某車型三元催化器貴金屬配比優化研究

摘要：隨著國家排放法規逐步升級，貴金屬價格持續走高，企業成本壓力越來越大。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的前提下，對貴金屬用量進行優化，并相應調整發動機標定。最終確定的優化方案，經排放、NVH、油耗、熱管理等測試驗證，均滿足國家法規和企業設計目標。該改善提案對量產車的貴金屬優化工作具有較強的指導性和實用性。

關鍵詞：三元催化器；貴金屬；配電優化

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境污染的日益加劇，汽車尾氣排放已經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境的影響，在近20 年內連續發布升級了6 次輕型汽車污染物排放標準。現已進入了史上最嚴的國六排放法規時代。為應對法規不斷升級，各汽車企業需不斷升級發動機尾氣處理相關技術［1］。作為尾氣處理的核心零件，三元催化轉化器已在輕型汽油車上應用了超過30 年，但其核心技術如貴金屬涂覆、白載體、總成封裝等技術仍在持續改進和優化，來提高尾氣處理的綜合能力，同時還要兼顧催化轉化器的成本。

為滿足不斷升級的排放法規，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），汽車企業成本壓力激增。

根據調查，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，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聯。當前國際形勢風云詭變，帶動全球貴金屬價格水漲船高。同時貴金屬主產地非洲，頻繁的勞務糾紛，嚴重影響產量，進而導致價格波動。

c. 國際市場上貴金屬通常以美元結算，所以美金匯率與貴金屬有很強的關聯性。貴金屬和通貨膨脹也是息息相關的。眾所周知，貴金屬具有良好的保值和避險功能，當經濟形勢預判有較強通貨膨脹預期時，貴金屬現貨價格就應聲上漲。本文根據某量產車型發動機的尾氣排放量，在滿足國家排放法規的前提下，調整貴金屬的含量及配比，實現了保質降本。

2 三元催化轉化器原理

三元催化轉化器作為汽油車尾氣處理系統中最重要的元件，其典型的結構如圖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，還在金屬殼內設置了襯墊。金屬外殼外設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，發生氧化還原反應排出無害的二氧化碳CO2、氮氣N2 和水蒸氣H2O 等氣體［4］。其化學反應式如下：

氧化反應：2CO+O2→2CO2

H4C+2O2→2H2O+CO2

還原反應：2NO+1/2CH4→1/2CO2+H2O+N2

NO+CO→1/2N2+CO2

3 貴金屬配比優化

3.1 可行性分析

據涂覆供應商巴斯夫不完全統計，國內市場中排量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。且在集團內部，同款發動機在歐美市場鈀金含量比國內低1.4 g，詳見圖3。

根據標準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，存在優化貴金屬降本的空間。

3.2 方案制定

當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方案的主要參數包括車重、發動機排量、車型信息、發動機原始排放、催化器布置位置等信息。本課題研究的車型發動機排量為1.3 L，最大總質量為1 535 kg，從發動機原始排放結果來看，CO、THC 水平比NOX 略高。綜上初步制定了貴金屬優化的四個備選方案，四個方案涂覆技術及其他輔料均不變化，Rh 含量也沒有變化，僅對Pd 進行優化，具體如表1 所示。

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

3.3 新樣件制作及摸底試驗

根據測試計劃，委托供應商按照方案四的貴金屬含量生產一定數量的三元催化器樣件，并裝配至兩臺狀態正常的試驗車上。使用當前版本的動力總成標定軟件，依據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，試驗結果如圖5 所示。貴金屬優化后的新鮮三元催化器實車尾氣排放結果整體稍劣于優化前，但滿足國家排放法規要求，達成前期設定目標。

3.4 制定開發驗證計劃

本課題三元催化器貴金屬優化，需對整車動力總成標定進行相應調整優化，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要求。當整車動力總成軟件進行調整時，將對整車的NVH 性能、動力性、油耗、發動機艙熱管理、整車駕駛性能等性能產生影響，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 開發驗證及結果分析

依據開發驗證計劃，動力總成團隊完成了動力總成軟件標定優化，并開展了高原、高溫、低溫試驗等各種極端情況的驗證試驗，試驗結果表明新的軟件標定符合設計目標。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、經濟性、發動機艙熱管理等功能、性能進行驗證，符合前期設定目標。

優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、發動機艙熱管理等均符合前期設想目標值，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，符合設定目標。

4 結語

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

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］內燃機與配件，2022（5）：46-48

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

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

［4］唐穎青耦合式三元催化轉化器設計研究［J］工程建設與設計，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、排氣系統、冷卻系統、發動機周邊附件的設計開發、驗證等。