钯钌催化器在某乘用车上的应用分析与优化

摘 要：文章以创新性钯钌催化器在某乘用车上的搭载应用为研究对象，对该催化器的方案及ECU软件进行研究分析与优化，使其满足销售地区法规要求；在达成减少气体污染物排放的前提下，不仅打破汽车三元催化器对铑元素使用的依赖，避免进口原材料卡脖子的状况发生，而且有效降低三元催化器的成本。

关键词：催化器 钯 铑 钌 排放 ECU

从2020年9月起，我国在关于“碳达峰目标和碳中和远景”中，明确提出“2030年前二氧化碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和”的目标。为实现乘用车减碳减排，推动碳排放尽早达峰，需要对汽车污染物，尤其是尾气排放污染物控制的硬件和软件进行技术提升，三元催化器作为汽车尾气排放污染物控制的核心后处理零部件，其创新性设计应用意义重大。目前乘用车三元催化器中的贵金属材料主要为铂、钯、铑三种元素，其中铂钯可互相替代，而铑必不可少；且铑的全球存量很少，我国约90%依赖进口。由于钌元素同样具备催化还原能力，存量相较铑元素大，为避免铑材料的进口卡脖子风险，保障我国汽车产业稳健发展，在汽车三元催化器中创新性引入钌材料使用，减少对铑材料的进口依赖。

1 排放产生机理及影响因素

1.1 排放污染物生成机理

汽油发动机由于燃烧时间很短，可燃混合气无法完全混合均匀，造成燃料的氧化反应不完全，排气中会出现不完全燃烧产物HC和CO；NOx主要成分是NO，NO的主要来源是参与燃烧的空气中的氮，NOx生成的条件是混合气燃烧时产生的高温富氧。

1.2 排放的主要影响因素

1.2.1 三元催化器

三元催化器的布置位置、载体类型及贵金属方案均会对排放产生影响；现阶段作为催化剂的贵金属主要是钯（Pd）和铑（Rh），钯（Pd）主要催化CO和HC的氧化反应，铑催化NOx的还原反应，钌具有同铑一样的作用。铂也可以催化CO和HC的氧化反应，但是由于成本因素，铂的使用经济效益不高。

1.2.2 ECU排放控制相关数据匹配

ECU软件方面影响排放的因素众多，主要为起动、起动后与暖机过程中的空燃比控制及催化器加热模块；起动及暖机过程中催化器还未起燃，通过调整起动和起动后的空燃比，在保证起动安全和燃烧稳定的前提下，使发动机的原始排放尽量减少；催化器的起燃需要一定的温度条件，为了让催化器尽快起燃，达到高转化效率，需要匹配催化器加热功能。

2 贵金属方案制定

2.1 理论方案制定

根据车辆整备质量、发动机排量、动力总成配置及催化器布置位置等信息，同时结合发动机台架试验原排数据分析，在满足车辆销售地排放法规要求的前提下，初步核算制定一种理论的贵金属方案用于本车型上进行排放试验摸底验证，具体方案如表1所示。

2.2 整车排放摸底

本文中以某款自动档外销车辆为原型，试验车辆（#1车）磨合1500km以上，车辆销售地法规为欧六B，根据欧六B排放法规要求排放试验按照NEDC工况在某企业省重点节能减排试验室进行，为保证结果的可靠性，进行两次排放试验，得出排放结果如表2所示。

从排放试验结果可以看出，理论方案催化器在整车NEDC工况排放试验中，各气态污染物排放表现良好，其HC、NOx及CO的排放裕度均较大，贵金属方案存在进一步优化空间。

3 贵金属方案优化

3.1 优化方案确认

由于理论贵金属配比方案排放验证结果较好，为实现降本增效，对贵金属配比进行优化，结合HC、NOx和CO均有较大调整空间，故分别对Pd、Rh及Ru进行相应的调整以实现企业经济效益，经测算论证调整方案如下表3。

3.2 催化器优化后整车排放验证

优化后的催化器样件搭载在#1车上进行排放验证，排放结果NMHC和NOx均符合法规限值要求，且具备一定的一致性，但略超工程目标，具体结果如表4所示。

3.3 发动机燃烧控制数据分析

由于催化器优化方案的排放结果超工程目标，对于状态劣化的车辆或油品较差区域存在排放一致性风险，故需对该排放结果进行分析，确认ECU软件方面是否存在优化空间。

3.3.1 排放秒采分析

通过排放报告中的排放秒采数据（图1），分析确认贵金属方案变更前后排放差异部分主要集中在车辆冷起动和起步阶段。

3.3.2 测量文件分析

从INCA软件采集的数据（图2）可以看出，在整车起动后怠速阶段空燃比偏浓，基本维持在1左右，最稀的点仅1.03，最浓为0.98，由于空燃比偏浓不利于HC排放，判定HC仍可通过调整该部分空燃比进行优化。

