三效催化轉(zhuǎn)換器參數(shù)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(shù)中心有限公司，上海201201；2.中國合格評定國家認(rèn)可委員會，北京100062）

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三效催化轉(zhuǎn)換器參數(shù)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(shù)中心有限公司，上海201201；2.中國合格評定國家認(rèn)可委員會，北京100062）

【摘要】以某搭載1.5L自然吸氣汽油機(jī)的輕型車為研究對象，運用6σ設(shè)計方法對緊耦合式三效催化轉(zhuǎn)換器的載體結(jié)構(gòu)及催化劑技術(shù)對整車排放性能的影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明，催化器載體結(jié)構(gòu)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(yōu)化催化器載體結(jié)構(gòu)及催化劑參數(shù)，可有效降低臨界催化器的整車NOx排放及提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

1　前言

三效催化轉(zhuǎn)換器（以下簡稱催化器）作為一種有效的汽油機(jī)車尾氣排放凈化裝置，對車輛尾氣排放中CO、HC和NOx的轉(zhuǎn)化效率均可在80 %以上[1]。但隨著我國機(jī)動車保有量的不斷增加以及大氣環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，我國機(jī)動車排放法規(guī)不斷完善且對機(jī)動車尾氣排放限值越來越嚴(yán)格[2]。更有資料表明，歐盟對車載診斷系統(tǒng)（OBD）排放限值將進(jìn)一步加嚴(yán)[3]。因此，提高催化器轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)包括載體、催化劑、墊層及殼體，其中催化器載體結(jié)構(gòu)、催化劑對催化器的起燃溫度和催化轉(zhuǎn)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(shù)又是催化劑最關(guān)鍵參數(shù)。在現(xiàn)有的催化器設(shè)計基礎(chǔ)上，合理優(yōu)化催化器載體結(jié)構(gòu)、貴金屬含量及載體涂層技術(shù)，對設(shè)計出符合更加嚴(yán)苛排放法規(guī)的催化器至關(guān)重要。6σ設(shè)計（DFSS）作為一種工程設(shè)計優(yōu)化分析方法，可以極大優(yōu)化設(shè)計，減少試驗次數(shù)，為工程開發(fā)提供有效的試驗分析結(jié)果[6]。

本文以一搭載1.5 L自然吸氣汽油發(fā)動機(jī)的輕型車為研究對象，應(yīng)用DFSS分析方法，分析緊耦合式三效催化轉(zhuǎn)換器載體結(jié)構(gòu)及催化劑參數(shù)對整車排放性能的影響。

2　催化器樣件設(shè)計

對整車排放影響較大的3種催化器參數(shù)（催化器載體結(jié)構(gòu)、載體涂覆技術(shù)及貴金屬含量）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和整車排放性能試驗，并對上述各催化器參數(shù)分別選取3種設(shè)計水平（表1）。催化器涂覆技術(shù)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(shù)影響涂層厚度，表1中涂覆技術(shù)3種方案分別代表的是3種不同的催化器涂覆技術(shù)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(shù)量及試驗次數(shù)，采用DFSS工具中的L9正交列表進(jìn)行正交優(yōu)化，優(yōu)化后的各催化器樣件設(shè)計方案如表2所列。

表1　催化器設(shè)計參數(shù)及水平

為滿足國家輕型車排放法規(guī)要求，催化器設(shè)計既要考慮16萬公里老化催化器的基礎(chǔ)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(xù)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(xù)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(jié)果及分析

