在用车排放与催化器的相关性研究

余乐,李孟良,方茂东

(1.中国汽车技术研究中心,天津 300162;2.武汉理工大学汽车工程学院,湖北武汉 430070)

在用车排放与催化器的相关性研究

余乐1,2,李孟良1,方茂东1

(1.中国汽车技术研究中心,天津 300162;2.武汉理工大学汽车工程学院,湖北武汉 430070)

通过对比研究两款不同车型的排放试验与催化器检验结果,分析了车辆的排放情况与相应催化器中贵金属含量的关系。另外,探究了车辆催化器中非金属含量的影响因素。结果表明:排放劣化车催化器中的贵金属含量普遍低于新鲜催化器中的贵金属含量;排放正常车辆催化器中的贵金属含量与新鲜催化器中的贵金属含量无明显差异;催化器中的贵金属配比对车辆排放有很大影响;催化器中的贵金属配比与燃油及机油质量是影响催化器中非金属含量的主要因素。

在用车;催化器;贵金属;非金属;相关性

Abstract:The relationsh ip betw een vehicle em ission and noble m etal content in catalytic converterw as analyzed after comparing the em ission test data and catalyst check result of tw o different types of vehicles.And the influence factor of nonm etal content in catalytic converterw as explored.The results indicated that the noble m etalcontent in catalytic converterof high em ission vehicle is low er than the one in new catalyst converter;there is no obvious difference betw een the noble m etal content in catalytic converter of no r m al em iss ion vehicle and the one in new catalytic converter;noble m etalm ixture ratio in catalytic converter has a significant influence on vehicle em iss ion;noble m etalm ixture ratio in catalytic converter,fuel quality and engine oil quality are the m ain facto r for influencing the nonm etal content in catalytic converter.

Key words:in-use vehicle;catalyst converter;noble m etal;nonm etal;relativity

0 前言

随着我国汽车保有量的不断增加,在用车尾气排放造成的污染已成为导致大气污染、环境和人类健康危机的主要因素。三元催化器作为一种有效的汽车尾气处理装置,在汽车尾气控制方面有至关重要的作用,催化器的工作状况直接关系着在用车的排放情况。

车用三元催化转化器主要由蜂窝状载体、密封层、壳体及氧传感器组成。其中催化剂是催化转化器的核心部分,它决定着催化转化器的主要性能指标。催化剂中主要包括如 Pt、Pd、Rh等贵金属,在其作用下,尾气中的有害成分 CO、碳氢化合物分别被氧化成 CO2、H2O,而NOx被还原成N2,从而实现对汽车尾气的净化。

本文主要研究目的是:分析车辆的排放情况与相应催化器中贵金属含量的关系,另外,分析非金属物质,特别是 S、P含量的影响因素。

1 试验描述

1.1 试验车辆

为对比研究不同情况下在用车排放与催化器的相关性,本次试验抽取了里程数相差较大的车辆与里程数相差较小的车辆作为参考车辆进行试验研究,试验用车皆为轻型车。试验抽取了两款典型车型(记为A与B)共四辆在用车,A车型选取了里程相差较大的两辆在用车,B车型选取了里程相差较小的两辆在用车,以下简称A1、A2与B1、B2。1.2 排放试验

将选取的四辆在用车在底盘测功机上进行主要排放污染物的测试实验。本次在用车的排放试验是按照 GB 18352.3-2005中Ⅰ型试验——常温下冷启动后排气污染物排放试验(轻型车)的相关规定进行的。

1.3 催化器检验

对于催化器的检验,除检验上文中描述的 A1、A2、B1、B2 4个在用车的催化器,为进行对比分析,也检验了A、B两款车型所对应的两个新鲜催化器。综上,此次检验共涉及 6个催化器样件,由于A车型在用车的催化器分为前后级,在检验时需要前后级独立检验,故最终检验结果中样件数确定为 9件,其中A车型 6件,B车型 3件。

本次催化器检验项目包括催化器中的主要贵金属(Pt、Pd、Rh)含量以及主要非金属 (P、S)含量。检验时按照《车用催化转化器中贵金属含量的测定电感耦合等离子体发射光谱法和电感耦合等离子体质谱法》(送审稿)进行贵金属含量的检验,按照《XRF-1800荧光光谱仪操作规范》进行非金属含量的检验。

