三效催化转换器参数对轻型汽油车排放性能的影响

邹洪波1　孙雄1　杨铭　2王姗姗2　钱铮1

（1.泛亚汽车技术中心有限公司，上海201201；2.中国合格评定国家认可委员会，北京100062）



三效催化转换器参数对轻型汽油车排放性能的影响

邹洪波1孙雄1杨铭2王姗姗2钱铮1

（1.泛亚汽车技术中心有限公司，上海201201；2.中国合格评定国家认可委员会，北京100062）

【摘要】以某搭载1.5L自然吸气汽油机的轻型车为研究对象，运用6σ设计方法对紧耦合式三效催化转换器的载体结构及催化剂技术对整车排放性能的影响进行研究。结果表明，催化器载体结构及催化剂对16万公里老化催化器的整车HC、NOx和CO排放影响较小，而对临界催化器的整车NOx排放影响显著；通过优化催化器载体结构及催化剂参数，可有效降低临界催化器的整车NOx排放及提高系统的稳健性。

1　前言

三效催化转换器（以下简称催化器）作为一种有效的汽油机车尾气排放净化装置，对车辆尾气排放中CO、HC和NOx的转化效率均可在80 %以上[1]。但随着我国机动车保有量的不断增加以及大气环境污染日趋严重，我国机动车排放法规不断完善且对机动车尾气排放限值越来越严格[2]。更有资料表明，欧盟对车载诊断系统（OBD）排放限值将进一步加严[3]。因此，提高催化器转化效率，降低汽油车尾气排放量，尤其是降低临界催化器的排放量尤为重要。

催化器结构包括载体、催化剂、垫层及壳体，其中催化器载体结构、催化剂对催化器的起燃温度和催化转换效率有较大的影响[4、5]，从而影响整车排放性能。而催化剂配方中的贵金属含量和在载体上的涂覆技术又是催化剂最关键参数。在现有的催化器设计基础上，合理优化催化器载体结构、贵金属含量及载体涂层技术，对设计出符合更加严苛排放法规的催化器至关重要。6σ设计（DFSS）作为一种工程设计优化分析方法，可以极大优化设计，减少试验次数，为工程开发提供有效的试验分析结果[6]。

本文以一搭载1.5 L自然吸气汽油发动机的轻型车为研究对象，应用DFSS分析方法，分析紧耦合式三效催化转换器载体结构及催化剂参数对整车排放性能的影响。

2　催化器样件设计

对整车排放影响较大的3种催化器参数（催化器载体结构、载体涂覆技术及贵金属含量）进行优化设计和整车排放性能试验，并对上述各催化器参数分别选取3种设计水平（表1）。催化器涂覆技术是指将按一定比例配制好的贵金属液浆喷涂到催化器的载体上，不同的涂覆技术影响涂层厚度，表1中涂覆技术3种方案分别代表的是3种不同的催化器涂覆技术手段，其涂层厚度从大到小分别以方案3、方案2、方案1表示。为减少催化器样件数量及试验次数，采用DFSS工具中的L9正交列表进行正交优化，优化后的各催化器样件设计方案如表2所列。

表1　催化器设计参数及水平

为满足国家轻型车排放法规要求，催化器设计既要考虑16万公里老化催化器的基础排放，也要考虑临界催化器的排放。本文所用的16万公里老化催化器老化方法采用GMAC875台架老化方法，其老化持续时间为217 h；临界催化器老化方法采用马弗炉高温老化方法，其老化温度为1 250℃，老化持续时间为25 h。试验用车辆包括手动挡（MT）和自动挡（AT）车型。

3　试验结果及分析

3.1催化器起燃特性分析

文献[4]表明，催化器起燃特性对车辆冷起动阶段的排放影响很大。催化器起燃特性一般以催化器的起燃温度作为评价指标，其定义为催化器转化效率达到50 %时所对应的催化器入口温度[4、5]。在实际车辆排放控制开发过程中，为加速车辆冷起动阶段催化器的起燃，一般由电控单元（ECU）控制发动机进入催化器起燃模式下运转。催化器起燃模式下，ECU通过推迟点火角、提高发动机怠速转速及采用偏稀的可燃混合气等方式来提高发动机的排气温度，从而缩短催化器达到起燃温度的时间。本文根据S1样件的16万公里老化催化器在NEDC排放测试循环中车辆冷机状态下的排放特性，设定催化器起燃功能持续时间为50 s，并在NEDC排放测试循环中测量各种样件的16万公里老化催化器在催化器起燃功能结束时的催化器床体温度，结果如图1和图2所示。

图1　排放循环中催化器床体温度变化

从图2可以看出，在ECU控制催化器起燃功能结束时，16万公里老化催化器S1样件的床体温度在200℃以上，S3样件在300℃以上，其余样件均在400℃以上。催化器床体温度的提高，有利于降低车辆冷起动阶段的排放量。

