余樂,李孟良,方茂東

(1.中國汽車技術(shù)研究中心,天津 300162;2.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院,湖北武漢 430070)

在用車排放與催化器的相關(guān)性研究

余樂1,2,李孟良1,方茂東1

(1.中國汽車技術(shù)研究中心,天津 300162;2.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院,湖北武漢 430070)

通過對比研究兩款不同車型的排放試驗(yàn)與催化器檢驗(yàn)結(jié)果,分析了車輛的排放情況與相應(yīng)催化器中貴金屬含量的關(guān)系。另外,探究了車輛催化器中非金屬含量的影響因素。結(jié)果表明:排放劣化車催化器中的貴金屬含量普遍低于新鮮催化器中的貴金屬含量;排放正常車輛催化器中的貴金屬含量與新鮮催化器中的貴金屬含量無明顯差異;催化器中的貴金屬配比對車輛排放有很大影響;催化器中的貴金屬配比與燃油及機(jī)油質(zhì)量是影響催化器中非金屬含量的主要因素。

在用車;催化器;貴金屬;非金屬;相關(guān)性

Abstract:The relationsh ip betw een vehicle em ission and noble m etal content in catalytic converterw as analyzed after comparing the em ission test data and catalyst check result of tw o different types of vehicles.And the influence factor of nonm etal content in catalytic converterw as explored.The results indicated that the noble m etalcontent in catalytic converterof high em ission vehicle is low er than the one in new catalyst converter;there is no obvious difference betw een the noble m etal content in catalytic converter of no r m al em iss ion vehicle and the one in new catalytic converter;noble m etalm ixture ratio in catalytic converter has a significant influence on vehicle em iss ion;noble m etalm ixture ratio in catalytic converter,fuel quality and engine oil quality are the m ain facto r for influencing the nonm etal content in catalytic converter.

Key words:in-use vehicle;catalyst converter;noble m etal;nonm etal;relativity

0 前言

隨著我國汽車保有量的不斷增加,在用車尾氣排放造成的污染已成為導(dǎo)致大氣污染、環(huán)境和人類健康危機(jī)的主要因素。三元催化器作為一種有效的汽車尾氣處理裝置,在汽車尾氣控制方面有至關(guān)重要的作用,催化器的工作狀況直接關(guān)系著在用車的排放情況。

車用三元催化轉(zhuǎn)化器主要由蜂窩狀載體、密封層、殼體及氧傳感器組成。其中催化劑是催化轉(zhuǎn)化器的核心部分,它決定著催化轉(zhuǎn)化器的主要性能指標(biāo)。催化劑中主要包括如 Pt、Pd、Rh等貴金屬,在其作用下,尾氣中的有害成分 CO、碳?xì)浠衔锓謩e被氧化成 CO2、H2O,而NOx被還原成N2,從而實(shí)現(xiàn)對汽車尾氣的凈化。

本文主要研究目的是:分析車輛的排放情況與相應(yīng)催化器中貴金屬含量的關(guān)系,另外,分析非金屬物質(zhì),特別是 S、P含量的影響因素。

1 試驗(yàn)描述

1.1 試驗(yàn)車輛

為對比研究不同情況下在用車排放與催化器的相關(guān)性,本次試驗(yàn)抽取了里程數(shù)相差較大的車輛與里程數(shù)相差較小的車輛作為參考車輛進(jìn)行試驗(yàn)研究,試驗(yàn)用車皆為輕型車。試驗(yàn)抽取了兩款典型車型(記為A與B)共四輛在用車,A車型選取了里程相差較大的兩輛在用車,B車型選取了里程相差較小的兩輛在用車,以下簡稱A1、A2與B1、B2。1.2 排放試驗(yàn)

將選取的四輛在用車在底盤測功機(jī)上進(jìn)行主要排放污染物的測試實(shí)驗(yàn)。本次在用車的排放試驗(yàn)是按照 GB 18352.3-2005中Ⅰ型試驗(yàn)——常溫下冷啟動后排氣污染物排放試驗(yàn)(輕型車)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行的。

