基于試驗(yàn)研究的三元催化劑性能優(yōu)化

錢(qián)堯一 蔡建紅 王慶雪 肖敏

摘要：國(guó)六排放法規(guī)實(shí)施，在排放限值、耐久老化上對(duì)三元催化器性能提出更高要求。影響催化器凈化效率的主要因素有催化劑的成分和配比、載體結(jié)構(gòu)和材料、殼體結(jié)構(gòu)、封裝工藝以及與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配等。本文基于某國(guó)五車(chē)型三元催化器，通過(guò)試驗(yàn)研究在不改變硬件布置前提下，改變催化劑配方和配比，改善涂覆技術(shù)，使催化劑老化態(tài)起燃溫度降低15℃以上，儲(chǔ)氧量、凈化窗口都有提高，為今后國(guó)六排放的開(kāi)發(fā)打下基礎(chǔ)。本文為主機(jī)廠(chǎng)和催化器供應(yīng)商在提高催化劑性能方面提供參考。

關(guān)鍵詞：排放;三元催化器;催化劑;性能優(yōu)化

0? 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣通常含有有害物質(zhì)，在排出前需要凈化處理，三元催化轉(zhuǎn)化器（three-way catalytic converter，TWC） 是將尾氣有害物質(zhì)轉(zhuǎn)換成無(wú)害氣體的裝置。催化器為一枚或多枚催化劑載體，其材質(zhì)為陶瓷材料，表面涂敷儲(chǔ)氧材料和起催化作用的貴金屬，與尾氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)，達(dá)到凈化尾氣的目的[1]。隨著國(guó)六法規(guī)的實(shí)施，NEDC變?yōu)閃LTC測(cè)試工況，發(fā)動(dòng)機(jī)覆蓋轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍更大，對(duì)催化劑凈化效率提出挑戰(zhàn);國(guó)六降低了排放污染物限值且加嚴(yán)了老化系數(shù)，同時(shí)補(bǔ)充了加法老化因子，對(duì)催化劑抗老化性能也提出更高要求[2]。

影響催化器凈化效率的因素有催化劑的成分和配比、載體結(jié)構(gòu)和材料、殼體結(jié)構(gòu)、封裝工藝以及與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配等。目前的研究一方面從結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)封裝設(shè)計(jì)進(jìn)行CAE分析，尋找提高性能的布置方案[3-5]。另一方面從化學(xué)反應(yīng)出發(fā)，研究不同催化劑配方配比與排放的關(guān)系，從而找出合理的解決方案[6，7]。本文以某國(guó)五車(chē)型催化器為原型，基于最新國(guó)內(nèi)外研究成果，通過(guò)試驗(yàn)研究在不改變硬件布置前提下，改變催化劑配方和配比，改善涂覆技術(shù)，提高催化劑性能。

1? 催化劑工作原理與試驗(yàn)方案

1.1 催化劑工作原理

催化器中實(shí)現(xiàn)凈化效果最重要的結(jié)構(gòu)為涂覆催化劑的蜂窩載體，如圖1所示，載體（Honeycomb）材料有金屬、耐高溫陶瓷等，現(xiàn)在康寧、NGK等供應(yīng)商都已經(jīng)使用堇青石材料，合成的堇青石由2MgO、5SiO2和2Al2O3組成，具備耐高溫性，其軟化溫度在1300℃以上[8];在載體表面有一層底層涂層（Bottom Coat），主要成分為CeO2，三元催化劑中，CeO2最主要的作用是提高氧氣儲(chǔ)存能力（Oxygen Storage Capacity，縮寫(xiě)為OSC），可以實(shí)現(xiàn)廣域的空燃比（A/F）凈化性能[9]。載體上還有一層頂層涂層（Top Coat），主要成分是Pt，Pd，Rh，在催化劑中，Rh是一個(gè)決定性的成分，特別在濃和當(dāng)量空燃比下，對(duì)NOx和CO的凈化具有影響，負(fù)載在CeO2上的Rh可以促進(jìn)的NOx和CO的凈化性能;另一方面，Pt或者Pd可以促進(jìn)HC、CO的氧化，使其排放出無(wú)污染的H2O，CO2，一般選擇Pt或者Pd中的一種即可。Pt/Pd/Rh的比例根據(jù)需要進(jìn)行配方調(diào)整，不過(guò)普遍Pt/Pd的重量比率比Rh高。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)臺(tái)架如圖2所示，布置圖如圖3所示。包括一臺(tái)2.4L三菱4G69汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，南峰CW160電渦流測(cè)功機(jī)，HORIBA排放分析設(shè)備，空燃比分析儀，臺(tái)架綜合控制臺(tái)，換熱器等;傳感器主要有催化器入口溫度傳感器、前/后氧傳感器、前/后床溫傳感器、流量計(jì)等;發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣經(jīng)分兩路，一路經(jīng)換熱器冷卻后，按比例冷熱合并，再進(jìn)行分流，以滿(mǎn)足試驗(yàn)對(duì)溫度流量要求;試驗(yàn)燃油選用92號(hào)汽油。

