國六輕型車催化轉(zhuǎn)化器應(yīng)用現(xiàn)狀的分析

姚慧，李軍，李傳杰，楊惠玲

1.中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300300；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300

0 引言

機(jī)動(dòng)車尾氣污染物的排放一直是導(dǎo)致大氣污染的主要原因之一[1-2]，國家為了防治汽車排氣對(duì)環(huán)境的污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，保障人體健康，特制定了GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第六階段)》[3]和GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第六階段)》[4]標(biāo)準(zhǔn)。其中2016年12月23日，環(huán)境保護(hù)部、國家質(zhì)檢總局發(fā)布GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第六階段)》，自2020年7月1日起實(shí)施[5]。根據(jù)有關(guān)法律規(guī)定，該標(biāo)準(zhǔn)具有強(qiáng)制執(zhí)行的效力。此標(biāo)準(zhǔn)自發(fā)布之日起生效，即自發(fā)布之日起可依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行新車型式檢驗(yàn)。自2020年7月1日起，所有銷售和注冊(cè)登記的輕型汽車應(yīng)符合該標(biāo)準(zhǔn)要求。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了輕型汽車污染物排放第六階段型式檢驗(yàn)的要求、生產(chǎn)一致性和在用符合性的檢查和判定方法。其中型式檢驗(yàn)試驗(yàn)類型中V型試驗(yàn)(污染控制裝置耐久性試驗(yàn))中要求耐久性試驗(yàn)前，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)選擇兩套相同的催化轉(zhuǎn)化器，一套進(jìn)行耐久性試驗(yàn)；另一套按HJ 509《車用陶瓷催化轉(zhuǎn)化器中鉑、鈀、銠的測(cè)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》[6]的規(guī)定檢測(cè)其載體體積及各種貴金屬含量，測(cè)量結(jié)果與信息公開值的差異應(yīng)不超過±10%。

催化轉(zhuǎn)化器是減少汽車尾氣污染物排放的有效控制裝置，其中以貴金屬鉑、鈀、銠作為催化劑活性成分對(duì)汽車排放的尾氣污染物起到催化凈化的作用[7]，貴金屬的含量與比例是影響催化凈化效果的主要因素[8-9]。隨著標(biāo)準(zhǔn)排放限值的嚴(yán)苛及貴金屬價(jià)格的猛增，催化轉(zhuǎn)化器如何優(yōu)化，其中貴金屬的涂覆量能否保證，怎樣才能既保證車輛排放污染符合限值標(biāo)準(zhǔn)，又能降低成本[10-11]，這是每個(gè)車企及后處理企業(yè)關(guān)心的問題[12]。但目前對(duì)于催化轉(zhuǎn)化器中載體的分布、作用形式及貴金屬含量的分析鮮見報(bào)道。

本文選擇2019年至2021年在某公司進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化器貴金屬測(cè)試的917輛公告車數(shù)據(jù)，分析申報(bào)國六的新車催化轉(zhuǎn)化器情況，并結(jié)合貴金屬測(cè)試結(jié)果，分析不同催化劑涂層廠的特點(diǎn)，為完善車輛污染物排放監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)車輛企業(yè)分布

選擇近三年的917輛車共涉及88個(gè)車企，并按照車企名稱將其分為3類：國產(chǎn)車、合資車及進(jìn)口車，其中國產(chǎn)車如浙江吉利、長城、廣汽乘用車、東風(fēng)汽車等；合資車如北京現(xiàn)代、廣汽本田、一汽豐田、華晨寶馬等；進(jìn)口車如戴姆勒奔馳、德國寶馬、德國奧迪等。此次88個(gè)車企中，國產(chǎn)車企51個(gè)，合資車企28個(gè)，進(jìn)口車企9個(gè)；917輛車中，國產(chǎn)車463輛，合資車402輛，進(jìn)口車52輛。

2 催化轉(zhuǎn)化器分布

2.1 催化轉(zhuǎn)化器載體數(shù)量

后處理廠為不同車型配備不同配置的催化器以滿足排放要求，由于國六排放要求嚴(yán)苛，配置一個(gè)催化劑載體的催化器相對(duì)較少，不同排量不同型號(hào)的車所用催化劑載體單元的數(shù)量基本在1～4個(gè)，所分析的917輛車載體單元數(shù)量分布見表1。

