蘇 盛，侯 攀，賴益土，呂 濤，王 欣，葛蘊(yùn)珊，呂立群

（1. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2. 廈門環(huán)境保護(hù)機(jī)動(dòng)車污染控制技術(shù)中心，廈門 361023）

前言

三效催化器（three-way catalyst，TWC）技術(shù)對(duì)尾氣污染物的減排效果顯著，可使汽車尾氣中的CO、HC和NOx同時(shí)降低95%以上。隨著排放法規(guī)日益嚴(yán)格，三效催化器技術(shù)成為汽油機(jī)污染控制的核心。當(dāng)三效催化器發(fā)生老化，其尾氣凈化效率會(huì)顯著降低，甚至完全失效，是造成在用車污染增加的重要原因。

三效催化器老化是非常復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過程，主要因素有4 類：熱老化、化學(xué)中毒、機(jī)械損傷和結(jié)焦［1］。通過改善燃油和潤(rùn)滑油品質(zhì)、優(yōu)化催化劑制造工藝、提升機(jī)內(nèi)凈化水平等手段，基本可以解決化學(xué)中毒、機(jī)械損傷和結(jié)焦［2］等引起的老化，目前，熱老化是三效催化器最主要的老化因素［3］，也是三效催化器老化研究的重點(diǎn)［4-7］。

為確保車輛在全生命周期內(nèi)三效催化器有效可靠，中國(guó)、歐盟和美國(guó)最新階段排放標(biāo)準(zhǔn)均允許生產(chǎn)企業(yè)使用里程累積循環(huán)（approved mileage accumulation，AMA）、標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)（standard road cycle，SRC）作為整車耐久老化循環(huán)，模擬車輛行駛?cè)珘勖芷谙聼崂匣瘜?duì)三效催化器的老化影響［8-11］。

不同老化循環(huán)直接影響到三效催化器熱老化程度，選取了配備同款發(fā)動(dòng)機(jī)滿足國(guó)VI 標(biāo)準(zhǔn)的純汽油車型和非插電混合動(dòng)力車型，研究不同老化循環(huán)對(duì)三效催化器老化程度的影響。

1 試驗(yàn)部分

使用自動(dòng)駕駛儀駕駛樣車，運(yùn)行AMA、SRC、WLTC 以及典型RDE 循環(huán)，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集車輛運(yùn)行過程中的瞬時(shí)溫度和瞬時(shí)速度數(shù)據(jù)。

1.1 樣車選取

本文中研究用純汽油車型（ICE）和油電混合動(dòng)力車型（HEV）均配備了滿足國(guó)VI排放標(biāo)準(zhǔn)的同款汽油機(jī)，混動(dòng)車型增加了驅(qū)動(dòng)電機(jī)，按混合動(dòng)力策略重新標(biāo)定匹配了發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略，試驗(yàn)車輛基本參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)車輛基本參數(shù)

1.2 測(cè)試循環(huán)特征

測(cè)試循環(huán)選取輕型車第六階段排放法規(guī)要求的4種典型循環(huán)［8，12］。

（1）里程累積循環(huán)（AMA），EPA早期開發(fā)的耐久循環(huán)，當(dāng)時(shí)的車輛尚未安裝催化轉(zhuǎn)化器，循環(huán)本身包含很大一部分低速循環(huán)，主要目的是模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的積碳。該循環(huán)由11 個(gè)子循環(huán)組成，每個(gè)子循環(huán)里程為6 km，包含怠速、勻速、加速、減速工況最高車速113 km/h。

（2）標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)（SRC），由于電控系統(tǒng)和后處理的應(yīng)用，汽車排放進(jìn)一步降低，EPA開發(fā)了比AMA循環(huán)更惡劣的SRC 標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)。該循環(huán)由7 個(gè)子循環(huán)組成，每個(gè)子循環(huán)里程為6 km，包含怠速、勻速、加速、減速和急加速工況，最高車速129 km/h。

（3）全球統(tǒng)一輕型車駕駛測(cè)試循環(huán)（WLTC），是由聯(lián)合國(guó)世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇（WP29）在污染與能源工作組（GRPE）下設(shè)的工作組所制定［13］，我國(guó)輕型車第六階段排放法規(guī)中采用的排放測(cè)試循環(huán)，替代了之前的NEDC 循環(huán)。該循環(huán)共計(jì)1 800 s 由4 部分組成：低速段589 s；中速段433 s；高速段，455 s；超高速段323 s。

（4）典型實(shí)際道路循環(huán)（RDE），為防止生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)針對(duì)實(shí)驗(yàn)室排放測(cè)試的作弊系統(tǒng)，歐洲輕型車第六階段法規(guī)開發(fā)引入了RDE 試驗(yàn)，目前已更新至第4 版（Package 4）［14-17］。RDE 循環(huán)是在實(shí)際道路上進(jìn)行排放試驗(yàn)，并不是一個(gè)固定的駕駛循環(huán)。本文所說的典型RDE 循環(huán)是通過采集車輛在實(shí)際道路上行駛的路譜得到，包含市區(qū)段、市郊段、高速段3 部分，駕駛激烈程度、停車時(shí)間等駕駛條件均滿足法規(guī)要求，實(shí)際道路循環(huán)見圖1。

