车用三元催化转化器快速老化试验研究

郝宝玉，侯献军，彭辅明，刘华刚，颜伏伍

(1.武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430070;2.现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070)

汽车在给人类带来交通便利和社会繁荣的同时，也给环境带来了较大的危害，追求低污染已成为汽车行业发展的主要方向，目前在汽油机上主要的排气后处理净化技术是三元催化转化器技术。三元催化转化器是利用氧化和还原反应，将汽车排气中的 HC、CO、NOx转化成 CO2、N2、H2O等无害的物质［1］。对催化器的老化失效进行分析研究，对于改进催化器的设计制造，改善催化器工作环境，控制在用车排放和提高催化器的使用寿命具有重要意义［2］。国内只有天津大学利用FOCAS系统对催化器老化做了试验研究［3］。笔者建立发动机三元催化转化器快速老化试验台架，根据HJ/T 331-2006对催化器快速老化进行了研究。

1 国内外老化试验规范

1.1 实车道路循环

老化试验分为实车道路老化和台架快速老化两种方式，是研究三元催化转化器老化的有效手段，可以对三元催化转化器的老化性能和耐久性寿命进行比较系统的研究。

在美国，美国环保署(EPA)规定了标准道路循环(standard road cycle，SRC)。Ford、GM、Toyota等汽车厂家都有自己的道路循环(road cycle，RC)，称为(alternative road cycle，ARC)。目前我国试车场实车老化试验是按照GB18352.3-2005中V型试验—污染控制装置耐久性试验进行的。试验员在试车场内按照标准规定的运转循环通过仪器发出的语音提示和显示的车速来正确操作车辆，耐久性里程不得少于80000 km［4］。

1.2 台架快速老化循环

实车道路耐久性评价试验周期长，人力、物力消耗大;台架快速老化周期短、成本低，又可近似模拟实车道路老化，因此在国外广泛采用快速老化试验来考察其相对耐久性。目前国外使用的快速老化方法至少有10多种。一种4阶段的老化方法RATSM(也称为ARL.102方法)开始被广泛应用。Delphi、Coming和Engelhard等公司在台架试验中都采用了这种方法［5-7］。4段模式中有加浓、补气和催化剂升温的过程，主要考虑了发动机都不可避免地会有失火发生，会出现未完全燃烧的燃油和废气中多余的氧在催化剂上发生反应，造成催化剂短时间内的急剧升温，从而加速催化剂老化的问题。

目前国内的快速老化循环主要采用HJ/T 331-2006中规定的4段模式老化循环以及断油或补气循环，如表1和表2所示。天津大学采用的是表1中的方法，在FOCAS系统上对催化器老化做试验研究。

表1 4段模式老化循环A

表2 断油或补气循环B

2 试验设计及优化

2.1 试验装置设计

笔者的试验采用表2中的补气循环控制，即60 s的稳定工况和5 s的补气工况。该试验的催化器为一个国外成品催化器，满足欧IV排放标准，另一个为国内新开发未上市的催化器。催化器转化率主要随发动机空燃比、催化器入口温度和空速等因素变化，因此，催化器性能台架评价试验需要能够控制上述参数［8］。该装置包括4个系统:发动机控制系统、补气系统、数据采集系统和冷却系统，如图1所示，图2为试验装置的实物图。

2.1.1 发动机控制

该试验采用的发动机为3.0 L发动机，采用电控燃油喷射系统。根据HJ/T 331-2006中规定催化器快速老化对空速的要求，计算出发动机的转速;根据尾气温度要求，通过测功机控制发动机负荷，进而提高尾气温度达到HJ/T 331-2006的要求。根据空速定义，可得:

式中:h-1为催化器空速;i为催化器个数;Vc为催化器体积;Qv为发动机容积流量。

式中:n为发动机转速;Vs为发动机排量。

由式(1)和式(2)可得:

发动机负荷由测功机控制，将发动机转速稳定在2000 r/min，调节发动机负荷，并采取保温措施，使尾气温度达到760℃，根据试验得出发动机转矩为249 N·m，节气门开度为50%。

图1 快速老化台架试验装置

图2 快速老化台架试验装置实物图

2.1.2 补气系统

补气系统由空压机、电控单元及两个气动电磁阀和流量控制阀构成，如图3所示。补气的开闭时刻由电控单元控制，电控单元根据HJ/T 331-2006的要求控制电磁阀的开闭时刻，实现控制。补气量大小由流量控制阀控制，调节流量控制阀，根据HJ/T 331-2006的规定使尾气的过量空气系数φα为1.3，过量空气系数φα可由数据采集系统Lambda Meter显示仪读出，从流量控制器上读出该试验的补气量为0.48 kg/min。使用两个电磁阀并联可以提高补气系统的稳定性，试验中若有一个电磁阀异常，试验仍可以继续正常进行。

