基于國六排放法規(guī)的汽油車催化器貴金屬方案研究

劉 蘋 陳 康

（1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 311231；2.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330038）

0 引言

近年來，貴金屬國際市場價(jià)格呈現(xiàn)不斷攀升的趨勢，導(dǎo)致需要使用貴金屬的車用后處理催化器成本價(jià)格大幅上漲，給原本競爭壓力巨大的車企帶來了更嚴(yán)重的成本壓力。隨著國家環(huán)保部發(fā)布輕型汽車國六排放法規(guī)[1]，全球統(tǒng)一的輕型車排放測試——WLTP排放測試循環(huán)被引入代替原有國五的NEDC排放測試要求，提出實(shí)際道路行駛污染物測試（RDE）要求，提高了對(duì)排放污染物CO、THC和NO、NMHC含量的限值要求，同時(shí)增加了對(duì)排放尾氣中顆粒物（顆粒物數(shù)量PN/顆粒物質(zhì)量PM）的測試要求，這意味著市場對(duì)汽車尾氣排放要求越來越嚴(yán)格[2]。

能有效控制汽車尾氣中有害物質(zhì)排放的是汽車排氣系統(tǒng)后處理催化器（以下簡稱“催化器”），催化器中通常以鉑（Pt）、鈀（Pd）、銠（Rh）等貴金屬作為活性成分。研究調(diào)查分析顯示，在三元催化器（TWC）中，鉑、鈀對(duì)CO、HC的催化氧化作用要比銠更大，但銠對(duì)NOx的催化還原作用比鉑、鈀要強(qiáng)很多[2]。由于鉑的價(jià)格比鈀的價(jià)格高，很多車企在催化器涂敷中偏向于使用鈀，而如何有效選取TWC催化器中鉑、鈀、銠等貴金屬的含量及其比例對(duì)排放結(jié)果及成本控制具有重要意義。

目前，針對(duì)國五排放車型的催化器貴金屬配方方案的相關(guān)研究較多，如文獻(xiàn)[3]統(tǒng)計(jì)分析了592輛國五排放輕型汽油車型催化器貴金屬的分布及各車型排放情況；文獻(xiàn)[4]研究分析了國五排放輕型汽油車型催化劑中貴金屬的比例以及各貴金屬含量配比對(duì)排放結(jié)果的影響；文獻(xiàn)[5]研究了國五車型催化器，并表明通過改變催化劑配方和配比可以提高催化劑性能。以上研究均表明，在外部條件相同的情況下，貴金屬含量和比例對(duì)車輛排放結(jié)果影響較大。

1 原車催化器方案介紹與分析

大部分車企在進(jìn)行汽油車型排放升級(jí)項(xiàng)目開發(fā)時(shí)，為滿足國六法規(guī)對(duì)PN/PM顆粒物的排放要求，主要策略一般分為兩個(gè)方向：一是在國五排放車型的基礎(chǔ)上，通過增加催化器載體體積并調(diào)整載體孔目數(shù)來增加發(fā)動(dòng)機(jī)排氣及其與貴金屬涂層的接觸面積，同時(shí)調(diào)整TWC中貴金屬配方并增加貴金屬的用量，此方案的優(yōu)勢是催化器封裝結(jié)構(gòu)可以基本維持跟國五排放車型一致或部分調(diào)整，對(duì)于整車布置改動(dòng)量較小，排氣系統(tǒng)背壓變化不明顯，缺點(diǎn)是可能需要增加較多的貴金屬，導(dǎo)致催化器成本大幅度增加；二是在國五車型催化器的基礎(chǔ)上，增加GPF顆粒捕集器，此方案的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于顆粒物減少效果較為明顯，缺點(diǎn)是后處理封裝結(jié)構(gòu)需要新增GPF封裝殼體且需要有足夠的底盤布置空間，同時(shí)背壓增加明顯。具體方案可以根據(jù)車輛的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)與選擇，但這兩個(gè)方向都涉及貴金屬含量和比例的調(diào)整，其對(duì)排放結(jié)果有著重要影響，如何準(zhǔn)確選取催化器中貴金屬等有效成分的含量，對(duì)控制催化器的成本、保證催化性能并滿足排放要求有著重要意義。

