國(guó)產(chǎn)合資進(jìn)口汽車催化劑貴金屬的分布及其對(duì)排放影響的研究

姚慧，張盼盼

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

國(guó)產(chǎn)合資進(jìn)口汽車催化劑貴金屬的分布及其對(duì)排放影響的研究

姚慧，張盼盼

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

對(duì)592輛國(guó)五輕型汽油耐久封樣車輛的貴金屬按照國(guó)產(chǎn)車、合資車和進(jìn)口車類型分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合貴金屬含量、比例進(jìn)行耐久排放比較。結(jié)果表明：目前國(guó)五輕型汽油車催化器大多采用二單元的載體單元分布模式，催化劑多采用Pd/Rh貴金屬組合形式，貴金屬含量與排量成正比，使用Pd/Rh貴金屬比例多在7∶1～15∶1的區(qū)間內(nèi)；國(guó)產(chǎn)車、合資車和進(jìn)口車所用催化劑貴金屬含量、比例不同：在相同排量下，貴金屬含量進(jìn)口車>合資車>國(guó)產(chǎn)車，Pd/Rh比例是進(jìn)口車>合資車>國(guó)產(chǎn)車；在相同貴金屬含量比例下，同排量的進(jìn)口車排放優(yōu)于國(guó)產(chǎn)車和合資車。

貴金屬；國(guó)產(chǎn)車；合資車；進(jìn)口車；排放

0 引言

隨著汽車保有量的增加，汽車尾氣成為空氣污染的主要來源之一[1]。三元催化轉(zhuǎn)化器可有效地控制汽車尾氣中有害物質(zhì)的排放。三元催化轉(zhuǎn)化器通常以鉑、鈀、銠等貴金屬元素作為其活性成分，其中鉑、鈀主要對(duì)CO、HC起催化氧化作用，銠主要對(duì)NOx起催化還原作用[2]。其中貴金屬的含量和比例是影響三元催化轉(zhuǎn)化器催化性能的主要因素[3]。

目前我國(guó)汽車主要由國(guó)產(chǎn)車、合資車和進(jìn)口車構(gòu)成，國(guó)產(chǎn)車是融合了各國(guó)車系的優(yōu)點(diǎn)、自主研發(fā)形成并制造的。合資車則采用進(jìn)口車的技術(shù)，在國(guó)內(nèi)加工制造而成。進(jìn)口車主要由美國(guó)車系、歐洲車系和日本車系構(gòu)成，價(jià)格較合資車和國(guó)產(chǎn)車要高許多[4]。

文中通過對(duì)592輛國(guó)五輕型汽油耐久[5]封樣車輛的貴金屬進(jìn)行分析，并根據(jù)國(guó)產(chǎn)車型、合資車型、進(jìn)口車型進(jìn)行分類比較，研究其貴金屬含量及比例的分布，最后選取部分車輛排放信息進(jìn)行研究，分析貴金屬對(duì)排放的影響。

1 催化劑貴金屬分布

1.1 催化器載體單元分布

根據(jù)催化轉(zhuǎn)化器中載體單元個(gè)數(shù)進(jìn)行分類，大體有以下4種類型：含有一個(gè)催化單元的單級(jí)催化轉(zhuǎn)化器；含有兩個(gè)催化單元的催化轉(zhuǎn)化器，包括前后兩級(jí)類型和左右兩級(jí)類型；含有3個(gè)催化單元的催化轉(zhuǎn)化器，包括兩個(gè)前級(jí)和一個(gè)后級(jí)類型，或3個(gè)催化器串聯(lián)類型；含有4個(gè)催化單元的催化轉(zhuǎn)化器，基本是左右兩個(gè)排氣管各包含一個(gè)前后級(jí)的催化轉(zhuǎn)化器。

此次抽檢的592輛車全部為汽油車，其中含有一個(gè)催化單元的汽車有125輛，含有兩個(gè)催化單元的汽車有364輛，含有3個(gè)催化單元的汽車有68輛，含有4個(gè)催化單元的汽車有35輛?？梢钥闯龊袃蓚€(gè)催化單元是目前比較常見的催化模式。