表1 917輛車載體單元數(shù)量分布

2.2 催化轉(zhuǎn)化器載體分布類型

催化轉(zhuǎn)化器中載體單元封裝的形式也不盡相同，比如一個(gè)單元的基本都是一個(gè)前級(jí)催化轉(zhuǎn)化器。兩個(gè)單元就要分3種類型封裝：第一種是兩個(gè)單元封裝在一起，是一個(gè)前級(jí)催化轉(zhuǎn)化器，其中的兩個(gè)單元根據(jù)氣流走向分為前級(jí)1和前級(jí)2；第二種是兩個(gè)單元各自封裝，串聯(lián)在一個(gè)排氣管路，根據(jù)氣流走向分為前級(jí)1和后級(jí)1；第三種是兩個(gè)單元各自封裝，分別在兩個(gè)排氣管路，稱為左前級(jí)1和右前級(jí)1。按照該命名規(guī)則，所分析的917輛車催化轉(zhuǎn)化器封裝形式統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 917輛車催化轉(zhuǎn)化器封裝形式統(tǒng)計(jì)

2.3 三元催化器和顆粒捕集器分布形式

國六標(biāo)準(zhǔn)與國五標(biāo)準(zhǔn)相比，除了加嚴(yán)了污染物排放限值，還增加了汽油車排放顆粒物數(shù)量測(cè)量的要求。為了滿足顆粒物數(shù)量要求，部分催化轉(zhuǎn)化器中除了含有三元催化器，還加入了顆粒捕集器。顆粒捕集器作為催化器載體一個(gè)單元，大部分也是有涂覆貴金屬的[13]，所以在過濾顆粒物以外，對(duì)尾氣污染物也會(huì)起到凈化作用[14]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)917輛車中配備顆粒捕集器的催化轉(zhuǎn)化器中，只有不到5%的GPF不涂覆貴金屬。

顆粒捕集器放置在三元催化器后，且基本含有三元催化器單獨(dú)封裝顆粒捕集器作為催化器的車輛。部分車輛單獨(dú)配置三元催化器就可以滿足最終排放要求，所以未配置顆粒捕集器。但對(duì)于大部分車輛的催化轉(zhuǎn)化器，GPF是標(biāo)配。通過對(duì)917輛車的催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)行分析，并按照單元數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到三元催化器和顆粒捕集器分布，具體見表3，其中以兩個(gè)單元中前級(jí)1(TWC)+前級(jí)2(GPF)和前級(jí)1(TWC)+后級(jí)1(GPF)的形式最為常見。

表3 三元催化器和顆粒捕集器分布

3 催化劑涂層及貴金屬含量

3.1 催化劑涂層生產(chǎn)廠

在載體上浸制高比表面涂層，可大幅度提高催化劑的比表面積，能夠提高催化劑的凈化效率[15]，催化劑涂層材料是貴金屬等活性組分的有效載體。對(duì)于一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器性能的好壞，涂層是關(guān)鍵。目前催化劑涂層廠非常多，如德國的巴斯夫(BASF)、比利時(shí)的優(yōu)美科(UMICORE)、英國的莊信萬豐(JOHNSON MATTHEY)[16]、日本的科特拉、國內(nèi)的威孚、貴研等。本次分析的917輛車的催化劑涂層廠共有28家，917輛車中含有貴金屬的三元催化器和顆粒捕集器共1 915件，其中巴斯夫、優(yōu)美科、莊信萬豐和威孚占比達(dá)80%左右，催化劑涂層廠分布見表4。其中進(jìn)口車多選用優(yōu)美科、莊信萬豐催化劑，合資車多選用巴斯夫、優(yōu)美科催化劑，國產(chǎn)車多選用威孚、莊信萬豐催化劑。部分車企對(duì)于催化劑涂層廠有所偏好，如本田多選用三井金屬，豐田多選用科特拉，現(xiàn)代及悅達(dá)起亞多選用巴斯夫及優(yōu)美科等。

表4 催化劑涂層廠分布 單位:個(gè)

