老化循環對三效催化器的老化效果研究*

蘇 盛，侯 攀，賴益土，呂 濤，王 欣，葛蘊珊，呂立群

（1. 北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；2. 廈門環境保護機動車污染控制技術中心，廈門 361023）

前言

三效催化器（three-way catalyst，TWC）技術對尾氣污染物的減排效果顯著，可使汽車尾氣中的CO、HC和NOx同時降低95%以上。隨著排放法規日益嚴格，三效催化器技術成為汽油機污染控制的核心。當三效催化器發生老化，其尾氣凈化效率會顯著降低，甚至完全失效，是造成在用車污染增加的重要原因。

三效催化器老化是非常復雜的物理、化學變化過程，主要因素有4 類：熱老化、化學中毒、機械損傷和結焦［1］。通過改善燃油和潤滑油品質、優化催化劑制造工藝、提升機內凈化水平等手段，基本可以解決化學中毒、機械損傷和結焦［2］等引起的老化，目前，熱老化是三效催化器最主要的老化因素［3］，也是三效催化器老化研究的重點［4-7］。

為確保車輛在全生命周期內三效催化器有效可靠，中國、歐盟和美國最新階段排放標準均允許生產企業使用里程累積循環（approved mileage accumulation，AMA）、標準道路循環（standard road cycle，SRC）作為整車耐久老化循環，模擬車輛行駛全壽命周期下熱老化對三效催化器的老化影響［8-11］。

不同老化循環直接影響到三效催化器熱老化程度，選取了配備同款發動機滿足國VI 標準的純汽油車型和非插電混合動力車型，研究不同老化循環對三效催化器老化程度的影響。

1 試驗部分

使用自動駕駛儀駕駛樣車，運行AMA、SRC、WLTC 以及典型RDE 循環，利用數據采集系統實時采集車輛運行過程中的瞬時溫度和瞬時速度數據。

1.1 樣車選取

本文中研究用純汽油車型（ICE）和油電混合動力車型（HEV）均配備了滿足國VI排放標準的同款汽油機，混動車型增加了驅動電機，按混合動力策略重新標定匹配了發動機控制策略，試驗車輛基本參數見表1。

表1 試驗車輛基本參數

1.2 測試循環特征

測試循環選取輕型車第六階段排放法規要求的4種典型循環［8，12］。

（1）里程累積循環（AMA），EPA早期開發的耐久循環，當時的車輛尚未安裝催化轉化器，循環本身包含很大一部分低速循環，主要目的是模擬發動機的積碳。該循環由11 個子循環組成，每個子循環里程為6 km，包含怠速、勻速、加速、減速工況最高車速113 km/h。

（2）標準道路循環（SRC），由于電控系統和后處理的應用，汽車排放進一步降低，EPA開發了比AMA循環更惡劣的SRC 標準道路循環。該循環由7 個子循環組成，每個子循環里程為6 km，包含怠速、勻速、加速、減速和急加速工況，最高車速129 km/h。

（3）全球統一輕型車駕駛測試循環（WLTC），是由聯合國世界車輛法規協調論壇（WP29）在污染與能源工作組（GRPE）下設的工作組所制定［13］，我國輕型車第六階段排放法規中采用的排放測試循環，替代了之前的NEDC 循環。該循環共計1 800 s 由4 部分組成：低速段589 s；中速段433 s；高速段，455 s；超高速段323 s。

（4）典型實際道路循環（RDE），為防止生產企業開發針對實驗室排放測試的作弊系統，歐洲輕型車第六階段法規開發引入了RDE 試驗，目前已更新至第4 版（Package 4）［14-17］。RDE 循環是在實際道路上進行排放試驗，并不是一個固定的駕駛循環。本文所說的典型RDE 循環是通過采集車輛在實際道路上行駛的路譜得到，包含市區段、市郊段、高速段3 部分，駕駛激烈程度、停車時間等駕駛條件均滿足法規要求，實際道路循環見圖1。