1.2 催化劑貴金屬種類分布

載體中以貴金屬作為催化劑對(duì)汽車尾氣起到凈化作用。貴金屬多選取Pt、Pd、Rh三種元素。其中使用Pt和Pd作為氧化反應(yīng)的催化劑，將汽車尾氣中的HC和CO氧化成為H2O和CO2，Rh作為還原反應(yīng)的催化劑，將汽車尾氣中的NOx還原成為N2。

據(jù)相關(guān)研究資料顯示：Pd對(duì)尾氣中氧化反應(yīng)的催化轉(zhuǎn)換效率要明顯高于Pt，再加上貴金屬Pd的價(jià)格要比貴金屬Pt低很多，因此，作為催化器中氧化反應(yīng)的催化劑，貴金屬Pd從催化效果上和成本上都要優(yōu)于貴金屬Pt，這也是催化器中所使用的貴金屬Pt要少于貴金屬Pd的主要原因。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：汽油車催化劑多采用Pd/Rh的貴金屬組合形式，Pt/Pd/Rh的貴金屬組合形式也存在，數(shù)量相對(duì)較少。多單元催化器中前級(jí)多采用Pd/Rh的貴金屬組合形式，后級(jí)多采用Pt/Rh的貴金屬組合形式[6]。Pd的熱穩(wěn)定性較好，但抗中毒能力不如Pt，高溫下易燒結(jié)，抗硫性能差[7-8]，所以以Pt元素為主。此次592輛車中，采用Pd/Rh的貴金屬組合形式的共有553輛，采用Pt/Pd/Rh的貴金屬組合形式的共有39輛，具體分布見圖1。

圖1 催化劑貴金屬分布

1.3 催化劑貴金屬含量分布

根據(jù)單元數(shù)目進(jìn)行貴金屬總含量的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)單元的催化劑貴金屬總含量為0.408～6.926 g，兩個(gè)單元的催化劑貴金屬總含量為0.129～11.040 g，3個(gè)單元的催化劑貴金屬總含量為2.969～13.800 g，4個(gè)單元的催化劑貴金屬總含量為4.882～22.792 2 g。一般車輛主要含一個(gè)單元或者兩

個(gè)單元催化載體，含有3個(gè)單元或4個(gè)單元催化載體的一般多為合資車或進(jìn)口車且排量大，所以可以看出：隨著單元數(shù)量的增加，貴金屬總含量范圍在增大，含量也在增大。

1.4 催化劑貴金屬比例分布

Pd/Rh貴金屬組合形式在汽油車催化劑中最為常見。在此次抽檢的592輛汽油車，Pd/Rh組合形式占了93.5%。所以，如何配比Pd元素和Rh元素，使其添加量最少但效果最好，是目前催化劑廠主要研究的問題之一。通過對(duì)592輛車Pd/Rh比例的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)車Pd/Rh比例在7∶1～15∶1之間，如圖2所示。

圖2 催化劑貴金屬比例分布

2 國(guó)產(chǎn)車、合資車與進(jìn)口車貴金屬比較

國(guó)產(chǎn)車是指由中國(guó)自己設(shè)計(jì)并制造的汽車。合資車是指由中方和外國(guó)投資方共同合作，由國(guó)外提供技術(shù)、品牌等，在國(guó)內(nèi)組裝的汽車。進(jìn)口車是指經(jīng)專業(yè)渠道直接從海外市場(chǎng)購(gòu)買，并引入中國(guó)市場(chǎng)進(jìn)行銷售的汽車。國(guó)產(chǎn)車大多采用中國(guó)所產(chǎn)催化器，合資車的催化器基本以國(guó)外品牌為主，進(jìn)口車的催化器基本由國(guó)外提供。

2.1 排量分布

汽車排量與貴金屬含量密切相關(guān)，理論上來說，排量越大，所需的貴金屬含量越大。圖3—5分別給出了抽檢的車中，國(guó)產(chǎn)車、合資車和進(jìn)口車的排量分布情況。