1.2.2 試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

①空燃比（A/F）特性試驗(yàn)（窗口范圍）。發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍很廣，其空燃比并不會(huì)維持在當(dāng)量空燃比上，在低溫、加減速、斷油、啟動(dòng)等工況下，空燃比會(huì)存在波動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)廣域的A/F凈化性能，需要對(duì)催化劑的A/F特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

試驗(yàn)時(shí)將空速控制在（40000±400）/h或（60000±400）/h下，催化器入口溫度控制在450℃±10℃，在400s內(nèi)將A/F從14線(xiàn)性變化至15，并以1Hz頻率采樣，記錄各空燃比值下催化器前后的HC、CO和NOx濃度值，換算出凈化效率。得到圖4a）所示空燃比特性圖。一般把凈化效率大于80%的區(qū)域判定為窗口范圍，窗口范圍越大，對(duì)變化工況的適應(yīng)性越好，凈化效果越突出。

②起燃溫度特性試驗(yàn)（T50）。

在整車(chē)排放中，常溫啟動(dòng)到半暖機(jī)為止的排放占絕大多數(shù)，這是由于催化劑實(shí)現(xiàn)催化效果需要高溫。一般我們定義催化劑凈化效率達(dá)到50%的溫度為起燃溫度（T50），其值越低，代表催化劑凈化效能越好，它是催化劑性能的核心指標(biāo)。

試驗(yàn)時(shí)將催化劑空速控制在（40000±400）/h或（60000±400）/h下，催化器入口A/F控制在當(dāng)量空燃比上，調(diào)整催化器入口溫度至200℃，以20℃/min的幅度逐步升高催化器入口溫度，直到450℃結(jié)束。以1Hz頻率采樣，換算凈化率，得到結(jié)果如圖4b）所示。

③最高轉(zhuǎn)換效率試驗(yàn)（C450）。

車(chē)輛在穩(wěn)態(tài)行駛中，催化器床溫都會(huì)在500℃～900℃之間，這段時(shí)間催化劑充分被激活，處于最佳的工作狀態(tài)。一般定義在450℃，當(dāng)量A/F下穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)換效率為最高轉(zhuǎn)換效率（C450），通過(guò)這個(gè)指標(biāo)來(lái)判斷催化劑的額定性能。試驗(yàn)方法為450℃維持30s，記錄穩(wěn)態(tài)下HC、CO和NOx濃度值，換算出凈化效率。

④儲(chǔ)氧量試驗(yàn)（OSC）。

車(chē)輛行駛中，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)工況在不斷變化，會(huì)出現(xiàn)短暫的持續(xù)氧化或還原的情況，若擁有大的儲(chǔ)氧量，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)隨機(jī)工況適應(yīng)性更強(qiáng)，凈化效能更高。

