滿足未來(lái)排放法規(guī)的先進(jìn)三元催化器技術(shù)

【德】　J.Schoenhaber　J.M.Richter　J.Despres　M.Schmidt　S.Spiess　M.Roesch

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廢氣凈化

滿足未來(lái)排放法規(guī)的先進(jìn)三元催化器技術(shù)

【德】J.SchoenhaberJ.M.RichterJ.DespresM.SchmidtS.SpiessM.Roesch

歐洲的新排放法規(guī)歐6要求在更多實(shí)際行駛工況下達(dá)到更嚴(yán)格的碳?xì)浠?HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和顆粒物排放。該法規(guī)還將引入測(cè)量CO2排放的全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)規(guī)程(WLTP)行駛循環(huán)和新的實(shí)際行駛排放(RDE)要求。RDE法規(guī)要求確?，F(xiàn)代車輛在所有常態(tài)行駛工況下都符合排放法規(guī)。這就需要有更可靠的排氣后處理措施來(lái)滿足這些新要求。介紹1種為應(yīng)對(duì)新法規(guī)而改進(jìn)的汽油機(jī)用三元催化器。在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)工況下，在若干發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛上按各種行駛循環(huán)對(duì)這種催化器進(jìn)行了試驗(yàn)。這種催化器與之前幾代催化器相比具有更好的熱穩(wěn)定性和更低的排氣背壓。這種新三元催化器具有能降低30% NOx排放的潛力，更重要的是，它能在高動(dòng)態(tài)工況下提高CO/NOx的轉(zhuǎn)化效率。最后，診斷顯示，新三元催化器的儲(chǔ)氧能力得到了優(yōu)化。

催化劑配方排放三元催化器

0　前言

歐洲和美國(guó)現(xiàn)行排放法規(guī)的目標(biāo)是提高乘用車的燃油經(jīng)濟(jì)性和降低有害污染物排放。例如，美國(guó)要求燃油經(jīng)濟(jì)性必須從目前的平均值35mile/g①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編著。提高到2025年的約50mile/g[1]。在歐洲，對(duì)汽車制造商也提出了類似的要求。2021年，新注冊(cè)汽車的CO2排放量必須低于平均值95g/km[2]，并且極有可能決定將更接近于實(shí)際行駛狀況的全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)規(guī)程(WLTP)代替現(xiàn)行的新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)草案。同時(shí)，歐6法規(guī)將引入新的實(shí)際行駛排放(RDE)要求，以確保車輛在所有正常行駛工況下的有害污染物排放符合現(xiàn)行排放限值。在美國(guó)的LEV3法規(guī)中引入了更嚴(yán)格的非甲烷有機(jī)氣體(NMOG)和氮氧化物(NOx)排放限值[3-4]。為滿足未來(lái)排放和燃油經(jīng)濟(jì)性的要求，車輛開始配裝渦輪增壓直噴汽油機(jī)，因?yàn)樗c進(jìn)氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，具有更優(yōu)異的燃油經(jīng)濟(jì)性、更高的功率密度和更好的駕駛性[5]。這些新的渦輪增壓直噴汽油機(jī)具有一些創(chuàng)新技術(shù)特征，如停缸和可變氣門正時(shí)。這些新技術(shù)優(yōu)化了燃燒過(guò)程。同時(shí)，這些車輛還采用先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定策略，如優(yōu)化冷起動(dòng)時(shí)的暖機(jī)策略[6]和怠速期間的發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)策略(自動(dòng)起停)。1種在正常行駛時(shí)采用的降低濃混合氣所占比例的改進(jìn)空燃比λ控制策略也是這種先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定的主要特征。發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和未來(lái)日趨嚴(yán)格的燃油耗法規(guī)(CO2法規(guī))，以及政府推出的排放法規(guī)(如歐6、LEV3)將給未來(lái)的排氣后處理帶來(lái)更多的困難。優(yōu)化的燃燒和增壓技術(shù)使發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)的排氣溫度明顯降低，因而導(dǎo)致催化劑的工作溫度降低。這給三元催化器的催化性能帶來(lái)了不利影響，同時(shí)也不利于滿足未來(lái)更低的排放限值。另外，諸如減速斷油、掃氣和高負(fù)荷時(shí)禁止形成濃混合氣等項(xiàng)的措施會(huì)使排氣溫度達(dá)到900～950℃，這會(huì)引起催化劑的嚴(yán)重老化[7]。同時(shí)，未來(lái)的動(dòng)態(tài)行駛工況和RDE要求會(huì)導(dǎo)致車輛行駛時(shí)頻繁的濃-稀混合氣和稀-濃混合氣轉(zhuǎn)換。因此，要求催化器具有較高的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)氧能力(OSC)，以避免稀燃排氣帶來(lái)的NOx超標(biāo)。最后，為符合現(xiàn)有的車載診斷(OBD)法規(guī)，催化器必須在整個(gè)壽命期內(nèi)保持合理的儲(chǔ)氧能力。綜上所述，需要開發(fā)1種新的三元催化器來(lái)滿足未來(lái)的所有要求。催化器開發(fā)的主要目標(biāo)是優(yōu)化儲(chǔ)氧材料，使其在寬廣的空燃比λ范圍內(nèi)具有出色的CO/NOx轉(zhuǎn)化效率，特別是在動(dòng)態(tài)工況和大排氣流量工況時(shí)。另外1個(gè)重要目標(biāo)是調(diào)整新催化器的總儲(chǔ)氧量，以滿足催化器診斷要求。同時(shí)，新催化器的排氣背壓應(yīng)與先前催化器的背壓相當(dāng)或更低，以避免燃油和功率損失。由于采用了積極的冷起動(dòng)催化劑加熱措施，如目前增壓直噴汽油機(jī)采用的推遲點(diǎn)火和/或多次燃油噴射措施，開發(fā)階段不用太關(guān)注催化劑的起燃性能。這些冷起動(dòng)加熱措施確保了排氣系統(tǒng)的快速升溫。

