车用三效催化剂台架试验比对研究

业红玲

目前，我国汽车保有量中有80%是汽油车［1］，汽油车尾气对大气的污染引起人们普遍关注。控制汽油污染物排放的最有效技术是闭环电控燃油喷射系统结合三效催化剂。经过国内外厂家、科研机构的多年研究，开发一种高活性、高转化效率的催化剂并不难，难的是同时具有高耐久性。因此，耐久性评价体系是衡量催化剂是否具有实用价值的一个至关重要标志。通常催化器耐久性评价是在发动机台架试验中采用断油循环或ARL－102循环进行，但发动机台架试验存在一些不足如空燃比稳定运行的范围窄，不易控制催化剂床层温度等，且只有一种考核方法是不能满足催化剂发展的需要。由美国西南研究院研发的R－FOCAS燃烧器系统是另外一种台架试验，目前，国内只有天津索克汽车试验有限公司利用R－FOCAS系统对催化器老化做了试验研究［2］。通过发动机台架和R－FOCAS台架对比试验分析不同老化方法对催化剂劣化强度的影响，考虑两者的相关性。

1 催化剂失活机理

现代先进的催化器在达到工作温度≥300℃，排气为理论空燃比条件下对CO、HC、NOX三种有害排放物可达到近100%的转化率。从催化剂发展的角度来看，尽管催化剂已经得到发展，但受到发动机燃烧状况、使用的燃油与润滑油品质、汽车运行工况以及安装位置等诸多因素的影响，催化剂在常规运行的高温工况下会造成铂族金属和涂层的烧结，从而降低催化剂的活性。催化剂快速老化试验方法正是基于这种高温失活机理建立起来的。

2 实验方法及试验参数控制

2.1 试验装置及条件

在R－FOCAS台架和排量为2.0L的发动机台架上同时老化四只含有少量铂族金属（PGM）的某国产催化器，发动机台架老化的催化器记为1＃、2＃件，R－FOCAS台架老化的催化器记为3＃、4＃件。试验用油为93＃车用汽油，含铅≤0.005mg／L，硫≤0.015mg／L。试验条件分别采用基于标准HJ／T 331－2006的断油循环如表1所示［3］和基于标准EPARAT－A的ARL－102循环如表2所示对两套催化器进行50h的快速老化试验，并且对老化后的催化器进行性能测试。

表1 断油循环试验规范

表2 ARL－102循环试验规范

2.2 试验参数控制

发动机台架及R－FOCAS台架上，催化器的传感器布置以及数据采集如图1所示，其中Burner phi传感器只用在R－FOCAS台架上。

图1 催化器传感器布置图

2.2.1 发动机台架参数控制

样件1＃与2＃在发动机台架上老化，每1小时采样1次，采样频率为10Hz，老化时温度分布和空燃比分布如图2所示。

图2 发动机台架老化时温度、Φa分布

2.2.2 R－FOCAS台架参数控制

样件3＃与4＃在R－FOCAS台架上老化，连续采样，采样频率为1Hz，老化时温度分布和空燃比分布如图3所示。

图3 R－FOCAS老化时温度、Φa分布

3 不同老化方法劣化强度比对

3.1 起燃温度特性

所谓起燃温度，是指起燃温度特性曲线中催化转化器净化某种废气（如CO、HC或NOx）程度达50%时对应的催化器入口温度值，用T50表示。它是评价催化剂劣化强度的指标之一。在发动机台架上利用断油循环老化1＃、2＃件所得到的起燃温度特性曲线图如图4所示，从图中可以看出1＃、2＃件老化50h后所对应起燃温度在320℃至340℃范围内；而在R－FOCAS台架上利用R－102循环老化3＃、4＃件所得到的起燃温度特性曲线图如图5所示，从图中可以看出3＃、4＃件老化50h后所对应起燃温度在360℃至380℃范围内。

图4 1＃、2＃老化后起燃温度性能

图5 3＃、4＃老化后起燃温度性能

3.2 空燃比特性

所谓空燃比特性，是指催化器转化效率随空燃比α或过量空气系数Φa变化而变化。它是评价催化剂劣化强度的又一指标。空燃比特性的60%和80%窗口宽度能综合反映催化剂的NOx－CO交点转化率高低和高效转化区域大小［4］。从下图可以看出，1＃、2＃件老化50h后空燃比窗口宽度明显宽于3＃、4＃件。

综上试验结果表明：R－FOCAS台架的ARL－102方法催化剂起燃温度、空燃比窗口宽度均大于发动机台架的断油方法，说明前者劣化程度更强，也证明了在R－FOCAS台架上利用ARL－102方法老化催化剂是一种高效率、低成本、能在极高温度运行的评价催化剂寿命的手段。

图6 1＃、2＃老化后空燃比性能

图7 3＃、4＃老化后空燃比性能

4 结论

（1）R－FOCAS系统是一种模拟发动机台架催化剂热老化的方法，通过试验表明，可在RFOCAS系统上采用老化循环进行催化剂热老化，低成本、高效率。

（2）ARL－102方法比断油方法的劣化强度更强、分辨率更高，因此在R－FOCAS台架上采用ARL－102方法老化催化剂是一种新的催化剂耐久性评价方法，可应用在我国三效催化剂性能考核中。

（3）本文从空燃比窗口宽度、起燃温度两个催化剂劣化强度指标对比了发动机断油方法和RFOCAS系统ARL－102方法催化剂性能的变化。

（4）本文对催化剂老化失效进行分析，对于改进催化器、改善催化剂热耐久性具有重要意义，使催化器不仅可以在高排温条件下使用，而且可以在满足一定里程耐久性要求的前提下维持高污染物转化率。

［1］ Fuquan（Frank）zhao，著，帅石金译.汽油车近零排放技术［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［2］ 郝宝玉，侯献军，彭辅明，等.车用三元催化转化器快速老化试验研究［J］.武汉理工大学学报，2011，33（5）：772－775.

［3］ 国家环境保护总局发布.《HJ／T331－2006环境保护产品要求汽油车用催化转化器》［S］.2006：11－22.

［4］ 宁海洋，肖建华，王建昕.三效催化剂快速老化方法与劣化强度的相关性研究［J］.汽车工程，2002，24（4）：336－338.