一种摩托车催化剂耐久性能评测方法

摘要

本发明公开了一种摩托车催化剂耐久性能评测方法。包括获取摩托车耐久循环相关参数，将封装好催化剂的辅助工装安装在汽油机老化台架的排气管路上，进行催化剂快速老化，将老化催化剂在摩托车上进行整车排放试验，将排放数据结果进行分析比较，判断催化剂耐久性能；其中包括针对摩托车催化剂的快速老化相应参数。本发明能够快速完成了催化剂配方筛选、催化剂可靠性和耐久性考察，更准确模拟摩托车整车耐久水热老化温度因素、耐久的时间因素，还能模拟催化剂耐久中的空速影响因素对催化剂耐久性能的影响，全面的模拟出摩托车催化剂在耐久过程中的真实状态，提高催化剂的耐久评价的准确性。

说明书

技术领域

本发明属于催化剂研究制备技术领域，尤其属于催化剂研究制备中催化剂评价方法技术领域，涉及一种摩托车催化剂耐久性能的评测方法。

背景技术

随着摩托车排放法规升级，摩托车排放标准将从国Ⅲ升级到国Ⅳ，摩托车国Ⅳ与国Ⅲ排放标准相比，主要有几方面区别：瞬态工况增加，冷机阶段排放权重增大，排放限值大幅度降低、耐久里程明显增加。这些区别对摩托车排放控制技术提出了更高要求，特别是对排放限值和耐久性的规定，使国Ⅳ标准成为世界最为严格的摩托车排放法规之一。目前摩托车通过安装三效催化剂来同时净化尾气中的一氧化碳(CO)、氧化未燃烧的碳氢化合物(HC)和氮氧化物NOx三种污染物。从法规对耐久里程的要求可以看出，法规对三效催化剂耐久性能要求进一步提供高，三效催化剂耐久性能评价方法成为同行业人士共同关注的方向。三效催化剂耐久性评价一般采用快速老化方法，通过模拟摩托车运行中的最恶劣条件来加速催化剂的失活。

影响摩托车三效催化剂耐久性能的主要因素有耐久温度、耐久时间、耐久空速、耐久气氛等，目前常用的三效催化剂老化的方法主要有整车老化、马弗炉老化、模拟气老化和发动机台架老化四种。

催化剂整车老化试验，即通过道路或者转鼓在规定的工况下运行标准规定的里程，然后测试催化剂的排放数据，判断排放结果是否满足设计目标。催化剂通过整车进行耐久试验需要时间长、费用高，导致催化剂厂家产品研发周期长，影响摩托车催化剂生产和销售。随着新排放法规的即将出台，耐久里程的增加，以前的整车耐久需要更长的时间才能获得排放结果，实车耐久在成本，时间和工作量上都使得试验难以进行，并且期间因个别整车质量因素易导致整个耐久试验中断。

催化剂马弗炉老化试验是比较常见方法，优点是费用低、效率快，缺点是老化后催化剂的氮氧化物排放值与整车老化相差很大，气体组分不符合实际情况，不能真实准确反应催化剂的氮氧化物劣化性能；

催化剂模拟气老化试验，能够比较准确的模拟催化剂的老化气份、温度、时间等老化条件，一般用于探讨与催化剂反应机制相关的理论问题，适合于实验室研究使用。模拟气体评价体系不仅需要配置专门的气源，而且要求对气体的流量控制非常严格，以满足合成气体之间保持固定的配比，同时要模拟出气份瞬时变化的特点，对控制系统也提出严峻的挑战。

催化剂发动机台架老化试验，是现在应用最广泛的三效催化剂老化评价方法。发动机台架快速老化具有试验周期短、试验成本低及人力需求少等优点，因此，在现有技术中更多的是通过发动机台架对三效催化剂的进行快速老化试验。目前已经有行业标准了关于三效催化器的发动机台架老化试验的标准，标准中主要要求控制过量空气系数、空燃比、老化过程温度和空速参数来对催化剂进行台架老化。为了达到上述控制目标，为缩短开发周期及降低成本，国外大都采用快速老化台架试验进行催化剂寿命评价方法，包括满足ECE3的中等老化80小时，满足ULEV3双模式老化45小时试验。