1.3 催化器檢驗(yàn)

對于催化器的檢驗(yàn),除檢驗(yàn)上文中描述的 A1、A2、B1、B2 4個(gè)在用車的催化器,為進(jìn)行對比分析,也檢驗(yàn)了A、B兩款車型所對應(yīng)的兩個(gè)新鮮催化器。綜上,此次檢驗(yàn)共涉及 6個(gè)催化器樣件,由于A車型在用車的催化器分為前后級,在檢驗(yàn)時(shí)需要前后級獨(dú)立檢驗(yàn),故最終檢驗(yàn)結(jié)果中樣件數(shù)確定為 9件,其中A車型 6件,B車型 3件。

本次催化器檢驗(yàn)項(xiàng)目包括催化器中的主要貴金屬(Pt、Pd、Rh)含量以及主要非金屬 (P、S)含量。檢驗(yàn)時(shí)按照《車用催化轉(zhuǎn)化器中貴金屬含量的測定電感耦合等離子體發(fā)射光譜法和電感耦合等離子體質(zhì)譜法》(送審稿)進(jìn)行貴金屬含量的檢驗(yàn),按照《XRF-1800熒光光譜儀操作規(guī)范》進(jìn)行非金屬含量的檢驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表 1所示為四輛在用車的Ⅰ型試驗(yàn)排放結(jié)果,四輛在用車的排放目錄均為國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)。

表1 Ⅰ型試驗(yàn)排放結(jié)果

由表 1可看出,A、B兩車型中,A1車與B1車的排放超標(biāo),而A2車與B2車的污染物排放量都符合國Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的限值。其中,排放較好的A2車的排放水平已達(dá)到了國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn),在里程數(shù)已達(dá)到7萬多公里的條件下,說明其排放控制水平較高。而排放超標(biāo)的兩車情況為:A1車的NOx排放超標(biāo), B1車的 CO排放超標(biāo)。

如上文 1.1中所述,本次試驗(yàn)選取了里程數(shù)相差較大的車輛與里程數(shù)相差較小的車輛作為參考車輛,即為 A1、A2與 B1、B2,下文將分別分析這兩個(gè)車型的催化器貴金屬含量以及非金屬含量檢驗(yàn)結(jié)果,然后進(jìn)行總結(jié)得出結(jié)論。

2.1 A車型催化器貴金屬含量分析

表 2所示為A車型 (里程數(shù)相差較大)各催化器的貴金屬含量檢驗(yàn)結(jié)果,結(jié)果中包含各催化器的體積與質(zhì)量參數(shù),貴金屬 Pt、Pd、Rh的具體含量,三種貴金屬物質(zhì)的總含量以及前后級催化器的貴金屬總含量。

表 2 A車型催化器貴金屬含量檢驗(yàn)結(jié)果 g/L

分析表 2中的結(jié)果可發(fā)現(xiàn),A車型所有催化器前級中都不含貴金屬 Pt。經(jīng)分析,這可能是由于催化器前級工作環(huán)境十分惡劣,而貴金屬 Pt的高溫穩(wěn)定性不如 Pd好[1],故在催化器前級中使用 Pd與 Rh的貴金屬組合作為催化劑的組分。而由于本次試驗(yàn)催化器檢驗(yàn)的樣本數(shù)選取的不夠多,尚不足以說明一致性規(guī)律。

結(jié)合表 2中的檢驗(yàn)結(jié)果,得到圖 1。圖 1為 A車型所有催化器的前后級貴金屬總含量,包括 A車型新催化器與A1及A2車的催化器。

圖1 A車型催化器前后級貴金屬總含量

由圖 1中貴金屬檢驗(yàn)結(jié)果對比可知,A1車催化器前后級的貴金屬總含量要低于A2車以及A新催化器中的含量。分析原因可能是,隨著A1車行駛里程的不斷增加,各種污染元素的侵入,導(dǎo)致貴金屬含量降低,催化劑中的有效成分不斷減少,導(dǎo)致A1車催化器劣化,催化轉(zhuǎn)化效率下降,進(jìn)而引起排放增加[2]。而排放良好的A2車的催化器貴金屬含量與新催化器相比無明顯差異,由表 2可知 A車型新催化器的前后級貴金屬總含量略高于A2車。

