汽车尾气催化器快速老化测试系统开发

李艳英

LI Yan-ying

（青岛工学院 机电工程学院，青岛 266300）

0 引言

近年来，国家机动车尾气排放法规日趋严格，控制汽车尾气排放的主要措施之一就是在汽车上安装尾气催化器，而催化器品质的优劣直接影响其对汽车尾气的净化程度，故对催化器进行快速老化测试具有重要的现实意义。汽车运行时要经过启动、加速、匀速、减速等一系列工作过程，各阶段的尾气污染状况不一样，故催化器的工作环境非常复杂，且大部分时间工作在250℃～950℃高温状态，有时甚至超过950℃。在实车上对催化器品质进行老化测试有着诸多缺点，一方面，不同车辆在行驶过程中无法保证排气温度、流量、尾气成份含量、机械振动的一致，测试条件无法精确定量，故难以形成统一的测试标准；另一方面，实车很难提供超负荷的实验环境，过长的测试时间会造成人力财力的浪费。

通过催化器快速老化台架进行测试经济高效，但目前此类快速老化台架在国内少有，且多为发动机老化台架，测试成本较高[1]。本快速老化系统采用燃烧产生废气模拟发动机尾气，升温速率快速可控，通过振动台配合，既可以模拟发动机不同工况下产生的尾气，又可以模拟实车行进过程中不同路况造成的复杂振动。该老化测试系统弥补了实车测试的不足，可提供一个高低温气流交替冲刷、机械振动并存的老化测试环境，并且可对测试过程中的温度、流量、振动等参数进行精确控制，能够对汽车中普遍使用的催化器进行快速老化测试。

1 催化器的主要工作特性指标

评价催化器的性能指标[2]主要有：空速（SV）特性、空燃比（A/F）特性、起燃温度特性，在快速老化系统对催化器进行老化前后，分别使用催化器活性评价测试仪进行以上三种特性测试，比较老化前后性能变化来验证快速老化测试系统的有效性。

1）空速（SV）特性。空速是指发动机尾气流经催化器的流量与催化剂体积的比值，是衡量气体在催化剂停留时间长短的指标。

2）空燃比（A/F）特性。催化器的空燃比特性指的是转化效率随空燃比变化而变化的性质，催化器的转化率与发动机燃料混合气的空燃比相关。保持催化器入口温度Ti及SV不变，调节A/F的大小，测量催化器入口与出口处HC和CO的含量，便可得出催化器的空燃比特性。

3）起燃温度特性。催化器转化效率的高低也与温度有关，只有达到一定温度或该温度以上催化器才能够工作，使得催化器开始工作的最低温度称为起燃温度，转化效率随着温度的变化便为起燃温度特性。在一定条件下保持空速（SV）和空燃比（A/F）不变，改变催化器的入口温度Ti，测量催化器入口和出口处HC和CO含量，得出催化器的转化率。

2 快速老化测试系统

2.1 快速老化测试系统结构和工作原理

图1 系统结构简图

催化器快速老化测试系统的结构简图如图1所示，该系统通过燃烧器燃烧汽油产生热风，控制汽油的喷射量调节热风温度，切断燃料供给，则燃烧器风机仅仅吹出空气，产生冷风。温度与流量控制系统主要由PLC、变频器、检测传感器、燃料控制阀组和点火装置组成。具体控制过程为：利用热电偶传感器测得炉内温度数值，温度信号经温度变送器转化成标准的电信号，经过A/D转换将电信号转换为数字信号输送给PLC，PLC接收到数字信号后与给定数值相比较，对比较后的结果进行逻辑运算并将运算结果进行D/A转换，转换后的数值控制喷油嘴开度和变频器，变频器再根据温度偏差信号改变输出频率控制风机转速，调整进风量，工作流程如图2所示。

图2 快速老化测试系统工作流程图

当系统模拟发动机过渡工况时，如加载、卸载和加减速时，运用开环控制，对事先制取的燃气喷射占空比MAP图进行取值操作，从而控制喷油量和喷油时刻；当系统模拟发动机稳定工况时，系统则采用开环与闭环相结合的方式控制，根据闭环系统中废气传感器反馈的废气浓度信号不同，采取不同的空燃比控制策略实时计算喷气占空比，使系统工况快速稳定并达到较佳废气排放浓度。当废气浓度波形信号较大程度偏离理想波形信号时，系统采用增量逼近法，使空燃比快速地逼近理想空燃比范围（表现为过量空气系数处于在λ窗口内）；当废气浓度波形信号接近理想波形信号时，系统就采用PI控制，使空燃比稳定于理想空燃比范围。