試驗(yàn)時(shí)將催化劑空速控制在（40000±400）/h或（60000±400）/h下，催化器入口溫度控制在500℃，將過(guò)量空氣系數(shù)調(diào)到0.95，待后氧傳感器濃度超過(guò)前氧傳感器濃度，且前后氧傳感器濃度值穩(wěn)定時(shí)，將過(guò)量空氣系數(shù)調(diào)整到1.05，測(cè)量前后氧傳感器濃度變化，其變化曲線(xiàn)如圖4c）所示。記錄前后氧傳感器濃度值相交到后氧傳感器濃度值變?yōu)?的時(shí)間，通過(guò)積分求陰影面積，即為催化劑儲(chǔ)氧量。

2? 催化劑性能優(yōu)化過(guò)程

2.1 初始方案性能評(píng)估

現(xiàn)有國(guó)五催化器規(guī)格如下，PGM貴金屬量為2g/L，載體體積1L，頂層涂層配方選用Pd：Rh組合，質(zhì)量比為4：1，涂敷為均勻分布，底層涂層配方為CeO2+ZrO2組合，CeO2質(zhì)量組成為30%，這里用CeZr30表示。對(duì)樣件進(jìn)行封裝再改造，增加法蘭盤(pán)，安裝傳感器，如圖5所示。對(duì)其進(jìn)行新鮮態(tài)和老化態(tài)A/F特性、T50、C450和OSC試驗(yàn)。其中，老化為臺(tái)架老化，按照指定老化循環(huán)，根據(jù)GB18352.5-2016中阿累尼烏斯公式計(jì)算，換算成老化時(shí)間70h，由第三方試驗(yàn)室天津索克老化。性能試驗(yàn)的結(jié)果如圖6所示。

通過(guò)圖6a）可以看出，國(guó)五樣件在40000/h空速、新鮮態(tài)下THC的T50在306℃，NOx和CO的T50為298℃，面對(duì)國(guó)六排放要求，目前的T50還需要進(jìn)一步降低;在60000/h空速下，THC、NOx和CO的T50都有一定的惡化，說(shuō)明隨著空氣流量的增加，催化轉(zhuǎn)化速度下降，在國(guó)六WLTC測(cè)試循環(huán)中的高速和超高速工況存在壓力;經(jīng)過(guò)老化后，其T50有著35℃到40℃的惡化，抗老化性能一般，不適應(yīng)國(guó)六法規(guī)。從圖6b）可以看出，催化劑新鮮態(tài)下OSC非常優(yōu)秀，但是老化態(tài)下從1100mg下降到400mg，惡化明顯，且高進(jìn)氣流量下，OSC會(huì)進(jìn)一步降低。從圖6c）中得出，C450比較優(yōu)秀，即使在60000/h空速下，老化后的凈化效率也有96%以上。從圖6d）看到，凈化效率大于80%的A/F范圍為14.51～14.58，窗口過(guò)窄，應(yīng)對(duì)WLTC變速工況會(huì)增加排放，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

2.2 分區(qū)涂敷優(yōu)化

為了降低催化劑T50，需分析催化器溫度場(chǎng)。在常溫下，利用臺(tái)架換熱器迅速將常溫氣體切換到450℃、60000/h空速的發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣，采用紅外熱像儀獲取汽車(chē)催化器外殼溫度，得到如圖7所示結(jié)果。催化器入口端由于尾氣熱量和圓錐擴(kuò)張的協(xié)同效應(yīng)，載體前端溫度快速上升。20s左右，載體前端起燃，發(fā)生催化反應(yīng)，放出的熱量被尾氣流帶到催化劑載體后端，使后端快速升溫，隨著時(shí)間到40s，最高溫度出現(xiàn)在后端，溫度高于尾氣溫度。

為了盡可能利用高溫的發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣，研究分區(qū)涂敷效果，其分區(qū)涂敷示意圖見(jiàn)圖8，A方案為國(guó)五樣件，均勻涂敷;B為改善方案一，1：1分區(qū)，前段貴金屬濃度3g/L，后端1g/L;C為改善方案二，1：2分區(qū)，前段貴金屬濃度4g/L，后端1g/L。老化態(tài)下試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，使用分區(qū)涂敷后，T50明顯降低，在C方案（1：2分區(qū)）下，40000/h空速的T50比原始方案平均降低8℃，60000/h空速的T50比原始方案平均降低7℃，效果顯著，因此選用C方案。

