國六輕型車催化轉化器應用現狀的分析

姚慧，李軍，李傳杰，楊惠玲

1.中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300300；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300

0 引言

機動車尾氣污染物的排放一直是導致大氣污染的主要原因之一[1-2]，國家為了防治汽車排氣對環境的污染，保護生態環境，保障人體健康，特制定了GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[3]和GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[4]標準。其中2016年12月23日，環境保護部、國家質檢總局發布GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》，自2020年7月1日起實施[5]。根據有關法律規定，該標準具有強制執行的效力。此標準自發布之日起生效，即自發布之日起可依據該標準進行新車型式檢驗。自2020年7月1日起，所有銷售和注冊登記的輕型汽車應符合該標準要求。

標準規定了輕型汽車污染物排放第六階段型式檢驗的要求、生產一致性和在用符合性的檢查和判定方法。其中型式檢驗試驗類型中V型試驗(污染控制裝置耐久性試驗)中要求耐久性試驗前，生產企業應選擇兩套相同的催化轉化器，一套進行耐久性試驗；另一套按HJ 509《車用陶瓷催化轉化器中鉑、鈀、銠的測定 電感耦合等離子體發射光譜法和電感耦合等離子體質譜法》[6]的規定檢測其載體體積及各種貴金屬含量，測量結果與信息公開值的差異應不超過±10%。

催化轉化器是減少汽車尾氣污染物排放的有效控制裝置，其中以貴金屬鉑、鈀、銠作為催化劑活性成分對汽車排放的尾氣污染物起到催化凈化的作用[7]，貴金屬的含量與比例是影響催化凈化效果的主要因素[8-9]。隨著標準排放限值的嚴苛及貴金屬價格的猛增，催化轉化器如何優化，其中貴金屬的涂覆量能否保證，怎樣才能既保證車輛排放污染符合限值標準，又能降低成本[10-11]，這是每個車企及后處理企業關心的問題[12]。但目前對于催化轉化器中載體的分布、作用形式及貴金屬含量的分析鮮見報道。

本文選擇2019年至2021年在某公司進行催化轉化器貴金屬測試的917輛公告車數據，分析申報國六的新車催化轉化器情況，并結合貴金屬測試結果，分析不同催化劑涂層廠的特點，為完善車輛污染物排放監測提供科學依據。

1 試驗車輛企業分布

選擇近三年的917輛車共涉及88個車企，并按照車企名稱將其分為3類：國產車、合資車及進口車，其中國產車如浙江吉利、長城、廣汽乘用車、東風汽車等；合資車如北京現代、廣汽本田、一汽豐田、華晨寶馬等；進口車如戴姆勒奔馳、德國寶馬、德國奧迪等。此次88個車企中，國產車企51個，合資車企28個，進口車企9個；917輛車中，國產車463輛，合資車402輛，進口車52輛。

2 催化轉化器分布

2.1 催化轉化器載體數量

后處理廠為不同車型配備不同配置的催化器以滿足排放要求，由于國六排放要求嚴苛，配置一個催化劑載體的催化器相對較少，不同排量不同型號的車所用催化劑載體單元的數量基本在1～4個，所分析的917輛車載體單元數量分布見表1。

表1 917輛車載體單元數量分布

2.2 催化轉化器載體分布類型

催化轉化器中載體單元封裝的形式也不盡相同，比如一個單元的基本都是一個前級催化轉化器。兩個單元就要分3種類型封裝：第一種是兩個單元封裝在一起，是一個前級催化轉化器，其中的兩個單元根據氣流走向分為前級1和前級2；第二種是兩個單元各自封裝，串聯在一個排氣管路，根據氣流走向分為前級1和后級1；第三種是兩個單元各自封裝，分別在兩個排氣管路，稱為左前級1和右前級1。按照該命名規則，所分析的917輛車催化轉化器封裝形式統計見表2。

表2 917輛車催化轉化器封裝形式統計

2.3 三元催化器和顆粒捕集器分布形式

國六標準與國五標準相比，除了加嚴了污染物排放限值，還增加了汽油車排放顆粒物數量測量的要求。為了滿足顆粒物數量要求，部分催化轉化器中除了含有三元催化器，還加入了顆粒捕集器。顆粒捕集器作為催化器載體一個單元，大部分也是有涂覆貴金屬的[13]，所以在過濾顆粒物以外，對尾氣污染物也會起到凈化作用[14]。經統計917輛車中配備顆粒捕集器的催化轉化器中，只有不到5%的GPF不涂覆貴金屬。

顆粒捕集器放置在三元催化器后，且基本含有三元催化器單獨封裝顆粒捕集器作為催化器的車輛。部分車輛單獨配置三元催化器就可以滿足最終排放要求，所以未配置顆粒捕集器。但對于大部分車輛的催化轉化器，GPF是標配。通過對917輛車的催化轉化器進行分析，并按照單元數量進行統計，得到三元催化器和顆粒捕集器分布，具體見表3，其中以兩個單元中前級1(TWC)+前級2(GPF)和前級1(TWC)+后級1(GPF)的形式最為常見。

