TWC貴金屬含量偏差對發動機排放的影響研究

李 亮，曹 夢，唐志剛，張天宇，孫豐山，王 凱，曲志林

(1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261001；2. 濰柴西港新能源動力有限公司，山東 濰坊 261001)

0 前言

隨著國家經濟高速發展，汽車保有量也在迅速上升，汽車尾氣排放已成為環境污染主要來源[1-2]。2019年7月1日，重型燃氣車開始執行滿足國家六階段機動車污染物排放標準——《GB 17691—2018重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》。執行國六標準以來，天然氣發動機大都采用單點噴射+當量燃燒+TWC的技術路線。TWC作為尾氣凈化裝置得到了廣泛應用[3-4]。

TWC貴金屬含量直接影響其尾氣處理能力，其含量受制造工藝影響，偏差范圍為設計值±10%。基于上述原因，為了滿足國家排放要求，發動機排放性能開發需要兼顧制造工藝偏差帶來的影響。

1 試驗方案

根據實際制造工藝可能產生的貴金屬含量偏差在設計值的±10%之內，定制貴金屬含量相對設計值偏差10%，-5%，-10%三種偏差件，這三種偏差件可以代表合格三元催化器貴金屬含量不同時的情況，除此之外，定制貴金屬含量相對設計值偏差-15%的偏差件，目的是為了觀測當三元催化器貴金屬含量不合格時對排放產生的影響。

1.1 偏差件準備

試驗準備貴金屬涂覆量相對設計值偏差+10%、-5%、-10%、-15%四種TWC偏差件，編號依次為A、B、C、D，如表1所示。

表1 試驗用TWC貴金屬含量

1.2 試驗項目

不同貴金屬含量催化器對比試驗項目如表2所示。

表2 不同貴金屬含量催化器對比試驗項目

1.2.1 預處理試驗

首先進行100h預處理，預處理工況如表3所示。預處理試驗的目的：對于單一催化器來說，進行預試驗可以使催化器處理尾氣的能力達到穩定，保證后續試驗過程中的一致性。對于四個催化器都進行相同的100h預試驗，可以保證催化器互相之間的一致性。

表3 催化器預處理試驗工況

1.2.2 冷熱態WHTC循環排放試驗

催化器A、B、C、D分別在冷機8h后進行冷熱態WHTC循環排放測試。

1.2.3 TWC儲氧量測試試驗

TWC的內部通過不斷存儲和釋放氧氣來調節氧氣濃度的大小，保證其內部化學反應的正常進行，達到最大的轉化效率。氧氣儲放能力通過儲氧量來表征，儲氧量越大，調節氧氣濃度的能力就越強。同時儲氧量也是評價TWC劣化程度的重要技術指標。

TWC儲氧量測試試驗首先安裝催化器A，發動機轉速1000r/min，油門20%，運行至催化器溫度穩定，進入倒拖模式，持續10s后，油門恢復至20%，記錄計算的儲氧量，按照表4所示催化器儲氧量測試試驗工況進行其余工況儲氧量測試。后續更換催化器B、C、D，重復催化器A完成的試驗。

表4 催化器儲氧量測試試驗工況

2 試驗結果及分析

2.1 WHTC循環排放試驗

天然氣發動機的WHTC循環排放結果必須滿足國六階段法規要求，并且在滿足法規要求的前提下，一般還要滿足更嚴格的工程指標限值，目的是為了留出足夠的余量，避免超出法規限值[5-6]。天然氣發動機的法規限值和工程指標限值如表5所示。

表5 發動機標準循環排放限值(點燃式)

進行WHTC循環試驗，根據冷態和熱態的排放結果計算冷熱態加權排放結果，公式如下：

Rresult=(1/7)*Rcold+(6/7)*Rhot

(1)

其中Rresult為冷熱態加權的計算結果，Rcold為冷態排放結果，Rhot為熱態排放結果。不同貴金屬含量冷熱態WHTC循環結果如表6所示。原排偏差在±4%以內，隨著催化器貴金屬含量的減少，尾排有惡化趨勢。

表6 不同貴金屬含量冷熱態WHTC循環結果

為了便于觀察不同貴金屬含量偏差的TWC對排放的影響大小，對表6中數據進行處理，計算尾排的工程指標余量，工程指標余量代表實際排放結果與工程指標限值之間余量的大小。計算公式如下：

Q=(L-R)/R

(2)

其中Q為工程指標余量，L為工程指標限值，R為實際排放結果。計算各種排放物的工程指標余量如表7所示。催化器在設計公差±10%的范圍內尾排排放滿足工程指標要求且余量很大。排放余量如表7所示：CO為91%，NOX為54%，NMHC為81%，CH4為68%，NH3為21%，且變化趨勢穩定。貴金屬含量-15%偏差件，排放同樣滿足工程指標要求，尾排NOX余量明顯減小，降低至17%。

表7 不同貴金屬含量WHTC循環排放結果工程指標余量

為了更加直觀地觀察貴金屬含量的變化對不同排放物的影響，將四種催化器的冷熱態加權尾排結果進行總和標準化處理，以催化器A的CO排放結果為例，公式如下：

SA_co=NA_co/(NA_co+NB_co+NC_co+ND_co)

(3)

其中SA_CO為A催化器CO的總和標準化值，NA_CO、NB_CO、NC_CO、ND_CO分別為A、B、C、D催化器CO的冷熱態加權尾排結果。對所有數據處理后，原排冷熱態加權結果如圖1，尾排冷熱態加權結果如圖2。

從圖1中可以發現，不同貴金屬含量的催化器對于各種排放物的原排幾乎沒有影響，標準化值均在0.25附近；圖2中得出D催化器的各種排放物的尾排更大，尤其是NOX、NMHC，說明催化器中貴金屬含量的減少會導致尾氣處理能力的下降，尾排惡化。

2.2 穩態儲氧量測試

TWC中貴金屬儲氧量的大小可以代表它對尾氣污染物處理能力的強弱，在不同的轉速負荷工況下，測試A、B、C、D催化器的儲氧量，測試結果如表8所示。將表8的數據轉化成曲線，四個催化器可以得到四條測試曲線，如圖3所示。

表8 不同貴金屬涂覆量穩態儲氧量對比

從圖3中可發現，隨著催化器中貴金屬含量的降低，各個工況下測得的儲氧量呈現下降的趨勢，尤其是D催化器在各種不同工況下測得的儲氧量都為最低，結合WHTC的排放試驗結果，說明儲氧量的下降會導致尾排惡化。

2.3 WHTC循環催化器溫度測試

冷態和熱態WHTC循環時，記錄四種催化器入口溫度和出口溫度的變化，催化器入口溫度分別如圖4和圖5所示，冷熱態催化器前溫度基本一致，說明催化器貴金屬含量的大小對催化器入口溫度幾乎無影響。

冷態和熱態WHTC循環催化器出口的溫度分別如圖6和圖7所示，在相同的催化器入口溫度下，隨著催化器中貴金屬含量升高，起燃溫度降低，催化器出口的溫度升高，說明催化器貴金屬含量的升高會促進排放物發生氧化還原反應，釋放出更多的熱能。催化器D的出口溫度明顯低于其他三個催化器。

3 結論

1) TWC貴金屬含量在-15%～+10%的制造偏差范圍內，WHTC排放結果可以滿足國六法規要求，且余量充足。

2) TWC中貴金屬含量升高可以提高催化器的儲氧能力，進而提高TWC對排放物的轉化效率。

3) TWC中貴金屬含量升高可以降低反應起燃溫度，進而提高低溫時TWC對排放物的轉化效率。