有关发动机台架老化方法有大量专利文献报道。专利CN201110265372公布了一种面向汽车催化器快速老化的台架试验方法。该文中通过对整车进行SRC试验和对该车的后处理装置进行SBC试验并测量催化器的温度；对SBC试验中的催化器温度求出三元催化器的标准有效温度Tr；由Tr和SRC试验中的催化器温度数据求出达到160000kmSRC试验后催化器老化同等效果所需要的SBC试验的催化器老化时间T；对车辆进行3000km的磨合试验；进行I型排放试验，测得污染物排放值Mi1；对催化器进行SBC老化试验，判断试验时间是否达到计算出老化时间的95％；重新将催化器安装在整车上，进行I型排放试验，测得污染物排放值Mi2；计算车辆耐久劣化系数就等于Mi2除以Mi1。该专利通过BAT方程计算出老化的温度和老化时间，用计算出的温度和时间进行台架老化，在催化剂实际耐久过程中，温度和时间是影响催化剂劣化的因素，但是还有其他影响因素比如空速，老化过程中氧气含量影响也是相当明显，故不能更真实的反应催化剂在整车耐久过程中的劣化因素，老化后催化剂的排放结果与实车耐久后的结果偏差较大。

专利CN201210090261公开了硫回收催化剂快速老化方法及其装置。该发明开发的催化剂快速老化装置和方法，对硫回收催化剂进行老化，可在一天内完成一次催化剂老化试验，并可模拟水热老化及硫酸盐化因素，显著提高催化剂的研发效率。该方法可通过模拟气模拟催化剂长周期水热老化和硫酸盐老化的情况。用模拟气老化催化剂能够比较精确地评价耐久性能，人工合成的模拟气体评价体系不仅管路结构和气体质量控制阀块非常复杂，而且对气体质量的纯度有一定的要求，还不能真实全面的反应催化剂在实际耐久过程中的影响因素。

专利CN201520830392公布了一种三效催化剂快速老化及性能评价试验台架装置，该装置包括发动机组件、主管路空燃比测量装置、第一副管路及第二副管路，第一副管路与第二副管路并联，第一副管路与第二副管路均通过主管路空燃比测量装置与发动机组件相连，第一副管路上依次设有气体补充支路、气体冷却支路、三元催化器、气体分析装置及第一阀门，第二副管路上依次设有废气流量测量装置及第二阀门，三元催化器上设有温度传感器。通过该装置既可以进行三效催化剂的快速老化试验也可以进行三效催化剂的性能评价试验。

专利CN200520071175公布了一种汽油机用催化器台架快速老化试验装置，该装置包括测功机、发动机、排气消声器、冷却风机和催化器，测功机与发动机连接，发动机排除的气体经过排气消声器，催化剂安装在排气消声器内，它还包括对催化器前的空燃比和温度进行调节和测定的控制部分和测量部分，空燃比控制器或二次空气导入器实现了催化器前空燃比控制：热交换器或保温层实现了催化器前温度控制。该专利可以实现催化器产品在发动机台架上的快速老化并完成催化器产品可靠性和耐久性考察，文章通过控制催化器前的空燃比和温度来老化催化剂，但并没有具体的说明温度和空燃比调整依据。

专利CN201520794200公布了一种发动机三元催化器台架老化试验用空气喷射装置，通过空气喷嘴连接到发动机连通三元催化器的排气管路上，该空气喷嘴连接有PLC实现空气喷射控制。该专利空气喷射装置通过直接向排气管中喷射空气，达到控制三元催化器中空燃比A/F按规定的要求进行脉冲变化和实现自动变工况补气控制。通过引入空气喷射装置调节空燃比。

