摘要：隨著國家排放法規(guī)逐步升級，貴金屬價格持續(xù)走高，企業(yè)成本壓力越來越大。針對某車型三元催化劑貴金屬用量偏高，在滿足國家排放法規(guī)的前提下，對貴金屬用量進行優(yōu)化，并相應(yīng)調(diào)整發(fā)動機標定。最終確定的優(yōu)化方案，經(jīng)排放、NVH、油耗、熱管理等測試驗證，均滿足國家法規(guī)和企業(yè)設(shè)計目標。該改善提案對量產(chǎn)車的貴金屬優(yōu)化工作具有較強的指導(dǎo)性和實用性。

關(guān)鍵詞：三元催化器；貴金屬；配電優(yōu)化

中圖分類號：U463 收稿日期：2023-02-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.03.018

1 前言

基于全球機動車保有量的連年攀升及全球環(huán)境污染的日益加劇，汽車尾氣排放已經(jīng)成為大氣污染的重要來源之一。我國意識到了汽車排放對環(huán)境的影響，在近20 年內(nèi)連續(xù)發(fā)布升級了6 次輕型汽車污染物排放標準?，F(xiàn)已進入了史上最嚴的國六排放法規(guī)時代。為應(yīng)對法規(guī)不斷升級，各汽車企業(yè)需不斷升級發(fā)動機尾氣處理相關(guān)技術(shù)［1］。作為尾氣處理的核心零件，三元催化轉(zhuǎn)化器已在輕型汽油車上應(yīng)用了超過30 年，但其核心技術(shù)如貴金屬涂覆、白載體、總成封裝等技術(shù)仍在持續(xù)改進和優(yōu)化，來提高尾氣處理的綜合能力，同時還要兼顧催化轉(zhuǎn)化器的成本。

為滿足不斷升級的排放法規(guī)，每臺車輛貴金屬的用量不斷攀升，疊加貴金屬價格一路上漲因素（2019-2020年貴金屬價格趨勢如圖1 所示），汽車企業(yè)成本壓力激增。

根據(jù)調(diào)查，貴金屬供貨存在以下特點［2］：

a. 由于鉑鈀銠的主要需求都來自汽車企業(yè)，而其資源分布也相對集中，再加上一些投資者的炒作，就極易出現(xiàn)供需不平衡的情況，從而引起價格大幅波動。

b. 鉑鈀銠的價格還與國際形勢緊密關(guān)聯(lián)。當(dāng)前國際形勢風(fēng)云詭變，帶動全球貴金屬價格水漲船高。同時貴金屬主產(chǎn)地非洲，頻繁的勞務(wù)糾紛，嚴重影響產(chǎn)量，進而導(dǎo)致價格波動。

c. 國際市場上貴金屬通常以美元結(jié)算，所以美金匯率與貴金屬有很強的關(guān)聯(lián)性。貴金屬和通貨膨脹也是息息相關(guān)的。眾所周知，貴金屬具有良好的保值和避險功能，當(dāng)經(jīng)濟形勢預(yù)判有較強通貨膨脹預(yù)期時，貴金屬現(xiàn)貨價格就應(yīng)聲上漲。本文根據(jù)某量產(chǎn)車型發(fā)動機的尾氣排放量，在滿足國家排放法規(guī)的前提下，調(diào)整貴金屬的含量及配比，實現(xiàn)了保質(zhì)降本。

2 三元催化轉(zhuǎn)化器原理

三元催化轉(zhuǎn)化器作為汽油車尾氣處理系統(tǒng)中最重要的元件，其典型的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。涂覆有貴金屬的三元催化劑載體封裝在金屬外殼中，為防止三元催化劑破損，還在金屬殼內(nèi)設(shè)置了襯墊。金屬外殼外設(shè)計了隔熱罩及隔熱填充材料，減少排氣熱量散失，保證催化器工作溫度。三元催化劑中的“三元”主要指鉑族貴金屬（Pt、Pd、Rh），除此之外，稀土族無機氧化物及支撐材料也是其主要成分。按比例配制好的漿料均勻涂覆在陶瓷或金屬白載體的蜂窩狀孔道表面，白載體的蜂窩孔道有效增加了尾氣與催化劑的接觸面積，使反應(yīng)更加充分［3］。

汽車尾氣中的主要污染物氮氧化物NOx、碳氫化物CH、一氧化碳CO 在涂覆于白載體蜂窩孔壁層上的活性貴金屬漿料的催化下，發(fā)生氧化還原反應(yīng)排出無害的二氧化碳CO2、氮氣N2 和水蒸氣H2O 等氣體［4］。其化學(xué)反應(yīng)式如下：

氧化反應(yīng)：2CO+O2→2CO2

H4C+2O2→2H2O+CO2

還原反應(yīng)：2NO+1/2CH4→1/2CO2+H2O+N2

NO+CO→1/2N2+CO2

3 貴金屬配比優(yōu)化

3.1 可行性分析

據(jù)涂覆供應(yīng)商巴斯夫不完全統(tǒng)計，國內(nèi)市場中排量1.0～1.6 L 車輛，單車貴金屬平均涂覆量為3.8～6 g，本車型單車涂覆量為6.15 g，高于市場平均水平。且在集團內(nèi)部，同款發(fā)動機在歐美市場鈀金含量比國內(nèi)低1.4 g，詳見圖3。