3.2 貴金屬含量

催化劑中貴金屬元素主要為Pt(鉑)、Pd(鈀)、Rh(銠)，催化劑中通常選用1～3種貴金屬元素進(jìn)行配比。通過對(duì)1 915個(gè)催化劑貴金屬含量分析，有209個(gè)催化劑含有Pt元素，其含量在0.02～6.79 g/單元；1 771個(gè)催化劑含有Pd元素，其含量在0.07～13.92 g/單元；1 879個(gè)催化劑含有Rh元素，其含量在0.03～1.20 g/單元。其中1 915個(gè)催化劑中有322個(gè)是GPF，其貴金屬Pt、Pd、Rh含量范圍分別為0.12～0.38 g/單元，0.08～2.95 g/單元，0.03～0.87 g/單元。催化劑中貴金屬種類分布見表5。由表可以看出，Pd、Rh配方是目前常見配方。

表5 催化劑中貴金屬種類分布 單位:個(gè)

4 貴金屬測(cè)試

按照輕型車國六排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)917輛車按HJ 509—2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化器的貴金屬含量測(cè)試，其中只對(duì)含有貴金屬載體單元進(jìn)行測(cè)試，共計(jì)包括1 915個(gè)催化劑載體單元，其中TWC有1 585個(gè)，GPF有330個(gè)。各貴金屬元素測(cè)量結(jié)果或貴金屬總含量與信息公開值的差異應(yīng)不超過±10%，任意一項(xiàng)不滿足要求則判定為不合格。經(jīng)測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析，1 915個(gè)催化劑載體單元中有404個(gè)不合格，其中TWC有376個(gè)，GPF有28個(gè)。404個(gè)樣品中共涉及Pt、Pd、Rh的不合格測(cè)試數(shù)據(jù)分布見表6，各元素測(cè)試結(jié)果合格率及不合格率見表7和表8。

表6 Pt、Pd、Rh的不合格測(cè)試數(shù)據(jù)分布 單位:個(gè)

表7 各元素測(cè)試結(jié)果合格率

表8 各元素測(cè)試結(jié)果不合格率

通過數(shù)據(jù)可以看出Rh的合格率最低，且不合格主要由于測(cè)試結(jié)果比申報(bào)值低10%以上造成，經(jīng)分析，Pd、Rh的不合格測(cè)試結(jié)果70%～80%都分布在比申報(bào)值低10%～20%的范圍。

根據(jù)涂層廠分析發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口涂層廠及國內(nèi)占比大的涂層廠其測(cè)試結(jié)果合格率均可控制在80%～90%或90%以上，部分國產(chǎn)涂層廠合格率較低，不合格率超過30%，還需進(jìn)一步提高生產(chǎn)一致性和涂層貴金屬含量控制技術(shù)。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)國六輕型車催化轉(zhuǎn)化器的分析，得出了以下結(jié)論：

(1)國六公告車目前多采用兩個(gè)催化單元，TWC+GPF模式，既保證排放污染物排放限值合格又能有效控制顆粒物數(shù)量，其封裝模式多采用前級(jí)+后級(jí)模式，或者TWC和GPF貼在一起進(jìn)行封裝。

(2)目前催化劑涂層廠很多，但公告車催化劑多采用進(jìn)口涂層廠。各涂層廠中貴金屬涂覆技術(shù)參差不齊，由于貴金屬屬于痕量檢測(cè)，較大的不確定度涂覆會(huì)造成貴金屬檢測(cè)不合格率的增加，結(jié)合Rh的成本高，且分析難度最大，造成Rh的合格率最低。

(3)貴金屬配方主要采用Pd、Rh配方，只有10%左右催化劑會(huì)用到Pt。單個(gè)催化劑中，單元素或三元素均含的催化劑占比很少。Pd、Rh配方的催化劑貴金屬含量多集中在Pd為2～3 g/單元，Rh為0.2～0.3 g/單元。GPF的貴金屬含量普遍比TWC的貴金屬含量低。

(4)國六標(biāo)準(zhǔn)只要求對(duì)陶瓷載體的貴金屬進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于金屬載體的貴金屬?zèng)]有要求，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)917輛車中有5%的車配備的是金屬催化劑，涂層廠基本為進(jìn)口涂層廠。目前對(duì)于非公告類車的金屬催化劑貴金屬有一定檢測(cè)數(shù)據(jù)積累，合格率較高。