专利CN201120494222公布了一种三元催化器快速老化实验系统，包括主要由燃烧器、高压风机、稳压箱、换热器、高温管道和阀门以及控制系统组成。它是将改造后可控喷油量的燃烧器装在稳压箱中，组成燃烧器稳压箱。高压风机与燃烧器稳压箱串联组成燃烧系统，用这种系统替代发动机台架试验中的发动机。这种新的三元催化器快速老化试验系统提高了老化最高温度，加快了老化速度，增大了系统的适用范围，同时控制性，安全稳定性都得到了提高。该专利用燃烧器代替发动机进行台架老化，但在试验过程中，燃烧器的可控性差，不能实现精确的控制老化参数。其发动机台架老化试验主要存在以下不足：发动机的流量变化范围不够宽，因此针对流量相差较大的催化器要更换发动机；发动机排气的最高温度一般最高1000℃以下，使得催化器的热老化时间相对较长；空燃比的变化范围窄，为了最大测量三效催化器在不同空燃比下的寿命，有时需要有较大的空燃比变化范围，发动机受自身性能的限制，变化范围也有限制；在原有发动机基础上改造的发动机台架系统，需要对发动机的控制进行重新的改造，且受到发动机结构功能的限制，比较复杂。

发明内容

本发明根据现有技术的不足公开了一种摩托车催化剂耐久性能的评价系统和方法，本发明提供了一种更快速、更准确、更经济的摩托车催化剂耐久性能的评测系统和方法。

本发明通过以下技术方案实现：

摩托车催化剂耐久性能评测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，获取摩托车耐久循环相关参数，包括台架老化平均有效温度参数、台架老化空速参数、台架老化时间参数、台架二次空气喷射氧浓度参数；

步骤二：将封装好催化剂的辅助工装安装在汽油机老化台架的排气管路上；

步骤三：进行催化剂快速老化；

步骤四：将老化催化剂在摩托车上进行整车排放试验，将排放数据结果进行分析比较，判断催化剂耐久性能；

步骤三快速老化的循环模型为：

每60秒为一个循环；①0～40秒：空然比为理论空燃比，催化器床层温度设定在摩托车耐久循环最高温度区间的平均值±30℃；②41～45秒：空然比为浓，此时空然比Φa为0.93±0.01；③46～55秒：空然比为浓，此时Φa为0.93±0.01；催化床控制温度在摩托车耐久循环最高温度区间的平均值基础上增加90℃，在此基础上进行二次空气喷射，二次空气喷射氧浓度为摩托车耐久循环中车速由45km/h加速到70km/h对应的尾气中平均氧含量±5％；④56～60秒：空然比恢复到理论空燃比，继续喷射二次空气；⑤老化的发动机转速为2800±100rpm，油门开度为31±1％。

步骤一中：

获取台架老化平均有效温度参数是：摩托车耐久循环试验中收集2个11LAPS循环的催化剂床层温度，以每20度温度间隔频度为一个区间，计算出最高温度区间的平均值；参数取值可以是上述计算得到的平均值±30℃。

获取台架老化空速参数是：摩托车耐久循环中车速45km/h～70km/h区间对应的平均气体流速除以催化剂体积；参数取值可以是上述计算结果±5000h^-1。

获取台架老化时间参数是：摩托车2万公里耐久循环中床层的最高温度区间对应的时间；参数取值可以是上述时间±10％。

获取台架二次空气喷射氧浓度参数是：摩托车耐久循环中车速由45km/h加速到70km/h对应的尾气中平均氧含量；参数取值可以是上述氧含量±5％。

所述封装催化剂的辅助工装包括中空外壳、固定在外壳中的催化剂和催化剂载体间用于固定的陶瓷纤维纸填充物。

所述汽油机老化台架包括：电涡流测功机件、发动机件、废气混合件、第一排气管路及第二排气管路，第一排气管路与第二排气管路并联，两排气管路上包含有支路气量调节阀、二次空气补气阀、前氧传感器、二次补气阀与二次补气泵相连；第一排气管装有多只催化剂，催化剂上装有温度传感器，第二排气管为空管，通过支路气量调节阀，辅助调节第一排气管的空速与温度；两排气管路通过后氧传感器排出废气。