2 试验结果与分析

表 1所示为四辆在用车的Ⅰ型试验排放结果,四辆在用车的排放目录均为国Ⅲ标准。

表1 Ⅰ型试验排放结果

由表 1可看出,A、B两车型中,A1车与B1车的排放超标,而A2车与B2车的污染物排放量都符合国Ⅲ排放标准所规定的限值。其中,排放较好的A2车的排放水平已达到了国Ⅳ标准,在里程数已达到7万多公里的条件下,说明其排放控制水平较高。而排放超标的两车情况为:A1车的NOx排放超标, B1车的 CO排放超标。

如上文 1.1中所述,本次试验选取了里程数相差较大的车辆与里程数相差较小的车辆作为参考车辆,即为 A1、A2与 B1、B2,下文将分别分析这两个车型的催化器贵金属含量以及非金属含量检验结果,然后进行总结得出结论。

2.1 A车型催化器贵金属含量分析

表 2所示为A车型 (里程数相差较大)各催化器的贵金属含量检验结果,结果中包含各催化器的体积与质量参数,贵金属 Pt、Pd、Rh的具体含量,三种贵金属物质的总含量以及前后级催化器的贵金属总含量。

表 2 A车型催化器贵金属含量检验结果 g/L

分析表 2中的结果可发现,A车型所有催化器前级中都不含贵金属 Pt。经分析,这可能是由于催化器前级工作环境十分恶劣,而贵金属 Pt的高温稳定性不如 Pd好[1],故在催化器前级中使用 Pd与 Rh的贵金属组合作为催化剂的组分。而由于本次试验催化器检验的样本数选取的不够多,尚不足以说明一致性规律。

结合表 2中的检验结果,得到图 1。图 1为 A车型所有催化器的前后级贵金属总含量,包括 A车型新催化器与A1及A2车的催化器。

图1 A车型催化器前后级贵金属总含量

由图 1中贵金属检验结果对比可知,A1车催化器前后级的贵金属总含量要低于A2车以及A新催化器中的含量。分析原因可能是,随着A1车行驶里程的不断增加,各种污染元素的侵入,导致贵金属含量降低,催化剂中的有效成分不断减少,导致A1车催化器劣化,催化转化效率下降,进而引起排放增加[2]。而排放良好的A2车的催化器贵金属含量与新催化器相比无明显差异,由表 2可知 A车型新催化器的前后级贵金属总含量略高于A2车。

另一方面,由表 2可知,在催化器后级中,A1车催化器的贵金属含量较少这一现象体现得十分明显。针对此情况,对表2进行分析。分析可发现,A1车催化器后级与A2车催化器后级的贵金属配比不一致,而A2车催化器后级与 A车型新催化器后级的贵金属配比一致。由表可知,A车型新催化器后级 Pt/Pd的比值为 1/16.9,A2车催化器后级 Pt/Pd的比值为 1/16.7,两者相差很小,贵金属配比一致,皆为贵金属元素 Pd的含量比 Pt高出许多;而A1车催化器后级的 Pt/Pd的比值为 27.3,贵金属配比完全不一致,贵金属元素 Pd的含量比 Pt低许多。而有分析指出,对于 CO和 HC的催化转化,Pd的催化转化效率要明显高于 Pt[3]。以此结合表 1中的排放实验结果,A2车的CO及HC排放量要比A1车低很多,则可得出,上述催化剂贵金属配比的不一致可能会对此排放结果有所影响。

下面分析A1车排放超标的原因。结合表 1中的 I型试验数据,A1车的NOx排放已超标,而A2车的排放达到了国Ⅳ标准。考虑到催化剂组分中贵金属 Rh主要用于还原 NOx时的催化[3],下面对A车型不同车辆催化器中的 Rh含量进行分析。图 2所示为A车型不同车辆催化器中的Rh含量对比,图中包括A车型所有催化器的前后级Rh含量对比情况。

图2 A车型各催化器中的 Rh含量对比

如图 2所示,A1车催化器前后级与A2车及新催化器的前后级相比,A1车催化器的 Rh含量明显偏低,如上文所述,这就造成 A1车的 NOx排放超标。而随着里程增多,在用车(A1及A2车)催化器中的 Rh含量也都要低于新鲜催化器中的 Rh含量。