2.3 涂層配方優(yōu)化

分析國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果[6-9]，底層配方只使用CeO2，配合頂層使用Pd/Rh，新鮮態(tài)凈化性能優(yōu)異，但是在高溫老化后容易失效，失效的原因歸結(jié)于CeO2的燒結(jié)。通過(guò)報(bào)告，在CeO2中加入ZrO2，一方面能夠有效改善T50，另一方面可以提高OSC，且具備抗老化性能，國(guó)外對(duì)不同CeO2-ZrO2混合下老化前后的比表面積進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1，如果CeO2的質(zhì)量配比在20%的情況下，老化最不明顯。

另一方面研究顯示[8]，在CeO2-ZrO2組合中，加入Al2O3，會(huì)增加孔隙率，提高比表面積，有利于提高儲(chǔ)氧量，且在高溫下鋁能夠阻礙CeO2的融合，延緩表面積衰減。對(duì)此，我們調(diào)整底層涂層配方，選用CeZr20，且加入合適的Al2O3，進(jìn)行性能試驗(yàn)，其結(jié)果如圖10所示。新鮮態(tài)下T50有一定惡化，但在老化態(tài)下優(yōu)勢(shì)明顯，平均T50降低了11℃;新鮮態(tài)OSC有一定減少，老化態(tài)下明顯提高，且由于孔隙率保證，在大進(jìn)氣流量下（70kg/h），氣體擴(kuò)散條件較好，涂層深處貴金屬利用率較高，OSC幾乎沒(méi)有衰減。

3? 綜合性能評(píng)價(jià)

將分區(qū)涂覆C方案和涂層配方優(yōu)化D方案結(jié)合，制作E方案，對(duì)樣件老化，測(cè)試其性能，得到圖11所示數(shù)據(jù)。分析圖11a）數(shù)據(jù)，E方案在40000/h空速、老化態(tài)下T50為326℃，比原方案A降低15℃，在60000/h空速下優(yōu)勢(shì)更加明顯，比原方案A降低了20℃，甚至低于40000/h空速的結(jié)果;進(jìn)一步分析原因，測(cè)得入口段和出口段溫度如圖12，在同等入口溫度試驗(yàn)條件下，起燃過(guò)程中大空速下的出口溫度急劇上升，甚至超過(guò)入口溫度，由此判斷CeZr20+Al2O3配方孔隙率高，大空速下的氣體擴(kuò)散性好，反應(yīng)劇烈，前段激活的催化劑釋放大量熱量促進(jìn)后端催化劑活性，從而催化效率進(jìn)一步提高，導(dǎo)致60000/h空速的T50低于40000/h空速。圖11b）和c）顯示，改進(jìn)方案E在OSC和C450凈化效率上都有一定優(yōu)勢(shì)。

為了全面評(píng)價(jià)，測(cè)得A原始方案和E改進(jìn)方案在不同空速下的空燃比特性曲線(xiàn)，如圖13所示，改進(jìn)方案凈化窗口范圍更廣，對(duì)空燃比的適應(yīng)性更強(qiáng)，具有優(yōu)勢(shì)。

4? 結(jié)論

①以某國(guó)五催化劑為原型，進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)其方案進(jìn)行初始化性能評(píng)估，得出其T50較高，大空速下凈化效率過(guò)低，老化態(tài)與新鮮態(tài)性能差距過(guò)大，抗老化性能?chē)?yán)重不足，無(wú)法滿(mǎn)足國(guó)六法規(guī)對(duì)催化劑的要求。

②通過(guò)試驗(yàn)研究催化器溫度場(chǎng)，驗(yàn)證分區(qū)涂敷方案的可行性，結(jié)果表明，在不改變貴金屬量的前提下，采用1：2分區(qū)涂覆能夠顯著降低T50;通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外最新涂層配方的研究，根據(jù)目前國(guó)五用催化劑的性能劣勢(shì)，將底層CeZr30配方改為CeZr20+Al2O3配方，明顯提高了抗老化性能和大空速下凈化效率;將兩者結(jié)合，通過(guò)試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)，T50、OSC、C450、A/F特性都有改善。

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