某車型三元催化器載體碎裂機理分析與策略優化

陳海娥 段加全 馮海濤 徐寧寧 閆朝亮

（1.中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春 130013）

主題詞：三元催化器 載體 機油稀釋 掃氣 排氣溫度

1 前言

國家第六階段機動車污染物排放標準對顆粒物排放量的限值加嚴，部分車型需要加裝汽油機顆粒捕集器（GPF），以滿足排放法規要求。

某車型搭載的3.0 L缸內直噴機械增壓發動機的噴射壓力只有20 MPa，因此在三元催化器的后方配置了GPF。該車型在傳動系耐久、綜合耐久等劇烈的交變工況試驗中多次出現三元催化器載體碎裂問題。三元催化器載體出現開裂后，如果繼續進行試驗，通常會形成貫穿性裂紋，一段時間后發生碎裂，碎片進入GPF 中會造成其堵塞，使發動機排氣阻力大幅增加，造成發動機動力下降甚至失火。

本文通過數據分析和系列驗證試驗尋找載體碎裂的主要原因，在硬件不變的條件下，通過對噴油提前角進行最大限度的優化和減小掃氣區氣門重疊角等措施降低溫升幅度，并針對特定工況，加強和加快混合氣加濃，通過激進的混合氣加濃和斷油抑制限制排氣溫度，從而解決三元催化器載體碎裂問題。

2 三元催化器載體碎裂原因分析

2.1 現象分析

三元催化器載體碎裂的主要原因是載體內溫度過高，但在該車型整車路試及動力總成臺架試驗中均未發現三元催化器載體溫度超過1 050 ℃的情況，在傳動系耐久試驗中三元催化器的溫度大多在950 ℃以下，僅在非常短的時間內出現了1 010 ℃的高溫，根據以往經驗，該溫度不會造成載體碎裂[1-3]。

對開裂后的載體進行電鏡檢查，結果如圖1 所示，發現載體裂紋處微觀結構存在坍塌現象，催化劑涂層被高溫熔化，由此可以確認三元催化器載體經歷過1 100～1 200°C的高溫[4-5]。

圖1 開裂后三元催化器載體的電鏡檢查結果

2.2 原因分析

在動力總成臺架上模擬傳動系耐久試驗中易出現高溫的急加速、急減速工況，如圖2所示，前35 s為加速工況，之后為減速斷油工況，加速時會在距離三元催化器入口1/3處產生溫度峰值，減速時會在距離三元催化器入口2/3處產生另一個溫度峰值，該位置溫度上升幅度更高，且持續時間長，但最高溫度也均在950°C以內。

減速斷油后，除曲軸箱通風氣體中含有少量機油和燃油外，理論上排氣中主要為空氣。在動力總成臺架上模擬斷開曲軸箱通風系統前、后三元催化器中的溫度變化情況，結果如圖3所示。由圖3可知，曲軸箱通風系統開啟和關閉條件下，催化器各處溫度變化高度一致，排氣溫度的差值僅為7 ℃左右，斷開曲軸箱通風系統后，減速斷油期間仍有溫度升高現象。

圖2 傳動系耐久試驗中易出現高溫的典型工況模擬

圖3 曲軸箱通風系統開啟和關閉條件下催化器各處溫度

造成三元催化器溫度升高的主要排放物是THC和CO，在發動機臺架上模擬加、減速工況，經過1 h試驗后，測量THC 和CO，排放濃度。可以看出，減速時CO 排放量為0，但THC排放濃度極高。圖4所示為3.0 L發動機與其他發動機排放物濃度對比結果，由圖4可知，本文發動機THC排放濃度明顯高于各對標樣機。根據經驗，該濃度的THC 會造成150 ℃以上的溫升。THC 排放濃度過高說明機油中融入了未燃燒的汽油，發生了嚴重的機油稀釋現象。分析該發動機額定功率點噴油情況發現，由于混合氣加濃嚴重，最低空燃比在0.65左右，瞬時低壓供油能力不足，導致噴油持續期過長，從而導致噴油結束角過晚，超出對標噴油數據庫的范圍。圖5所示為直噴發動機噴油起始角和結束角的對標數據庫，并給出了本文3.0 L發動機功率點噴油位置。圖6所示為功率點混合氣加濃后噴油過程與進、排氣過程的關系（其中噴油標志位1和0分別表示噴油器開啟和關閉），可見噴油時間甚至長于進氣時間。過長的噴油持續期導致噴霧碰撞缸筒的幾率增大，且混合效果差，導致機油稀釋及顆粒物排放濃度高。

