鈀釕催化器在某乘用車(chē)上的應(yīng)用分析與優(yōu)化

摘 要：文章以創(chuàng)新性鈀釕催化器在某乘用車(chē)上的搭載應(yīng)用為研究對(duì)象，對(duì)該催化器的方案及ECU軟件進(jìn)行研究分析與優(yōu)化，使其滿(mǎn)足銷(xiāo)售地區(qū)法規(guī)要求；在達(dá)成減少氣體污染物排放的前提下，不僅打破汽車(chē)三元催化器對(duì)銠元素使用的依賴(lài)，避免進(jìn)口原材料卡脖子的狀況發(fā)生，而且有效降低三元催化器的成本。

關(guān)鍵詞：催化器 鈀 銠 釕 排放 ECU

從2020年9月起，我國(guó)在關(guān)于“碳達(dá)峰目標(biāo)和碳中和遠(yuǎn)景”中，明確提出“2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)乘用車(chē)減碳減排，推動(dòng)碳排放盡早達(dá)峰，需要對(duì)汽車(chē)污染物，尤其是尾氣排放污染物控制的硬件和軟件進(jìn)行技術(shù)提升，三元催化器作為汽車(chē)尾氣排放污染物控制的核心后處理零部件，其創(chuàng)新性設(shè)計(jì)應(yīng)用意義重大。目前乘用車(chē)三元催化器中的貴金屬材料主要為鉑、鈀、銠三種元素，其中鉑鈀可互相替代，而銠必不可少；且銠的全球存量很少，我國(guó)約90%依賴(lài)進(jìn)口。由于釕元素同樣具備催化還原能力，存量相較銠元素大，為避免銠材料的進(jìn)口卡脖子風(fēng)險(xiǎn)，保障我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健發(fā)展，在汽車(chē)三元催化器中創(chuàng)新性引入釕材料使用，減少對(duì)銠材料的進(jìn)口依賴(lài)。

1 排放產(chǎn)生機(jī)理及影響因素

1.1 排放污染物生成機(jī)理

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)由于燃燒時(shí)間很短，可燃混合氣無(wú)法完全混合均勻，造成燃料的氧化反應(yīng)不完全，排氣中會(huì)出現(xiàn)不完全燃燒產(chǎn)物HC和CO；NOx主要成分是NO，NO的主要來(lái)源是參與燃燒的空氣中的氮，NOx生成的條件是混合氣燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫富氧。

1.2 排放的主要影響因素

1.2.1 三元催化器

三元催化器的布置位置、載體類(lèi)型及貴金屬方案均會(huì)對(duì)排放產(chǎn)生影響；現(xiàn)階段作為催化劑的貴金屬主要是鈀（Pd）和銠（Rh），鈀（Pd）主要催化CO和HC的氧化反應(yīng)，銠催化NOx的還原反應(yīng)，釕具有同銠一樣的作用。鉑也可以催化CO和HC的氧化反應(yīng)，但是由于成本因素，鉑的使用經(jīng)濟(jì)效益不高。

1.2.2 ECU排放控制相關(guān)數(shù)據(jù)匹配

ECU軟件方面影響排放的因素眾多，主要為起動(dòng)、起動(dòng)后與暖機(jī)過(guò)程中的空燃比控制及催化器加熱模塊；起動(dòng)及暖機(jī)過(guò)程中催化器還未起燃，通過(guò)調(diào)整起動(dòng)和起動(dòng)后的空燃比，在保證起動(dòng)安全和燃燒穩(wěn)定的前提下，使發(fā)動(dòng)機(jī)的原始排放盡量減少；催化器的起燃需要一定的溫度條件，為了讓催化器盡快起燃，達(dá)到高轉(zhuǎn)化效率，需要匹配催化器加熱功能。

2 貴金屬方案制定

2.1 理論方案制定

根據(jù)車(chē)輛整備質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)排量、動(dòng)力總成配置及催化器布置位置等信息，同時(shí)結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)原排數(shù)據(jù)分析，在滿(mǎn)足車(chē)輛銷(xiāo)售地排放法規(guī)要求的前提下，初步核算制定一種理論的貴金屬方案用于本車(chē)型上進(jìn)行排放試驗(yàn)摸底驗(yàn)證，具體方案如表1所示。