1　結(jié)果和討論

1.1三元催化器設(shè)計(jì)

與前幾代三元催化器相比，新三元催化器配方采用了具有更高熱穩(wěn)定性的氧化鋁和儲(chǔ)氧材料。同時(shí)，適度增加二氧化鈰/一氧化鋯復(fù)合氧化物的總量，以提高儲(chǔ)氧能力。材料的改進(jìn)和儲(chǔ)氧材料的適度增加能保證催化器診斷時(shí)新鮮催化劑的快速凈化，并且不會(huì)產(chǎn)生明顯的燃油損失。更重要的是，新配方能使催化器在整個(gè)壽命期內(nèi)保持非常高的CO/NOx轉(zhuǎn)化效率。

1.2發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

新開發(fā)的先進(jìn)三元催化劑與滿足歐5/6法規(guī)的量產(chǎn)參比三元催化器在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架機(jī)上進(jìn)行全面對(duì)比試驗(yàn)。為了進(jìn)行合理的對(duì)比，每種試驗(yàn)用的催化器都采用相同的涂層和貴金屬涂載量。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)前，參比催化器和先進(jìn)催化器都在1款4.8L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)上按照德國(guó)汽車制造商協(xié)會(huì)排氣中心制定的規(guī)程(ZDAKW)進(jìn)行76h斷油老化試驗(yàn)(圖1)。這種老化試驗(yàn)?zāi)M了整個(gè)使用壽命期間的性能[8]。斷油老化試驗(yàn)時(shí)，催化器入口的排氣溫度平均達(dá)到950℃，能產(chǎn)生1030℃的床溫，因而會(huì)對(duì)儲(chǔ)氧材料造成不可逆損壞和貴金屬的明顯燒結(jié)。采用的斷油老化規(guī)程包含空燃比λ=1時(shí)的 5min 高溫試驗(yàn)階段和節(jié)氣門關(guān)閉時(shí)的5min內(nèi)5次斷油氧化試驗(yàn)。ZDAKW推薦的另一項(xiàng)中毒試驗(yàn)則沒(méi)有進(jìn)行。老化試驗(yàn)結(jié)束后，在1款4.2L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了空燃比特性試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)催化器入口溫度恒定為510℃，排氣流量為110kg/h，空燃比λ的變化范圍為6.8%，頻率為1Hz。