所述封装催化剂的总体积是摩托车排量的0.6-1.6倍。

本发明用于摩托车催化剂耐久性能的快速评价，包括快速老化摩托车催化剂的方法。标准HJ T331-2006“快速老化试验方法”用于常规催化剂的老化，在摩托车催化剂评价体系中，采用标准HJ T331-2006“快速老化试验方法”方法得到的催化剂，与摩托车耐久2万公里后催化剂进行比较，台架快速老化催化剂的CO、THC、NOx排放结果比摩托车耐久2万公里后的催化剂的排放结果劣化程度更大，数据偏离60％以上，与实车耐久后催化剂性能严重不相符合。专利CN201110265372通过BAT方程计算出台架老化平均有效温度与老化时间。使用该专利的方法计算得到老化有效温度和老化时间，采用标准HJ T331-2006的老化模型进行台架老化，台架快速老化后的催化剂，与摩托车耐久2万公里后催化剂进行排放试验比较，台架快速老化催化剂的CO、THC、NOx排放结果比摩托车耐久2万公里后的催化剂的排放结果劣化程度更大，数据偏离80％以上，与实车耐久后催化剂性能严重不相符合。本发明通过研究获得了摩托车催化剂老化及耐久性能评测方法，提供了台架老化平均有效温度、老化时间、老化空速、二次空气喷射氧浓度的方法。其中确定台架老化平均有效温度的方法是摩托车耐久循环中床层的最高温度区间的平均值；确定台架老化时间的方法是摩托车2万公里耐久循环中床层的最高温度区间对应的时间；确定台架老化空速的方法是摩托车耐久循环中车速45km/h～70km/h区间对应的平均气体流速除以催化剂体积；确定台架二次空气喷射氧浓度为摩托车耐久循环中车速由45km/h加速到70km/h对应的尾气中平均氧含量。

本发明方法首先在摩托车底盘上调查摩托车耐久循环相关参数比如催化剂床层温度区间参数、催化剂空速参数、催化剂床层最高温度区间对于的时间参数、车速由45km/h加速到70km/h对应的尾气中平均氧含量参数；其次将固定好催化剂的催化剂老化辅助工装安装在汽油机老化台架的排气管上；然后将摩托车耐久循环的相关参数输入发动机老化循环程序中，进行台架老化；最后将老化的催化剂焊接消声器，在摩托车上进行整车排放试验，将排放数据结果和设计目标进行对比，快速判断催化剂耐久后能否满足设计目标，以此方法能够快速、准确的判断催化剂能否满足排放要求，从而降低催化剂耐久性能评价的开发费用和开发时间，提高催化剂的开发效率。

通过将摩托车实车耐久后的消声器和汽油机台架老化后的消声器在摩托车上进行排放对标试验，试验的结果表明：两者的排放结果的偏差在10％左右。本发明能够快速完成了催化剂配方(载体规格、目数、贵金属含量、贵金属配方、催化材料配方)筛选、催化剂可靠性和耐久性考察，在短时间内预测出摩托车催化剂在耐久后的排放情况，大大的缩短开发时间和开发成本。本发明摩托车催化剂耐久性能的评价系统和方法，能模拟摩托车整车耐久水热老化温度因素、耐久的时间因素，还能模拟催化剂耐久中的空速影响因素对催化剂耐久性能的影响，全面的模拟出摩托车催化剂在耐久过程中的真实状态，有助于提高催化剂的耐久评价的准确性。

