1.4 汽車尾氣催化器的誕生、發展與普及

尤金·霍德里（Eugène J.Houdry）是一位出生在法國，后加入美國國籍的機械工程學家。他不僅在催化領域擁有多項重要發明，并且兼具商業頭腦。二戰結束后，霍德里成立了Oxy-Catalyst公司，專門研究、開發與推廣用于汽車和工業大氣污染物排放控制的技術及產品。1956年，霍德里率先發明了用于去除汽油車尾氣中CO和HC排放的催化轉化器，并獲得了美國發明專利號。這種催化轉化器主要依靠催化器在尾氣溫度下利用空氣中的氧氣實現對CO和HC的氧化，生成CO2和水蒸氣等產物，主要包括以下兩步同時發生的反應。

CO催化氧化：CO+O2→CO2

HC催化氧化：CxHy+O2→CO2+H2O

因此，這種催化轉化器也被稱為氧化型催化轉化器或兩元催化轉化器。雖然霍德里早在1956年就已經發明了兩元催化轉化器，但當時汽油抗爆添加劑四乙基鉛會導致催化轉化器中毒。直到20世紀70年代，修訂的《清潔空氣法》制定標準對汽油鉛含量做出了限制，全面淘汰了含鉛汽油，從而為兩元催化轉化器的大規模應用提供了必要條件。

兩元催化轉化器并不能降低汽油車尾氣中的NOx濃度，隨著1981年汽油車新車NOx排放限值的全面實施，兩元催化轉化器退出了美國新車市場。事實上，兩元催化劑在汽油車排放控制領域的大規模應用主要集中在1975年至1980年間美國和加拿大的新車市場。目前，氧化型催化轉化器在柴油車和其他稀薄燃燒發動機車輛上采用，用于控制CO和HC排放，并對降低PM具有一定輔助作用。

20世紀70年代，隨著兩元催化轉化器的應用，汽油車尾氣管排放的CO和HC得到了較為有效的控制，因此控制NOx成為當時一個最主要的技術挑戰。1970年，美國組織了一場清潔空氣車賽（Clean Air Car Race），共有43個院校和企業參與了這場以汽車排放控制為主題的競賽。以汽油車組為例，參賽車輛需要滿足從麻省理工學院到加州理工學院全程3600英里耐久條件下的污染物達標要求（即1970年清潔空氣法修正案提出的1975年款車排放限值）。最終，美國韋恩州立大學與福特汽車公司的參賽汽油車通過對開環化油器（Open-loop Carburetor）空燃比（Air Fuel Ratio，AFR）的精確控制和應用恩格爾哈德公司（Engelhard Corporation，2006年被巴斯夫公司收購）開發的鈀基催化劑在所有參賽隊伍中獲勝。這個研究團隊探索到了一個非常重要的現象，如果將空燃比精確控制在細小窗口下（14.65附近），CO和HC的氧化反應與NOx的還原反應是有可能同時進行的。1974年，沃爾沃、博世和安格公司合作，開發了帶有氧傳感器（Lambda Sensor）、閉環反饋（Close-loop Feedback）和機械連續燃油噴射系統（K-jetronic Injection）的發動機技術，使得空燃比控制的精確性大大提高。1976年，沃爾沃在此基礎上開發了催化劑系統，該系統可以將NOx排放控制在0.2克/英里以下，顯著低于當時排放限值的要求。這一類催化劑能夠同時控制CO、HC和NOx排放，因此也被稱為三元催化轉化器。汽油車尾氣在經過三元催化轉化器的瞬間，能夠同時發生至少15種的復雜反應，包括了HC及CO氧化、水煤氣（Water Gas Shift，WGS）與蒸汽重整（Steam Reforming）、NOx還原和氧儲存四大類，本書后續章節將進行詳細介紹。

從1981年起，三元催化轉化器在美國和加拿大的新車市場中得到了普遍使用，并且成為滿足后來汽油車排放標準的標配技術。在其他國家和地區，隨著嚴格排放標準的實施，三元催化轉化器也成為標配技術。例如，中國在2000年開始實施輕型車國一排放標準，三元催化轉化器也大量進入了中國新車市場。在過去30年間，多點燃油電噴、無鉛低硫汽油和Rh-Pd雙層催化劑體系等技術的進步不斷提高了三元催化轉化器在實際應用過程中的催化效率、耐久性、熱穩定性及抗中毒性等指標，使其成為各國污染物排放標準能夠持續加嚴的技術基礎。

柴油車尾氣排放凈化技術也經歷了不斷進步和發展的過程。從2005年以來，世界上柴油車的主要市場（國家和地區）大幅度加嚴了NOx與PM的排放限值。僅僅依靠發動機技術和機內凈化技術（如廢氣返回燃燒，Exhaust Gas Recirculation，EGR），已經較難滿足最嚴格的排放標準。部分國家和地區還將引入實際道路排放測試法規，強化對關鍵污染物的嚴格控制。柴油顆粒捕集器（Diesel Particle Filter，DPF）、選擇性催化還原催化劑（Selective Catalytic Reduction Catalyst，SCR催化劑）和稀燃氮氧化物吸附催化劑（Lean NOxTrap Catalyst，LNT催化劑）等尾氣凈化技術正在得到快速普及，本書將對這些技術進行詳細介紹。