OBD的临界催化剂的制备技术.doc

1 法规要求OBD (on board diagnosis)，即车载故障诊断系统。欧洲的排放法规从欧III开始要求车上装载OBD系统，以在线监测发动机及其关键附件的运行状态。其中对催化剂的检测是其最主要功能之一。在欧洲法规所述的OBD称之为EOBD，以区别于美国的OBD。在OBD要求方面，美国要严于欧洲，已经由OBD1发展到OBD2，目前正在准备推出OBD3。国内的排放法规随欧洲走，目前执行的汽油车OBD相当EOBD和美国的OBDII，对于重型柴油机，目前的标准要求执行的相当于OBD1。OBD1只进行功能性检测，即检测是否安装了相应的排放控制装置，如是否装有DPF或SCR或Add blue等。而不对其性能和减排效果进行检测。目前国内国III、国IV汽油车排放标准要求安装OBD2，不仅要求功能性检测，还要求进行性能和排放检测。即要求OBD系统在催化剂失效后能自动报警。且理论上根据法规要求，在催化剂失效OBD被点亮后，允许发动机继续行驶50km以便更换催化包。此后，如再不更换失效的催化剂，OBD将关闭发动机。仅仅理论上的要求，相信没有哪一家敢如此操作。再说，到4s店后可以通过诊断仪对OBD的故障信号进行清除，以便继续运行发动机。可见，OBD2的可操作空间还是比较大的。不利于管理机构进行监测，也没有达到OBD初衷：在催化剂失效后，督促用户及时更换。所以美国环保署研究推出OBD3，在这一方面，大家倒是彼此彼此。均无法信任驾驶人，在OBD灯点后都会主动地更换催化剂。OBD3相对来讲就比较复杂了，是一个系统工程。基本想法是，OBD留有不可更改的数据传输接口，管理机构可以通过中央计算机远程、实时监控带有OBD3的车辆，采集其相关信息和数据。及时发现已失效的催化剂。2 OBD工作原理21汽油车OBD工作原理OBD的主要功能是在线监测催化剂是否失效。目前主要有温度检测和空燃比监测两种方式，均是基于催化反应的特性设计的。温度检测通过加装在催化剂适当位置的温度传感器，检测反应热区前后的温度变化及热区的移动情况，判断催化剂的失活进程及是否已到临界点。其原理如图1所示。理论上讲这种检测方法能适时判断催化剂的失活进程，具有预见性。但催化反应的释热量及释热速率变化范围比较大，从而给温度法临界点判断带来麻烦，重现性可能也是问题。所以目前主要是采用空燃比检测的方法来实现OBD对催化剂失活状态的监测。其原理如图2所示。在催化剂入口和出口端各装一支HEGO，ECU同时采集前后HEGO的空燃比信号，对比两者之间的差别，进而根据公式(1)计算出催化剂动态的储氧量，并由此断送催化剂是否失活(到临界状态)。其理论基础是，目前对于大多数催化剂来说，催化剂的活性(主要用对HC的转化效率来衡量)和储氧量之间存在一种类似的曲线关系(图3)。当催化剂的动态储氧量降低到一定程度后，催化剂对HC的转化效率会急骤下降，即认为此催化剂已到临界状态，点亮OBD灯。当然OBD实现起来绝非如此简单，其控制策略的选择很重要。例如如何防止误判，在什么的工况下进行OBD的巡航检测和计算判断等等。不再细述。临界点的选择依据是：催化剂OBD灯被点亮了，但HC的排放值仍在要求范围内。临界催化剂的制备也是以这一点为临界依据。而寻找到合适的临界点，做成一个合格的OBD临界催化剂，则是一个比较痛苦的过程。可见目前OBD对于催化剂的监测，仍是一种间接的监测方法：通过前后空燃比信号的变换，来计算储氧量，再通过动态储氧量的变化间接判断催化剂是否已经失活。不可控因素，还是有点多。比如说。目前大部分国IV车均采用两级催化剂，后氧催化剂是安在两级之间还是安在后级催化剂之后，最合适？前后催化剂相距的距离及管路的气流分布等因素，包括氧传器安装的位置、插入的深浅及角度，以及发动机的工作状态和工作环境的变化等等都会影响到对空燃比信号的采集，从而最终影响到OBD的判断。但在匹配过程，也无法穷尽所有的因素的影响。还是有不足的地方。最理想的办法是采用HC(或CO或NO)传感器，直接采集催化剂前后HC等排放污染物的浓度，测算其转化效率。相当于加一套在线直采排放检测系统。目前来说，如何制造出一支价格合理的及能适应在线检测(包括耐久)的HC传感器是一个问题。不过听说有机构已经开发出类似的HC传感器。2.2 柴油机OBD检测目前的柴油机国IV排放标准要求采用OBD系统在线检测排放检测装置，但只要求进行功能性检测，也即所谓OBD1。即只要求检测是否安装了排放控制装置，有就行。至于是否起作用，那不管。所以OBD1的作用并不太大。无论是检测Add blue 也好、还是针对SCR, Amonx DOC催化剂，还是针对DPF或CRT等微粒装置，这种功能检测有太多的空间可操作，根本起不到实质的检测和监控作用。目前某汽车研究机构正在研究如何针对柴油机排放控制装置，采用OBD2系统。但对柴油机排放控制装置，如想进行性能在线检测，难度是可想而知的了。柴油机主要要求解决NOx和PM的排放污染问题，柴油机国IV技术路线存在DPF方案和SCR方案，两种路线之争。