催化转换器如何拯救了内燃机?

1975年,一个小小的陶瓷圆柱体将内燃机从《清洁空气法案》的禁令中拯救出来,改变了汽车历史.
1975年,一个小小的陶瓷圆柱体将内燃机从《清洁空气法案》的禁令中拯救出来,改变了汽车历史.

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催化转化器是一种后处理排放控制装置,它通过化学反应将尾气中的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物转化为无害化合物,自1975年以来一直使内燃机的尾气排放保持在排放法规所规定的限值以下.20世纪70年代,美国《清洁空气法》迫使发动机进行彻底的重新设计,而这个小小的陶瓷圆柱体成为了赶上交付期限最切实可行的途径;然而其结果,却是一条从化油器之死延伸到电子燃油喷射的技术链条的起点.

亮点

  • 《清洁空气法》设定了到1975车型年在碳氢化合物、CO和NOx排放上实现 90%减排 的目标.
  • 量产型转化器于 1973年 在Engelhard开发;康宁则发明了堇青石陶瓷整体式基体.
  • 含铅汽油会损坏转化器,因此从1975车型年起,配备转化器的车辆被禁止使用含铅汽油.
  • 早期的转化器只能转化CO和碳氢化合物;三元催化剂则将NOx也纳入了处理范围.
  • 如今的三元转化器可以将这三种污染物的 高达98% 转化掉.

污染的城市与90%减排的交付期限

到20世纪60年代末,随着机动车运输的增长,美国城市的空气质量出现了可测量的恶化.洛杉矶的烟雾是第一个证明可以逐一查明问题根源的重大案例,而加利福尼亚州则在60年代末成为首个实施尾气排放法规的州.1967年,全州的各项努力被合并到统一的框架之下;制度基础设施已经建立,但真正的转折点将出现在联邦层面.

1970年《清洁空气法》以技术上大胆的赌博方式写成:国会规定,到1975车型年,汽车必须在碳氢化合物、一氧化碳和NOx排放上实现 90%的减排 .使这一决定引人注目的细节是,决策者们知道实现这一减排所需的技术当时尚不存在.这部法律并非工程部门的产物,而是一种先设定目标、再倒逼解决方案的监管理念的结晶.加利福尼亚州更早的州级标准,为国会的这一做法奠定了基础.

要理解其规模,看数字就足够了:不受控制的车辆每英里排放约 90克 CO,1974年款车型已将其降至 28克 ,而1975年的目标是每英里 15克.此外,欧洲直到1992年才实施类似的法规.汽车制造商将投资于后处理技术视为比彻底改造发动机本身更快、风险更小的途径:转化器的优势在于,无需对基本发动机设计进行重大更改即可加装到排气系统中.

转化器的漫长发展历程

这一装置并非在1975年突然被发明出来.最早的原型于19世纪末在法国设计;它们是镀有铂-铑-钯的双金属圆筒结构.而最接近将这一理念推向量产的关键人物,则是法国机械工程师 Eugene Houdry 成为.Houdry于1930年代发明了催化裂化并移居美国,1950年代初开始关注洛杉矶的光化学烟雾,创立了Oxy-Catalyst公司,在开发了烟囱和叉车用转化器之后,于1950年代中期为汽车应用获得了专利.

Houdry面前的障碍不是技术,而是汽油本身:四乙基铅会覆盖催化剂表面,使装置失效;用工程术语来说就是 催化剂中毒.因此Houdry放弃了汽车应用,转向工业用途.也就是说,汽车转化器的诞生与含铅汽油的死刑判决出现在同一个等式中;给予其中一者的宽限期,决定了另一者的命运.

量产化的实现得益于两种不同工业能力的结合.在Engelhard,Carl D. Keith、John J. Mooney、Antonio Eleazar和Phillip Messina于 1973年 开发出首个量产转化器.在玻璃技术方面,Corning Glass的Rodney Bagley、Irwin Lachman和Ronald Lewis发明了作为催化剂载体的堇青石陶瓷整体式基体;这三人在2002年入选美国国家发明家名人堂.Chrysler使用Engelhard的双转化器原型车向EPA提交了测试数据,并成为以1975年车型年套装首批登场的品牌之一.

告别含铅汽油:转化器的代价

与卡车相反的等式在其中起作用:含铅汽油被淘汰,最初与其说是出于健康原因,不如说是因为它损坏转化器.依据《清洁空气法》修正案的授权, 1974年 开始削减铅含量,并自1975年车型年起禁止在装有转化器的车辆中使用含铅汽油.这对我们的油箱和加油泵而言实际上意味着第二场革命;无铅汽油需要的再加工比习惯于用铅提升辛烷值的炼油厂的常规生产更为复杂.汽油配方已成为与发动机设计同步变化的系统组成部分.

过渡并非彻底:对于没有转化器的旧车,含铅汽油可以销售到1995年;届时《清洁空气法》修正案全面禁止了车用含铅汽油.一项数据概括了这一转型的社会回报:在减少铅含量之后,儿童血铅水平偏高的比例 下降了88% .从尾气排放延伸到公共卫生的排放监管链条,在炼油厂的产出中交出了最具体的成果.

氧传感器与闭环控制的诞生

Lambda sensörü egzozdaki oksijeni okuyarak motoru kapalı devreye aldı ve katalitik konvertörün hayatta kalmasını sağladı.

