1.4 汽车尾气催化器的诞生、发展与普及

尤金·霍德里（Eugène J.Houdry）是一位出生在法国，后加入美国国籍的机械工程学家。他不仅在催化领域拥有多项重要发明，并且兼具商业头脑。二战结束后，霍德里成立了Oxy-Catalyst公司，专门研究、开发与推广用于汽车和工业大气污染物排放控制的技术及产品。1956年，霍德里率先发明了用于去除汽油车尾气中CO和HC排放的催化转化器，并获得了美国发明专利号。这种催化转化器主要依靠催化器在尾气温度下利用空气中的氧气实现对CO和HC的氧化，生成CO2和水蒸气等产物，主要包括以下两步同时发生的反应。

CO催化氧化：CO+O2→CO2

HC催化氧化：CxHy+O2→CO2+H2O

因此，这种催化转化器也被称为氧化型催化转化器或两元催化转化器。虽然霍德里早在1956年就已经发明了两元催化转化器，但当时汽油抗爆添加剂四乙基铅会导致催化转化器中毒。直到20世纪70年代，修订的《清洁空气法》制定标准对汽油铅含量做出了限制，全面淘汰了含铅汽油，从而为两元催化转化器的大规模应用提供了必要条件。

两元催化转化器并不能降低汽油车尾气中的NOx浓度，随着1981年汽油车新车NOx排放限值的全面实施，两元催化转化器退出了美国新车市场。事实上，两元催化剂在汽油车排放控制领域的大规模应用主要集中在1975年至1980年间美国和加拿大的新车市场。目前，氧化型催化转化器在柴油车和其他稀薄燃烧发动机车辆上采用，用于控制CO和HC排放，并对降低PM具有一定辅助作用。

20世纪70年代，随着两元催化转化器的应用，汽油车尾气管排放的CO和HC得到了较为有效的控制，因此控制NOx成为当时一个最主要的技术挑战。1970年，美国组织了一场清洁空气车赛（Clean Air Car Race），共有43个院校和企业参与了这场以汽车排放控制为主题的竞赛。以汽油车组为例，参赛车辆需要满足从麻省理工学院到加州理工学院全程3600英里耐久条件下的污染物达标要求（即1970年清洁空气法修正案提出的1975年款车排放限值）。最终，美国韦恩州立大学与福特汽车公司的参赛汽油车通过对开环化油器（Open-loop Carburetor）空燃比（Air Fuel Ratio，AFR）的精确控制和应用恩格尔哈德公司（Engelhard Corporation，2006年被巴斯夫公司收购）开发的钯基催化剂在所有参赛队伍中获胜。这个研究团队探索到了一个非常重要的现象，如果将空燃比精确控制在细小窗口下（14.65附近），CO和HC的氧化反应与NOx的还原反应是有可能同时进行的。1974年，沃尔沃、博世和安格公司合作，开发了带有氧传感器（Lambda Sensor）、闭环反馈（Close-loop Feedback）和机械连续燃油喷射系统（K-jetronic Injection）的发动机技术，使得空燃比控制的精确性大大提高。1976年，沃尔沃在此基础上开发了催化剂系统，该系统可以将NOx排放控制在0.2克/英里以下，显著低于当时排放限值的要求。这一类催化剂能够同时控制CO、HC和NOx排放，因此也被称为三元催化转化器。汽油车尾气在经过三元催化转化器的瞬间，能够同时发生至少15种的复杂反应，包括了HC及CO氧化、水煤气（Water Gas Shift，WGS）与蒸汽重整（Steam Reforming）、NOx还原和氧储存四大类，本书后续章节将进行详细介绍。

从1981年起，三元催化转化器在美国和加拿大的新车市场中得到了普遍使用，并且成为满足后来汽油车排放标准的标配技术。在其他国家和地区，随着严格排放标准的实施，三元催化转化器也成为标配技术。例如，中国在2000年开始实施轻型车国一排放标准，三元催化转化器也大量进入了中国新车市场。在过去30年间，多点燃油电喷、无铅低硫汽油和Rh-Pd双层催化剂体系等技术的进步不断提高了三元催化转化器在实际应用过程中的催化效率、耐久性、热稳定性及抗中毒性等指标，使其成为各国污染物排放标准能够持续加严的技术基础。

柴油车尾气排放净化技术也经历了不断进步和发展的过程。从2005年以来，世界上柴油车的主要市场（国家和地区）大幅度加严了NOx与PM的排放限值。仅仅依靠发动机技术和机内净化技术（如废气返回燃烧，Exhaust Gas Recirculation，EGR），已经较难满足最严格的排放标准。部分国家和地区还将引入实际道路排放测试法规，强化对关键污染物的严格控制。柴油颗粒捕集器（Diesel Particle Filter，DPF）、选择性催化还原催化剂（Selective Catalytic Reduction Catalyst，SCR催化剂）和稀燃氮氧化物吸附催化剂（Lean NOxTrap Catalyst，LNT催化剂）等尾气净化技术正在得到快速普及，本书将对这些技术进行详细介绍。