圖4 斷油過程中THC及CO排放物濃度對比

2.3 試驗驗證

為了驗證前文的分析結論，設計了發動機臺架試驗方案如下：全速大負荷運轉1 h后，曲軸箱通風正常連接狀態下測試，全速大負荷運轉1 h后，曲軸箱通風斷開狀態下測試，換新機油，曲軸箱通風正常狀態下測試，對比以上狀態下減速斷油時THC排放濃度和溫升情況，結果如圖7所示。與新機油相比，高轉速大負荷運轉1 h后，減速斷油期間均排出了大量THC，一部分隨曲軸箱通風進入，更大一部分由于減速斷油期間缸內負壓，融入機油的汽油從油底殼中直接析出進入排氣系統中，再次驗證了機油稀釋的結論。與新機油相比，高轉速大負荷運轉1 h后減速斷油時的溫升高達170 ℃。如果采用新機油，減速斷油時三元催化器中的溫度比入口溫度低。

在動力總成臺架上進行溫度測量時通常只進行幾個加、減速循環的試驗，大負荷運行時間短，沒有造成嚴重的機油稀釋，因此，試驗中斷開曲軸箱通風沒有影響。在后期進行長時間連續試驗后也發現了與發動機臺架試驗中類似的現象，即大負荷運轉時間越長，減速斷油時THC 排放濃度越大，三元催化器內的溫升越高。圖8所示為動力總成臺架0.5 h減速斷油的試驗結果，可以看出，在長時間減速斷油過程中，THC排放濃度明顯增大，催化器中心反應放熱量上升，導致溫度顯著升高，尤其是距離三元催化器載體入口2/3處。

圖8 動力總成臺架多個循環減速斷油試驗結果

加速過程導致三元催化器載體溫度升高的原因為：

a.發動機從低轉速小負荷到高轉速大負荷帶來排氣溫度的升高，目前發動機最高排氣溫度均控制在硬件能承受的溫度范圍內。

b.加速過程發動機的排放物THC和CO會在三元催化器中反應帶來溫度升高。本文比較了不同空燃比下三元催化器中排氣溫度的變化情況，在其他控制參數不變的條件下，空燃比從0.8降低到0.7時，污染物排放導致的三元催化器中心溫度提高達到100 ℃左右。

c.進、排氣掃氣使得氧氣進入三元催化器中。由于該發動機是機械增壓發動機，排氣背壓低，其掃氣區域較渦輪增壓發動機大很多。在掃氣區域會有氧氣進入排氣中，從而加速三元催化器和GPF中的反應。圖9所示為傳動系耐久試驗循環在發動機MAP圖上的運行情況，可見加速過程既經過掃氣區又經過加濃區。

綜上所述，高轉速大負荷的混合氣加濃和掃氣區重疊角過大是導致加速過程溫度大幅升高的主要原因。整車道路試驗和動力總成臺架試驗中均未發現高溫與三元催化器中排氣溫度測量方法及傳感器的響應時間有關。以往試驗中采用的熱電偶直徑均為3 mm，這是平衡了測量結果的準確度及測試成本后的選擇[6-7]，對于結構實體來說，其溫度變化速度通常不會很快，但發動機工況變化時排氣溫度的變化非常快。為了分析不同直徑熱電偶對瞬態工況的影響，分別采用直徑1 mm、1.5 mm和3 mm的熱電偶進行對比測試，結果發現，在瞬態工況下，直徑1 mm 和1.5 mm 的熱電偶由于響應較快，其測得的溫度比直徑3 mm的熱電偶高50～75°C，如圖10 所示。由此可知，在某些工況下確實存在三元催化器載體溫度超過1 050°C的現象。