圖1 RDE實(shí)際道路循環(huán)速度-時(shí)間圖

1.3 三效催化器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗(yàn)車輛固定在底盤測(cè)功機(jī)上，使用自動(dòng)駕駛儀按照預(yù)設(shè)循環(huán)駕駛車輛，高精度熱電偶傳感器測(cè)量三效催化器床體溫度，通過數(shù)據(jù)采集模塊將該溫度信號(hào)和底盤測(cè)功機(jī)端車速信號(hào)以10 Hz 的頻率同步整合、傳輸并記錄，三效催化器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)備信息見表2，示意圖見圖2。

表2 三效催化器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備信息

圖2 三效催化器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在三效催化器內(nèi)部布置熱電偶傳感器進(jìn)行溫度采集，為保證三效催化器載體不受到破壞，選擇直徑小于載體空隙的高精度熱電偶傳感器逆于排氣流方向伸入催化劑載體正中心；熱電偶的固定基座安裝在催化器出口處殼體上，三效催化器中熱電偶傳感器布置示意圖見圖3。

圖3 三效催化器熱電偶傳感器布置

2 三效催化器床溫特征與熱損傷分析

2.1 不同循環(huán)下的三效催化器床溫特征

為保證溫度數(shù)據(jù)的重復(fù)性，正式試驗(yàn)前，樣車先進(jìn)行1 次預(yù)試驗(yàn)，對(duì)后處理系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，然后連續(xù)運(yùn)行3 次駕駛循環(huán)為正式試驗(yàn)。以純汽油車型為例，統(tǒng)計(jì)得到老化循環(huán)的特征參數(shù)，如表3所示。

表3 老化循環(huán)特征參數(shù)

圖4 是兩車型在不同循環(huán)下三效催化器床溫特征比較，由表3和圖4中可得如下結(jié)果。

圖4 不同循環(huán)三效催化器床溫特征

（1）AMA 和SRC 循環(huán)的平均正加速度和最大正向加速度均高于WLTC 和RDE 循環(huán)，三效催化器床溫浮動(dòng)幅度較大，且平均溫度也較高。

AMA循環(huán)三效催化器床溫在490～860 ℃之間變化，純汽油車型和油電混合動(dòng)力車型的平均溫度分別為608和574 ℃。

SRC 循環(huán)三效催化器床溫在480～860 ℃之間變化，純汽油車型和油電混合動(dòng)力車型的平均溫度分別為620和573 ℃。

WLTC循環(huán)三效催化器床溫在440～770 ℃之間，純汽油車型和油電混合動(dòng)力車型的平均溫度分別為

578和566 ℃。

RDE 循環(huán)三效催化器床溫主要在440～800 ℃之間，純汽油車型和油電混合動(dòng)力車型的平均溫度分別為548和542 ℃。

（2）三效催化器升溫主要發(fā)生在加速工況下，相比其他循環(huán)，由于AMA和SRC循環(huán)包含較多的急加速工況，兩款車型在加速工況下溫度變化較為劇烈。

（3）在部分低速工況下，油電混合動(dòng)力車型的三效催化器床溫較為穩(wěn)定且高于純汽油車型，如SRC、WLTC 和RDE 循環(huán)初期低速工況和WLTC 循環(huán)末端的減速工況及低速工況。推測(cè)原因可能由于車輛動(dòng)力電池經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的充電過程，動(dòng)力電池電量充足，在低速工況下可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火停止運(yùn)轉(zhuǎn)，后處理管理系統(tǒng)通過電加熱策略保證三效催化器一直處于恒溫工作狀態(tài)，因而催化劑床溫趨于穩(wěn)定。

（4）油電混合動(dòng)力車型由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)協(xié)同工作，相比傳統(tǒng)燃油車，多數(shù)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較小，三效催化器床溫更低。其中，勻速工況下，兩車型的三效催化器床溫差值明顯；加速工況下，兩車型的三效催化器床溫差值不明顯。

（5）AMA 循環(huán)和SRC 循環(huán)下兩車型的三效催化器平均床溫差值明顯，分別為34 和47 ℃，WLTC 循環(huán)和RDE 循環(huán)下兩車型的三效催化器平均床溫差值不明顯，分別為12 和6 ℃。這是由于AMA 和SRC循環(huán)包含大量的勻速工況，而WLTC 和RDE 循環(huán)包含大量的加速工況所致。

2.2 不同循環(huán)的熱老化強(qiáng)度比較

基于阿倫尼烏斯（Arrhenius）公式的BAT（bench ageing time）方程和熱損傷（thermal damage）公式，對(duì)試驗(yàn)車輛運(yùn)行不同循環(huán)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并以RDE 實(shí)際道路循環(huán)為基準(zhǔn)，將各循環(huán)16 萬km 熱損傷換算至對(duì)應(yīng)的實(shí)際道路行駛里程，以表征不同駕駛循環(huán)對(duì)三效催化器的熱老化強(qiáng)度。

