摘 要：文章以創(chuàng)新性鈀釕催化器在某乘用車上的搭載應(yīng)用為研究對象，對該催化器的方案及ECU軟件進行研究分析與優(yōu)化，使其滿足銷售地區(qū)法規(guī)要求；在達成減少氣體污染物排放的前提下，不僅打破汽車三元催化器對銠元素使用的依賴，避免進口原材料卡脖子的狀況發(fā)生，而且有效降低三元催化器的成本。

關(guān)鍵詞：催化器 鈀 銠 釕 排放 ECU

從2020年9月起，我國在關(guān)于“碳達峰目標和碳中和遠景”中，明確提出“2030年前二氧化碳排放達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和”的目標。為實現(xiàn)乘用車減碳減排，推動碳排放盡早達峰，需要對汽車污染物，尤其是尾氣排放污染物控制的硬件和軟件進行技術(shù)提升，三元催化器作為汽車尾氣排放污染物控制的核心后處理零部件，其創(chuàng)新性設(shè)計應(yīng)用意義重大。目前乘用車三元催化器中的貴金屬材料主要為鉑、鈀、銠三種元素，其中鉑鈀可互相替代，而銠必不可少；且銠的全球存量很少，我國約90%依賴進口。由于釕元素同樣具備催化還原能力，存量相較銠元素大，為避免銠材料的進口卡脖子風險，保障我國汽車產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健發(fā)展，在汽車三元催化器中創(chuàng)新性引入釕材料使用，減少對銠材料的進口依賴。

1 排放產(chǎn)生機理及影響因素

1.1 排放污染物生成機理

汽油發(fā)動機由于燃燒時間很短，可燃混合氣無法完全混合均勻，造成燃料的氧化反應(yīng)不完全，排氣中會出現(xiàn)不完全燃燒產(chǎn)物HC和CO；NOx主要成分是NO，NO的主要來源是參與燃燒的空氣中的氮，NOx生成的條件是混合氣燃燒時產(chǎn)生的高溫富氧。

1.2 排放的主要影響因素

1.2.1 三元催化器

三元催化器的布置位置、載體類型及貴金屬方案均會對排放產(chǎn)生影響；現(xiàn)階段作為催化劑的貴金屬主要是鈀（Pd）和銠（Rh），鈀（Pd）主要催化CO和HC的氧化反應(yīng)，銠催化NOx的還原反應(yīng)，釕具有同銠一樣的作用。鉑也可以催化CO和HC的氧化反應(yīng)，但是由于成本因素，鉑的使用經(jīng)濟效益不高。

1.2.2 ECU排放控制相關(guān)數(shù)據(jù)匹配

ECU軟件方面影響排放的因素眾多，主要為起動、起動后與暖機過程中的空燃比控制及催化器加熱模塊；起動及暖機過程中催化器還未起燃，通過調(diào)整起動和起動后的空燃比，在保證起動安全和燃燒穩(wěn)定的前提下，使發(fā)動機的原始排放盡量減少；催化器的起燃需要一定的溫度條件，為了讓催化器盡快起燃，達到高轉(zhuǎn)化效率，需要匹配催化器加熱功能。

2 貴金屬方案制定

2.1 理論方案制定

根據(jù)車輛整備質(zhì)量、發(fā)動機排量、動力總成配置及催化器布置位置等信息，同時結(jié)合發(fā)動機臺架試驗原排數(shù)據(jù)分析，在滿足車輛銷售地排放法規(guī)要求的前提下，初步核算制定一種理論的貴金屬方案用于本車型上進行排放試驗摸底驗證，具體方案如表1所示。

2.2 整車排放摸底

本文中以某款自動檔外銷車輛為原型，試驗車輛（#1車）磨合1500km以上，車輛銷售地法規(guī)為歐六B，根據(jù)歐六B排放法規(guī)要求排放試驗按照NEDC工況在某企業(yè)省重點節(jié)能減排試驗室進行，為保證結(jié)果的可靠性，進行兩次排放試驗，得出排放結(jié)果如表2所示。

從排放試驗結(jié)果可以看出，理論方案催化器在整車NEDC工況排放試驗中，各氣態(tài)污染物排放表現(xiàn)良好，其HC、NOx及CO的排放裕度均較大，貴金屬方案存在進一步優(yōu)化空間。

3 貴金屬方案優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案確認

由于理論貴金屬配比方案排放驗證結(jié)果較好，為實現(xiàn)降本增效，對貴金屬配比進行優(yōu)化，結(jié)合HC、NOx和CO均有較大調(diào)整空間，故分別對Pd、Rh及Ru進行相應(yīng)的調(diào)整以實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟效益，經(jīng)測算論證調(diào)整方案如下表3。

3.2 催化器優(yōu)化后整車排放驗證

優(yōu)化后的催化器樣件搭載在#1車上進行排放驗證，排放結(jié)果NMHC和NOx均符合法規(guī)限值要求，且具備一定的一致性，但略超工程目標，具體結(jié)果如表4所示。

3.3 發(fā)動機燃燒控制數(shù)據(jù)分析

由于催化器優(yōu)化方案的排放結(jié)果超工程目標，對于狀態(tài)劣化的車輛或油品較差區(qū)域存在排放一致性風險，故需對該排放結(jié)果進行分析，確認ECU軟件方面是否存在優(yōu)化空間。