综合上述对A车型催化器贵金属含量的分析,有以下结论:行驶里程数较大的在用车 A1排放劣化,NOx排放超标,可能是由催化器劣化所致的贵金属含量减少(特别是贵金属元素 Rh),以及催化剂贵金属配比两方面原因共同引起的;排放良好的在用车A2(行驶里程数较小)催化器中的贵金属含量与新鲜催化器对比相差不大,只是略有降低。

2.2 B车型催化器贵金属含量分析

表 3所示为 B车型 (里程数相差较小)各催化器的贵金属含量检验结果,由于B车型的催化器仅有一级,此结果中包含的信息与表 2略有不同,无前后级贵金属总含量的数据。

表 3 B车型各催化器贵金属含量检验结果 g/L

由表 3可知,B车型所有催化器均采用 Pd/Rh的催化剂组合,经分析,此种组合中贵金属 Pd主要用于CO及 HC的催化转化,而贵金属 Rh主要用于NOx的催化转化。以表 3中的信息绘制图 3如下。图 3所示为B车型各催化器贵金属含量。

图3 B车型各催化器贵金属含量

由表 3可知,B车型各车的催化器贵金属含量总体相差不大,这与车型的选取有很大关系。试验时,B车型选取的是两辆行驶里程数相差不大,且里程数都较小的在用车。这就使得两辆在用车的贵金属含量相差不大,并且与新鲜催化器的贵金属含量也相差不大。

从催化器贵金属含量的大小关系来看,B车型新鲜催化器的贵金属含量还是要略高于两辆在用车,而排放正常的B2车的催化器贵金属含量也要略高于排放劣化的 (CO排放超标)的 B1车的贵金属含量。经分析,造成这个结果的原因可能是随行驶里程的增加,污染元素的不断侵入,导致催化器中催化剂有效成分(贵金属)含量减少,这与A车型中的情况类似。

下面分析B1车 CO排放超标的原因。如上文所述,催化剂中贵金属 Pd主要用于 CO及 HC的催化转化,因此推测,B1车的 CO排放超标可能与该车催化器的贵金属 Pd的含量有关系。结合表 3中数据得到图 4如下。图 4为 B车型各催化器贵金属Pd含量。

图4 B车型各催化器贵金属 Pd含量

由图 4可知,排放超标的B1车催化器的贵金属Pd含量要低于排放正常的 B2车及新鲜催化器。由于催化剂中的活性物质贵金属 Pd的含量较少,这就造成了催化器对 CO的转化效率下降,进而排放异常,超出限值规定。

综合以上对B车型催化器贵金属含量的分析,有以下结论:将行驶里程数较小且里程数相差较小的两辆在用车 B1与 B2的催化器中贵金属含量与新鲜催化器相比,差异不明显,只是略有降低,将B1与B2两在用车进行对比,贵金属含量差距也较小; B1车催化器中贵金属 Pd的含量较少,这是造成其CO排放超标的主要原因。

2.3 A、B两车型催化器非金属含量分析

和上文贵金属含量分析一致,这里将A、B两车型分开进行分析。下面,首先对里程数相差较大的在用车(A车型)的催化器非金属含量进行分析。表4所示为A车型的非金属含量检验结果。表中包括A车型各催化器前后级的主要非金属 S和 P的含量,以及催化器前后级总体的非金属含量。

表4 A车型非金属含量检验结果 g/L

分析表 4,所有A车型的新催化器中不含 P而所有在用车催化器中都含有 P,具体情况如图 5所示。经分析,由于机油进入燃烧室参与燃烧,而机油添加剂中含 P导致造成的。而A1车的行驶里程较A2长很多,所以就造成A1车催化器中的含 P量较多。

图5 A车型各催化器含P量

图 6所示为A车型各催化器的含 S量,可发现新鲜催化器中也含有 S,经分析,此原因为:在催化器加工时,原材料(也可能是载体原材料中本来就有的杂质)中就含有 S,但此时 S应该是以硫化物的形式存在,不过分析时就只能显示为 S。将 A车型在用车催化器与新鲜催化器对比,催化剂贵金属配比一致的A2车催化器和新鲜催化器进行对比时,可发现在用车催化器的含 S量明显高于新鲜催化器,这是由于里程积累造成的;而A1车催化器与新鲜催化器对比时,发现新鲜催化器的含 S量还要略高,这是由于催化剂配比不一致造成的。

