国六轻型车催化转化器应用现状的分析

姚慧，李军，李传杰，杨惠玲

1.中汽研汽车检验中心(天津)有限公司，天津 300300；2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300

0 引言

机动车尾气污染物的排放一直是导致大气污染的主要原因之一[1-2]，国家为了防治汽车排气对环境的污染，保护生态环境，保障人体健康，特制定了GB 18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》[3]和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)》[4]标准。其中2016年12月23日，环境保护部、国家质检总局发布GB 18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》，自2020年7月1日起实施[5]。根据有关法律规定，该标准具有强制执行的效力。此标准自发布之日起生效，即自发布之日起可依据该标准进行新车型式检验。自2020年7月1日起，所有销售和注册登记的轻型汽车应符合该标准要求。

标准规定了轻型汽车污染物排放第六阶段型式检验的要求、生产一致性和在用符合性的检查和判定方法。其中型式检验试验类型中V型试验(污染控制装置耐久性试验)中要求耐久性试验前，生产企业应选择两套相同的催化转化器，一套进行耐久性试验；另一套按HJ 509《车用陶瓷催化转化器中铂、钯、铑的测定 电感耦合等离子体发射光谱法和电感耦合等离子体质谱法》[6]的规定检测其载体体积及各种贵金属含量，测量结果与信息公开值的差异应不超过±10%。

催化转化器是减少汽车尾气污染物排放的有效控制装置，其中以贵金属铂、钯、铑作为催化剂活性成分对汽车排放的尾气污染物起到催化净化的作用[7]，贵金属的含量与比例是影响催化净化效果的主要因素[8-9]。随着标准排放限值的严苛及贵金属价格的猛增，催化转化器如何优化，其中贵金属的涂覆量能否保证，怎样才能既保证车辆排放污染符合限值标准，又能降低成本[10-11]，这是每个车企及后处理企业关心的问题[12]。但目前对于催化转化器中载体的分布、作用形式及贵金属含量的分析鲜见报道。

本文选择2019年至2021年在某公司进行催化转化器贵金属测试的917辆公告车数据，分析申报国六的新车催化转化器情况，并结合贵金属测试结果，分析不同催化剂涂层厂的特点，为完善车辆污染物排放监测提供科学依据。

1 试验车辆企业分布

选择近三年的917辆车共涉及88个车企，并按照车企名称将其分为3类：国产车、合资车及进口车，其中国产车如浙江吉利、长城、广汽乘用车、东风汽车等；合资车如北京现代、广汽本田、一汽丰田、华晨宝马等；进口车如戴姆勒奔驰、德国宝马、德国奥迪等。此次88个车企中，国产车企51个，合资车企28个，进口车企9个；917辆车中，国产车463辆，合资车402辆，进口车52辆。

2 催化转化器分布

2.1 催化转化器载体数量

后处理厂为不同车型配备不同配置的催化器以满足排放要求，由于国六排放要求严苛，配置一个催化剂载体的催化器相对较少，不同排量不同型号的车所用催化剂载体单元的数量基本在1～4个，所分析的917辆车载体单元数量分布见表1。

表1 917辆车载体单元数量分布

2.2 催化转化器载体分布类型

催化转化器中载体单元封装的形式也不尽相同，比如一个单元的基本都是一个前级催化转化器。两个单元就要分3种类型封装：第一种是两个单元封装在一起，是一个前级催化转化器，其中的两个单元根据气流走向分为前级1和前级2；第二种是两个单元各自封装，串联在一个排气管路，根据气流走向分为前级1和后级1；第三种是两个单元各自封装，分别在两个排气管路，称为左前级1和右前级1。按照该命名规则，所分析的917辆车催化转化器封装形式统计见表2。

表2 917辆车催化转化器封装形式统计

2.3 三元催化器和颗粒捕集器分布形式

国六标准与国五标准相比，除了加严了污染物排放限值，还增加了汽油车排放颗粒物数量测量的要求。为了满足颗粒物数量要求，部分催化转化器中除了含有三元催化器，还加入了颗粒捕集器。颗粒捕集器作为催化器载体一个单元，大部分也是有涂覆贵金属的[13]，所以在过滤颗粒物以外，对尾气污染物也会起到净化作用[14]。经统计917辆车中配备颗粒捕集器的催化转化器中，只有不到5%的GPF不涂覆贵金属。

颗粒捕集器放置在三元催化器后，且基本含有三元催化器单独封装颗粒捕集器作为催化器的车辆。部分车辆单独配置三元催化器就可以满足最终排放要求，所以未配置颗粒捕集器。但对于大部分车辆的催化转化器，GPF是标配。通过对917辆车的催化转化器进行分析，并按照单元数量进行统计，得到三元催化器和颗粒捕集器分布，具体见表3，其中以两个单元中前级1(TWC)+前级2(GPF)和前级1(TWC)+后级1(GPF)的形式最为常见。