1.1 原方案排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

本文將選取福特品牌一款國六排放水平、發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.8 L、帶渦輪增壓的汽油乘用車型的排氣后處理系統(tǒng)為研究對(duì)象，該產(chǎn)品因開發(fā)周期短，開發(fā)過程中存在保守設(shè)計(jì)，其從國五排放升級(jí)到國六排放的開發(fā)是在國五催化器的基礎(chǔ)上增加GPF，即上述提到的第二種做法。本文將重點(diǎn)研究該排氣后處理系統(tǒng)催化器貴金屬配方對(duì)排放結(jié)果的影響，并通過實(shí)車進(jìn)行排放水平綜合測試，選取符合國六排放法規(guī)要求的貴金屬配方優(yōu)化方案。

圖1所示為本文研究的原車排氣后處理封裝布置方案，布置屬于緊耦合式TWC和底盤式GPF，后處理技術(shù)路線為TWC1+TWC2+GPF，搭配使用在排量為1.8 L帶渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)中。

1.2 原方案催化器貴金屬方案分析

為滿足國六排放法規(guī)要求，催化器體積的行業(yè)選取范圍普遍是：TWC體積為發(fā)動(dòng)機(jī)排量的0.8～1倍，GPF體積為發(fā)動(dòng)機(jī)排量的0.9～1.3倍[3]。本項(xiàng)目研究的催化器體積及貴金屬配方原方案如表1所示，根據(jù)表格數(shù)據(jù)可以判斷本項(xiàng)目原有設(shè)計(jì)方案催化器體積屬于行業(yè)內(nèi)常規(guī)催化器體積范圍。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)原排放水平及標(biāo)定水平，項(xiàng)目設(shè)計(jì)的催化器涂敷原配方貴金屬總含量為4.18 g，也屬于行業(yè)內(nèi)基本水平。

表1 催化器貴金屬原方案

2 新鮮態(tài)催化器方案制訂和測試

2.1 方案制訂與說明

根據(jù)原車方案的貴金屬比例和含量，結(jié)合前期排放測試摸底結(jié)果，同時(shí)參考市場同水平催化器貴金屬含量配比，為實(shí)現(xiàn)催化器成本優(yōu)化，主要通過調(diào)整催化器貴金屬比例和降低貴金屬含量，同時(shí)探索減少一級(jí)TWC催化器的可能，進(jìn)行第一輪優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別制訂以下5種催化器方案，如表2所示。

表2 各方案催化器貴金屬具體配方對(duì)比表

調(diào)整情況簡單說明如下：

（1）方案1在原方案的基礎(chǔ)上，調(diào)整了TWC1+TWC2貴金屬涂敷濃度并降低了Pd對(duì)Rh的比例，Pd和Rh含量整體下降0.77 g，降低幅度約為21%，GPF催化器貴金屬配方與原方案保持不變。

（2）方案2在方案1的基礎(chǔ)上繼續(xù)降低TWC1前區(qū)貴金屬Pd的濃度，其余催化器涂敷方案跟方案1保持一致，方案2中TWC整體貴金屬相比于原方案降低1.41 g，降低幅度為39%。

（3）方案3在方案2涂敷方案的基礎(chǔ)上移除后級(jí)三元催化器TWC2，技術(shù)路線調(diào)整為TWC1+GPF，實(shí)現(xiàn)一級(jí)TWC的減少，貴金屬相比于原方案減少1.68 g，貴金屬含量減少幅度為47%。

2.2 第一輪測試

根據(jù)以上擬定的前3個(gè)方案進(jìn)行第一輪排放測試，首先制作3個(gè)方案對(duì)應(yīng)的新鮮樣件，在同一輛車上依次安排排放測試，所有測試均按照WLTP要求，用相同的測試程序并用同一版本的標(biāo)定數(shù)據(jù)在同一輛試驗(yàn)車上完成，除試驗(yàn)誤差可能帶來影響以外，保證測試結(jié)果能夠反映催化器方案差異對(duì)排放結(jié)果的影響，且每個(gè)方案均測試兩輪以上保證采集兩組有效數(shù)據(jù)，降低測試的偶然性。對(duì)比各方案排放結(jié)果中各種排放污染物的含量，并與排放限制目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，具體排放測試結(jié)果如表3所示。

根據(jù)測試結(jié)果，可判斷方案1排放余量較大，TWC催化器貴金屬降幅21%，整體上對(duì)整車各污染物排放結(jié)果影響不明顯，仍然存在較大優(yōu)化空間；方案2排放結(jié)果顯示該催化器方案可以滿足排放測試要求且尚存在一定余量；方案3移除TWC2后對(duì)CO及NOx，尤其是NOx的排放影響較大，出現(xiàn)超排放限值，后續(xù)車輛隨著使用時(shí)間增加會(huì)存在排放風(fēng)險(xiǎn)，因此方案3移除一級(jí)TWC的方案不可行。根據(jù)第一輪排放測試試驗(yàn)結(jié)果分析，初步選定方案2為第一輪優(yōu)化方案，并在方案2的基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化催化器配方，尋找進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