圖1　76h斷油老化后參比三元催化器和先進(jìn)三元催化器在空燃比特性試驗(yàn)時(shí)的CO轉(zhuǎn)化效率

新配方三元催化器相對(duì)于參比三元催化器的優(yōu)點(diǎn)是明顯的。在0.990～1.010的寬廣的λ范圍內(nèi)，先進(jìn)三元催化器的CO/NOx轉(zhuǎn)化效率明顯提高，其中CO轉(zhuǎn)化效率提高了20%，NOx轉(zhuǎn)化效率提高了10%以上(圖2)。更深入的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架機(jī)試驗(yàn)還表明先進(jìn)三元催化器具有更好的λ響應(yīng)特性，而且催化劑起燃也有輕微的改善。先進(jìn)三元催化器在空燃比特性試驗(yàn)時(shí)具有較好的CO/NOx轉(zhuǎn)化效率和空燃比λ響應(yīng)特性，主要是因?yàn)殁嬩啅?fù)合氧化物的含量增加，因而能確保催化器在各種工作條件下都具有較高的儲(chǔ)氧能力(圖3)。在儲(chǔ)氧能力試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)測(cè)定8種不同排氣流量和催化劑溫度組合下濃-稀混合氣轉(zhuǎn)換(λ=0.96～1.04)時(shí)的儲(chǔ)氧量[9]，獲得了儲(chǔ)氧能力圖譜(圖3)。從整個(gè)圖上可以看出，先進(jìn)三元催化器的儲(chǔ)氧能力比參比三元催化器提高了15%～30%。

圖2　76h斷油老化后參比三元催化器和先進(jìn)三元催化器在空燃比特性試驗(yàn)時(shí)的NOx轉(zhuǎn)化效率

圖3　參比三元催化器和先進(jìn)三元催化器儲(chǔ)氧量試驗(yàn)時(shí)的儲(chǔ)氧能力差異

1.3行駛循環(huán)試驗(yàn)

除了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)之外，先進(jìn)三元催化器和參比三元催化器還在多臺(tái)車輛上進(jìn)行了不同的行駛循環(huán)試驗(yàn)。為每種車輛和每種催化器制備了1組含不同鉑系金屬(PGM)涂載量的催化器或催化系統(tǒng)。同時(shí)，所有系統(tǒng)在車輛試驗(yàn)前都在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行老化試驗(yàn)。老化時(shí)間根據(jù)每款車輛的催化劑成分和發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定確定。首先，對(duì)4種不同的試驗(yàn)配置情況按NEDC工況，進(jìn)行試驗(yàn)研究(表1)。配置1，用1臺(tái)2.0L渦輪增壓直噴車輛，對(duì)經(jīng)過(guò)76h斷油老化的雙塊式先進(jìn)三元催化器和相應(yīng)的歐5/6參比催化器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。配置2和3，用2款不同的1.4L渦輪增壓直噴車輛進(jìn)行相同的對(duì)比試驗(yàn)。配置2是用1臺(tái)配裝歐4認(rèn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛進(jìn)行試驗(yàn)，而配置3則用配裝最新渦輪增壓直噴汽油機(jī)的歐5認(rèn)證車輛進(jìn)行試驗(yàn)。配置4，在歐6認(rèn)證的車輛上對(duì)參比催化器和先進(jìn)三元催化器進(jìn)行試驗(yàn)。觀察到4款車輛采用先進(jìn)三元催化器時(shí)有害污染物排放均有明顯的降低。