圖3 國(guó)產(chǎn)車排量分布 圖4 合資車排量分布 圖5 進(jìn)口車排量分布

可以發(fā)現(xiàn)：進(jìn)口車排量大于4.0 L的轎車比例最高，高級(jí)、中高級(jí)車占總車輛數(shù)1/2；合資車排量在1.6～2.5 L內(nèi)的車輛較多；而國(guó)產(chǎn)車主要以普通轎車和中級(jí)轎車為主，比例在95%之上。

2.2 貴金屬總含量范圍

根據(jù)排放量將汽車分為微型轎車、普通級(jí)轎車、中級(jí)轎車、中高級(jí)轎車和高級(jí)轎車，其分類如表1所示[9]。

根據(jù)分類發(fā)現(xiàn)微型轎車數(shù)量較少不列入統(tǒng)計(jì)，分別統(tǒng)計(jì)了其他類型轎車的總貴金屬含量。發(fā)現(xiàn)貴金屬的總含量與汽車排量成正比關(guān)系，從表2可明顯看出：隨著排量的增加，貴金屬總含量也在增加，并且同排量下進(jìn)口車較國(guó)產(chǎn)車和合資車貴金屬總含量范圍要大。

表1 排量分類

表2 貴金屬總含量分布

2.3 貴金屬比例分布

分別對(duì)國(guó)產(chǎn)車、合資車和進(jìn)口車統(tǒng)計(jì)貴金屬mPd∶mRh比例，見圖6—8。

圖6 國(guó)產(chǎn)車貴金屬比例分布

圖7 合資車貴金屬比例分布

圖8 進(jìn)口車貴金屬比例分布

發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)車總貴金屬mPd∶mRh比例在9∶1分布較多，合資車和進(jìn)口車總貴金屬mPd∶mRh比例在12∶1分布較多；國(guó)產(chǎn)車總貴金屬mPd∶mRh比例在16∶1之后分布較少，進(jìn)口車卻有部分大比例的mPd∶mRh存在。

2.4 同含量比例貴金屬下的比較

選取了A、B、C、D 4輛車，其中A車和B車所含的貴金屬含量和比例相同，A車和B車信息見表3，C車和D車所含的貴金屬含量和比例相同，兩兩比較其在160 000 km整車耐久試驗(yàn)[5]的排放數(shù)據(jù)，每10 000 km記錄一次排放數(shù)據(jù)，分別比較CO、THC、NMHC、NOx、CO2這5種排放物的數(shù)據(jù)。

選取國(guó)產(chǎn)車A和合資車B進(jìn)行比較，兩輛車的排量均為1.58 L，貴金屬比例相同，總量也相差不多。圖9—13比較了國(guó)產(chǎn)車A和合資車B的排放數(shù)據(jù)，可以看出在貴金屬總量與比例均相同的狀況下，合資車的排放較國(guó)產(chǎn)車要好些。

表3 A車和B車信息表

圖9 A車和B車CO排放比較

圖10 A車和B車THC排放比較

圖11 A車和B車NMHC排放比較

圖12 A車和B車NOx排放比較

圖13 A車和B車CO2排放比較

選取進(jìn)口車C和合資車D進(jìn)行比較，見表4。兩輛車排量均為3.47 L，貴金屬比例相同，總量也相同。

表4 C車和D車信息表

圖14—18比較了進(jìn)口車C和合資車D的排放數(shù)據(jù)，可以看出在貴金屬總量與比例均相同的狀況下，進(jìn)口車和合資車相差不多，進(jìn)口車的排放較合資車相對(duì)好些。

圖14 C車和D車CO排放比較

圖15 C車和D車THC排放比較

圖16 C車和D車NMHC排放比較

圖17 C車和D車NOx排放比較

圖18 C車和D車CO2排放比較

從以上數(shù)據(jù)可以看出：即使在貴金屬含量比例完全相同的情況下，排放結(jié)果也不盡相同。影響排放的因素，除了貴金屬催化劑之外，涂層技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)原排以及催化器的位置都可能影響最終的排放值。所以單憑貴金屬一項(xiàng)不足以評(píng)定催化劑的好壞，也不能完全解決尾氣排放原因。但研究一個(gè)合適的含量比例還是非常有必要的。

