老化循环对三效催化器的老化效果研究*

苏 盛，侯 攀，赖益土，吕 涛，王 欣，葛蕴珊，吕立群

（1. 北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；2. 厦门环境保护机动车污染控制技术中心，厦门 361023）

前言

三效催化器（three-way catalyst，TWC）技术对尾气污染物的减排效果显著，可使汽车尾气中的CO、HC和NOx同时降低95%以上。随着排放法规日益严格，三效催化器技术成为汽油机污染控制的核心。当三效催化器发生老化，其尾气净化效率会显著降低，甚至完全失效，是造成在用车污染增加的重要原因。

三效催化器老化是非常复杂的物理、化学变化过程，主要因素有4 类：热老化、化学中毒、机械损伤和结焦［1］。通过改善燃油和润滑油品质、优化催化剂制造工艺、提升机内净化水平等手段，基本可以解决化学中毒、机械损伤和结焦［2］等引起的老化，目前，热老化是三效催化器最主要的老化因素［3］，也是三效催化器老化研究的重点［4-7］。

为确保车辆在全生命周期内三效催化器有效可靠，中国、欧盟和美国最新阶段排放标准均允许生产企业使用里程累积循环（approved mileage accumulation，AMA）、标准道路循环（standard road cycle，SRC）作为整车耐久老化循环，模拟车辆行驶全寿命周期下热老化对三效催化器的老化影响［8-11］。

不同老化循环直接影响到三效催化器热老化程度，选取了配备同款发动机满足国VI 标准的纯汽油车型和非插电混合动力车型，研究不同老化循环对三效催化器老化程度的影响。

1 试验部分

使用自动驾驶仪驾驶样车，运行AMA、SRC、WLTC 以及典型RDE 循环，利用数据采集系统实时采集车辆运行过程中的瞬时温度和瞬时速度数据。

1.1 样车选取

本文中研究用纯汽油车型（ICE）和油电混合动力车型（HEV）均配备了满足国VI排放标准的同款汽油机，混动车型增加了驱动电机，按混合动力策略重新标定匹配了发动机控制策略，试验车辆基本参数见表1。

表1 试验车辆基本参数

1.2 测试循环特征

测试循环选取轻型车第六阶段排放法规要求的4种典型循环［8，12］。

（1）里程累积循环（AMA），EPA早期开发的耐久循环，当时的车辆尚未安装催化转化器，循环本身包含很大一部分低速循环，主要目的是模拟发动机的积碳。该循环由11 个子循环组成，每个子循环里程为6 km，包含怠速、匀速、加速、减速工况最高车速113 km/h。

（2）标准道路循环（SRC），由于电控系统和后处理的应用，汽车排放进一步降低，EPA开发了比AMA循环更恶劣的SRC 标准道路循环。该循环由7 个子循环组成，每个子循环里程为6 km，包含怠速、匀速、加速、减速和急加速工况，最高车速129 km/h。

（3）全球统一轻型车驾驶测试循环（WLTC），是由联合国世界车辆法规协调论坛（WP29）在污染与能源工作组（GRPE）下设的工作组所制定［13］，我国轻型车第六阶段排放法规中采用的排放测试循环，替代了之前的NEDC 循环。该循环共计1 800 s 由4 部分组成：低速段589 s；中速段433 s；高速段，455 s；超高速段323 s。

（4）典型实际道路循环（RDE），为防止生产企业开发针对实验室排放测试的作弊系统，欧洲轻型车第六阶段法规开发引入了RDE 试验，目前已更新至第4 版（Package 4）［14-17］。RDE 循环是在实际道路上进行排放试验，并不是一个固定的驾驶循环。本文所说的典型RDE 循环是通过采集车辆在实际道路上行驶的路谱得到，包含市区段、市郊段、高速段3 部分，驾驶激烈程度、停车时间等驾驶条件均满足法规要求，实际道路循环见图1。

图1 RDE实际道路循环速度-时间图

1.3 三效催化器数据采集系统

试验车辆固定在底盘测功机上，使用自动驾驶仪按照预设循环驾驶车辆，高精度热电偶传感器测量三效催化器床体温度，通过数据采集模块将该温度信号和底盘测功机端车速信号以10 Hz 的频率同步整合、传输并记录，三效催化器数据采集系统的设备信息见表2，示意图见图2。

表2 三效催化器数据采集系统设备信息

图2 三效催化器数据采集系统

在三效催化器内部布置热电偶传感器进行温度采集，为保证三效催化器载体不受到破坏，选择直径小于载体空隙的高精度热电偶传感器逆于排气流方向伸入催化剂载体正中心；热电偶的固定基座安装在催化器出口处壳体上，三效催化器中热电偶传感器布置示意图见图3。

图3 三效催化器热电偶传感器布置

2 三效催化器床温特征与热损伤分析

2.1 不同循环下的三效催化器床温特征

为保证温度数据的重复性，正式试验前，样车先进行1 次预试验，对后处理系统进行预热，然后连续运行3 次驾驶循环为正式试验。以纯汽油车型为例，统计得到老化循环的特征参数，如表3所示。