表3 三元催化器和颗粒捕集器分布

3 催化剂涂层及贵金属含量

3.1 催化剂涂层生产厂

在载体上浸制高比表面涂层，可大幅度提高催化剂的比表面积，能够提高催化剂的净化效率[15]，催化剂涂层材料是贵金属等活性组分的有效载体。对于一个催化转化器性能的好坏，涂层是关键。目前催化剂涂层厂非常多，如德国的巴斯夫(BASF)、比利时的优美科(UMICORE)、英国的庄信万丰(JOHNSON MATTHEY)[16]、日本的科特拉、国内的威孚、贵研等。本次分析的917辆车的催化剂涂层厂共有28家，917辆车中含有贵金属的三元催化器和颗粒捕集器共1 915件，其中巴斯夫、优美科、庄信万丰和威孚占比达80%左右，催化剂涂层厂分布见表4。其中进口车多选用优美科、庄信万丰催化剂，合资车多选用巴斯夫、优美科催化剂，国产车多选用威孚、庄信万丰催化剂。部分车企对于催化剂涂层厂有所偏好，如本田多选用三井金属，丰田多选用科特拉，现代及悦达起亚多选用巴斯夫及优美科等。

表4 催化剂涂层厂分布 单位:个

3.2 贵金属含量

催化剂中贵金属元素主要为Pt(铂)、Pd(钯)、Rh(铑)，催化剂中通常选用1～3种贵金属元素进行配比。通过对1 915个催化剂贵金属含量分析，有209个催化剂含有Pt元素，其含量在0.02～6.79 g/单元；1 771个催化剂含有Pd元素，其含量在0.07～13.92 g/单元；1 879个催化剂含有Rh元素，其含量在0.03～1.20 g/单元。其中1 915个催化剂中有322个是GPF，其贵金属Pt、Pd、Rh含量范围分别为0.12～0.38 g/单元，0.08～2.95 g/单元，0.03～0.87 g/单元。催化剂中贵金属种类分布见表5。由表可以看出，Pd、Rh配方是目前常见配方。

表5 催化剂中贵金属种类分布 单位:个

4 贵金属测试

按照轻型车国六排放标准对917辆车按HJ 509—2009标准进行催化转化器的贵金属含量测试，其中只对含有贵金属载体单元进行测试，共计包括1 915个催化剂载体单元，其中TWC有1 585个，GPF有330个。各贵金属元素测量结果或贵金属总含量与信息公开值的差异应不超过±10%，任意一项不满足要求则判定为不合格。经测试统计分析，1 915个催化剂载体单元中有404个不合格，其中TWC有376个，GPF有28个。404个样品中共涉及Pt、Pd、Rh的不合格测试数据分布见表6，各元素测试结果合格率及不合格率见表7和表8。

表6 Pt、Pd、Rh的不合格测试数据分布 单位:个

表7 各元素测试结果合格率

表8 各元素测试结果不合格率

通过数据可以看出Rh的合格率最低，且不合格主要由于测试结果比申报值低10%以上造成，经分析，Pd、Rh的不合格测试结果70%～80%都分布在比申报值低10%～20%的范围。

根据涂层厂分析发现，进口涂层厂及国内占比大的涂层厂其测试结果合格率均可控制在80%～90%或90%以上，部分国产涂层厂合格率较低，不合格率超过30%，还需进一步提高生产一致性和涂层贵金属含量控制技术。

5 结论

本文通过对国六轻型车催化转化器的分析，得出了以下结论：

(1)国六公告车目前多采用两个催化单元，TWC+GPF模式，既保证排放污染物排放限值合格又能有效控制颗粒物数量，其封装模式多采用前级+后级模式，或者TWC和GPF贴在一起进行封装。

(2)目前催化剂涂层厂很多，但公告车催化剂多采用进口涂层厂。各涂层厂中贵金属涂覆技术参差不齐，由于贵金属属于痕量检测，较大的不确定度涂覆会造成贵金属检测不合格率的增加，结合Rh的成本高，且分析难度最大，造成Rh的合格率最低。

(3)贵金属配方主要采用Pd、Rh配方，只有10%左右催化剂会用到Pt。单个催化剂中，单元素或三元素均含的催化剂占比很少。Pd、Rh配方的催化剂贵金属含量多集中在Pd为2～3 g/单元，Rh为0.2～0.3 g/单元。GPF的贵金属含量普遍比TWC的贵金属含量低。

(4)国六标准只要求对陶瓷载体的贵金属进行检测，对于金属载体的贵金属没有要求，经过统计917辆车中有5%的车配备的是金属催化剂，涂层厂基本为进口涂层厂。目前对于非公告类车的金属催化剂贵金属有一定检测数据积累，合格率较高。