2.2 整車(chē)排放摸底

本文中以某款自動(dòng)檔外銷(xiāo)車(chē)輛為原型，試驗(yàn)車(chē)輛（#1車(chē)）磨合1500km以上，車(chē)輛銷(xiāo)售地法規(guī)為歐六B，根據(jù)歐六B排放法規(guī)要求排放試驗(yàn)按照NEDC工況在某企業(yè)省重點(diǎn)節(jié)能減排試驗(yàn)室進(jìn)行，為保證結(jié)果的可靠性，進(jìn)行兩次排放試驗(yàn)，得出排放結(jié)果如表2所示。

從排放試驗(yàn)結(jié)果可以看出，理論方案催化器在整車(chē)NEDC工況排放試驗(yàn)中，各氣態(tài)污染物排放表現(xiàn)良好，其HC、NOx及CO的排放裕度均較大，貴金屬方案存在進(jìn)一步優(yōu)化空間。

3 貴金屬方案優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案確認(rèn)

由于理論貴金屬配比方案排放驗(yàn)證結(jié)果較好，為實(shí)現(xiàn)降本增效，對(duì)貴金屬配比進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合HC、NOx和CO均有較大調(diào)整空間，故分別對(duì)Pd、Rh及Ru進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整以實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)測(cè)算論證調(diào)整方案如下表3。

3.2 催化器優(yōu)化后整車(chē)排放驗(yàn)證

優(yōu)化后的催化器樣件搭載在#1車(chē)上進(jìn)行排放驗(yàn)證，排放結(jié)果NMHC和NOx均符合法規(guī)限值要求，且具備一定的一致性，但略超工程目標(biāo)，具體結(jié)果如表4所示。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控制數(shù)據(jù)分析

由于催化器優(yōu)化方案的排放結(jié)果超工程目標(biāo)，對(duì)于狀態(tài)劣化的車(chē)輛或油品較差區(qū)域存在排放一致性風(fēng)險(xiǎn)，故需對(duì)該排放結(jié)果進(jìn)行分析，確認(rèn)ECU軟件方面是否存在優(yōu)化空間。

3.3.1 排放秒采分析

通過(guò)排放報(bào)告中的排放秒采數(shù)據(jù)（圖1），分析確認(rèn)貴金屬方案變更前后排放差異部分主要集中在車(chē)輛冷起動(dòng)和起步階段。

3.3.2 測(cè)量文件分析

從INCA軟件采集的數(shù)據(jù)（圖2）可以看出，在整車(chē)起動(dòng)后怠速階段空燃比偏濃，基本維持在1左右，最稀的點(diǎn)僅1.03，最濃為0.98，由于空燃比偏濃不利于HC排放，判定HC仍可通過(guò)調(diào)整該部分空燃比進(jìn)行優(yōu)化。

3.3.3 催化器起燃溫度及時(shí)間確認(rèn)

由于排放污染物主要集中在車(chē)輛冷起動(dòng)及暖機(jī)階段，懷疑此時(shí)催化器還未起燃，故安排臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)催化器起燃溫度進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證；依據(jù)HJ/T331-2006 《環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求汽油車(chē)用催化轉(zhuǎn)化器》中起燃溫度試驗(yàn)方法，測(cè)試出HC的起燃溫度T50≤318℃、完全轉(zhuǎn)化溫度T90≤333℃，NOx的起燃溫度T50≤320℃、完全轉(zhuǎn)化溫度T90≤334℃；結(jié)合實(shí)車(chē)轉(zhuǎn)轂NEDC工況排溫測(cè)試，確定在NEDC工況中在起動(dòng)40s左右催化器才達(dá)到起燃溫度。

3.4 ECU數(shù)據(jù)優(yōu)化

綜上，因在NEDC工況中NMHC和NOx大量產(chǎn)生的位置，催化器還未起燃；ECU標(biāo)定上主要嘗試從加快催化器起燃速度方面進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試；同時(shí)針對(duì)HC較高問(wèn)題，結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)上空燃比表現(xiàn)較濃，進(jìn)行相應(yīng)的減稀優(yōu)化，實(shí)施方案如下。

3.4.1 加速催化器起燃

①減小催化器加熱階段點(diǎn)火角（將起動(dòng)后怠速階段和起步時(shí)的點(diǎn)火角均進(jìn)行修訂）；

②提升催化器加熱轉(zhuǎn)速（由1300rpm提升至1400rpm）；

③TCU配合調(diào)整換檔線，將低溫工況下1檔升2檔的設(shè)定車(chē)速上調(diào)，使得NEDC工況第一個(gè)爬坡位置全部使用1檔進(jìn)行，提升轉(zhuǎn)速加快起燃。

