三效催化轉換器參數對輕型汽油車排放性能的影響

鄒洪波1　孫雄1　楊銘　2王姍姍2　錢錚1

（1.泛亞汽車技術中心有限公司，上海201201；2.中國合格評定國家認可委員會，北京100062）

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三效催化轉換器參數對輕型汽油車排放性能的影響

鄒洪波1孫雄1楊銘2王姍姍2錢錚1

（1.泛亞汽車技術中心有限公司，上海201201；2.中國合格評定國家認可委員會，北京100062）

【摘要】以某搭載1.5L自然吸氣汽油機的輕型車為研究對象，運用6σ設計方法對緊耦合式三效催化轉換器的載體結構及催化劑技術對整車排放性能的影響進行研究。結果表明，催化器載體結構及催化劑對16萬公里老化催化器的整車HC、NOx和CO排放影響較小，而對臨界催化器的整車NOx排放影響顯著；通過優化催化器載體結構及催化劑參數，可有效降低臨界催化器的整車NOx排放及提高系統的穩健性。

1　前言

三效催化轉換器（以下簡稱催化器）作為一種有效的汽油機車尾氣排放凈化裝置，對車輛尾氣排放中CO、HC和NOx的轉化效率均可在80 %以上[1]。但隨著我國機動車保有量的不斷增加以及大氣環境污染日趨嚴重，我國機動車排放法規不斷完善且對機動車尾氣排放限值越來越嚴格[2]。更有資料表明，歐盟對車載診斷系統（OBD）排放限值將進一步加嚴[3]。因此，提高催化器轉化效率，降低汽油車尾氣排放量，尤其是降低臨界催化器的排放量尤為重要。

催化器結構包括載體、催化劑、墊層及殼體，其中催化器載體結構、催化劑對催化器的起燃溫度和催化轉換效率有較大的影響[4、5]，從而影響整車排放性能。而催化劑配方中的貴金屬含量和在載體上的涂覆技術又是催化劑最關鍵參數。在現有的催化器設計基礎上，合理優化催化器載體結構、貴金屬含量及載體涂層技術，對設計出符合更加嚴苛排放法規的催化器至關重要。6σ設計（DFSS）作為一種工程設計優化分析方法，可以極大優化設計，減少試驗次數，為工程開發提供有效的試驗分析結果[6]。

本文以一搭載1.5 L自然吸氣汽油發動機的輕型車為研究對象，應用DFSS分析方法，分析緊耦合式三效催化轉換器載體結構及催化劑參數對整車排放性能的影響。

2　催化器樣件設計

對整車排放影響較大的3種催化器參數（催化器載體結構、載體涂覆技術及貴金屬含量）進行優化設計和整車排放性能試驗，并對上述各催化器參數分別選取3種設計水平（表1）。催化器涂覆技術是指將按一定比例配制好的貴金屬液漿噴涂到催化器的載體上，不同的涂覆技術影響涂層厚度，表1中涂覆技術3種方案分別代表的是3種不同的催化器涂覆技術手段，其涂層厚度從大到小分別以方案3、方案2、方案1表示。為減少催化器樣件數量及試驗次數，采用DFSS工具中的L9正交列表進行正交優化，優化后的各催化器樣件設計方案如表2所列。

表1　催化器設計參數及水平

為滿足國家輕型車排放法規要求，催化器設計既要考慮16萬公里老化催化器的基礎排放，也要考慮臨界催化器的排放。本文所用的16萬公里老化催化器老化方法采用GMAC875臺架老化方法，其老化持續時間為217 h；臨界催化器老化方法采用馬弗爐高溫老化方法，其老化溫度為1 250℃，老化持續時間為25 h。試驗用車輛包括手動擋（MT）和自動擋（AT）車型。