圖1 RDE實際道路循環速度-時間圖

1.3 三效催化器數據采集系統

試驗車輛固定在底盤測功機上，使用自動駕駛儀按照預設循環駕駛車輛，高精度熱電偶傳感器測量三效催化器床體溫度，通過數據采集模塊將該溫度信號和底盤測功機端車速信號以10 Hz 的頻率同步整合、傳輸并記錄，三效催化器數據采集系統的設備信息見表2，示意圖見圖2。

表2 三效催化器數據采集系統設備信息

圖2 三效催化器數據采集系統

在三效催化器內部布置熱電偶傳感器進行溫度采集，為保證三效催化器載體不受到破壞，選擇直徑小于載體空隙的高精度熱電偶傳感器逆于排氣流方向伸入催化劑載體正中心；熱電偶的固定基座安裝在催化器出口處殼體上，三效催化器中熱電偶傳感器布置示意圖見圖3。

圖3 三效催化器熱電偶傳感器布置

2 三效催化器床溫特征與熱損傷分析

2.1 不同循環下的三效催化器床溫特征

為保證溫度數據的重復性，正式試驗前，樣車先進行1 次預試驗，對后處理系統進行預熱，然后連續運行3 次駕駛循環為正式試驗。以純汽油車型為例，統計得到老化循環的特征參數，如表3所示。

表3 老化循環特征參數

圖4 是兩車型在不同循環下三效催化器床溫特征比較，由表3和圖4中可得如下結果。

圖4 不同循環三效催化器床溫特征

（1）AMA 和SRC 循環的平均正加速度和最大正向加速度均高于WLTC 和RDE 循環，三效催化器床溫浮動幅度較大，且平均溫度也較高。

AMA循環三效催化器床溫在490～860 ℃之間變化，純汽油車型和油電混合動力車型的平均溫度分別為608和574 ℃。

SRC 循環三效催化器床溫在480～860 ℃之間變化，純汽油車型和油電混合動力車型的平均溫度分別為620和573 ℃。

WLTC循環三效催化器床溫在440～770 ℃之間，純汽油車型和油電混合動力車型的平均溫度分別為

578和566 ℃。

RDE 循環三效催化器床溫主要在440～800 ℃之間，純汽油車型和油電混合動力車型的平均溫度分別為548和542 ℃。

（2）三效催化器升溫主要發生在加速工況下，相比其他循環，由于AMA和SRC循環包含較多的急加速工況，兩款車型在加速工況下溫度變化較為劇烈。

（3）在部分低速工況下，油電混合動力車型的三效催化器床溫較為穩定且高于純汽油車型，如SRC、WLTC 和RDE 循環初期低速工況和WLTC 循環末端的減速工況及低速工況。推測原因可能由于車輛動力電池經歷較長時間的充電過程，動力電池電量充足，在低速工況下可單獨驅動車輛行駛，此時發動機熄火停止運轉，后處理管理系統通過電加熱策略保證三效催化器一直處于恒溫工作狀態，因而催化劑床溫趨于穩定。

（4）油電混合動力車型由于驅動電機協同工作，相比傳統燃油車，多數工況下，發動機負荷較小，三效催化器床溫更低。其中，勻速工況下，兩車型的三效催化器床溫差值明顯；加速工況下，兩車型的三效催化器床溫差值不明顯。

（5）AMA 循環和SRC 循環下兩車型的三效催化器平均床溫差值明顯，分別為34 和47 ℃，WLTC 循環和RDE 循環下兩車型的三效催化器平均床溫差值不明顯，分別為12 和6 ℃。這是由于AMA 和SRC循環包含大量的勻速工況，而WLTC 和RDE 循環包含大量的加速工況所致。

2.2 不同循環的熱老化強度比較

基于阿倫尼烏斯（Arrhenius）公式的BAT（bench ageing time）方程和熱損傷（thermal damage）公式，對試驗車輛運行不同循環的溫度數據進行處理，并以RDE 實際道路循環為基準，將各循環16 萬km 熱損傷換算至對應的實際道路行駛里程，以表征不同駕駛循環對三效催化器的熱老化強度。