3.4.2 空燃比調(diào)整

①對(duì)應(yīng)起動(dòng)后怠速階段空燃比相對(duì)較濃問(wèn)題，通過(guò)ECU調(diào)整噴油預(yù)控，從而調(diào)整起動(dòng)后怠速階段的空燃比（減稀3%左右）；

②對(duì)應(yīng)NMHC較高問(wèn)題，調(diào)整起動(dòng)階段空燃比，減稀3%左右；

③對(duì)應(yīng)NOx較高問(wèn)題，縮短催化器起燃階段空燃比減稀作用的時(shí)間（由40s減至32s）。

3.5 排放驗(yàn)證

由于NMHC和NOx同時(shí)超工程目標(biāo)，ECU優(yōu)化的第一種方案主要考慮提升催化器起燃速度，空燃比嘗試小幅度減稀（3%）；經(jīng)過(guò)排放驗(yàn)證，NMHC下降較明顯，NOx基本同數(shù)據(jù)優(yōu)化前相當(dāng)，未出現(xiàn)上升趨勢(shì)；為進(jìn)一步確認(rèn)NMHC是否還有優(yōu)化空間，繼續(xù)加大空燃比減稀幅度作為第二種方案進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果NOx超出目標(biāo)較多；故繼續(xù)從提升起燃速度上再進(jìn)行優(yōu)化，由于繼續(xù)推遲點(diǎn)火角將影響動(dòng)力性，故嘗試提升催化器加熱轉(zhuǎn)速，同時(shí)針對(duì)NOx偏高的問(wèn)題，進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訚猓囼?yàn)結(jié)果NMHC和NOx均滿(mǎn)足工程目標(biāo)；增加排放試驗(yàn)進(jìn)行排放一致性驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果基本相當(dāng)（相關(guān)排放結(jié)果見(jiàn)下表5），因此鎖定該催化器方案為最終方案。

依此最終貴金屬配比方案再試制兩套催化器樣件，使用同版ECU數(shù)據(jù)，增加車(chē)輛進(jìn)行排放驗(yàn)證，通過(guò)兩臺(tái)試驗(yàn)車(chē)分別搭載兩套催化器樣件各進(jìn)行兩次排放試驗(yàn)驗(yàn)證，排放結(jié)果均滿(mǎn)足工程目標(biāo)要求，ECU排放相關(guān)數(shù)據(jù)依此狀態(tài)進(jìn)行固化。

4 結(jié)論

本文針對(duì)創(chuàng)新性鈀釕催化器在實(shí)車(chē)上的應(yīng)用，進(jìn)行實(shí)車(chē)排放摸底優(yōu)化驗(yàn)證；在理論貴金屬方案滿(mǎn)足排放目標(biāo)要求時(shí)，為實(shí)現(xiàn)降本增效，對(duì)貴金屬方案進(jìn)行適當(dāng)遞減優(yōu)化；優(yōu)化后的貴金屬方案的排放氣態(tài)污染物較高，根據(jù)排放秒采數(shù)據(jù)確定排放污染物主要集中在起動(dòng)及起步階段，結(jié)合INCA測(cè)量數(shù)據(jù)，鎖定污染物排放較高的原因?yàn)槠饎?dòng)后空燃比相對(duì)偏濃；根據(jù)NEDC工況下排溫測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由于催化器在整車(chē)上的布置原因，在NDEC工況中催化器在起動(dòng)后40s才達(dá)到起燃溫度，起燃時(shí)間相對(duì)較遲；ECU軟件控制策略上著重從提升催化器起燃速度及優(yōu)化目標(biāo)空燃比上進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)多輪調(diào)試通過(guò)不同控制方案的搭配驗(yàn)證，使降本的鈀釕方案催化器適配整車(chē)滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)目標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和企業(yè)社會(huì)責(zé)任的平衡。

基金項(xiàng)目：創(chuàng)新型三元催化器在汽車(chē)減排系統(tǒng)中研發(fā)及應(yīng)用（福建省乘用車(chē)節(jié)能減排技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），項(xiàng)目編號(hào)：2022L3021。

參考文獻(xiàn)：

[1]周松，肖友洪，朱元清.內(nèi)燃機(jī)排放與污染控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[2]周敏.汽油車(chē)尾氣后處理系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展與未來(lái)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2020，45（21）：253-256.

[3]姚慧，楊惠玲.催化劑中貴金屬與汽車(chē)排放關(guān)系的研究[J].貴金屬，2016，37（S1）：134-138.