2.2.1 熱損傷計(jì)算方法

三效催化器老化主要為熱老化，各國(guó)排放法規(guī)推薦的臺(tái)架老化方法以及各汽車公司和催化器生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)的快速老化方法主要采用基于阿倫尼烏斯機(jī)理的BAT 方程進(jìn)行與實(shí)車?yán)匣Ч刃У臒崂匣囼?yàn)。

BAT方程計(jì)算公式如下［18］：

式中：ti為將循環(huán)采集的逐秒溫度數(shù)據(jù)按照一定間隔劃分成不同溫度區(qū)間的溫度組后的第i個(gè)溫度組的時(shí)間，h，其中，i=1，2，…，n；R為催化器熱反應(yīng)系數(shù)，取值17 500；Ti為第i個(gè)溫度組的中點(diǎn)溫度，K；t'i為循環(huán)中第i個(gè)溫度組的時(shí)間所對(duì)應(yīng)的有效基準(zhǔn)溫度下的等效老化時(shí)間，h。

熱損傷計(jì)算公式也是基于阿倫尼烏斯機(jī)理推導(dǎo)而來，近年來，國(guó)內(nèi)外催化劑研發(fā)團(tuán)隊(duì)也開始使用熱損傷公式研究催化劑熱老化，計(jì)算公式如下：

式中：H為熱損傷，無量綱參數(shù)；B為指前因子，與材料相關(guān)的常數(shù)，s-1；Tc為循環(huán)有效基準(zhǔn)溫度，K；tC為循環(huán)時(shí)長(zhǎng)，h。

2.2.2 不同循環(huán)16 萬km 熱損傷及RDE 循環(huán)等效行駛里程計(jì)算

根據(jù)上述公式計(jì)算得到兩款車型在不同測(cè)試循環(huán)下的16萬km熱損傷，如圖5所示。

圖5 不同循環(huán)16萬km 耐久的三效催化器熱損傷

不同循環(huán)下，油電混合動(dòng)力車型的16 萬km 熱損傷均低于純汽油車型，混合動(dòng)力技術(shù)可有效地減少三效催化器的熱老化程度。

為更加形象地量化不同循環(huán)的熱老化強(qiáng)度，以能夠真實(shí)反映車輛實(shí)際道路駕駛水平的RDE 循環(huán)為參照基準(zhǔn)，通過上述熱損傷數(shù)量關(guān)系，可以推算出其他循環(huán)行駛16 萬km 所對(duì)應(yīng)的實(shí)際道路等效行駛里程，見圖6。

圖6 不同循環(huán)16萬km 耐久的實(shí)際道路等效行駛里程

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可以看出兩款車型以AMA、SRC、WLTC 循環(huán)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際道路等效行駛里程均大于16 萬km，表明車輛以AMA、SRC、WLTC循環(huán)進(jìn)行16 萬km 耐久性試驗(yàn)，對(duì)三效催化器造成的老化效果高于實(shí)際道路行駛老化效果。

其中，AMA 和SRC 循環(huán)運(yùn)行16 萬km 所對(duì)應(yīng)的實(shí)際道路等效行駛里程均明顯大于16萬km：

（1）純汽油車型，以AMA和SRC循環(huán)行駛16萬km，分別相當(dāng)于實(shí)際道路行駛了51.84和60.30萬km；

（2）油電混合動(dòng)力車型，以AMA和SRC循環(huán)行駛16萬km，相當(dāng)于實(shí)際道路行駛了30.44和29.21萬km。

3 結(jié)論

（1）三效催化器升溫主要發(fā)生在加速工況下，相比WLTC 和典型RDE 循環(huán)，AMA 和SRC 循環(huán)三效催化器床溫浮動(dòng)幅度較大，且平均溫度較高。

（2）多數(shù)工況下，油電混合動(dòng)力車型的三效催化器床體溫度較純汽油車型更低；相同循環(huán)下，油電混合動(dòng)力車型的16萬km熱損傷低于純汽油車型。

（3）以AMA 和SRC 循環(huán)進(jìn)行16 萬km 耐久老化對(duì)三效催化器造成的熱老化程度明顯高于RDE 循環(huán)。純汽油車型：以AMA 和SRC 循環(huán)行駛16 萬km對(duì)三效催化器造成的熱老化程度，與實(shí)際道路行駛了51.84 和60.30 萬km 相同。油電混合動(dòng)力車型：以AMA 和SRC 循環(huán)行駛16 萬km 對(duì)三效催化器造成的熱老化程度，相當(dāng)于實(shí)際道路行駛了30.44 和29.21 萬km。

（4）法規(guī)推薦AMA 循環(huán)和SRC 循環(huán)進(jìn)行實(shí)車耐久老化，對(duì)三效催化器造成的熱老化程度明顯高于WLTC 循環(huán)和RDE 循環(huán)，表明AMA 循環(huán)和SRC 循環(huán)可以充分覆蓋日常的極端駕駛情況，對(duì)在用車尾氣形成了有效的監(jiān)管。