2.3 第二輪方案及測試

基于第一輪優(yōu)化方案中方案2的催化器方案繼續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案4，方案4在方案2的基礎(chǔ)上繼續(xù)降低TWC1前區(qū)貴金屬Pd的濃度，整體TWC催化器貴金屬在方案2的基礎(chǔ)上降低幅度為36%，相較于原方案降低幅度為61%。具體配方情況如表2所示。

重新制作新設(shè)計(jì)的方案4催化器新鮮樣件，按照前面所述同樣方法進(jìn)行第二輪新鮮樣件排放測試，具體結(jié)果如表3所示。

2.4 測試結(jié)果分析

從表3中兩輪測試結(jié)果可以得到兩個(gè)結(jié)論：

表3 新鮮樣件排放測試結(jié)果

（1）該車輛尾管排放對(duì)后處理體積比較敏感，方案3由于減少一級(jí)TWC，從結(jié)果中看到CO及NOx排放不穩(wěn)定，容易超出工程目標(biāo)；

（2）適當(dāng)降低TWC貴金屬含量對(duì)尾管排放并非特別敏感。

方案1、2、4均可滿足工程目標(biāo)，其中方案4貴金屬含量在原方案基礎(chǔ)上降低最多，貴金屬降低含量為2.2 g，在原方案貴金屬含量基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)降幅超60%。從新鮮樣件的各污染物排放結(jié)果來看，余量均超過30%，初步判斷方案4可行。

3 老化態(tài)催化器排放性能測試

為進(jìn)一步探索方案4是否存在貴金屬繼續(xù)降低的空間，在方案4基礎(chǔ)上繼續(xù)調(diào)整催化器貴金屬方案為方案5，在方案4的基礎(chǔ)上降低TWC1、TWC2及GPF三個(gè)催化器貴金屬總體濃度，主要是降低了Rh的含量，三個(gè)催化器涂敷的貴金屬用量相較于原始方案降幅為61%。具體配方情況如表2所示。

根據(jù)國六排放法規(guī)，要求車輛進(jìn)行RDE測試，即實(shí)際道路排放水平測試，要求被測車輛在所有正常行駛工況下都能夠滿足排放法規(guī)要求，因此需要進(jìn)一步驗(yàn)證新方案是否最終滿足排放測試要求。且由于新鮮態(tài)的催化器安裝在車上進(jìn)行排放測試，結(jié)果只能代表短里程車輛排放水平，并不能代表該車輛在全生命周期實(shí)際排放情況，按照法規(guī)要求車輛行駛16萬km或者20萬km后排放水平仍需要滿足相關(guān)排放要求，因此還需要制作符合要求的實(shí)車?yán)匣癄顟B(tài)的催化器進(jìn)行驗(yàn)證。

一般老化催化器的制備方案有以下3種：馬弗爐老化法、實(shí)車?yán)匣ê桶l(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架老化法。其中，馬弗爐老化法只能模擬車輛在富含氧的高溫條件下的老化狀態(tài)，無法體現(xiàn)各地域油品、添加劑以及潤滑油中硫、錳等元素對(duì)催化器功能的影響；實(shí)車?yán)匣▌t是將樣件安裝在實(shí)車中并在跑道或底盤測功機(jī)上進(jìn)行相應(yīng)的老化，而一般16萬km耐久試驗(yàn)的周期長達(dá)6個(gè)月甚至更長，周期長且費(fèi)用高；發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架老化是快速制備老化樣件的首選[2]，其在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上搭載相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)、后處理、傳感器等配套零部件，使用對(duì)應(yīng)的標(biāo)定程序，按照前期實(shí)車采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)標(biāo)和調(diào)整后，模擬整車實(shí)際老化，一般周期為一個(gè)月，此方法也是大部分主機(jī)廠在催化器開發(fā)前期進(jìn)行催化器選型測試的主要老化方法。

本文中老化樣件按照臺(tái)架快速老化方法進(jìn)行制作，選定上一輪新鮮樣件選出的較優(yōu)方案——方案2和方案4，同時(shí)增加研究對(duì)象方案5，在臺(tái)架上制造3個(gè)方案的老化樣件，其中臺(tái)架老化條件根據(jù)整車SRC實(shí)測催化器排溫進(jìn)行擬合計(jì)算，總計(jì)老化時(shí)間200 h。將各方案的臺(tái)架老化樣件先后安裝到同一輛測試用車中，用相同的標(biāo)定程序和相同的測試程序?qū)?個(gè)方案進(jìn)行老化態(tài)排放測試，測試結(jié)果如表4所示。