2.2.1 熱損傷計算方法

三效催化器老化主要為熱老化，各國排放法規推薦的臺架老化方法以及各汽車公司和催化器生產企業開發的快速老化方法主要采用基于阿倫尼烏斯機理的BAT 方程進行與實車老化效果等效的熱老化試驗。

BAT方程計算公式如下［18］：

式中：ti為將循環采集的逐秒溫度數據按照一定間隔劃分成不同溫度區間的溫度組后的第i個溫度組的時間，h，其中，i=1，2，…，n；R為催化器熱反應系數，取值17 500；Ti為第i個溫度組的中點溫度，K；t'i為循環中第i個溫度組的時間所對應的有效基準溫度下的等效老化時間，h。

熱損傷計算公式也是基于阿倫尼烏斯機理推導而來，近年來，國內外催化劑研發團隊也開始使用熱損傷公式研究催化劑熱老化，計算公式如下：

式中：H為熱損傷，無量綱參數；B為指前因子，與材料相關的常數，s-1；Tc為循環有效基準溫度，K；tC為循環時長，h。

2.2.2 不同循環16 萬km 熱損傷及RDE 循環等效行駛里程計算

根據上述公式計算得到兩款車型在不同測試循環下的16萬km熱損傷，如圖5所示。

圖5 不同循環16萬km 耐久的三效催化器熱損傷

不同循環下，油電混合動力車型的16 萬km 熱損傷均低于純汽油車型，混合動力技術可有效地減少三效催化器的熱老化程度。

為更加形象地量化不同循環的熱老化強度，以能夠真實反映車輛實際道路駕駛水平的RDE 循環為參照基準，通過上述熱損傷數量關系，可以推算出其他循環行駛16 萬km 所對應的實際道路等效行駛里程，見圖6。

圖6 不同循環16萬km 耐久的實際道路等效行駛里程

根據上述計算結果，可以看出兩款車型以AMA、SRC、WLTC 循環所對應的實際道路等效行駛里程均大于16 萬km，表明車輛以AMA、SRC、WLTC循環進行16 萬km 耐久性試驗，對三效催化器造成的老化效果高于實際道路行駛老化效果。

其中，AMA 和SRC 循環運行16 萬km 所對應的實際道路等效行駛里程均明顯大于16萬km：

（1）純汽油車型，以AMA和SRC循環行駛16萬km，分別相當于實際道路行駛了51.84和60.30萬km；

（2）油電混合動力車型，以AMA和SRC循環行駛16萬km，相當于實際道路行駛了30.44和29.21萬km。

3 結論

（1）三效催化器升溫主要發生在加速工況下，相比WLTC 和典型RDE 循環，AMA 和SRC 循環三效催化器床溫浮動幅度較大，且平均溫度較高。

（2）多數工況下，油電混合動力車型的三效催化器床體溫度較純汽油車型更低；相同循環下，油電混合動力車型的16萬km熱損傷低于純汽油車型。

（3）以AMA 和SRC 循環進行16 萬km 耐久老化對三效催化器造成的熱老化程度明顯高于RDE 循環。純汽油車型：以AMA 和SRC 循環行駛16 萬km對三效催化器造成的熱老化程度，與實際道路行駛了51.84 和60.30 萬km 相同。油電混合動力車型：以AMA 和SRC 循環行駛16 萬km 對三效催化器造成的熱老化程度，相當于實際道路行駛了30.44 和29.21 萬km。

（4）法規推薦AMA 循環和SRC 循環進行實車耐久老化，對三效催化器造成的熱老化程度明顯高于WLTC 循環和RDE 循環，表明AMA 循環和SRC 循環可以充分覆蓋日常的極端駕駛情況，對在用車尾氣形成了有效的監管。