TWC贵金属含量偏差对发动机排放的影响研究

李 亮，曹 梦，唐志刚，张天宇，孙丰山，王 凯，曲志林

(1.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261001；2. 潍柴西港新能源动力有限公司，山东 潍坊 261001)

0 前言

随着国家经济高速发展，汽车保有量也在迅速上升，汽车尾气排放已成为环境污染主要来源[1-2]。2019年7月1日，重型燃气车开始执行满足国家六阶段机动车污染物排放标准——《GB 17691—2018重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》。执行国六标准以来，天然气发动机大都采用单点喷射+当量燃烧+TWC的技术路线。TWC作为尾气净化装置得到了广泛应用[3-4]。

TWC贵金属含量直接影响其尾气处理能力，其含量受制造工艺影响，偏差范围为设计值±10%。基于上述原因，为了满足国家排放要求，发动机排放性能开发需要兼顾制造工艺偏差带来的影响。

1 试验方案

根据实际制造工艺可能产生的贵金属含量偏差在设计值的±10%之内，定制贵金属含量相对设计值偏差10%，-5%，-10%三种偏差件，这三种偏差件可以代表合格三元催化器贵金属含量不同时的情况，除此之外，定制贵金属含量相对设计值偏差-15%的偏差件，目的是为了观测当三元催化器贵金属含量不合格时对排放产生的影响。

1.1 偏差件准备

试验准备贵金属涂覆量相对设计值偏差+10%、-5%、-10%、-15%四种TWC偏差件，编号依次为A、B、C、D，如表1所示。

表1 试验用TWC贵金属含量

1.2 试验项目

不同贵金属含量催化器对比试验项目如表2所示。

表2 不同贵金属含量催化器对比试验项目

1.2.1 预处理试验

首先进行100h预处理，预处理工况如表3所示。预处理试验的目的：对于单一催化器来说，进行预试验可以使催化器处理尾气的能力达到稳定，保证后续试验过程中的一致性。对于四个催化器都进行相同的100h预试验，可以保证催化器互相之间的一致性。

表3 催化器预处理试验工况

1.2.2 冷热态WHTC循环排放试验

催化器A、B、C、D分别在冷机8h后进行冷热态WHTC循环排放测试。

1.2.3 TWC储氧量测试试验

TWC的内部通过不断存储和释放氧气来调节氧气浓度的大小，保证其内部化学反应的正常进行，达到最大的转化效率。氧气储放能力通过储氧量来表征，储氧量越大，调节氧气浓度的能力就越强。同时储氧量也是评价TWC劣化程度的重要技术指标。

TWC储氧量测试试验首先安装催化器A，发动机转速1000r/min，油门20%，运行至催化器温度稳定，进入倒拖模式，持续10s后，油门恢复至20%，记录计算的储氧量，按照表4所示催化器储氧量测试试验工况进行其余工况储氧量测试。后续更换催化器B、C、D，重复催化器A完成的试验。

表4 催化器储氧量测试试验工况

2 试验结果及分析

2.1 WHTC循环排放试验

天然气发动机的WHTC循环排放结果必须满足国六阶段法规要求，并且在满足法规要求的前提下，一般还要满足更严格的工程指标限值，目的是为了留出足够的余量，避免超出法规限值[5-6]。天然气发动机的法规限值和工程指标限值如表5所示。

表5 发动机标准循环排放限值(点燃式)

进行WHTC循环试验，根据冷态和热态的排放结果计算冷热态加权排放结果，公式如下：

Rresult=(1/7)*Rcold+(6/7)*Rhot

(1)

其中Rresult为冷热态加权的计算结果，Rcold为冷态排放结果，Rhot为热态排放结果。不同贵金属含量冷热态WHTC循环结果如表6所示。原排偏差在±4%以内，随着催化器贵金属含量的减少，尾排有恶化趋势。

表6 不同贵金属含量冷热态WHTC循环结果

为了便于观察不同贵金属含量偏差的TWC对排放的影响大小，对表6中数据进行处理，计算尾排的工程指标余量，工程指标余量代表实际排放结果与工程指标限值之间余量的大小。计算公式如下：

Q=(L-R)/R

(2)

其中Q为工程指标余量，L为工程指标限值，R为实际排放结果。计算各种排放物的工程指标余量如表7所示。催化器在设计公差±10%的范围内尾排排放满足工程指标要求且余量很大。排放余量如表7所示：CO为91%，NOX为54%，NMHC为81%，CH4为68%，NH3为21%，且变化趋势稳定。贵金属含量-15%偏差件，排放同样满足工程指标要求，尾排NOX余量明显减小，降低至17%。

表7 不同贵金属含量WHTC循环排放结果工程指标余量

为了更加直观地观察贵金属含量的变化对不同排放物的影响，将四种催化器的冷热态加权尾排结果进行总和标准化处理，以催化器A的CO排放结果为例，公式如下：

SA_co=NA_co/(NA_co+NB_co+NC_co+ND_co)

(3)

其中SA_CO为A催化器CO的总和标准化值，NA_CO、NB_CO、NC_CO、ND_CO分别为A、B、C、D催化器CO的冷热态加权尾排结果。对所有数据处理后，原排冷热态加权结果如图1，尾排冷热态加权结果如图2。

从图1中可以发现，不同贵金属含量的催化器对于各种排放物的原排几乎没有影响，标准化值均在0.25附近；图2中得出D催化器的各种排放物的尾排更大，尤其是NOX、NMHC，说明催化器中贵金属含量的减少会导致尾气处理能力的下降，尾排恶化。

2.2 稳态储氧量测试

TWC中贵金属储氧量的大小可以代表它对尾气污染物处理能力的强弱，在不同的转速负荷工况下，测试A、B、C、D催化器的储氧量，测试结果如表8所示。将表8的数据转化成曲线，四个催化器可以得到四条测试曲线，如图3所示。

表8 不同贵金属涂覆量稳态储氧量对比

从图3中可发现，随着催化器中贵金属含量的降低，各个工况下测得的储氧量呈现下降的趋势，尤其是D催化器在各种不同工况下测得的储氧量都为最低，结合WHTC的排放试验结果，说明储氧量的下降会导致尾排恶化。

2.3 WHTC循环催化器温度测试

冷态和热态WHTC循环时，记录四种催化器入口温度和出口温度的变化，催化器入口温度分别如图4和图5所示，冷热态催化器前温度基本一致，说明催化器贵金属含量的大小对催化器入口温度几乎无影响。

冷态和热态WHTC循环催化器出口的温度分别如图6和图7所示，在相同的催化器入口温度下，随着催化器中贵金属含量升高，起燃温度降低，催化器出口的温度升高，说明催化器贵金属含量的升高会促进排放物发生氧化还原反应，释放出更多的热能。催化器D的出口温度明显低于其他三个催化器。

3 结论

1) TWC贵金属含量在-15%～+10%的制造偏差范围内，WHTC排放结果可以满足国六法规要求，且余量充足。

2) TWC中贵金属含量升高可以提高催化器的储氧能力，进而提高TWC对排放物的转化效率。

3) TWC中贵金属含量升高可以降低反应起燃温度，进而提高低温时TWC对排放物的转化效率。