另一方面,由表 2可知,在催化器后級中,A1車催化器的貴金屬含量較少這一現(xiàn)象體現(xiàn)得十分明顯。針對此情況,對表2進(jìn)行分析。分析可發(fā)現(xiàn),A1車催化器后級與A2車催化器后級的貴金屬配比不一致,而A2車催化器后級與 A車型新催化器后級的貴金屬配比一致。由表可知,A車型新催化器后級 Pt/Pd的比值為 1/16.9,A2車催化器后級 Pt/Pd的比值為 1/16.7,兩者相差很小,貴金屬配比一致,皆為貴金屬元素 Pd的含量比 Pt高出許多;而A1車催化器后級的 Pt/Pd的比值為 27.3,貴金屬配比完全不一致,貴金屬元素 Pd的含量比 Pt低許多。而有分析指出,對于 CO和 HC的催化轉(zhuǎn)化,Pd的催化轉(zhuǎn)化效率要明顯高于 Pt[3]。以此結(jié)合表 1中的排放實(shí)驗(yàn)結(jié)果,A2車的CO及HC排放量要比A1車低很多,則可得出,上述催化劑貴金屬配比的不一致可能會對此排放結(jié)果有所影響。

下面分析A1車排放超標(biāo)的原因。結(jié)合表 1中的 I型試驗(yàn)數(shù)據(jù),A1車的NOx排放已超標(biāo),而A2車的排放達(dá)到了國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到催化劑組分中貴金屬 Rh主要用于還原 NOx時(shí)的催化[3],下面對A車型不同車輛催化器中的 Rh含量進(jìn)行分析。圖 2所示為A車型不同車輛催化器中的Rh含量對比,圖中包括A車型所有催化器的前后級Rh含量對比情況。

圖2 A車型各催化器中的 Rh含量對比

如圖 2所示,A1車催化器前后級與A2車及新催化器的前后級相比,A1車催化器的 Rh含量明顯偏低,如上文所述,這就造成 A1車的 NOx排放超標(biāo)。而隨著里程增多,在用車(A1及A2車)催化器中的 Rh含量也都要低于新鮮催化器中的 Rh含量。

綜合上述對A車型催化器貴金屬含量的分析,有以下結(jié)論:行駛里程數(shù)較大的在用車 A1排放劣化,NOx排放超標(biāo),可能是由催化器劣化所致的貴金屬含量減少(特別是貴金屬元素 Rh),以及催化劑貴金屬配比兩方面原因共同引起的;排放良好的在用車A2(行駛里程數(shù)較小)催化器中的貴金屬含量與新鮮催化器對比相差不大,只是略有降低。

2.2 B車型催化器貴金屬含量分析

表 3所示為 B車型 (里程數(shù)相差較小)各催化器的貴金屬含量檢驗(yàn)結(jié)果,由于B車型的催化器僅有一級,此結(jié)果中包含的信息與表 2略有不同,無前后級貴金屬總含量的數(shù)據(jù)。

表 3 B車型各催化器貴金屬含量檢驗(yàn)結(jié)果 g/L

由表 3可知,B車型所有催化器均采用 Pd/Rh的催化劑組合,經(jīng)分析,此種組合中貴金屬 Pd主要用于CO及 HC的催化轉(zhuǎn)化,而貴金屬 Rh主要用于NOx的催化轉(zhuǎn)化。以表 3中的信息繪制圖 3如下。圖 3所示為B車型各催化器貴金屬含量。

圖3 B車型各催化器貴金屬含量

由表 3可知,B車型各車的催化器貴金屬含量總體相差不大,這與車型的選取有很大關(guān)系。試驗(yàn)時(shí),B車型選取的是兩輛行駛里程數(shù)相差不大,且里程數(shù)都較小的在用車。這就使得兩輛在用車的貴金屬含量相差不大,并且與新鮮催化器的貴金屬含量也相差不大。

