針對摩托車歐五排放法規的催化劑涂層優化技術

岳 軍 李小明 浦琦偉 孫 亮 王衛東

（無錫威孚環保催化劑有限公司 江蘇 無錫 214142）

引言

近年來，隨著人們對環境保護的意識越來越高，各國政府對各類別機動車出臺了更為嚴苛的排放法規。隨著法規的升級加嚴，后處理系統中貴金屬含量也不斷增加，貴金屬的價格一路攀升，導致三效凈化器的制造成本越來越高，主機廠和催化劑制造業壓力徒增[1-2]。因此通過優化后處理涂層的性能提高催化劑轉化效率從而降低成本勢在必行。本文通過對催化劑涂層中氧化鋁和鈰鋯粉比例的研究進一步優化涂層，提高催化劑性能從而減少貴金屬用量達到降本目的[3]。

1 歐四和歐五排放法規對比

歐四和歐五排放法規最大的區別在于限值的變化，特別是對于THC 的限值加嚴以及增加了NMHC的限值。以最常見的L3e，Vmax<130 km/h 車型為例，表1 列舉了歐四和歐五排放法規各污染物的排放限值及各污染物的劣化系數。

表1 歐四/歐五摩托車排放限制

從表1 數據可以看出，從歐四到歐五，THC 限值從380 mg/km 下降至100 mg/km，下降幅度高達73.68%，并且歐五法規增加了NMHC 排放限值的要求。結合多組不同排量的整車數據（見表2 和圖1），催化后一般NMHC 占THC 的90%～95%，平均在93%左右，所以實際THC 的限值應該按照NMHC 的限值進行反推，即68 mg/km/0.93≈73 mg/km。并且從歐四到歐五，THC 的劣化系數也從1.2 加嚴到了1.3，所以要求整車0 km 的THC 實際排放值需要在56 mg/km 以下，與歐四THC 排放值316.7 mg/km（DF=1.2）相比，實際下降幅度為82.3%。所以從后處理系統來看，摩托車歐五法規重點和難點在于THC排放的控制。從THC 排放的特點分析，其70%主要集中在第一階段，更明確點是集中在WMTC（World Motorcycle Testing Cycle）前200 s，所以從催化劑角度出發，解決THC 冷啟動階段的轉化效率是至關重要的，即在其他參數都不變的情況下，需要降低THC的起燃溫度（轉化效率達到50%的溫度）。

圖1 不同排放車輛NMHC/THC 比值

表2 整車袋采數據NMHC 和THC 之間的關系

2 實驗方案

2.1 催化器的制備

將氧化鋁和鈰鋯粉按比例配成漿液，攪拌均勻后滴加貴金屬溶液，球磨，pH 控制在3.5～4.5，加入粘結劑，按設定好的涂覆量涂覆至金屬蜂窩載體上。涂覆后的催化劑在150 ℃空氣中烘干，在500 ℃空氣氛圍下焙燒2 h 制得新鮮態金屬蜂窩催化劑。根據實驗方案設計的不同涂層，制備出不同氧化鋁/鈰鋯粉比例的催化劑。

2.2 實車及工況法排放測試

本部分的實驗測試采用Benelli 的BN125 作為實驗測試車輛，排量為125 mL，并將排氣管進行改制，便于拆卸進行實驗。整車排放按WMTC1 工況曲線（見圖2）進行排放實驗，圖3 為改制后的排氣管式樣。排放實驗中冷車和熱車階段的污染物權重因子按歐五0.3 ∶0.7 計。

圖2 工況曲線WMTC 1

圖3 改制后的BN125 排氣管式樣

實車排放測試在轉轂上進行，測試環境溫度23 ℃±2 ℃，濕度50%±5%。把不同涂層的預催化劑和主催化劑安裝在改制后的排氣管路中，預催和主催使用法蘭進行固定（見圖3）。預催化劑的載體尺寸設定為φ42×70，主催化劑的載體尺寸設定為φ53×130。排放實驗測試前先按照流程在WMTC1 工況曲線下進行一次預處理，然后在恒溫環境中浸車6 h后，進行WMTC1 工況曲線循環排放測試，總時間1 200 s。實驗過程中排放的尾氣通過HORIBA 7400T進行采樣收集到氣袋中，實驗結束后通過HORIBA 7200D 分析儀對氣袋中的污染物進行分析檢測。其中CO 采用無色散紅外線方法（NDIR）分析檢測，NOx采用化學發光法（CLD）分析檢測，THC 采用氫火焰離子法（FID）分析檢測。