2.2 计算机监控界面设计

控制系统采用PC-DCS控制方式，由计算机、PLC、仪表、传感器组成；软件部份采用组态软件编写，具有功能多、适应性强、稳定可靠等特点。系统由条件设定、实验过程监控、历史曲线、报表及实验报告打印等组成，可以自动执行实验的功能，操作人员也可以通过手动调整干预。

通过协议转换器，可将分析仪的数据直接采集到软件中，并在曲线上实时显示各成份的转化效率，并记录到数据库中。同理，其他诸如压力、流量等信号也可以方便的扩展接入软件。监控界面如图3所示。

图3 计算机监控界面

2.3 快速老化测试系统功能实现

本系统可以在50℃～950℃之间设定给定温度的变化，并设定高温持续时间和低温持续时间，实现快速升温和快速降温，最大温度变化速率为7000K/min，从而创造一高低温交替变化的环境，提供超负荷的测试环境。图4是实验中被测件温度随着时间变化的曲线，实验开始时的入口温度为950℃，一个循环约为5秒钟，高温保持2.5秒左右，低温可达到50℃，持续时间约为1.5秒。实现了高低温冷热冲击，以模拟实车运行过程中流经催化器的温度变化，配合频率可调的振动台，模拟实车运行过程中催化器的机械振动。

2.4 系统解决的关键问题

1）温度变化范围广，可实现温度在50℃～950℃(入口温度)之间变化；

2）温度变化速率大，可实现快速升降温，最大温度变化速率为7000K/min；

3）入口温度的控制精度高，控制精度为±5℃；

4）用变频器控制风机实现最大冷风流量1500m3/h，最大风压大于70kpa。

3 汽车催化器快速老化模式及测试方法

催化器性能老化形式有高温老化、化学中毒、街角和机械损伤四类[3]，发动机工况不同则催化器的老化形式不同。本系统针对汽车催化器，参照国内外车用催化器快速老化模式及试验方法[4]，模拟汽车催化器工作特点，测试系统工作模式设定如下：保持催化器入口温度为50℃～950℃，空速SV为5.0×104h-1，加入二次空气，空燃比保持在14.6±0.2，断火1.5秒，再点火3.5秒为一循环，连续重复运行12小时，运行过程中连续测量催化器床温，保持在850℃～950℃，可模拟实车50000公里左右的老化过程。

图5 汽车用催化器老化前后空燃比特性

4 催化器老化前后主要特性比对

在催化器活性评价仪上测试催化器老化前后的主要性能，得到催化器的空燃比特性、起燃温度特性，图5为催化器老化前后空燃比特性，图6为催化器老化前后起燃温度特性。测试结果表明，催化器经过12小时快速老化试验后，其起燃温度明显提高，老化后催化器的空燃比特性趋于恶化，整体性能变差，表明该老化系统可使汽车尾气催化器快速老化，达到了考核催化器性能的要求。

图6 汽车用催化器老化前后起燃温度特性

5 结束语

该系统以燃烧产生的高温气体作为热源，老化过程进行冷热冲击，温度变化范围广，升降温速率快，控制精度高，与振动频率可调的振动台相结合，既可以实现模拟发动机不同工况下产生的尾气，又可以模拟实车行进过程不同路况造成的复杂振动。该系统已在某大型催化器生产企业投入使用，实用价值高，节约了人力物力，降低了催化器开发成本。

[1]方茂东,程勇,詹兴泉,李孟良.催化转化器老化试验相关性研究[J].汽车工程,2003,25(1):56-60.

[2]毛丽.车用三效催化转化器劣化性能分析及寿命预测研究[D].湖南大学,2011.

[3]黄君.车用催化转化器台架快速老化规范研究[D].武汉理工大学,2010.

[4]Stavroula Y.Christou,Henrik Birgersson,et a1.Reactivation of severely aged three-way catalysts by washing with[J].Weak EDTA and oxalic acid solutions,2007,(71):158-198.