3.3.3 催化器起燃温度及时间确认

由于排放污染物主要集中在车辆冷起动及暖机阶段，怀疑此时催化器还未起燃，故安排台架试验对催化器起燃温度进行测试验证；依据HJ/T331-2006 《环境保护产品技术要求汽油车用催化转化器》中起燃温度试验方法，测试出HC的起燃温度T50≤318℃、完全转化温度T90≤333℃，NOx的起燃温度T50≤320℃、完全转化温度T90≤334℃；结合实车转毂NEDC工况排温测试，确定在NEDC工况中在起动40s左右催化器才达到起燃温度。

3.4 ECU数据优化

综上，因在NEDC工况中NMHC和NOx大量产生的位置，催化器还未起燃；ECU标定上主要尝试从加快催化器起燃速度方面进行优化调试；同时针对HC较高问题，结合测量数据上空燃比表现较浓，进行相应的减稀优化，实施方案如下。

3.4.1 加速催化器起燃

①减小催化器加热阶段点火角（将起动后怠速阶段和起步时的点火角均进行修订）；

②提升催化器加热转速（由1300rpm提升至1400rpm）；

③TCU配合调整换档线，将低温工况下1档升2档的设定车速上调，使得NEDC工况第一个爬坡位置全部使用1档进行，提升转速加快起燃。

3.4.2 空燃比调整

①对应起动后怠速阶段空燃比相对较浓问题，通过ECU调整喷油预控，从而调整起动后怠速阶段的空燃比（减稀3%左右）；

②对应NMHC较高问题，调整起动阶段空燃比，减稀3%左右；

③对应NOx较高问题，缩短催化器起燃阶段空燃比减稀作用的时间（由40s减至32s）。

3.5 排放验证

由于NMHC和NOx同时超工程目标，ECU优化的第一种方案主要考虑提升催化器起燃速度，空燃比尝试小幅度减稀（3%）；经过排放验证，NMHC下降较明显，NOx基本同数据优化前相当，未出现上升趋势；为进一步确认NMHC是否还有优化空间，继续加大空燃比减稀幅度作为第二种方案进行验证，结果NOx超出目标较多；故继续从提升起燃速度上再进行优化，由于继续推迟点火角将影响动力性，故尝试提升催化器加热转速，同时针对NOx偏高的问题，进行适当的加浓，试验结果NMHC和NOx均满足工程目标；增加排放试验进行排放一致性验证，验证结果基本相当（相关排放结果见下表5），因此锁定该催化器方案为最终方案。

依此最终贵金属配比方案再试制两套催化器样件，使用同版ECU数据，增加车辆进行排放验证，通过两台试验车分别搭载两套催化器样件各进行两次排放试验验证，排放结果均满足工程目标要求，ECU排放相关数据依此状态进行固化。

4 结论

本文针对创新性钯钌催化器在实车上的应用，进行实车排放摸底优化验证；在理论贵金属方案满足排放目标要求时，为实现降本增效，对贵金属方案进行适当递减优化；优化后的贵金属方案的排放气态污染物较高，根据排放秒采数据确定排放污染物主要集中在起动及起步阶段，结合INCA测量数据，锁定污染物排放较高的原因为起动后空燃比相对偏浓；根据NEDC工况下排温测量数据发现，由于催化器在整车上的布置原因，在NDEC工况中催化器在起动后40s才达到起燃温度，起燃时间相对较迟；ECU软件控制策略上着重从提升催化器起燃速度及优化目标空燃比上进行优化，经过多轮调试通过不同控制方案的搭配验证，使降本的钯钌方案催化器适配整车满足开发目标要求，实现经济效益和企业社会责任的平衡。

基金项目：创新型三元催化器在汽车减排系统中研发及应用（福建省乘用车节能减排技术重点实验室），项目编号：2022L3021。

参考文献：

[1]周松，肖友洪，朱元清.内燃机排放与污染控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[2]周敏.汽油车尾气后处理系统的技术发展与未来[J].汽车实用技术，2020，45（21）：253-256.

[3]姚慧，杨惠玲.催化剂中贵金属与汽车排放关系的研究[J].贵金属，2016，37（S1）：134-138.