3　試驗結果及分析

3.1催化器起燃特性分析

文獻[4]表明，催化器起燃特性對車輛冷起動階段的排放影響很大。催化器起燃特性一般以催化器的起燃溫度作為評價指標，其定義為催化器轉化效率達到50 %時所對應的催化器入口溫度[4、5]。在實際車輛排放控制開發過程中，為加速車輛冷起動階段催化器的起燃，一般由電控單元（ECU）控制發動機進入催化器起燃模式下運轉。催化器起燃模式下，ECU通過推遲點火角、提高發動機怠速轉速及采用偏稀的可燃混合氣等方式來提高發動機的排氣溫度，從而縮短催化器達到起燃溫度的時間。本文根據S1樣件的16萬公里老化催化器在NEDC排放測試循環中車輛冷機狀態下的排放特性，設定催化器起燃功能持續時間為50 s，并在NEDC排放測試循環中測量各種樣件的16萬公里老化催化器在催化器起燃功能結束時的催化器床體溫度，結果如圖1和圖2所示。

圖1　排放循環中催化器床體溫度變化

從圖2可以看出，在ECU控制催化器起燃功能結束時，16萬公里老化催化器S1樣件的床體溫度在200℃以上，S3樣件在300℃以上，其余樣件均在400℃以上。催化器床體溫度的提高，有利于降低車輛冷起動階段的排放量。

3.2催化器參數結構對整車排放的影響

3.2.1 HC排放的影響

圖3和圖4分別為催化器載體結構及催化劑對整車總碳氫（THC）和非甲烷碳氫（NMHC）排放量的影響。可知，對于臨界催化器，S1樣件的THC和NMHC排放量分別高于0.09 g/km和0.07 g/km，明顯高于其它催化器樣件的排放量；對于16萬公里老化催化器，各樣件的THC排放量在0.08 g/km以下，NMHC排放量在0.06 g/km以下，即不同的催化器樣件其整車THC和NMHC排放量無顯著變化。一方面，S1樣件的16萬公里老化催化器起燃結束時的床體溫度在所有催化器樣件中最低，其催化器起燃所需的時間更長；另一方面，臨界催化器為經高溫老化后的催化器，其催化器的起燃溫度會有所升高[7]，因此與其它催化器樣件相比，在相同的車輛運轉條件下，S1樣件的臨界催化器需要更長的時間才能達到催化器起燃溫度，從而導致其THC和NMHC排放量高于其它催化器樣件的排放量。

圖4　催化器參數對NMHC排放的影響

3.2.2 NOx排放的影響

圖5為催化器載體結構及催化劑對整車NOx排放量的影響。從圖5可以看出，對于臨界催化器，S1和S7樣件的NOx排放量超過0.25 g/km，而S2、S3、S5和S9樣件的NOx排放量則低于0.1 g/km；對于16萬公里老化催化器，各種催化器樣件的NOx排放量均小于0.04 g/km，處于較低水平。

圖5　催化器參數對NOx排放的影響

3.2.3 CO排放的影響

圖6為催化器載體結構及催化劑對整車CO排放的影響。可知，臨界催化器的CO排放量隨著各催化器的不同設計而變化較大，其中S1和S4樣件的CO排放量超過1.5 g/km，而S2、S3、S5和S9樣件的CO排放量則低于1.0 g/km；而16萬公里老化催化器的CO排放量均低于1.00 g/km，處于較低水平，其中S1樣件的MT車輛略高，為1.00 g/km。

圖6　催化器參數對CO排放的影響

3.3 DFSS分析

圖7為DFSS優化設計參數圖，其中顯示了信號、噪聲因子、控制因子（設計參數）、響應和癥狀之間的關系。工程優化設計的目的是選擇最佳的控制因子組合，同時降低噪聲因子對系統穩健性的影響。由于車輛排放主要受催化器的物理特性影響，無相關的信號輸入，且需要盡量降低排放量，因此響應類型選擇為非動態響應，且響應特性為望小特性。

圖7　DFSS優化設計參數

由各催化器設計樣件排放結果分析，催化器載體結構及催化劑對16萬公里老化催化器樣件的HC、NOx及CO排放量影響較小，且其排放量均處于較低水平；催化器載體結構及催化劑對臨界催化器樣件的THC 和NMHC影響較小且其排放量較低；根據國家輕型車排放法規，目前催化器診斷僅要求監測NMHC及NOx排放[2]。因此，本次DFSS優化設計主要是針對臨界催化器的NOx排放進行。