3.3.1 排放秒采分析

通過排放報告中的排放秒采數(shù)據(jù)（圖1），分析確認貴金屬方案變更前后排放差異部分主要集中在車輛冷起動和起步階段。

3.3.2 測量文件分析

從INCA軟件采集的數(shù)據(jù)（圖2）可以看出，在整車起動后怠速階段空燃比偏濃，基本維持在1左右，最稀的點僅1.03，最濃為0.98，由于空燃比偏濃不利于HC排放，判定HC仍可通過調(diào)整該部分空燃比進行優(yōu)化。

3.3.3 催化器起燃溫度及時間確認

由于排放污染物主要集中在車輛冷起動及暖機階段，懷疑此時催化器還未起燃，故安排臺架試驗對催化器起燃溫度進行測試驗證；依據(jù)HJ/T331-2006 《環(huán)境保護產(chǎn)品技術(shù)要求汽油車用催化轉(zhuǎn)化器》中起燃溫度試驗方法，測試出HC的起燃溫度T50≤318℃、完全轉(zhuǎn)化溫度T90≤333℃，NOx的起燃溫度T50≤320℃、完全轉(zhuǎn)化溫度T90≤334℃；結(jié)合實車轉(zhuǎn)轂NEDC工況排溫測試，確定在NEDC工況中在起動40s左右催化器才達到起燃溫度。

3.4 ECU數(shù)據(jù)優(yōu)化

綜上，因在NEDC工況中NMHC和NOx大量產(chǎn)生的位置，催化器還未起燃；ECU標定上主要嘗試從加快催化器起燃速度方面進行優(yōu)化調(diào)試；同時針對HC較高問題，結(jié)合測量數(shù)據(jù)上空燃比表現(xiàn)較濃，進行相應(yīng)的減稀優(yōu)化，實施方案如下。

3.4.1 加速催化器起燃

①減小催化器加熱階段點火角（將起動后怠速階段和起步時的點火角均進行修訂）；

②提升催化器加熱轉(zhuǎn)速（由1300rpm提升至1400rpm）；

③TCU配合調(diào)整換檔線，將低溫工況下1檔升2檔的設(shè)定車速上調(diào)，使得NEDC工況第一個爬坡位置全部使用1檔進行，提升轉(zhuǎn)速加快起燃。

3.4.2 空燃比調(diào)整

①對應(yīng)起動后怠速階段空燃比相對較濃問題，通過ECU調(diào)整噴油預(yù)控，從而調(diào)整起動后怠速階段的空燃比（減稀3%左右）；

②對應(yīng)NMHC較高問題，調(diào)整起動階段空燃比，減稀3%左右；

③對應(yīng)NOx較高問題，縮短催化器起燃階段空燃比減稀作用的時間（由40s減至32s）。

3.5 排放驗證

由于NMHC和NOx同時超工程目標，ECU優(yōu)化的第一種方案主要考慮提升催化器起燃速度，空燃比嘗試小幅度減?。?%）；經(jīng)過排放驗證，NMHC下降較明顯，NOx基本同數(shù)據(jù)優(yōu)化前相當，未出現(xiàn)上升趨勢；為進一步確認NMHC是否還有優(yōu)化空間，繼續(xù)加大空燃比減稀幅度作為第二種方案進行驗證，結(jié)果NOx超出目標較多；故繼續(xù)從提升起燃速度上再進行優(yōu)化，由于繼續(xù)推遲點火角將影響動力性，故嘗試提升催化器加熱轉(zhuǎn)速，同時針對NOx偏高的問題，進行適當?shù)募訚?，試驗結(jié)果NMHC和NOx均滿足工程目標；增加排放試驗進行排放一致性驗證，驗證結(jié)果基本相當（相關(guān)排放結(jié)果見下表5），因此鎖定該催化器方案為最終方案。

依此最終貴金屬配比方案再試制兩套催化器樣件，使用同版ECU數(shù)據(jù)，增加車輛進行排放驗證，通過兩臺試驗車分別搭載兩套催化器樣件各進行兩次排放試驗驗證，排放結(jié)果均滿足工程目標要求，ECU排放相關(guān)數(shù)據(jù)依此狀態(tài)進行固化。

4 結(jié)論

本文針對創(chuàng)新性鈀釕催化器在實車上的應(yīng)用，進行實車排放摸底優(yōu)化驗證；在理論貴金屬方案滿足排放目標要求時，為實現(xiàn)降本增效，對貴金屬方案進行適當遞減優(yōu)化；優(yōu)化后的貴金屬方案的排放氣態(tài)污染物較高，根據(jù)排放秒采數(shù)據(jù)確定排放污染物主要集中在起動及起步階段，結(jié)合INCA測量數(shù)據(jù)，鎖定污染物排放較高的原因為起動后空燃比相對偏濃；根據(jù)NEDC工況下排溫測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由于催化器在整車上的布置原因，在NDEC工況中催化器在起動后40s才達到起燃溫度，起燃時間相對較遲；ECU軟件控制策略上著重從提升催化器起燃速度及優(yōu)化目標空燃比上進行優(yōu)化，經(jīng)過多輪調(diào)試通過不同控制方案的搭配驗證，使降本的鈀釕方案催化器適配整車滿足開發(fā)目標要求，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和企業(yè)社會責任的平衡。

基金項目：創(chuàng)新型三元催化器在汽車減排系統(tǒng)中研發(fā)及應(yīng)用（福建省乘用車節(jié)能減排技術(shù)重點實驗室），項目編號：2022L3021。

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