3.2催化器参数结构对整车排放的影响

3.2.1 HC排放的影响

图3和图4分别为催化器载体结构及催化剂对整车总碳氢（THC）和非甲烷碳氢（NMHC）排放量的影响。可知，对于临界催化器，S1样件的THC和NMHC排放量分别高于0.09 g/km和0.07 g/km，明显高于其它催化器样件的排放量；对于16万公里老化催化器，各样件的THC排放量在0.08 g/km以下，NMHC排放量在0.06 g/km以下，即不同的催化器样件其整车THC和NMHC排放量无显著变化。一方面，S1样件的16万公里老化催化器起燃结束时的床体温度在所有催化器样件中最低，其催化器起燃所需的时间更长；另一方面，临界催化器为经高温老化后的催化器，其催化器的起燃温度会有所升高[7]，因此与其它催化器样件相比，在相同的车辆运转条件下，S1样件的临界催化器需要更长的时间才能达到催化器起燃温度，从而导致其THC和NMHC排放量高于其它催化器样件的排放量。

图4　催化器参数对NMHC排放的影响

3.2.2 NOx排放的影响

图5为催化器载体结构及催化剂对整车NOx排放量的影响。从图5可以看出，对于临界催化器，S1和S7样件的NOx排放量超过0.25 g/km，而S2、S3、S5和S9样件的NOx排放量则低于0.1 g/km；对于16万公里老化催化器，各种催化器样件的NOx排放量均小于0.04 g/km，处于较低水平。

图5　催化器参数对NOx排放的影响

3.2.3 CO排放的影响

图6为催化器载体结构及催化剂对整车CO排放的影响。可知，临界催化器的CO排放量随着各催化器的不同设计而变化较大，其中S1和S4样件的CO排放量超过1.5 g/km，而S2、S3、S5和S9样件的CO排放量则低于1.0 g/km；而16万公里老化催化器的CO排放量均低于1.00 g/km，处于较低水平，其中S1样件的MT车辆略高，为1.00 g/km。

图6　催化器参数对CO排放的影响

3.3 DFSS分析

图7为DFSS优化设计参数图，其中显示了信号、噪声因子、控制因子（设计参数）、响应和症状之间的关系。工程优化设计的目的是选择最佳的控制因子组合，同时降低噪声因子对系统稳健性的影响。由于车辆排放主要受催化器的物理特性影响，无相关的信号输入，且需要尽量降低排放量，因此响应类型选择为非动态响应，且响应特性为望小特性。

图7　DFSS优化设计参数

由各催化器设计样件排放结果分析，催化器载体结构及催化剂对16万公里老化催化器样件的HC、NOx及CO排放量影响较小，且其排放量均处于较低水平；催化器载体结构及催化剂对临界催化器样件的THC 和NMHC影响较小且其排放量较低；根据国家轻型车排放法规，目前催化器诊断仅要求监测NMHC及NOx排放[2]。因此，本次DFSS优化设计主要是针对临界催化器的NOx排放进行。

图8为临界催化器NOx排放平均值和信噪比响应分析图，其中A为催化器载体结构，B为涂覆技术，C为贵金属含量。可知，催化器设计参数A、B、C对临界催化器的NOx排放及其信噪比均有较大影响；随着系统的信噪比增加，NOx排放量减小（图9），对于催化器参数的设计，降低临界催化器NOx排放量与提高其稳健性相一致。因此，选择信噪比最大值的方案A1B2C2作为本次催化器参数设计的最优设计方案，即催化器的最优设计方案为载体结构为600/4、涂覆技术为方案2和贵金属含量增加20 %的设计。

图8　NOx排放平均值及信噪比响应

图9　NOx排放与信噪比关系

4　结束语

a.催化器载体结构及催化剂参数对16万公里老化催化器的整车HC、NOx及CO排放影响较小，且其排放量均处于较低水平。

b.催化器载体结构及催化剂参数对临界催化器的整车NOx排放影响较大，合理设计催化器参数可以有效控制临界催化器的整车NOx排放量处于较低水平。

c.随着临界催化器的整车NOx排放量信噪比的增加，NOx排放量减小，降低临界催化器的整车NOx排放量与提高系统的稳健性相一致，有利于低NOx排放量的临界催化器参数设计的稳健性。

d.通过DFSS优化设计，本次催化器设计最优方案为A1B2C2，即选择载体结构为600/4、涂覆技术为方案2和贵金属含量增加20 %的设计，可以有效降低临界催化器的整车NOx排放量和提高系统的稳健性。

参考文献

1周龙保.内燃机学（第2版）.北京:机械工业出版社,2003.

2中国汽车技术研究中心,中国环境科学研究院. GB18352.5-2013轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第5阶段）.北京：中国环境科学出版社，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，肖建华，李俊，等.车用催化转化器的起燃特性及其评价试验方法.汽车工程，2000, 22（1）：25～28.

5冯长根，陶明涛，王丽琼，等.车用催化转化器起燃温度的数值模拟.安全与环境学报，2004, 4（2）：3～6.

6余秀慧，谢骋，孙丽丽.六西格玛设计在汽车产品开发中的应用.上海汽车，2010（3）：20～26.

7胡杰.轻型汽油车排放控制故障诊断方法及离线诊断技术研究：[学位论文].武汉：武汉理工大学，2011.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为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

中图分类号:U464.171

文献标识码:A

文章编号:1000-3703（2016）01-0006-04

主题词:轻型汽油车三效催化转换器载体结构催化剂排放性能