淺析柴油油品對三元催化器的影響

蘇玉珍

淺析柴油油品對三元催化器的影響

蘇玉珍

福建戴姆勒汽車工業有限公司

介紹了我國當前在執行的國Ⅲ/Ⅳ/Ⅴ法規的柴油硫含量限值及各種有害物質排放量的限值，結合三元催化器的工作原理闡述了柴油油品對其的影響。

國Ⅲ/Ⅳ/Ⅴ法規；柴油油品；三元催化器；影響

隨著全球氣候變暖和異常氣候的增多，越來越多的人開始關注空氣質量，哥本哈根世界氣候大會就是其中一個縮影。談到空氣質量，人們首先想到的就是城市大氣污染主要來源的汽車尾氣，汽車尾氣中含有的有害物質HC（碳氫化合物）、NOx（氮氧合物）、CO（一氧化碳）、PM（微粒）等,它們主要通過汽車排氣管排放，只有將近45%的HC和極小數的其它污染物質由曲軸箱和燃油系統排放。

在上述汽車排放污染物中，CO是燃油不完全燃燒的產物，對人的健康危害較大。HC主要是燃油蒸發及不完全燃燒的產物，由200多種不同的成份構成，含有致癌物質。NOx是在燃燒室高溫高壓條件下，由氮和氧化合而成，排放到大氣后變成NO2，其毒性很強，對人及植物生長均有不良影響，是形成酸雨及光化學煙霧的主要物質之一。PM主要成份是碳煙，上面附有大量化學物質，包含致癌物質，吸入人體后會在肺部長期停留。

所以各國都制定了嚴格的排放法規，我國部分地區針對柴油車已經在執行國Ⅳ的排放法規，將要執行國Ⅴ的排放法規，那么作為尾氣排放凈化的關鍵零部件三元催化器是如何去應對的，又是如何在排放要求與良莠不齊的油品中尋求平衡呢。本文先討論了法規要求及柴油油品現狀，再分析三元催化劑的結構及工作原理，最后對油品的影響作了說明。

1 國Ⅲ/Ⅳ/Ⅴ法規要求及當前我國的油品現狀

表1是我國目前實施的柴油排放標準的相關要求及數據。

表1 國Ⅲ/Ⅳ/Ⅴ法規要求

國Ⅲ排放法規2007年7月1日已經在我國全國范圍內開始實施，國Ⅳ僅在北京、上海等地率先實施，預計2012年北京、上海等地將要實施國Ⅴ排放法規。

越來越嚴的排放法規的實施對于實現國家的節能減排目標具有重要意義，但是柴油油品的改善卻由于量多面廣等原因一直跟不上， 2007年年中時收集的柴油含硫量分布：

圖1 2007年年中中國柴油油品含硫量分布

2007年全國平均硫含量1 300×10-6，大部分地區硫含量高于2 000×10-6，只有北京硫含量低于50×10-6。

時至今日，全國大部分地區仍難有含硫量低于350×10-6的柴油。例如，2010年福州中石油油品硫含量558×10-6，中石化油品硫含量1 440×10-6。

所以各車廠為了市場準入，只能通過改善發動機、排氣系統等來應對越來越嚴的排放法規要求，當然油品質量不管怎樣都對其有影響。

2 柴油油品對三元催化器的影響

說到油品的影響，首先來看看催化器的結構和工作原理

催化器的結構如圖2，主要由外殼襯墊和涂覆有催化劑（一般使用貴金屬鉑、銠、鈀中的1種或2種或3種）的載體組成。

圖2 三元催化器的結構示意圖

催化器的工作原理如下圖3和圖4, 從發動機出來的含有有害物質的高溫尾氣首先通過圖3柴油氧化轉化器（DOC)的通道，被催化劑氧化成水和二氧化碳。然后再通過圖4柴油顆粒過濾器(CSF)過濾掉PM（主要是碳煙）。