圖9 傳動系耐久試驗循環在發動機MAP圖上的運行示意

圖10 三元載體中不同直徑熱電偶對比測試結果

3 優化措施

3.1 降低減速斷油溫升

減速斷油溫升的根本原因是混合氣加濃過多、噴油持續期過長。通過改善整車冷卻措施，可以有效降低混合氣加濃，從而減少噴油量；或加大噴油器流量，提升高壓油泵、低壓油泵能力來縮短噴油持續期。但這些調整都存在硬件改動，短期內無法實施。

本文提出一種在硬件不變的條件下，通過控制參數及控制策略優化降低污染物排放量、機油稀釋和溫升幅度的方法：

a.首先基于混合氣加濃后的噴油量，重新優化噴油參數。在發動機臺架上開展試驗，研究噴油角度與機油稀釋度及THC濃度和顆粒物排放量的關系，5 000 r/min全負荷工況下的試驗結果如表1所示。由表1可以看出，高轉速大負荷運轉1 h后機油稀釋度、排氣溫升、THC濃度和顆粒物排放量均大幅降低。

表1 5 000 r/min全負荷工況下噴油提前角優化試驗結果

b.降低減速斷油工況下THC 排放濃度的另一個方法是適當提升該過程的負荷，負荷稍大時缸內負壓不會過低，融入機油中的THC 不會析出，就不會導致減速斷油期間的溫升。圖11 所示為控制減速斷油過程不同負荷下的THC 排放濃度及溫升情況的試驗結果，負荷由5%提高到20%后，THC 濃度峰值下降50%，催化器中心溫度下降200°C，斷油后溫升現象消失。

圖11 控制減速斷油過程不同負荷下的THC濃度及溫升情況

c.降低減速斷油工況下整車THC 濃度的有效方法還有減速期間不斷油，繼續噴油燃燒時，也會排出THC，體積濃度為2.0×10-3左右，約為減速斷油期間THC體積濃度的20%，同時溫度較低的排氣能夠帶來冷卻效果，所以不會造成三元催化器中較大的溫升。由圖12可以看出，在長時間減速時三元催化器中1/3 和2/3 處均未出現溫度升高現象。

圖12 減速期間不斷油時尾氣THC排放及三元催化器中溫度變化情況

3.2 降低加速段溫升

為了不明顯影響模型精度及不對NEDC 工況油耗產生影響，只減小了圖9中掃氣區上半部分的目標氣門重疊角（進、排氣配氣相位各減小2°）。氣門重疊角減小4°后觸媒中心溫度平均可降低15 ℃左右，掃氣最大區域可降低30～40 ℃，如圖13所示。

圖13 減小重疊角4°對排氣溫度降低的貢獻

目前現生產發動機初始機械相位裝配精度是±3°，該發動機左、右兩側最大的相位差異會達到6°。運行里程很長后發動機兩側的相位差異更大，由此導致發動機兩側排氣溫度差異達50 ℃左右。所以，如果能更準確地控制裝配相位，也能較為有效地控制三元催化器排氣溫度。在目前的相位裝配精度條件下，需要減小重疊角，并將掃氣區三元催化器入口排氣溫度限定在800°C左右，給生產一致性留出更大裕度。

3.3 降低排氣溫度的綜合措施

為了控制三元催化器排氣溫度及抑制排氣溫度異常升高，采取多項措施控制整車排氣溫度，如針對傳動系耐久工況加強和加快混合氣加濃，以及針對動態加、減速工況的頻繁斷油/清氧功能，通過激進的混合氣加濃和激進的斷油抑制來限制排氣溫度等。通過控制參數和控制策略的調整和優化，三元催化器中的溫度如圖14 所示。由圖14 可知，優化后三元催化器溫度均控制在950 ℃以內，解決了三元催化器載體碎裂的問題。

圖14 優化前、后三元催化器溫度比較

4 結束語

本文通過分析和排查，確定三元催化器載體碎裂的主要原因是其載體溫度過高，而混合氣加濃過多、噴油持續期長、掃氣區重疊角大是溫度過高的主要原因。

在不改動硬件的前提下，本文通過優化噴油提前角、減小掃氣區氣門重疊角降低了排氣溫升幅度，針對特定工況加強和加快混合氣加濃，并通過激進的混合氣加濃和斷油抑制限制排氣溫度。結果表明，通過整車、發動機控制參數和控制策略的調整和優化，三元催化器溫度均控制在950 ℃以內，解決了三元催化器載體碎裂的問題。