就OBD2话题，就是找到一个能在线进行PM或NOx检测的方式。且要求这种方式能在线执行，除了检测的精确性、可知靠性、稳定性和耐久以外，成本、体积大小、适应柴油的工作环境和剧烈振动等也是难题。NOx传感好似已被开发出来，但在国内目前尚未见到，更何谈应用。对于PM看来也只能通过烟度检测的方法来间接实现了。但烟度较之于总量法相差了一大截，而总量法较之于计数法又相差一大截。可见柴油机OBD真正实现对减排装置的在线性能检测，还有很长一段路要走。而欧V开始，就目前的技术而言，机后要同时用到DPF和SCR及其组合方案，另外，尚需用到DOC和Amonx催化剂等。OBD如何实现对所有净化装置的净化性能的监测？情况更复杂了。如果这些问题还没定论，就急于推出柴油机OBD2，恐怕是有问题的。3. OBD临界催化剂制备方法与技术本文主要讨论汽油车用三效催化剂OBD临界催化剂的制备方法。OBD临界催化剂制备是国III、国IV汽车排放匹配与认证的主要工作内容之一。或者说是最关键的工作内容之一。目前对汽油车用催化剂（主要指三效催化剂TWC）来说，主要的两个难点一是耐久，一是OBD临界样件的制备。可以说，随着国内催化剂供应商的技术进步，耐久问题已基本解决，尤其是对国外供应商来说，耐久已不是问题。唯一担心的是国内燃油品质的影响，含硫量的问题，以及MMT燃烧生成的MnO2对催化剂的危害问题等等。但OBD临界样件的制备确实是一样很麻烦的工作。OBD临界样件，也称极限样件。根据法规要求在汽车进行排放检测时，需要提供OBD临界样件，并要能满足对临界样件的要求。如何快速制得一支或两支以上有效的、真实的OBD临界样件，是催化剂供应商不得不面对的烦人的难题。目前来说大约有以下几种方式和技术，可以用来制备OBD临界样件：1）装车试验，跑到临界点。最简单的办法，最符合实际的办法，也是最理想的办法、最不可能被采用的方法。没有哪个车企或催化剂企业，真地去那一辆未上市的新车型样车，去跑催化剂临界样件。且别说时间和经费问题（临界点至少在耐久性要求的公里数以上，也就是说至少要大于10w km）。新车型本身的稳定性、保密性等问题就足以让这种想法不能实现。2）台架的试验，将催化剂装在发动机上通过台架耐久，找到临界点。与整车路试的实际结果最为接近。如果能采用目标车辆所采用的发动机来做台架耐久试验，则更能反映催化剂装车后实际跑车的劣化形为。以台架方法制备OBD临界样件的流程图及在线监控原理与方法见图4. 理论基础很简单，通过调节和控制催化剂入口处的温度、流量及空燃比变化等等条件参数及环境条件，模拟催化剂在装车状态下所经历的热冲击、机械冲击及化学反应冲击，从而模拟催化剂装车的运行状态。通过加速试验的方法，提高各种冲击的强度，以实现快速劣化，以最短的时间（相对的是成本和新车开发周期），找到样件的临界点。在耐久前期将冲击的强度尽量提高，而在接近临界时应相应减弱冲击强度，并提高对催化剂前后空燃比变化或温度变化的检测频次，做出判决，以免太过深度老化而过了临界点（试验白做）。在实际操作时，可以有许多技巧，以实现多个样件同时老化（减少成本，加速开发过程）、在线实时检测催化剂的老化进程以预测临界点等等。其中关键的技术在于：（1）如何实现和控制热冲击、机械冲击及化学冲击；（2）如何在线监测催化剂的失效进程，准确预测临界点；（3）如何确保台架试验结果，最大限度地接近实车老化进程等等。（4）最关键的，寻找、确定和实现一个能基本反应实际跑车状态的试验循环。目前大多数的主流催化剂厂和整车厂或发动机厂，均偏向于采用台架试验的方法来制备OBD临界样件，各家有各家的实验循环。目的只有一个：确保所制得的临界OBD样件是真实、有效、可用的。3）模拟配气试验，主要是用模拟配气作为气源，加之可控加热装置，进行快速老化试验，寻找TWC的临界点。模拟气源可以来自钢瓶气体，也可以来自各种燃烧器（原理和流程见图5）。最好是采用配气成分和流量等可振荡的气源，以尽可能模拟发动机的真实排气状态，尽可能真实再现发动机或装车后催化剂所经历的热冲击、机械冲击和化学冲击。这是模拟配气试验的主要难点之一。模拟配气试验的另一个难点是，如何在线实现临界点预测和监控，如何确保找到的临界点就是要目标临界点。这些是都是考量试验设计人员知识和智慧的难点问题。可见与发动机台架试验相比，模拟配气试验与装车路试又相差的远了一些。如何确保所得的OBD样件的有效性，是个很大的问号。目前国内有的催化剂供应商采用这种方法在做OBD临界样件，实际使用会是什么的情况。只有天知道了。4）采用简单热老化的方式。最简单的方法，最容易想到的方法，也是最能被催化剂厂接受和实现的方法。早期的国外文献中也报道过类似的方法，原理和流程如图6所示。目前实际使用中，有以下几种具体形式可供组合：真空与非真空或相应气氛保护；加否水蒸汽；温度变化否；气体流动否及流量控制等等。还有就是加热和降温制度以及最高加热温度限制等。异彩纷呈，各有各法，应地制宜。最终肻定能找到一个试验条件适合自己的催化剂的老化方法和条件，能对付着用，能对付电喷标定和检测认定就行了。一切为了