图3 快速老化台架补气系统

2.1.3 数据采集系统

数据采集系统由计算机、Thermo-Scanner、两台Lambda Meter显示器、氧传感器和温度传感器等组成，如图4所示。仪器串联，由专用串口数据线K38、K39、K40连接，K39接12V直流电源。Thermo-Scanner有14个通道，该试验只用到8个通道，氧传感器和温度传感器接口按图1所示的位置，分别连接到 Lambda Meter、Thermo-Scanner上。计算机端由ETAS公司开发的专门的数据采集软件INCA控制。

图4 快速老化台架数据采集系统

2.1.4 冷却系统

水温是发动机运转的一个重要参数，在该老化试验中，发动机尾气到达800℃，冷却系统性能要好，要求发动机必须处于热机状态［9］。冷却水温度要求控制在80～85℃范围内［10］。该试验通过热交换器来实现冷却，发动机使用专用的冷却液，循环水通过热交换器冷却冷却液，其冷却系统如图5所示。

图5 快速老化台架冷却系统

2.2 试验装置优化

2.2.1 保温措施

试验表明，在不采取保温措施的情况下，尾气温度最高为700℃，而台架试验要求尾气达到700～800℃，因此要对试验室和尾气管都采取保温措施。试验保温措施分尾气管保温和室内保温。尾气管保温用石棉布把尾气管包住，减少其散热，达到保温效果;室内保温，要适当关闭房间内窗户和门，让室内温度稳定在30℃左右，减小尾气管与室内的温度差，减少其散热。

2.2.2 精简仪器

该试验需持续100 h，对仪器使用损耗也较大。减少不必要的仪器，显得更为经济，节省物力、财力。如补气系统的流量控制器可以去掉;空气质量流量控制器可由相对便宜的手动流量控制阀代替;补气量可由数据采集系统的λ仪控制，调节手动流量阀，使其补气时过量空气系数φα达到1.3，固定流量阀位置;补气开闭由单片机控制电磁阀来实现。

3 试验数据分析

在研制的老化台架试验装置上，进行车用三元催化转化器性能试验和快速老化试验，得到车用催化器的起燃温度等特性和空燃比特性。图6为催化器老化前后起燃温度特性曲线，CO、HC、NOx的起燃温度分别从老化前的311℃、316℃、319℃变化到老化后的353℃、356℃、349℃，分别升高了42℃、40℃、30℃，对催化器起燃不利。

图7为催化器老化前后空燃比特性曲线，由图7可知，老化前催化器的高效窗口λ为14.38～14.43;而老化后，高效窗口几乎不复存在，这主要与老化后HC的转化效率显著降低有直接关系。经100 h快速老化试验后，催化器的上述特性显示出性能趋向恶化。这表明所开发的试验装置使催化器快速老化并可用于考核催化器的使用寿命。

图6 催化器老化前后起燃温度特性

图7 催化器老化前后空燃比特性

4 结论

(1)在国内首次建立了车用三元催化转化器快速老化试验台架，包括发动机控制、补气，数据采集、冷却4个系统，并完成了100 h老化试验。结果表明试验装置可靠，试验设计方案可行，仪器选用准确，可用于考核催化器的使用寿命。

(2)100 h老化后三元催化转化器CO、HC、NOx的起燃温度分别升高了42℃、40℃、30℃，对催化器起燃不利;老化后HC的转化效率显著降低，空燃比特性曲线的高效窗口几乎不复存在。催化器的上述特性显示出性能趋向恶化。

［1］钟祥麟，于秀敏，梁晶晶，等.三效催化器起燃特性影响因素的仿真研究［J］.内燃机工程，2007(6):73-76.

［2］龚金科，郭华，蔡皓，等.三效催化转化器快速老化过程性能仿真［J］.内燃机工程，2010(6):100-104.

［3］任美林.三元催化转化器快速老化循环试验研究［D］.天津:天津大学图书馆，2007.

［4］郭华.基于详细反应机理的三效催化器快速老化特性数值研究［D］.长沙:湖南大学图书馆，2009.

［5］COOPER B J.Platinum catalysts for automotive［J］.Platinum Metals Review，1994，38(1):1-9.

［6］VYAZOVKIN S.Alternative description of process kinetics'［J］.Thermochim Acts，1992，21(1):181-187.

［7］孟浩，陈颖健.英国能源与CO2排放现状、应对气候变化的对策及启示［J］.中国软科学，2010(6):25-35.

［8］程勇，吴波.摩托车催化器性能及快速老化台架评价试验研究［J］. 内燃机学报，2002，20(3):243-246.

［9］邱兆文，魏朗，王生昌.车用三效催化转化器工作效率的温度监控模型及其试验验证［J］.汽车工程，2009(4):326-329.

［10］马向明.三元催化转化器快速老化试验系统的开发［D］.武汉:武汉理工大学图书馆，2009.