要释放三元催化器(TWC)的全部潜力,除了转化器本身还需要另一个部件.TWC只有在空燃比处于化学计量点极窄的区间内时,才能高效地同时转化三种污染物;混合气过稀则NOx还原效率下降,过浓则CO和碳氢化合物氧化效率降低.化油器发动机无法达到这种精度,因此在最早的转化器车型上,排气中的氧气作为补充 二次空气喷射 被使用.

解决方案是安装在排气管道中的氧传感器:在汽车世界中 lambda传感器 因空气-燃油等效比率λ而得名.其工作原理极为简单;如果传感器在排气中检测到氧气,说明混合气偏稀,检测不到则说明偏浓.ECU(电子控制单元)根据这一信号调节燃油供给,并将比例保持在化学计量点.氧传感器通过提供精确的空气-燃油比例测量,使真正的闭环排放控制成为可能;最早的配备传感器的车辆只有一个传感器.

现代发动机将这一架构发挥到了极致.电子燃油喷射产生一种在稀与浓之间持续波动的精确混合气;催化转化器前后的两个氧传感器为ECU提供连续的数据流,因此不再需要空气喷射.唯一的例外是一项刻意的工程决策:当需要高负荷和最大功率时,闭环控制被暂停,指令采用浓混合气.也就是说,lambda循环是一个可以为了性能而被刻意中断的保护区间.

从两效到三效:捕捉三大污染物

第一代催化转化器是两效的:将一氧化碳和碳氢化合物氧化成CO2和水,但对NOx完全无能为力.20世纪70年代,针对NOx开发了双催化器系统;一个基于铑-铂的还原单元与一个基于钯-铂的氧化单元串联排列.该系统有效,但体积庞大且成本高昂.真正的飞跃来自三效催化器:在单一装置中同时转化NOx、HC和CO.

商业化进程十分迅速.沃尔沃在满足加州排放规格的 1977 年款 Volvo 240上首次实现了TWC的商业化应用;1981车型年,几乎所有制造商都通过三效催化器满足了联邦NOx要求.丰田则于 1978年 应用了日本首个颗粒式三效催化转化器,并开发了世界上首个具有储氧能力的TWC;作为陶瓷和储氧促进剂的氧化铈/氧化铈-氧化锆化合物,通过稍微放宽窄带容差,使系统的运行更加容易.

特性两效催化转化器三效催化转化器 (TWC)
转化的污染物CO和碳氢化合物CO、碳氢化合物和NOx
化学处理仅氧化氧化 + 还原
空气-燃油比例容差更宽接近化学计量点的窄带
额外系统需求二次空气喷射Lambda传感器和闭环ECU
商业化起点1975车型年1977 (Volvo 240, California)

催化转化器真的会损失动力吗?

这就是1975年怀疑论者的核心论据:额外的排气阻力会让发动机“窒息”.历史记录并未提供关于这一代早期产品损失了多少马力的量化数据;但催化转化器可以在不触及发动机基本设计的情况下加装到排气系统中,这已是当年最合理的工程选择.随后的几十年反而反向证明了怀疑论者的正确:闭环燃油控制、精密喷射与窄频带工作的三元催化器(TWC)相结合之后,现代发动机设计得以用比前代更少的燃油产生同等甚至更高的功率.排气后处理技术已转变为效率目标的天然伙伴.

如今故障的表现则不同,并记载于技术服务资料中:堵塞或损坏的转化器会表现为功率损失、加速性能下降和燃油经济性恶化.而健康的转化器是无声的;它甚至不仅有助于实现排放目标,还能提升发动机效率.其工作物理特性也因此而设计:转化器必须借助排气温度 约 400 °C 才能达到起燃温度(light-off);因此它被尽可能安装在靠近发动机的位置,或另外作为前置催化器(pre-cat)安装.

排气之后:柴油时代与当今的问题

法规与工程的组合推动排气后处理技术不断前进.在柴油方面,颗粒过滤器(DPF)在 2007 年 1 月 1 日 之后生产的所有道路柴油车上成为强制配置;2010 年,美国大多数轻型商用柴油车制造商为降低 NOx 加装了 SCR 系统,基于尿素溶液(DEF)的这一架构成为标准配置.每一步都遵循了汽油车三元催化器所建立的模板:先有法定限值,再有化学解决方案,随后是支持该方案的传感器与控制架构.

《清洁空气法》55年的成绩单是切实可量化的:车辆排放持续改善、含铅汽油彻底退出、对酸雨和臭氧层问题的干预,以及一种污染物减少了 78%.但也有一个反向结果:贵金属价格上涨使催化转化器成为铂族金属盗窃的目标;经通胀调整后的铂价从1986年的约800美元/盎司攀升至1,400美元/盎司,被盗的转化器在废品回收站最高可卖到150美元.也就是说,它在1975年拯救的发动机,如今却成了一个需要物理保护的部件.

总而言之,催化转化器在1975年使内燃机免于法律上的消亡;但更重要的是,它将发动机从化油器的机械世界带入了传感器和ECU的闭环世界.90%的减排目标看似一场赌博,但它付出的代价是含铅汽油,而其余的则演变成一个持续了半个世纪的效率故事.

参考资料