根據(jù)標準GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值測量方法（中國第六階段）》對車輛的排放值進行摸底測試，結(jié)果如圖4 所示。實車排放值THC 和CO 指標與國六限值有較大空間，存在優(yōu)化貴金屬降本的空間。

3.2 方案制定

當(dāng)前目標車型三元催化器貴金屬含量中，前后兩級總含量Pd 為5.65 g，Rh 為0.48 g。確定三元催化劑技術(shù)方案的主要參數(shù)包括車重、發(fā)動機排量、車型信息、發(fā)動機原始排放、催化器布置位置等信息。本課題研究的車型發(fā)動機排量為1.3 L，最大總質(zhì)量為1 535 kg，從發(fā)動機原始排放結(jié)果來看，CO、THC 水平比NOX 略高。綜上初步制定了貴金屬優(yōu)化的四個備選方案，四個方案涂覆技術(shù)及其他輔料均不變化，Rh 含量也沒有變化，僅對Pd 進行優(yōu)化，具體如表1 所示。

根據(jù)目標車型當(dāng)前的排放水平以及涂覆供應(yīng)商巴斯夫提供的其他主機廠經(jīng)驗，初步選定方案四開展進一步開發(fā)、驗證試驗工作。

3.3 新樣件制作及摸底試驗

根據(jù)測試計劃，委托供應(yīng)商按照方案四的貴金屬含量生產(chǎn)一定數(shù)量的三元催化器樣件，并裝配至兩臺狀態(tài)正常的試驗車上。使用當(dāng)前版本的動力總成標定軟件，依據(jù)GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值測量方法（中國第六階段）》對試驗車進行排放摸底試驗，試驗結(jié)果如圖5 所示。貴金屬優(yōu)化后的新鮮三元催化器實車尾氣排放結(jié)果整體稍劣于優(yōu)化前，但滿足國家排放法規(guī)要求，達成前期設(shè)定目標。

3.4 制定開發(fā)驗證計劃

本課題三元催化器貴金屬優(yōu)化，需對整車動力總成標定進行相應(yīng)調(diào)整優(yōu)化，以確保整車在使用新鮮樣件和老化樣件的情況下，目標車型的尾氣排放均滿足國家第六階段排放法規(guī)要求。當(dāng)整車動力總成軟件進行調(diào)整時，將對整車的NVH 性能、動力性、油耗、發(fā)動機艙熱管理、整車駕駛性能等性能產(chǎn)生影響，需同步對上述性能進行驗證。具體驗證計劃如表2 所示。

3.5 開發(fā)驗證及結(jié)果分析

依據(jù)開發(fā)驗證計劃，動力總成團隊完成了動力總成軟件標定優(yōu)化，并開展了高原、高溫、低溫試驗等各種極端情況的驗證試驗，試驗結(jié)果表明新的軟件標定符合設(shè)計目標。采用新的動力總成標定軟件，對目標車型的排放、NVH、駕駛性、動力性、經(jīng)濟性、發(fā)動機艙熱管理等功能、性能進行驗證，符合前期設(shè)定目標。

優(yōu)化后的三元催化器匹配新的動力總成標定軟件，新鮮樣件和老化樣件的尾氣排放值均滿足GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值測量方法（中國第六階段）》的要求如圖6 所示。

目標車型匹配新的動力總成軟件，NVH 性能、發(fā)動機艙熱管理等均符合前期設(shè)想目標值，如圖7、圖8 所示。同時，實車測量WLTC工況下的油耗值為6.3L/100km，0～100 km/h 的加速性能為9.5 s，最高車速為200 km/h，符合設(shè)定目標。

4 結(jié)語

應(yīng)對排放升級，可采取的措施有：發(fā)動機標定優(yōu)化，提升發(fā)動機冷啟動性能，可有效降低有害氣體排放；引入先進發(fā)動機技術(shù)，如EGR 技術(shù)，可有效降低氮氧化物NO 排放等。尾氣后處理技術(shù)是汽車排放達標的最后一道保險，該技術(shù)的升級具有周期長、投入大等特點，且優(yōu)化工作在車型導(dǎo)入期間，一般不會開展。貴金屬優(yōu)化均是在車型量產(chǎn)后，基于量產(chǎn)車型穩(wěn)定的排放數(shù)據(jù)研究優(yōu)化的可行性，制定相應(yīng)方案。本文系統(tǒng)完整地梳理了貴金屬優(yōu)化項目從前期調(diào)研到測試開展的整個流程，對其他企業(yè)同類優(yōu)化工作具有很強的指導(dǎo)意義。

參考文獻：

［1］袁觀練，余光耀，李高堅輕型汽油車國六排放匹配研究［J］內(nèi)燃機與配件，2022（5）：46-48

［2］李光濤汽車催化劑企業(yè)中貴金屬風(fēng)險的分析與防控［J］納稅，2019，13（30）：171-172

［3］周敏汽油車尾氣后處理系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展與未來［J］汽車實用技術(shù)，2020，45（21）：253-256

［4］唐穎青耦合式三元催化轉(zhuǎn)化器設(shè)計研究［J］工程建設(shè)與設(shè)計，2022（17）：135-140

作者簡介：

梅娜，女，1985 年生，工程師，研究方向為汽車進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、發(fā)動機周邊附件的設(shè)計開發(fā)、驗證等。