圖3 三元催化器——柴油氧化轉化器（DOC)的工作原理

圖4 三元催化器——柴油顆粒過濾器(CSF)的工作原理

從上述可以看出柴油催化器有2種：柴油氧化轉化器（DOC)和柴油顆粒過濾器(CSF)，但在當前國Ⅲ排放法規要求下，一般不需要柴油顆粒過濾器(CSF)；到了國Ⅳ排放法規要求，可視發動機排放水平決定是否要柴油顆粒過濾器(CSF)，而國Ⅴ排放法規要求下，隨著顆粒排放限值及NOx的降低，2種柴油催化器都需要，柴油顆粒過濾器(CSF)不僅可以過濾掉顆粒，而且可以促進NO轉化NO2，從而達到再過濾NO的目的。

以上，我們了解了柴油催化器的相關信息，那么油品品質對其的影響多大呢？

圖5 柴油氧化轉化器對HC/CO的轉化原理

為了承受觸發CSF再生所需的高溫，DOC必須使用Pt/Pd雙金屬配方，但Pd易被硫毒化。

從圖5可以看出，含硫量高的柴油經發動機高溫作用，被氧化成SO2，然后經過催化器孔時，催化劑Pt(鉑)/Pd(鈀)會把SO2部分再氧化成SO3， SO2和SO3生成多之后，部分以白煙排出到空氣中，會形成酸雨，毒化大氣；部分沒排出去的，會繼續與水及載體表面涂料AL2O3反應形成硫酸鋁，就會覆蓋在催化劑Pt(鉑)/Pd(鈀)上，致其無法與HC和CO接觸，就無法把HC/CO轉化成H2O以及CO2，導致催化劑Pt(鉑)/Pd(鈀)對HC/CO的轉化效率降低，也會因此把催化器堵塞住，致其無法工作，只能更換。所以含硫太高的柴油對催化器的影響可歸結為如下3點：

（1）含硫太高的柴油會嚴重降低柴油氧化轉化器（DOC)對HC/CO的轉化效率。

（2）含硫太高的柴油會堵塞柴油顆粒過濾器(CSF)，而且是不可逆的，只能進行更換。原因是太多的SO3的生成會使煙灰急劇增加造成堵塞。

（3）含硫太高的柴油會形成大家看見的汽車排白煙的現象。原因是柴油顆粒過濾器(CSF)為了降低NO從而達到國Ⅴ排放法規要求，所以需要采用燃燒燃油提高溫度觸發其再生功能。但太高的含硫情況下，再生就導致了SO3以白煙的形式集中排放出去，反而達不到排放的要求了。

3 結論

本文從我國柴油車的排放法規要求及柴油油品品質現狀切入，通過對三元催化器的結構及工作原理的分析，最后導入油品品質不好會對三元催化器造成什么樣的影響，由此，我們可以看出我國要想真正實現節能減排的目標，不僅僅只是發布更嚴格的排放法規要求，還要讓油品品質也跟著同步提升，這樣才能真正節能減排，讓藍天更藍。

[1] 陳翀.三元催化器結構原理與性能評價[J].四川工業學院學報, 2001(4).

[2] 郭曉龍,陳翀,唐嵐;三元催化器的失效機理及故障診斷系統的研究[J].四川工業學院學報,2003(4).

[3] 三元催化器——減少汽車尾氣污染的好辦法[J];交通世界,1997(6).

[4] 肖坤勝,袁江,荊汝林,莫海俊.三元催化器在柴油機上的應用研究[J].裝備制造技術,2005(2).

Impact Analysis of Diesel Fuel Quality on Catalytic Convector

Su Yuzhen

(Fu jian Daimler Automobile Industry Co., Ltd., Fu zhou 350119, China)

The presently enforced limited Sulphuric content of diesel fuel in national emission regulation III,IV,V is provided. The effect of diesel fuel products on catalytic convectors is discussed in relation with the working principle of catalytic convectors.

national emission regulation III,IV,V; diesel fuel product; converters; effect