先進(jìn)三元催化器的優(yōu)點(diǎn)在配裝2.0L渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的歐5認(rèn)證車輛上減排效果十分明顯(圖4)。與歐5/6參比催化器相比，CO排放降低了13%，NOx排放降低了23%。1.4L渦輪增壓直噴車輛的試驗(yàn)結(jié)果略微不同。對(duì)于歐4認(rèn)證的1.4L渦輪增壓直噴車輛，先進(jìn)三元催化器與參比催化器相比，碳?xì)浠衔?HC)排放和NOx排放分別大幅降低了11%和18%，但CO排放只降低5%。1.4L歐5認(rèn)證車輛采用了最新的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和標(biāo)定策略。盡管由于歐5發(fā)動(dòng)機(jī)具有極低的原始排放和出色的標(biāo)定而使2種催化器的絕對(duì)差異減小，但在該車輛上先進(jìn)三元催化器的優(yōu)點(diǎn)還是顯而易見(jiàn)的。同時(shí)值得注意的是，1.4L 歐5認(rèn)證車輛盡管采用了在950℃下經(jīng)過(guò) 114h 斷油老化的2種催化器，但其排放仍遠(yuǎn)低于歐5和歐6整個(gè)使用壽命期間的閾值。對(duì)于歐6認(rèn)證的2.0L渦輪增壓直噴車輛，其CO排放降低了25%，NOx排放降低了16%。在分析了上述4種配置情況后，為了在動(dòng)態(tài)的行駛工況比NEDC更多的情況下對(duì)先進(jìn)三元催化器進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究，增加了FTP-75試驗(yàn)。因此，在2臺(tái)不同車輛上對(duì)2種催化器進(jìn)行了試驗(yàn)。首先，配置5是用1款配裝帶二次空氣噴射的2.0L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的超低排放車輛(ULEV)對(duì)經(jīng)斷油老化的雙塊式先進(jìn)三元催化器和參比催化器進(jìn)行試驗(yàn)。催化器布置型式為單筒雙體(SVCC)結(jié)構(gòu)，其中后氧傳感器布置在2個(gè)催化塊之間。另外，配置6(表2)為1臺(tái)滿足 ULEV-70 認(rèn)證的2.0L渦輪增壓直噴車輛對(duì)經(jīng)斷油老化的單塊式催化器進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)。

表1　按NEDC對(duì)參比催化器和先進(jìn)三元催化器進(jìn)行比較時(shí)采用的不同試驗(yàn)配置(1～4)

圖4　歐5/6參比催化器和先進(jìn)三元催化器配裝在4種不同發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛上按NEDC試驗(yàn)時(shí)的尾管排放量

項(xiàng)目配置5配置6車輛配裝帶二次空氣噴射的2.0L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)配裝2.0L渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)ULEVULEV-70催化器體積/L0.81+0.811.24PGM含量/(g·cft-1)73+2350斷油老化時(shí)間/h15076行駛循環(huán)FTP-75FTP-75

與NEDC試驗(yàn)的結(jié)果類似，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，采用先進(jìn)三元催化器后排放有很大改善(圖5)。在配置5中，先進(jìn)催化器顯示具有降低CO和NOx排放的極大潛力，因而有可能降低PGM的用量，從而節(jié)約成本。與參比三元催化器相比，尾管排放的CO和NOx降低了約35%。這一觀察結(jié)果在配置6試驗(yàn)中得到了證實(shí)，但是與之前的案例相比效果稍有遜色。搭載2.0L渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)車輛仍具有大幅降低CO和NOx排放的潛力。

圖5　歐5/6參比催化器和先進(jìn)三元進(jìn)催化器配裝在不同發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛上進(jìn)行FTP-75試驗(yàn)時(shí)的尾管排放量

圖6顯示了配置5的NOx排放形態(tài)。顯而易見(jiàn)，在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速下先進(jìn)三元催化器的性能比參比三元催化器的更好。在第一次急加速到 57mile/h(195s)，參比催化器的NOx排放有明顯增加，而先進(jìn)三元催化器的NOx排放只有較小的增加。同時(shí)，暖機(jī)階段結(jié)束(1400s)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)催化器溫度降低到250～300℃，在發(fā)動(dòng)機(jī)再起動(dòng)時(shí)，參比三元催化器的NOx排放明顯增加，但是先進(jìn)三元催化器的NOx排放增加極少，兩者的這種性能差異一直持續(xù)到FTP循環(huán)的第3階段結(jié)束。