3 結(jié)論

(1)目前汽油車以二單元Pd/Rh貴金屬組合形式的催化器為主。

(2)貴金屬含量與排量成正比，mPd∶mRh值以(7∶1)～(15∶1)為主。

(3)我國(guó)目前國(guó)產(chǎn)車合資車和進(jìn)口車以排量區(qū)分，所占比例不同，國(guó)產(chǎn)車、合資車以中低排量為主，進(jìn)口車以中高排量為主。

(4)國(guó)產(chǎn)車、合資車和進(jìn)口車所用催化劑貴金屬含量不同，在相同排量下，按照貴金屬含量大小比較，進(jìn)口車>合資車>國(guó)產(chǎn)車。

(5)國(guó)產(chǎn)車、合資車和進(jìn)口車所用催化劑貴金屬比例不同，在相同排量下，按照貴金屬Pd/Rh比例大小比較，進(jìn)口車>合資車>國(guó)產(chǎn)車。

(6)相同貴金屬含量比例下，同排量的國(guó)產(chǎn)車合資車和進(jìn)口車，排放數(shù)據(jù)也不同，進(jìn)口車優(yōu)于合資車和國(guó)產(chǎn)車。

【1】王小霞．道路機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放量的預(yù)測(cè)與控制措施研究[D]．西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2012．

【2】姚慧，張仲榮，高俊華．新型耐強(qiáng)酸陶瓷催化轉(zhuǎn)化器中銠元素的溶出方法研究[J]．貴金屬，2015，36(2)：57-60． YAO H,ZHANG Z R,GAO J H.Microwave-assisted Digestion of Rh from a New Type of Ceramic Catalyst Converter with Acid Tolerance[J].Precious Metals,2015,36(2):57-60.

【3】孔祥華，張海東．三元催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率影響因素分析[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11(35)：8726-8730． KONG X H,ZHANG H D.Influencing Factors Analysis of Conversion Efficiency of Three-way Catalytic Converter[J].Science Technology and Engineering,2011,11(35):8726-8730.

【4】劉洪德．中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)組織系統(tǒng)研究[D]．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2004．

【5】GB18322.5-2013輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第五階段)[S]．

【6】于杰．鉑銥雙金屬三效催化劑的研究[D]．北京:北京工業(yè)大學(xué)，2015．

【7】趙威．負(fù)載型鈣鈦礦催化氧化NO性能及其抗硫機(jī)理研究[D]．湘潭：湘潭大學(xué)，2015．

【8】董守安．現(xiàn)代貴金屬分析[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007:318．

【9】鄭重．基于動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)理論的企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手研究[D]．武漢：武漢大學(xué)，2009．

Distribution of Precious Metals in Catalysts and Their Effects on the Emission of Domestic Vehicles, Joint Venture Vehicles and Imported Vehicles

YAO Hui，ZHANG Panpan

(China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300,China)

The precious metals of 592 gasoline vehicles which finished the durable tests and followed the national emission standards V were counted and domestic vehicles, joint venture vehicles and imported vehicles were analyzed as well. The results show that: so far the catalytic converters of gasoline vehicle followed the national emission standards V use two units of carrier unit distribution pattern. The combination of Pd/Rh is used frequently. The content of precious metals is proportional to the displacement. Pd/Rh ratio is from 7∶1 to 15∶1. The content and proportion of precious metals in catalysts in domestic vehicles and joint venture vehicles are different from which in imported vehicles. In the same displacement, the precious metal content of imported vehicle is large than that of joint venture vehicle which is large than that of domestic vehicle, Pd/Rh ratio of imported vehicle is large than that of joint venture vehicle which is large than that of domestic vehicle. In the same content and ratio of precious metals, the emissions of imported vehicles are better than domestic vehicles’ and joint venture vehicles’ with the same displacement.

Precious metal; Domestic vehicle; Joint venture vehicle; Imported vehicle; Emission

2016-09-19

姚慧(1984—)，女，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠嚭筇幚砑百F金屬分析。E-mail：yaohui@catarc.ac.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.01.015

U473.9

B

1674-1986(2017)01-058-05