车用催化剂的台架快速老化研究

曾恩山，熊 锐，吴 坚,2，周 鑫，张宗澜

(1.广东工业大学 机电工程学院，广东 广州 510006；2.广汽集团 汽车工程研究院，广东 广州 510640)



车用催化剂的台架快速老化研究

曾恩山1，熊 锐1，吴 坚1,2，周 鑫1，张宗澜1

(1.广东工业大学 机电工程学院，广东 广州 510006；2.广汽集团 汽车工程研究院，广东 广州 510640)

基于车用催化剂的老化机理，建立车用催化剂综合性能试验台架，对催化剂进行160 h的快速老化，比较其老化前后的性能，分析催化剂台架快速老化和实车道路老化的工况法排放结果及相关性.试验结果表明：催化剂经160 h的台架快速老化后，对CO、THC、NOx的起燃温度分别上升了38.5%、28.4%和37.3%；装有160 h台架快速老化后的催化剂相比于装有160 000 km实车老化后的催化剂的整车工况法排放，其THC、CO、NOx和NMHC的排放结果分别增加了8.6%、11.3%、3.8%和13.7%.

车用催化剂； 试验台架； 快速老化试验； 数据分析

随着汽车保有量的持续增长，汽车尾气对大气环境的破坏日益严重.到目前为止，电控燃油喷射系统的闭环控制与三元催化器的后处理技术仍是减少汽车尾气排放的主要措施[1-2].在国外，Allied-Signal[3]、Engelhard[4]、Johnson Matthey[5]等公司已利用断油老化方法分析了催化剂的耐久性，Corning[6]、Delphi[7]、Engelhard[8]等公司采用多段模式老化循环(ARL-102循环)对催化剂进行了老化研究.在国内，对于三元催化器的试验研究还比较少.为了进一步研究催化剂的老化与性能，本文建立了车用催化剂快速老化及性能评价试验台架，分析比较了催化剂老化前后的性能，并与实车道路老化后的催化剂进行了整车排放的对比，以获得催化剂台架快速老化与实车道路老化的相关性.

1 催化剂老化机理

催化剂经长期使用后，其性能将发生劣化.影响催化剂性能的因素主要有4种：化学中毒、结焦堵塞、机械损伤、高温失活.由于科学技术的不断发展，已基本解决前3种情况，高温失活成为影响催化剂性能的主要因素[9-13].这主要由于在高温作用下，作为催化剂主要活性组分的贵金属Pt、Pd、Rh晶体将发生烧结，生成较大颗粒的晶体，导致贵金属表面积缩小，也就是催化剂活性位的减少，使其活性下降；作为催化剂载体活性涂层的主要材料Al2O3，以及作为催化助剂的稀土氧化物和一般金属氧化物也会发生烧结，使其物理表面积大幅度下降，在一定程度上也降低了催化剂的活性[14-15].另外，周期性的空燃比浓稀交替冲击也加快了催化剂的劣化[16].催化剂的台架快速老化正是基于这些机理建立的.

2 试验描述

2.1 试验台架的建立

基于催化剂的老化机理，建立了车用催化剂综合性能试验台架.总体方案如图1所示.整个试验台架装置由发动机尾气管路、压缩空气管路、冷却器管路、尾气分析采样管路组成.利用排量为2.0 L的多点电喷汽油发动机作为废气源.发动机产生的废气分成三路，第一路为催化剂性能评价管路，三元催化器前和后分别布置有排放分析仪采样口，用于检测三元催化器前后污染物的浓度，进而可求出对应污染物的转化效率.起燃温度特性试验时，通过气动三通阀调节热废气与冷废气混合的比例，即可控制催化器入口温度.第二、三条管路为催化器快速老化管路，由空气压缩泵、空气流量计、电动两通阀组成的补气装置提供的二次空气用于调节催化器入口温度及床温.三元催化器入口处的空燃比、温度可通过宽域氧传感器和热电偶测量.三元催化器下游的孔板流量计与气动两通阀用于测量及调节管路流量.

图1 车用催化剂综合性能试验台架

2.2 快速老化循环与实车道路老化规范

快速老化循环采用ARL-102循环，如表1所示，催化剂台架快速老化持续时间为160 h.实车道路老化按照GB18352.5-2013中的标准道路循环(SRC)进行，行驶里程为160 000 km.

2.3 试验用样车及催化转化器

试验用样车采用国产某型号SUV轿车，装配国产原装催化转化器.

3 试验结果及分析

3.1 起燃温度特性试验

起燃温度特性试验是在空速、空燃比不变的条件下，催化剂对污染物(CO、HC、NOx)的转化效率随催化器入口温度变化的特性.试验时，三元催化器的入口温度在200 ℃～550 ℃的范围内变化，空速为40 000 h-1，过量空气系数为1.0.