图6 A车型各催化器含S量

比较在用车之间的催化器 S含量。结合表 4及图 6,可发现排放正常的A2车的含 S量反而要高出排放超标的A1车许多,在催化器后级中体现的十分明显。结合上文 2.1中对表 2的分析可知,A2车与A1车的催化剂配比不一致。A2车的 Pd含量高出Pt含量许多 (Pd/Pt比值为 16.7),而 A1车与此相反(Pd/Pt比值为 1/27.3)。因此,A2车催化器中的S含量非常高可能是由其催化剂贵金属配比引起的,A2车贵金属 Pd的含量很高,而贵金属 Pd比 Pt的抗 S老化性能差很多。除此之外,考虑到现阶段我国燃油品质的参差不齐,车辆使用不同品质的燃油也对检验结果造成了一定影响。

下面分析里程数相差较小的在用车(B车型)的催化器的非金属含量。

由表 5知,B车催化器中的含 P量与A车类似,新催化器中不含 P,而在用车催化器中都含 P。图 7所示为B车型各催化器含 P量。

表5 B车型非金属含量检验结果 g/L

图7 B车型各催化器含P量

由图 7发现排放正常的B2车的含 P量还要高于排放超标的B1车的含 P量。经分析,这可能与两车里程数相差不大有联系。由于行驶里程相差不大,两车的机油进入燃烧室参与燃烧的量相差不大,故催化器中的含 P量也相差不大,且含量大小与行驶里程数无相关性联系。

图 8所示为B车型各催化器含 S量。

图8 B车型各催化器含S量

分析该车型的催化器含 S量,可发现新鲜催化器中含 S量为零,而里程数较大的B1车的催化器含S量要高于B2车,但由于两车里程数相差不大,故 S含量也相差不大。

由以上分析可知:催化剂贵金属配比对催化器中含 S量影响较大,燃油品质也对此有一定影响;催化剂贵金属配比一致时,在用车催化器中的含 S量要高于新鲜催化器中的含 S量,高里程车催化器的S含量高于低里程车催化器的 S含量;由于原材料的原因,某些新催化器中也会含有 S等非金属元素,故新鲜催化器中的 S含量不一定是零;里程数相差较大的在用车之间的 P含量相差很大,此时 P含量随里程数增多而增加,里程数相差很小的在用车的P含量相差不大,无相关性联系。

3 结论

对上述分析过程进行总结,可得出以下结论: (1)由于催化器老化,排放劣化车催化器中的贵金属含量普遍低于新催化器中的贵金属含量。

(2)排放正常车辆的催化器中的贵金属含量与新催化器中的贵金属含量无明显差异。

(3)催化剂贵金属配比对催化器的活性有很大影响,从而对在用车的排放有很大影响,贵金属 Rh对NOx的控制有决定性作用。

(4)催化剂贵金属配比及燃油品质的不同,会导致催化器中的含 S量相差很大,由于原材料的原因,某些新催化器中也会含有 S等非金属元素。

[1]刘巽俊.内燃机的排放与控制[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2]王延昭,李孟良.汽车催化器失效的特征研究 [J].北京汽车,2006(5):25-28.

[3]张爱敏,黄荣光,宁平,等.贵金属配比对催化剂活性的影响[J].贵金属,2006,27(1):33-37.

S tudy on the Re la tivity be tween In-Use Vehic le Em iss ion and Ca ta lytic Conve rte r

Y U Le1,2,LIM eng-liang1,FANG M ao-dong1
(1.China Automo tive Technology&Research Center,Tianjin 300162,China; 2.Schoo lof Automobile Engineering,W uhan University of Techno logy,W uhan 430070,China)

TE624.82

A

2009-09-09。

余乐(1986-),男,武汉理工大学汽车工程学院动力机械及工程专业在读研究生,已公开发表论文4篇。

1002-3119(2010)03-0060-05