從催化器貴金屬含量的大小關(guān)系來看,B車型新鮮催化器的貴金屬含量還是要略高于兩輛在用車,而排放正常的B2車的催化器貴金屬含量也要略高于排放劣化的 (CO排放超標(biāo))的 B1車的貴金屬含量。經(jīng)分析,造成這個(gè)結(jié)果的原因可能是隨行駛里程的增加,污染元素的不斷侵入,導(dǎo)致催化器中催化劑有效成分(貴金屬)含量減少,這與A車型中的情況類似。

下面分析B1車 CO排放超標(biāo)的原因。如上文所述,催化劑中貴金屬 Pd主要用于 CO及 HC的催化轉(zhuǎn)化,因此推測,B1車的 CO排放超標(biāo)可能與該車催化器的貴金屬 Pd的含量有關(guān)系。結(jié)合表 3中數(shù)據(jù)得到圖 4如下。圖 4為 B車型各催化器貴金屬Pd含量。

圖4 B車型各催化器貴金屬 Pd含量

由圖 4可知,排放超標(biāo)的B1車催化器的貴金屬Pd含量要低于排放正常的 B2車及新鮮催化器。由于催化劑中的活性物質(zhì)貴金屬 Pd的含量較少,這就造成了催化器對 CO的轉(zhuǎn)化效率下降,進(jìn)而排放異常,超出限值規(guī)定。

綜合以上對B車型催化器貴金屬含量的分析,有以下結(jié)論:將行駛里程數(shù)較小且里程數(shù)相差較小的兩輛在用車 B1與 B2的催化器中貴金屬含量與新鮮催化器相比,差異不明顯,只是略有降低,將B1與B2兩在用車進(jìn)行對比,貴金屬含量差距也較小; B1車催化器中貴金屬 Pd的含量較少,這是造成其CO排放超標(biāo)的主要原因。

2.3 A、B兩車型催化器非金屬含量分析

和上文貴金屬含量分析一致,這里將A、B兩車型分開進(jìn)行分析。下面,首先對里程數(shù)相差較大的在用車(A車型)的催化器非金屬含量進(jìn)行分析。表4所示為A車型的非金屬含量檢驗(yàn)結(jié)果。表中包括A車型各催化器前后級的主要非金屬 S和 P的含量,以及催化器前后級總體的非金屬含量。

表4 A車型非金屬含量檢驗(yàn)結(jié)果 g/L

分析表 4,所有A車型的新催化器中不含 P而所有在用車催化器中都含有 P,具體情況如圖 5所示。經(jīng)分析,由于機(jī)油進(jìn)入燃燒室參與燃燒,而機(jī)油添加劑中含 P導(dǎo)致造成的。而A1車的行駛里程較A2長很多,所以就造成A1車催化器中的含 P量較多。

圖5 A車型各催化器含P量

圖 6所示為A車型各催化器的含 S量,可發(fā)現(xiàn)新鮮催化器中也含有 S,經(jīng)分析,此原因?yàn)?在催化器加工時(shí),原材料(也可能是載體原材料中本來就有的雜質(zhì))中就含有 S,但此時(shí) S應(yīng)該是以硫化物的形式存在,不過分析時(shí)就只能顯示為 S。將 A車型在用車催化器與新鮮催化器對比,催化劑貴金屬配比一致的A2車催化器和新鮮催化器進(jìn)行對比時(shí),可發(fā)現(xiàn)在用車催化器的含 S量明顯高于新鮮催化器,這是由于里程積累造成的;而A1車催化器與新鮮催化器對比時(shí),發(fā)現(xiàn)新鮮催化器的含 S量還要略高,這是由于催化劑配比不一致造成的。