如上所述，歐洲似乎極有可能引入全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)規(guī)程(WLTP)[10]。初期只用于確定CO2排放和燃油耗，后期(可能是歐6c)可能會(huì)完全取代現(xiàn)行的NEDC循環(huán)。新歐6法規(guī)中要實(shí)施的另一個(gè)議題是監(jiān)測(cè)RDE。這一要求是要確保所有新車在所有正常行駛工況下都滿足排放限值。另外，歐6法規(guī)中是否引入便攜式排放分析系統(tǒng)(PEMS)仍在討論中。盡管PEMS規(guī)程還未最終確定，但目前正在開發(fā)一些新行駛循環(huán)，如Artemis循環(huán)或激進(jìn)RTC循環(huán)。這些循環(huán)能比NEDC循環(huán)更好地反應(yīng)實(shí)際行駛工況，因?yàn)樗鼈儼硕啻渭铀俸蜏p速的動(dòng)態(tài)和瞬態(tài)車速變化。在底盤測(cè)功機(jī)上應(yīng)用這些循環(huán)可以更好地反應(yīng)車輛在實(shí)際行駛工況下的性能狀況，而不用配備PEMS。同時(shí)，由于這種動(dòng)態(tài)行駛循環(huán)涉及到更加寬廣的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，因而它們是優(yōu)化催化器系統(tǒng)催化劑技術(shù)、容積和PGM涂載含量的理想試驗(yàn)循環(huán)。

為了最終確定先進(jìn)三元催化器的研究結(jié)果，在更接近實(shí)際的工況和上述的行駛循環(huán)(包括US06循環(huán))(表3)下對(duì)它進(jìn)行了試驗(yàn)。在1款歐5認(rèn)證的1.2L多點(diǎn)進(jìn)氣道噴油車輛(配置7)上按WLTC進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)在入口溫度為950℃下30h的初始斷油老化和緊接著進(jìn)行的50h RAT-T快速老化，獲得了參比催化器和先進(jìn)三元催化器整個(gè)使用壽命期的性能。與參比催化器相比，先進(jìn)催化器按WLTC試驗(yàn)時(shí)排氣尾管中的CO排放降低了33%，NOx排放降低了25%，而NMOG排放水平相同(圖7)。CO和NOx排放降低的優(yōu)勢(shì)主要得益于WLTC循環(huán)第4階段高車速運(yùn)行時(shí)催化劑活性的提高，因?yàn)樵谠撾A段中發(fā)動(dòng)機(jī)在較高的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下運(yùn)行。在WLTC循環(huán)的第4階段運(yùn)行時(shí)，參比催化器的CO排放量為499mg/km、NOx排放量為23mg/km，而先進(jìn)三元催化器的CO排放量為243mg/km、NOx排放量為 7mg/km。