3 催化劑涂層優化

3.1 預催化劑涂層篩選

針對歐五排放法規的特點，催化劑的一般設計思路以預催化劑（預催）加主催化劑（主催）為主，預催的存在主要是為了提高THC 冷啟動階段的轉化效率，而主催的目的是提高熱機階段CO 和NOx的轉化效率。

首先進行預催的涂層篩選，考察不同氧化鋁和儲氧材料比例，設計3 個不同的比例，氧化鋁和儲氧材料之間的比例分別為3/1、1/1 和1/2，分別記為催化劑A、B 和C，催化劑的載體尺寸優選φ42×70×60/200 cpsi 的載體，催化劑的涂覆量總量為80 g/L，貴金屬總量為100 g/cft，Pt/Pd/Rh=97/0/3。主催載體選用φ53×130×（50+50）/200～400（LS 結構），不帶涂層。采用WMTC Class1 測試循環。測試得到的THC 稀采過程數據如圖4 所示。

圖4 預催化劑THC 稀采

如圖4 數據所示，催化劑A 在冷啟動階段（前200 s）對THC 的轉化表現出更好的催化能力，說明較多的氧化鋁的存在能有效地提高THC 的選擇性反應，而儲氧材料越多越有利于CO 的氧化反應，從而降低了THC 的氧化反應。THC 冷啟動的低排放可以降低整體THC 排放的壓力，并且THC 的快速起燃可以釋放大量熱促進其他組分起燃，提高整體的轉化效率，因此預催可以優選催化劑A。

3.2 主催化劑涂層篩選

如果優選催化劑A 作為預催，則整個后處理系統存在儲氧材料較少的問題，不利于熱機階段CO 和NOx的轉化，特別是NOx的轉化。因此提高主催中涂層材料的儲氧材料占比至關重要。下面設計了主催兩個不同的氧化鋁和儲氧材料的比例進行驗證。

實驗設計如下方案：固定預催催化劑，預催化劑載體尺寸：φ42×70×60/200 psi，選擇催化劑涂層A，貴金屬含量50 g/cft，Pt/Pd/Rh=9/0/1，涂層涂覆總量為80 g/L。主催載體規格選用φ53×130×（50+50）/200～400（LS 結構），貴金屬含量為20 g/cft，Pt/Pd/Rh=5/0/1，涂覆總量設計為140 g/L，儲氧材料和氧化鋁的比例分別設計為：2/1 和1/1，分別記作方案D 和方案E，測試得到整車排放值如表3 所示。

表3 固定預催改變主催的WLTC 排放

從整車袋采數據可以看出，保持預催相同涂層配方的前提下，主催使用較多的儲氧材料能有效改善熱機階段CO 和NOx的排放，特別是NOx的排放。方案D 熱機階段的數值為16 mg/km，而氧化鋁較多的方案E 熱機階段NOx的排放值為37 mg/km，相比于方案E，方案D 熱機階段NOx排放降低了56.8%。并且從D 和E 的THC 排放數據相近可以看出主催涂層中儲氧材料的含量對熱機階段THC 的轉化影響不大。

各個污染物的數據如圖5、圖6 和圖7 所示。

圖5 THC 稀采數據

圖6 CO 稀采數據

圖7 NOx 稀采數據

圖5 是THC 在全部1 200 s 的稀釋袋采對比數據，主催儲氧材料的含量對THC 200 s 后的轉化基本無影響，圖6 和圖7 分別是CO 和NOx在600～1 200 s（熱機階段）的稀釋數據。很明顯主催涂層中加入更多的儲氧材料能有效地降低CO 和NOx在熱機階段的排放，所以從各個污染物的稀釋過程數據也證明了優化涂層的有效性。

4 結論

在滿足歐五排放法規的基礎上進一步優化涂層提高催化劑性能，是減少空氣污染的重要環節。本文在現有的滿足歐五摩托車排放平臺上，在其他實驗條件不變的條件下，利用快捷拆裝的排氣管路，探討了預催化劑加主催化劑的后處理系統中，不同氧化鋁和鈰鋯粉比例對排放的影響，結果表明：預催化劑涂層中氧化鋁/鈰鋯粉比值為3 時可以有效降低冷啟動時THC 排放，促進其他組分的快速起燃；主催化劑涂層中鈰鋯粉/氧化鋁比值為2 可以有效改善熱機階段CO 和NOx的排放且對THC 影響很小。通過對預催化劑和主催化劑涂層的優化設計，本研究中歐五摩托車涂層的WMTC1 排放結果完全滿足排放法規要求，并在此基礎上可以進一步提高催化劑性能，特別是降低THC 排放。