圖8為臨界催化器NOx排放平均值和信噪比響應分析圖，其中A為催化器載體結構，B為涂覆技術，C為貴金屬含量。可知，催化器設計參數A、B、C對臨界催化器的NOx排放及其信噪比均有較大影響；隨著系統的信噪比增加，NOx排放量減小（圖9），對于催化器參數的設計，降低臨界催化器NOx排放量與提高其穩健性相一致。因此，選擇信噪比最大值的方案A1B2C2作為本次催化器參數設計的最優設計方案，即催化器的最優設計方案為載體結構為600/4、涂覆技術為方案2和貴金屬含量增加20 %的設計。

圖8　NOx排放平均值及信噪比響應

圖9　NOx排放與信噪比關系

4　結束語

a.催化器載體結構及催化劑參數對16萬公里老化催化器的整車HC、NOx及CO排放影響較小，且其排放量均處于較低水平。

b.催化器載體結構及催化劑參數對臨界催化器的整車NOx排放影響較大，合理設計催化器參數可以有效控制臨界催化器的整車NOx排放量處于較低水平。

c.隨著臨界催化器的整車NOx排放量信噪比的增加，NOx排放量減小，降低臨界催化器的整車NOx排放量與提高系統的穩健性相一致，有利于低NOx排放量的臨界催化器參數設計的穩健性。

d.通過DFSS優化設計，本次催化器設計最優方案為A1B2C2，即選擇載體結構為600/4、涂覆技術為方案2和貴金屬含量增加20 %的設計，可以有效降低臨界催化器的整車NOx排放量和提高系統的穩健性。

參考文獻

1周龍保.內燃機學（第2版）.北京:機械工業出版社,2003.

2中國汽車技術研究中心,中國環境科學研究院. GB18352.5-2013輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第5階段）.北京：中國環境科學出版社，2013:7,114～115.

3 Official Journal of the European Union. Amending Regula?tion (EC) No 715/2007 of the European Parliament and of the Council and Commission Regulation (EC) No 692/2008 as regards emissions from light passenger and commercial vehicles (Euro 6).COMMISSION REGULATION (EU) No 459/ 2012:6,19～24.

4王建昕，肖建華，李俊，等.車用催化轉化器的起燃特性及其評價試驗方法.汽車工程，2000, 22（1）：25～28.

5馮長根，陶明濤，王麗瓊，等.車用催化轉化器起燃溫度的數值模擬.安全與環境學報，2004, 4（2）：3～6.

6余秀慧，謝騁，孫麗麗.六西格瑪設計在汽車產品開發中的應用.上海汽車，2010（3）：20～26.

7胡杰.輕型汽油車排放控制故障診斷方法及離線診斷技術研究：[學位論文].武漢：武漢理工大學，2011.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年10月1日。

Effect of Three-way Catalytic Converter Parameters on Emission
Performance of Light Gasoline Vehicle

Zou Hongbo1, Sun Xiong1, Yang Ming2, Wang Shanshan2, Qian Zheng1
（1. Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd., Shanghai 201201;

2. China National Accreditation Service for Conformity Assessment, Beijin 10062）

【Abstract】This paper investigates the effect of catalytic converter parameters on emission performance of a light vehicle equipped with 1.5 liter naturally aspirated spark ignited engine. The Six-sigma design (DFSS) method is applied to design the catalytic carrier configuration and catalyst of close-coupled three-way catalytic converter. The results show that the catalytic carrier configuration and catalyst have little effect on the CO, HC and NOxemission of 160K aged catalytic converter, but has obvious effect on the NOxemission of threshold catalytic converter. The NOxemission of threshold catalytic converter is decreased and the robustness of NOxemission system is improved remarkably when the catalytic carrier configuration and catalyst are optimized.

Key words:Light gasoline vehicle, Three-way catalytic converter, Configuration of catalytic carrier, Catalyst, Emission

中圖分類號:U464.171

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）01-0006-04

主題詞:輕型汽油車三效催化轉換器載體結構催化劑排放性能