從表4的臺(tái)架老化樣件測試結(jié)果中可以得到兩個(gè)結(jié)論：

表4 臺(tái)架老化樣件排放測試結(jié)果

（1）方案2、方案4臺(tái)架老化件排放結(jié)果基本可滿足排放工程目標(biāo)且存在合理余量，其中方案4降本額更可觀，方案4貴金屬總含量處于行業(yè)偏低水平；

（2）降本方案5排放結(jié)果CO指標(biāo)已超出法規(guī)限值，存在排放風(fēng)險(xiǎn)。

文獻(xiàn)[6]的研究顯示，催化器貴金屬降低導(dǎo)致催化效率下降，可以通過優(yōu)化標(biāo)定程序來滿足排放法規(guī)要求。為進(jìn)一步探究本項(xiàng)目中方案5是否可以通過調(diào)整標(biāo)定策略實(shí)現(xiàn)排放要求，對(duì)排放秒采數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，如圖2所示，重點(diǎn)分析CO在整個(gè)過程中的動(dòng)態(tài)排放結(jié)果，WLTC排放循環(huán)中的冷啟動(dòng)階段，催化器效率有所降低，CO排放明顯增加。從圖中發(fā)現(xiàn)方案2和方案5臺(tái)架老化態(tài)樣件從200 s左右開始，CO排放濃度值為400 mg/km，離法規(guī)排放極限余量不足20%，且隨著時(shí)間推移，余量減少甚至超過極限值。

綜合車況水平和貴金屬用量等因素，排放標(biāo)定組評(píng)估方案5很難通過調(diào)整標(biāo)定數(shù)據(jù)來優(yōu)化當(dāng)前排放。根據(jù)多輪排放測試結(jié)果綜合評(píng)估，方案4的貴金屬配比方案相對(duì)合理，是本次研究中可以滿足排放要求的貴金屬降低方案。

臨界催化器作為催化器診斷標(biāo)定的重要零件，其穩(wěn)定性直接關(guān)系相關(guān)診斷閾值的標(biāo)定[2]。本項(xiàng)目按照爐子老化法制作方案4臨界催化器，進(jìn)行WLTP排放測試，對(duì)比新鮮態(tài)樣件、老化態(tài)樣件以及臨界態(tài)催化器儲(chǔ)氧量，判斷方案4催化器排放性能符合催化器診斷要求。

4 結(jié)論

本文首先根據(jù)國六法規(guī)要求，根據(jù)本項(xiàng)目研究對(duì)象原車排氣系統(tǒng)后處理催化器排放進(jìn)行摸底測試，通過兩輪催化器方案設(shè)計(jì)優(yōu)化，完成各方案新鮮態(tài)催化器排放性能測試，分析排放結(jié)果變化趨勢；進(jìn)一步通過臺(tái)架老化態(tài)催化器樣件排放測試結(jié)果，最終選定本項(xiàng)目催化器優(yōu)化方案。通過本次測試試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

（1）通過本次測試，發(fā)現(xiàn)該車輛尾管排放對(duì)后處理體積比較敏感，方案3由于減少一級(jí)TWC，從結(jié)果中看到CO及NOx排放不穩(wěn)定，容易超出工程目標(biāo)。

（2）適當(dāng)降低TWC貴金屬含量對(duì)尾管排放并非特別敏感。

（3）方案4可作為本項(xiàng)目最優(yōu)方案。本方案在原方案基礎(chǔ)上Pd和Rh分別降低2.09 g和0.12 g，按照2022年Q1行情換算成人民幣：Pd基價(jià)495元/g，Rh基價(jià)3 550元/g，按照公式（1）計(jì)算得出，本優(yōu)化方案可實(shí)現(xiàn)催化器成本降低1 497元（含2.5%貴金屬管理費(fèi)）。

本項(xiàng)目僅針對(duì)催化器貴金屬配方變化與排放結(jié)果之間的聯(lián)系，實(shí)際上車輛狀態(tài)、標(biāo)定策略、樣件制作均可能導(dǎo)致測試結(jié)果誤差，后續(xù)可以進(jìn)一步研究多因素對(duì)排放的影響，可以更準(zhǔn)確、更有效地實(shí)現(xiàn)成本降低。