圖6 A車型各催化器含S量

比較在用車之間的催化器 S含量。結(jié)合表 4及圖 6,可發(fā)現(xiàn)排放正常的A2車的含 S量反而要高出排放超標(biāo)的A1車許多,在催化器后級中體現(xiàn)的十分明顯。結(jié)合上文 2.1中對表 2的分析可知,A2車與A1車的催化劑配比不一致。A2車的 Pd含量高出Pt含量許多 (Pd/Pt比值為 16.7),而 A1車與此相反(Pd/Pt比值為 1/27.3)。因此,A2車催化器中的S含量非常高可能是由其催化劑貴金屬配比引起的,A2車貴金屬 Pd的含量很高,而貴金屬 Pd比 Pt的抗 S老化性能差很多。除此之外,考慮到現(xiàn)階段我國燃油品質(zhì)的參差不齊,車輛使用不同品質(zhì)的燃油也對檢驗(yàn)結(jié)果造成了一定影響。

下面分析里程數(shù)相差較小的在用車(B車型)的催化器的非金屬含量。

由表 5知,B車催化器中的含 P量與A車類似,新催化器中不含 P,而在用車催化器中都含 P。圖 7所示為B車型各催化器含 P量。

表5 B車型非金屬含量檢驗(yàn)結(jié)果 g/L

圖7 B車型各催化器含P量

由圖 7發(fā)現(xiàn)排放正常的B2車的含 P量還要高于排放超標(biāo)的B1車的含 P量。經(jīng)分析,這可能與兩車?yán)锍虜?shù)相差不大有聯(lián)系。由于行駛里程相差不大,兩車的機(jī)油進(jìn)入燃燒室參與燃燒的量相差不大,故催化器中的含 P量也相差不大,且含量大小與行駛里程數(shù)無相關(guān)性聯(lián)系。

圖 8所示為B車型各催化器含 S量。

圖8 B車型各催化器含S量

分析該車型的催化器含 S量,可發(fā)現(xiàn)新鮮催化器中含 S量為零,而里程數(shù)較大的B1車的催化器含S量要高于B2車,但由于兩車?yán)锍虜?shù)相差不大,故 S含量也相差不大。

由以上分析可知:催化劑貴金屬配比對催化器中含 S量影響較大,燃油品質(zhì)也對此有一定影響;催化劑貴金屬配比一致時(shí),在用車催化器中的含 S量要高于新鮮催化器中的含 S量,高里程車催化器的S含量高于低里程車催化器的 S含量;由于原材料的原因,某些新催化器中也會含有 S等非金屬元素,故新鮮催化器中的 S含量不一定是零;里程數(shù)相差較大的在用車之間的 P含量相差很大,此時(shí) P含量隨里程數(shù)增多而增加,里程數(shù)相差很小的在用車的P含量相差不大,無相關(guān)性聯(lián)系。

3 結(jié)論

對上述分析過程進(jìn)行總結(jié),可得出以下結(jié)論: (1)由于催化器老化,排放劣化車催化器中的貴金屬含量普遍低于新催化器中的貴金屬含量。

(2)排放正常車輛的催化器中的貴金屬含量與新催化器中的貴金屬含量無明顯差異。

(3)催化劑貴金屬配比對催化器的活性有很大影響,從而對在用車的排放有很大影響,貴金屬 Rh對NOx的控制有決定性作用。

(4)催化劑貴金屬配比及燃油品質(zhì)的不同,會導(dǎo)致催化器中的含 S量相差很大,由于原材料的原因,某些新催化器中也會含有 S等非金屬元素。

[1]劉巽俊.內(nèi)燃機(jī)的排放與控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2]王延昭,李孟良.汽車催化器失效的特征研究 [J].北京汽車,2006(5):25-28.

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S tudy on the Re la tivity be tween In-Use Vehic le Em iss ion and Ca ta lytic Conve rte r

Y U Le1,2,LIM eng-liang1,FANG M ao-dong1
(1.China Automo tive Technology&Research Center,Tianjin 300162,China; 2.Schoo lof Automobile Engineering,W uhan University of Techno logy,W uhan 430070,China)

TE624.82

A

2009-09-09。

余樂(1986-),男,武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院動力機(jī)械及工程專業(yè)在讀研究生,已公開發(fā)表論文4篇。

1002-3119(2010)03-0060-05