氧能力降低，在800℃时催化剂吸氧能力迅速降低，从而使催化剂的活性大大下降。
        （2）化学中毒：
        燃油和润滑油中的硫、磷、抗爆剂中的锰、铅、燃油不完全燃烧产生的一氧化碳都会造成三元催化剂中毒失效，毒物主要是吸附在催化剂活性表面上，并形成一种化学吸附络合物，其中铅中毒往往是不可逆的，催化剂在含铅气氛中工作几十小时就会完全丧失活性，而对硫、磷、一氧化碳中毒，催化剂的活性则在一定条件下可以得到恢复。
        (3)积碳失活：
        因积炭覆盖在三元催化剂和涂层表面而造成三元催化器失效为积炭失活，覆盖在涂层表面的积碳往往是一种含有碳、氢、硫、氮、氧、重金属等多种元素的混合物，积炭失活是目前导致三元催化器失效的主要原因之一。
        (4)堵塞失效：
        三元催化器因堵塞失效造成发动机工作不正常是目前环保发动机很普遍的问题，三元催化器堵塞常见形式有：（A）使用乙醇汽油胶质积碳烧结堵塞。（B）硫磷化学络合物烧结堵塞。（C）铅锰金属沉积物烧结堵塞。（D）发动机失火造成陶瓷载体烧溶堵塞。（E）发动机失火造成三元催化器陶瓷载体和金属外壳之间的密封层部分高温老化，成为粉末堵塞后半部陶瓷载体。

        3.三元催化器中毒失效机理
        三元催化剂的中毒是其重要的化学失活方式，易使三元催化剂中毒的毒物有磷、铅、锌、钙、硫等，研究表明其毒化作用顺序为磷>铅>锌>钙>硫，毒物分子在催化剂表面活性部位上通过化学吸附形成强吸附物种而阻碍了汽车尾气催化剂的净化反应，三元催化剂的中毒会使转化器起燃时间延长，废气污染物的排放量增加。
        通常磷在机油中含量为1.2g/L，是汽车尾气中磷的主要来源，据估算汽车运行8万公里在催化剂上可富集13g磷，其中93%来源于润滑油，其余来源于燃油，磷可以使氧化型催化剂中毒，磷在整体式催化转化器中的分散一般是按靠近发动机的轴向壳体分布的，实验表明，磷的中毒过程为孔口中毒，毒物的前驱物如P2O5,H3PO4等通过孔扩散与催化剂表面活性位的其它杂质反应，形成无催化活性的沉积物磷酸铝或焦磷酸锌粘附催化剂微孔的入口处，引起活性位的覆盖和堵塞。
        在标准无铅汽油中，其实仍含有微量的铅约为1mg/L，它以氧化铅、氯化铅或硫化铅等形式存在，铅可直接影响汽车用催化剂的活性。有人认为三元催化剂的铅中毒机理为：在700~800°C可能是由氧化铅引起的，而低于550°C的铅中毒，则可能是由硫酸铅及其它化合物抑制气体扩散引起的，铅在催化剂中的滞留量可达13%~30%，尤以850°C时滞留最多。据研究三元催化剂的铅中毒方式为均匀中毒。
        我国的汽油含铅量达5mg/L，再加上燃油的运输等因素，实际含铅量远高于此值。如此高的铅含量极易引起汽车三元催化剂的铅中毒，降低其净化活性，缩短催化剂的使用寿命。
        硫含量为208mg/L的汽油，其尾气中二氧化硫的浓度约为20x106（体积），二氧化硫一般能抑制贵金属催化剂的活性，铑金属能更好地抵抗二氧化硫对一氧化氮还原的影响，而铂金属受二氧化硫影响，燃料油含硫量对三元催化剂HC、CO、NOx平均转化率的影响是随含硫量的增加转化率下降，通常二氧化硫对催化剂的抑制效应还受温度的影响。

        综上所述，要想做好环保发动机排放控制工作，保证环保发动机良好工作状态，就必须要解决好环保发动机常见的沉积物问题，氧传感器中毒失效问题，三元催化器中毒失效及堵塞问题，只有这些问题解决好了，才能保证环保发动机真正能够正常工作，真正能够达到环保排放标准。而以上问题并非是不可逆、不能解决的，例如进气阀沉积物，在临界温度230~350度以上时会随表面温度升高沉积物减少；燃烧室沉积物在500度以上时大部分挥发组分会汽化消失；吸附在氧传感器、三元催化器上的硫磷化学络合物在高温氧化环境下会发生可逆反应。因此通过这些机理找到清除环保发动机内沉积物和毒化氧传感器、三元催化器毒物的方法、技术、产品，就能解决以上问题。