图2为催化剂老化前后的起燃温度特性曲线.根据图2，利用插值法求出催化剂老化前后对各污染物的起燃温度，结果如图3所示.由图3可知：老化前，CO、THC、NOx的起燃温度分别为278 ℃、296 ℃、287 ℃，属于正常范围之内；老化后，CO、THC、NOx的起燃温度分别为385 ℃、380 ℃、394 ℃，上升比例分别为38.5%、28.4%、37.3%.结果表明，台架快速老化对三元催化剂的老化作用非常显著，导致三元催化剂的性能发生劣化，起燃缓慢.

图2 催化剂老化前后的起燃温度特性

图3 起燃温度变化图

3.2 空燃比特性试验

三元催化剂转化效率的高低与发动机的空燃比(A/F)密切相关，转化效率随空燃比的变化称为催化剂的空燃比特性[17].试验时，三元催化器的入口温度及空速分别为500 ℃、40 000 h-1，空燃比在14.0～15.0的范围内变化.

图4为催化器老化前后的空燃比特性曲线.由图4可知，老化前，三元催化剂对各污染物的最高转化效率均为90%以上，其高效转化窗口(即对CO、THC、NOx的转化效率为80%以上的空燃比区间)为14.49～14.62.而老化后，三元催化剂对CO、THC、NOx的最高转化效率分别下降了5.3%、7.8%、6.1%，其高效转化窗口为14.53～14.58，窗口宽度减小了0.08，说明三元催化剂已产生严重劣化.

图4 催化剂老化前后的空燃比特性

3.3 工况法排放试验

两个相同规格的催化器分别经过台架快速老化160 h与实车道路老化160 000 km后(分别称为催化器A、催化器B)装车进行工况法排放测试.THC、CO、NOx、NMHC四种污染物的试验结果分别按市区运转循环(ECE循环)、市郊运转循环(EUDC循环)、综合运转循环(ECE+EUDC)列出，如图5～8所示.

图5 不同老化方法的THC排放结果

图6 不同老化方法的CO排放结果

由试验结果可知，ECE循环的排放占总排放的80%以上，主要是由于冷启动阶段催化剂起燃缓慢导致；THC、CO、NOx、NMHC的综合运转循环排放量都在GB18352.5-2013限值之内，但都达到了较高的水平；装有催化器A的整车工况法排放相比于比装有催化器B的整车工况法排放，其THC、CO、NOx和NMHC的排放结果分别增加了8.6%、11.3%、3.8%和13.7%，说明160 h台架快速老化比160 000 km实车道路老化的劣化程度略大一些.

图7 不同老化方法的NOx排放结果

图8 不同老化方法的NMHC排放结果

4 结论

1) 本文建立的车用催化剂综合性能试验台架，包括发动机尾气管路、压缩空气管路、冷却器管路、尾气分析采样管路，完成了车用催化剂160 h台架快速老化及性能评价试验.试验结果表明，此试验台架可靠，能用于分析评价车用催化剂的寿命与性能.

2) 通过比较装有160 h台架快速老化后的催化剂与实车老化后的催化剂的整车工况法排放，发现其THC、CO、NOx、NMHC的排放结果分别增加了8.6%、11.3%、3.8%、13.7%.由此可见，160 h台架快速老化试验比160 000 km实车道路老化试验的劣化程度略大一些.

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A Study of Rapid Aging of Automotive Catalyst on the Bench

Zeng En-shan1, Xiong Rui1, Wu Jian1,2, Zhou Xin1, Zhang Zong-lan1

(1.School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China;2.Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automobile Group Co. Ltd., Guangzhou 510640, China)

Based on the aging mechanism of automotive catalyst, a comprehensive performance test bench for automotive catalysts is established to have a 160-hour accelerated aging on the catalyst. The performance of catalyst before and after accelerated aging is compared, and an analysis of correlation and emission by European test cycle for a vehicle after its catalyst being aging on the bench and real vehicle is made. The results show that the light-off temperature of CO, THC, NOxrises by 38.5%, 28.4% and 37.3% respectively after rapid aging of the catalyst on the bench for 160 hours. In addition, compared with the real vehicle catalyst aged after 160 000 km, the emission of THC, CO, NOx, NMHC among the vehicle with the 160 h-rapid aging catalyst on the test bench increases respectively by 8.6%, 11.3%, 3.8% and 13.7%.

automotive catalyst; test bench; rapid aging test; data analysis

2016- 03- 01

国家自然科学基金资助项目(51405087)

曾恩山(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向为汽车节能与排放控制.

10.3969/j.issn.1007- 7162.2016.06.008

U463.1

A

1007-7162(2016)06- 0049- 04