2種催化器在更嚴(yán)酷的激進(jìn)RTC和US06循環(huán)工況下試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行了相同的試驗(yàn)觀察。激進(jìn)RTC循環(huán)試驗(yàn)是在1款歐5認(rèn)證的1.4L渦輪增壓直噴車輛(配置8)上和1款歐5認(rèn)證的2.0L渦輪增壓直噴車輛(配置9)上進(jìn)行的。在這兩種配置中，催化器分別進(jìn)行了57h和76h斷油老化。這款特殊的1.4L渦輪增壓直噴車輛配裝了1款首批歐5認(rèn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷時(shí)采取額外的燃油加濃，以避免排氣系統(tǒng)(特別是渦輪增壓器)因很高的排氣溫度而造成熱損害。因此，尾管中的CO排放非常高，但是先進(jìn)三元催化器表現(xiàn)出了相當(dāng)好的CO轉(zhuǎn)化效率。同時(shí)，先進(jìn)催化器也使NOx排放有極大的降低(圖8)。2.0L渦輪增壓直噴車輛的總體排放水平明顯優(yōu)于1.4L車輛。這主要是因?yàn)?.0L車輛的功率質(zhì)量比高于1.4L渦輪增壓直噴車輛的緣故，因?yàn)樵撛囼?yàn)循環(huán)對(duì)這種高功率發(fā)動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)不是很大。不管怎樣，2.0L車輛的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也佐證了上述1.4L車輛的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。先進(jìn)三元催化器在非常動(dòng)態(tài)和極具挑戰(zhàn)的行駛工況下表現(xiàn)出了非常好的性能，同時(shí)為降低CO排放和NOx排放提供了巨大的潛力。用2.0L渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行激進(jìn)RTC循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，其NOx排放的優(yōu)勢(shì)與新催化器的優(yōu)異冷起動(dòng)性能有關(guān)，尤其是在第2次和第4次加速，以及在325s、510s和680s的急加速時(shí)(圖9)。

圖6　經(jīng)150h斷油老化的參比三元催化器和先進(jìn)三元催化器在帶二次空氣噴射的2.0L自然吸氣車型上進(jìn)行FTP-75循環(huán)試驗(yàn)時(shí)的NOx排放形態(tài)

項(xiàng)目配置7配置8配置9配置10車輛配裝1.2L多點(diǎn)氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)配裝1.4L渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)配裝2.0L渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)配裝1.6L渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)歐5歐5歐5歐5催化器體積/L1.101.401.16+0.800.81+0.82PGM含量/(g·cft-1)447595+5073+23斷油老化時(shí)間/h30+50(RAT-T快速老化)5776150行駛循環(huán)WLTC激進(jìn)RTC激進(jìn)RTCUS06

圖7　參比三元催化器和先進(jìn)三元催化器在歐5認(rèn)證的1.2L多點(diǎn)氣道噴射車輛上進(jìn)行WLTC試驗(yàn)時(shí)的尾管排放量

圖8　參比催化器和先進(jìn)三元催化器按激進(jìn)RTC循環(huán)試驗(yàn)時(shí)的尾管排放量

圖9　經(jīng)76h斷油老化的參比催化器和先進(jìn)催化器在2.0L渦輪增壓直噴車輛上進(jìn)行激進(jìn)RTC循環(huán)試驗(yàn)時(shí)的NOx排放形態(tài)

圖10　經(jīng)150h斷油老化的參比催化器和先進(jìn)催化器在1.6L渦輪增壓直噴車輛上進(jìn)行US06循環(huán)試驗(yàn)時(shí)的NOx排放形態(tài)

最后，在1臺(tái)1.6L渦輪增壓直噴車輛上按SFTP US06行駛工況對(duì)這兩種催化器進(jìn)行了試驗(yàn)研究(圖10)。該車輛的催化器系統(tǒng)由2個(gè)體積相同(0.81L和0.82L)的催化塊組成，試驗(yàn)前進(jìn)行了150h斷油老化。US06循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果顯示，先進(jìn)催化器和參比催化器在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后前3次加速時(shí)，兩者的催化性能相當(dāng)。從第4次加速開始，參比催化器的NOx排放持續(xù)增加。當(dāng)車速達(dá)到 80min/h 和產(chǎn)生200mg NOx時(shí)，這種情況在280s到330s之間十分明顯。相反，當(dāng)車輛使用先進(jìn)催化器時(shí)，在該時(shí)間段只有60mg NOx未被轉(zhuǎn)化?？傊?，在進(jìn)行US06循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，先進(jìn)三元催化器與參比催化器相比NOx排放可降低35%，CO排放可減少15%，而兩者的NMOG排放水平相同。