表3 三元催化器和顆粒捕集器分布

3 催化劑涂層及貴金屬含量

3.1 催化劑涂層生產廠

在載體上浸制高比表面涂層，可大幅度提高催化劑的比表面積，能夠提高催化劑的凈化效率[15]，催化劑涂層材料是貴金屬等活性組分的有效載體。對于一個催化轉化器性能的好壞，涂層是關鍵。目前催化劑涂層廠非常多，如德國的巴斯夫(BASF)、比利時的優美科(UMICORE)、英國的莊信萬豐(JOHNSON MATTHEY)[16]、日本的科特拉、國內的威孚、貴研等。本次分析的917輛車的催化劑涂層廠共有28家，917輛車中含有貴金屬的三元催化器和顆粒捕集器共1 915件，其中巴斯夫、優美科、莊信萬豐和威孚占比達80%左右，催化劑涂層廠分布見表4。其中進口車多選用優美科、莊信萬豐催化劑，合資車多選用巴斯夫、優美科催化劑，國產車多選用威孚、莊信萬豐催化劑。部分車企對于催化劑涂層廠有所偏好，如本田多選用三井金屬，豐田多選用科特拉，現代及悅達起亞多選用巴斯夫及優美科等。

表4 催化劑涂層廠分布 單位:個

3.2 貴金屬含量

催化劑中貴金屬元素主要為Pt(鉑)、Pd(鈀)、Rh(銠)，催化劑中通常選用1～3種貴金屬元素進行配比。通過對1 915個催化劑貴金屬含量分析，有209個催化劑含有Pt元素，其含量在0.02～6.79 g/單元；1 771個催化劑含有Pd元素，其含量在0.07～13.92 g/單元；1 879個催化劑含有Rh元素，其含量在0.03～1.20 g/單元。其中1 915個催化劑中有322個是GPF，其貴金屬Pt、Pd、Rh含量范圍分別為0.12～0.38 g/單元，0.08～2.95 g/單元，0.03～0.87 g/單元。催化劑中貴金屬種類分布見表5。由表可以看出，Pd、Rh配方是目前常見配方。

表5 催化劑中貴金屬種類分布 單位:個

4 貴金屬測試

按照輕型車國六排放標準對917輛車按HJ 509—2009標準進行催化轉化器的貴金屬含量測試，其中只對含有貴金屬載體單元進行測試，共計包括1 915個催化劑載體單元，其中TWC有1 585個，GPF有330個。各貴金屬元素測量結果或貴金屬總含量與信息公開值的差異應不超過±10%，任意一項不滿足要求則判定為不合格。經測試統計分析，1 915個催化劑載體單元中有404個不合格，其中TWC有376個，GPF有28個。404個樣品中共涉及Pt、Pd、Rh的不合格測試數據分布見表6，各元素測試結果合格率及不合格率見表7和表8。

表6 Pt、Pd、Rh的不合格測試數據分布 單位:個

表7 各元素測試結果合格率

表8 各元素測試結果不合格率

通過數據可以看出Rh的合格率最低，且不合格主要由于測試結果比申報值低10%以上造成，經分析，Pd、Rh的不合格測試結果70%～80%都分布在比申報值低10%～20%的范圍。

根據涂層廠分析發現，進口涂層廠及國內占比大的涂層廠其測試結果合格率均可控制在80%～90%或90%以上，部分國產涂層廠合格率較低，不合格率超過30%，還需進一步提高生產一致性和涂層貴金屬含量控制技術。

5 結論

本文通過對國六輕型車催化轉化器的分析，得出了以下結論：

(1)國六公告車目前多采用兩個催化單元，TWC+GPF模式，既保證排放污染物排放限值合格又能有效控制顆粒物數量，其封裝模式多采用前級+后級模式，或者TWC和GPF貼在一起進行封裝。

(2)目前催化劑涂層廠很多，但公告車催化劑多采用進口涂層廠。各涂層廠中貴金屬涂覆技術參差不齊，由于貴金屬屬于痕量檢測，較大的不確定度涂覆會造成貴金屬檢測不合格率的增加，結合Rh的成本高，且分析難度最大，造成Rh的合格率最低。

(3)貴金屬配方主要采用Pd、Rh配方，只有10%左右催化劑會用到Pt。單個催化劑中，單元素或三元素均含的催化劑占比很少。Pd、Rh配方的催化劑貴金屬含量多集中在Pd為2～3 g/單元，Rh為0.2～0.3 g/單元。GPF的貴金屬含量普遍比TWC的貴金屬含量低。

(4)國六標準只要求對陶瓷載體的貴金屬進行檢測，對于金屬載體的貴金屬沒有要求，經過統計917輛車中有5%的車配備的是金屬催化劑，涂層廠基本為進口涂層廠。目前對于非公告類車的金屬催化劑貴金屬有一定檢測數據積累，合格率較高。