3.1催化器起燃特性分析

文獻(xiàn)[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(biāo)，其定義為催化器轉(zhuǎn)化效率達(dá)到50 %時所對應(yīng)的催化器入口溫度[4、5]。在實際車輛排放控制開發(fā)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(fā)動機(jī)進(jìn)入催化器起燃模式下運轉(zhuǎn)。催化器起燃模式下，ECU通過推遲點火角、提高發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速及采用偏稀的可燃混合氣等方式來提高發(fā)動機(jī)的排氣溫度，從而縮短催化器達(dá)到起燃溫度的時間。本文根據(jù)S1樣件的16萬公里老化催化器在NEDC排放測試循環(huán)中車輛冷機(jī)狀態(tài)下的排放特性，設(shè)定催化器起燃功能持續(xù)時間為50 s，并在NEDC排放測試循環(huán)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(jié)束時的催化器床體溫度，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1　排放循環(huán)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(jié)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(shù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及催化劑對整車總碳?xì)洌═HC）和非甲烷碳?xì)洌∟MHC）排放量的影響?？芍?，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(jié)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(jīng)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(zhuǎn)條件下，S1樣件的臨界催化器需要更長的時間才能達(dá)到催化器起燃溫度，從而導(dǎo)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(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)及催化劑對整車CO排放的影響?？芍?，臨界催化器的CO排放量隨著各催化器的不同設(shè)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(shù)對CO排放的影響

3.3 DFSS分析

圖7為DFSS優(yōu)化設(shè)計參數(shù)圖，其中顯示了信號、噪聲因子、控制因子（設(shè)計參數(shù)）、響應(yīng)和癥狀之間的關(guān)系。工程優(yōu)化設(shè)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(tǒng)穩(wěn)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(guān)的信號輸入，且需要盡量降低排放量，因此響應(yīng)類型選擇為非動態(tài)響應(yīng)，且響應(yīng)特性為望小特性。

圖7　DFSS優(yōu)化設(shè)計參數(shù)

由各催化器設(shè)計樣件排放結(jié)果分析，催化器載體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)國家輕型車排放法規(guī)，目前催化器診斷僅要求監(jiān)測NMHC及NOx排放[2]。因此，本次DFSS優(yōu)化設(shè)計主要是針對臨界催化器的NOx排放進(jìn)行。

圖8為臨界催化器NOx排放平均值和信噪比響應(yīng)分析圖，其中A為催化器載體結(jié)構(gòu)，B為涂覆技術(shù)，C為貴金屬含量。可知，催化器設(shè)計參數(shù)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(tǒng)的信噪比增加，NOx排放量減?。▓D9），對于催化器參數(shù)的設(shè)計，降低臨界催化器NOx排放量與提高其穩(wěn)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(shù)設(shè)計的最優(yōu)設(shè)計方案，即催化器的最優(yōu)設(shè)計方案為載體結(jié)構(gòu)為600/4、涂覆技術(shù)為方案2和貴金屬含量增加20 %的設(shè)計。

圖8　NOx排放平均值及信噪比響應(yīng)

圖9　NOx排放與信噪比關(guān)系

4　結(jié)束語

a.催化器載體結(jié)構(gòu)及催化劑參數(shù)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(jié)構(gòu)及催化劑參數(shù)對臨界催化器的整車NOx排放影響較大，合理設(shè)計催化器參數(shù)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(tǒng)的穩(wěn)健性相一致，有利于低NOx排放量的臨界催化器參數(shù)設(shè)計的穩(wěn)健性。

d.通過DFSS優(yōu)化設(shè)計，本次催化器設(shè)計最優(yōu)方案為A1B2C2，即選擇載體結(jié)構(gòu)為600/4、涂覆技術(shù)為方案2和貴金屬含量增加20 %的設(shè)計，可以有效降低臨界催化器的整車NOx排放量和提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

參考文獻(xiàn)

1周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)（第2版）.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

2中國汽車技術(shù)研究中心,中國環(huán)境科學(xué)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(huán)境科學(xué)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化器起燃溫度的數(shù)值模擬.安全與環(huán)境學(xué)報，2004, 4（2）：3～6.

6余秀慧，謝騁，孫麗麗.六西格瑪設(shè)計在汽車產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)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(shù)研究：[學(xué)位論文].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

（責(zé)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(xiàn)標(biāo)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(zhuǎn)換器載體結(jié)構(gòu)催化劑排放性能