1.4催化器診斷

由于歐洲目前實(shí)施的歐6法規(guī)中有嚴(yán)格的OBD要求，催化器診斷變得越來(lái)越重要。從歐5到歐6，NOx的排放限值并沒(méi)有變化，仍為 60mg/km，但是NOx的OBD限值則從歐5的 150mg/km 大幅降低到歐6 2階段的90mg/km。這就給如何區(qū)分1臺(tái)“好”催化器仍然在允許限值內(nèi)正常工作和1臺(tái)催化器應(yīng)該被ECU監(jiān)測(cè)為失效帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。催化器診斷的常規(guī)方法是通過(guò)位于催化器前后的2個(gè)氧傳感器監(jiān)測(cè)催化器的儲(chǔ)氧能力和利用從濃混合氣到稀混合氣突變標(biāo)定時(shí)出現(xiàn)的延遲時(shí)間來(lái)計(jì)算儲(chǔ)氧量。這些儲(chǔ)氧量數(shù)據(jù)與尾管排放量具有良好的相關(guān)性。如果實(shí)測(cè)到的儲(chǔ)氧量低于與OBD NOx限值有關(guān)聯(lián)的某一特定值，ECU將會(huì)判定該催化器已失效。為避免將功能完好的催化器誤診斷為失效，在排放和OBD限值之間必須遵循1個(gè)具體的儲(chǔ)氧量惡化水平。為了證明新開發(fā)的催化器能滿足這些要求，繪制了催化器整個(gè)壽命期內(nèi)的儲(chǔ)氧能力惡化情況與對(duì)應(yīng)的NEDC試驗(yàn)NOx排放量之間的關(guān)系曲線。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上以550℃的催化器入口溫度和60kg/h的排氣流量測(cè)定了儲(chǔ)氧量數(shù)據(jù)。在歐5認(rèn)證的1.4L渦輪增壓直噴車輛上測(cè)定相應(yīng)的NOx排放。為了得到1組合理的數(shù)據(jù)，對(duì)3種不同的催化器老化情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究。首先，確定了參比催化器和先進(jìn)三元催化器的儲(chǔ)氧量和NOx排放。為了反映催化器整個(gè)使用壽命的性能，對(duì) 114h 斷油老化后的催化器進(jìn)行了試驗(yàn)研究。用 264h 斷油老化后的催化器模擬OBD性能?？傮w結(jié)果如圖11所示，參比催化器在1個(gè)較短的使用時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)氧能力快速下降，但是，在排放限值和OBD限值之間的范圍內(nèi)，儲(chǔ)氧能力惡化則有所減緩。相反，先進(jìn)三元催化器在使用初期儲(chǔ)氧能力惡化較慢，但在重要的60～90mg/km NOx排放區(qū)間，儲(chǔ)氧能力急劇下降。

圖11　儲(chǔ)氧能力惡化與NEDC試驗(yàn)的尾管NOx排放的關(guān)系

與參比催化器相比，先進(jìn)催化器的儲(chǔ)氧能力惡化特性有利于更可靠的OBD標(biāo)定。

2　結(jié)語(yǔ)

提出了1種新的先進(jìn)三元催化器配方，它采用了熱穩(wěn)定性較高的先進(jìn)氧化鋁和儲(chǔ)氧材料。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)顯示，這種特殊的催化器與之前的催化器相比，活性更好，且儲(chǔ)氧能力提高了。同時(shí)，先進(jìn)三元催化器在各種車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)上都表現(xiàn)出了極好的三元催化能力。先進(jìn)三元催化器在不同的行駛工況下都具有很好的CO/NOx轉(zhuǎn)化效率。不論是按NEDC和FTP循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，還是按新的更加動(dòng)態(tài)的循環(huán)(如WLTC、激進(jìn)RTC和US06循環(huán))試驗(yàn)時(shí)，先進(jìn)催化器都展示了它的優(yōu)勢(shì)。最后，由于在排放限值和OBD限值之間的范圍內(nèi)儲(chǔ)氧能力呈急劇下降態(tài)勢(shì)，先進(jìn)三元催化器有利于更好的催化器診斷。因此，已對(duì)這種新催化器進(jìn)行了優(yōu)化，以滿足未來(lái)的LEV 3階段和/或歐6c法規(guī)，以及新的RDE法規(guī)要求。

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