表3 老化循环特征参数

图4 是两车型在不同循环下三效催化器床温特征比较，由表3和图4中可得如下结果。

图4 不同循环三效催化器床温特征

（1）AMA 和SRC 循环的平均正加速度和最大正向加速度均高于WLTC 和RDE 循环，三效催化器床温浮动幅度较大，且平均温度也较高。

AMA循环三效催化器床温在490～860 ℃之间变化，纯汽油车型和油电混合动力车型的平均温度分别为608和574 ℃。

SRC 循环三效催化器床温在480～860 ℃之间变化，纯汽油车型和油电混合动力车型的平均温度分别为620和573 ℃。

WLTC循环三效催化器床温在440～770 ℃之间，纯汽油车型和油电混合动力车型的平均温度分别为

578和566 ℃。

RDE 循环三效催化器床温主要在440～800 ℃之间，纯汽油车型和油电混合动力车型的平均温度分别为548和542 ℃。

（2）三效催化器升温主要发生在加速工况下，相比其他循环，由于AMA和SRC循环包含较多的急加速工况，两款车型在加速工况下温度变化较为剧烈。

（3）在部分低速工况下，油电混合动力车型的三效催化器床温较为稳定且高于纯汽油车型，如SRC、WLTC 和RDE 循环初期低速工况和WLTC 循环末端的减速工况及低速工况。推测原因可能由于车辆动力电池经历较长时间的充电过程，动力电池电量充足，在低速工况下可单独驱动车辆行驶，此时发动机熄火停止运转，后处理管理系统通过电加热策略保证三效催化器一直处于恒温工作状态，因而催化剂床温趋于稳定。

（4）油电混合动力车型由于驱动电机协同工作，相比传统燃油车，多数工况下，发动机负荷较小，三效催化器床温更低。其中，匀速工况下，两车型的三效催化器床温差值明显；加速工况下，两车型的三效催化器床温差值不明显。

（5）AMA 循环和SRC 循环下两车型的三效催化器平均床温差值明显，分别为34 和47 ℃，WLTC 循环和RDE 循环下两车型的三效催化器平均床温差值不明显，分别为12 和6 ℃。这是由于AMA 和SRC循环包含大量的匀速工况，而WLTC 和RDE 循环包含大量的加速工况所致。

2.2 不同循环的热老化强度比较

基于阿伦尼乌斯（Arrhenius）公式的BAT（bench ageing time）方程和热损伤（thermal damage）公式，对试验车辆运行不同循环的温度数据进行处理，并以RDE 实际道路循环为基准，将各循环16 万km 热损伤换算至对应的实际道路行驶里程，以表征不同驾驶循环对三效催化器的热老化强度。

2.2.1 热损伤计算方法

三效催化器老化主要为热老化，各国排放法规推荐的台架老化方法以及各汽车公司和催化器生产企业开发的快速老化方法主要采用基于阿伦尼乌斯机理的BAT 方程进行与实车老化效果等效的热老化试验。

BAT方程计算公式如下［18］：

式中：ti为将循环采集的逐秒温度数据按照一定间隔划分成不同温度区间的温度组后的第i个温度组的时间，h，其中，i=1，2，…，n；R为催化器热反应系数，取值17 500；Ti为第i个温度组的中点温度，K；t'i为循环中第i个温度组的时间所对应的有效基准温度下的等效老化时间，h。

热损伤计算公式也是基于阿伦尼乌斯机理推导而来，近年来，国内外催化剂研发团队也开始使用热损伤公式研究催化剂热老化，计算公式如下：

式中：H为热损伤，无量纲参数；B为指前因子，与材料相关的常数，s-1；Tc为循环有效基准温度，K；tC为循环时长，h。

2.2.2 不同循环16 万km 热损伤及RDE 循环等效行驶里程计算

根据上述公式计算得到两款车型在不同测试循环下的16万km热损伤，如图5所示。

图5 不同循环16万km 耐久的三效催化器热损伤

不同循环下，油电混合动力车型的16 万km 热损伤均低于纯汽油车型，混合动力技术可有效地减少三效催化器的热老化程度。

为更加形象地量化不同循环的热老化强度，以能够真实反映车辆实际道路驾驶水平的RDE 循环为参照基准，通过上述热损伤数量关系，可以推算出其他循环行驶16 万km 所对应的实际道路等效行驶里程，见图6。

图6 不同循环16万km 耐久的实际道路等效行驶里程

根据上述计算结果，可以看出两款车型以AMA、SRC、WLTC 循环所对应的实际道路等效行驶里程均大于16 万km，表明车辆以AMA、SRC、WLTC循环进行16 万km 耐久性试验，对三效催化器造成的老化效果高于实际道路行驶老化效果。

其中，AMA 和SRC 循环运行16 万km 所对应的实际道路等效行驶里程均明显大于16万km：

（1）纯汽油车型，以AMA和SRC循环行驶16万km，分别相当于实际道路行驶了51.84和60.30万km；

（2）油电混合动力车型，以AMA和SRC循环行驶16万km，相当于实际道路行驶了30.44和29.21万km。

3 结论

（1）三效催化器升温主要发生在加速工况下，相比WLTC 和典型RDE 循环，AMA 和SRC 循环三效催化器床温浮动幅度较大，且平均温度较高。

（2）多数工况下，油电混合动力车型的三效催化器床体温度较纯汽油车型更低；相同循环下，油电混合动力车型的16万km热损伤低于纯汽油车型。

（3）以AMA 和SRC 循环进行16 万km 耐久老化对三效催化器造成的热老化程度明显高于RDE 循环。纯汽油车型：以AMA 和SRC 循环行驶16 万km对三效催化器造成的热老化程度，与实际道路行驶了51.84 和60.30 万km 相同。油电混合动力车型：以AMA 和SRC 循环行驶16 万km 对三效催化器造成的热老化程度，相当于实际道路行驶了30.44 和29.21 万km。

（4）法规推荐AMA 循环和SRC 循环进行实车耐久老化，对三效催化器造成的热老化程度明显高于WLTC 循环和RDE 循环，表明AMA 循环和SRC 循环可以充分覆盖日常的极端驾驶情况，对在用车尾气形成了有效的监管。