附图说明

图1是本发明采用的催化剂汽油机老化台架系统示意图；

图2是催化剂老化辅助工装封装横截面示意图；

图3是催化剂老化辅助工装封装纵截面示意图。

图中，1表示催化剂，2表示填充物，3表示封装外壳，4表示测功机，5表示发动机，6表示废气混合，7表示支路气量调节阀，8表示排气管路，9表示二次补气阀，10表示前氧传感器，11表示封装空壳体，12表示封装催化器壳体，13表示氧传感器，14表示排气管路，15表示二次补气泵，16表示催化剂床层热电偶，17表示废气排出。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。

实施例1

选取某合资品牌110排量的摩托车，根据摩托车排量准备两种催化剂A、B，催化剂体积为发动机排量的1.56倍，催化剂配方信息如下表1。

表1催化剂配方信息

评价方法包括如下步骤：

步骤一：将某合资品牌110排量的摩托车安装在底盘上，调查摩托车国四耐久循环(2个11LAPS)相关参数比如催化剂床层温度区间参数、催化剂床层温升参数、催化剂空速参数、耐久时间参数，2个11LAPS催化剂床层温度区间参数如下表2。11LAPS是摩托车国三、国四耐久循环。

表2某110排量摩托车2个11LAPS相关温度参数

相关参数的数据处理如下：

台架老化平均有效温度参数＝(710+730)/2＝720℃；

最高温度区间为(710-730)℃时间占总耐久循环时间的比例＝256/11696*100％＝2.19％；

催化剂空速参数＝4.2727/0.156*3600＝98600h^-1；参数确定为100000h^-1。

台架老化时间参数＝20000/73.1(一个LAPS的里程)*97.5/60*2.19％＝9.74h；参数确定为10h。

步骤二：用陶瓷纤维纸将摩托车催化剂A、B固定在催化剂台架老化辅助工中，装安装在汽油机老化台架的排气管路上；

步骤三：将摩托车耐久循环的相关参数输入发动机老化循环程序中，同时台架老化催化剂A、B，台架老化循环参数如下表3。

表3发动机台架老化条件

步骤四：将台架老化的催化剂焊接消声器，A催化剂对于消声器的编号为AX-01,

B催化剂对于消声器的编号为BX-01；

实施例2

在实施例1中，将步骤三、四：将摩托车耐久循环的相关参数输入发动机老化循环程序中，进行台架老化，台架老化循环参数如下表4。

表4发动机台架老化条件

步骤四：将台架老化的催化剂焊接消声器，A催化剂对于消声器的编号为AX-02,

B催化剂对于消声器的编号为BX-02；

实施例3

选取某合资品牌150排量的摩托车，根据摩托车排量准备两种催化剂A、B，催化剂体积为发动机排量的1.33倍，催化剂配方信息如下表5。

表5催化剂配方信息

催化剂代码载体规格贵金属配比(Pt:Pd:Rh)贵金属含量(g/ft³)C单级Φ53.5*100/4001:20:530D单级Φ53.5*100/4001:20:560

评价方法包括如下步骤：

步骤一：将某合资品牌150排量的摩托车安装在底盘上，调查摩托车国四耐久循环相关参数比如催化剂床层温度区间参数、催化剂床层温升参数、催化剂空速参数、耐久时间参数；2个11LAPS催化剂床层温度区间参数如下表6。

表6某150排量摩托车2个11LAPS相关温度参数

相关参数的数据处理如下：

台架老化平均有效温度参数＝(630+650)/2＝640℃；

最高温度区间为(630-650)℃时间占总耐久循环时间的比例＝280/11696*100％＝2.39％；

台架老化时间参数＝20000/73.1(一个LAPS的里程)*97.5/60*2.39％＝10.64h；参数确定为11h。

台架老化空速参数＝5.8331/0.200*3600＝104996h^-1；参数确定为105000h^-1。

步骤二：用陶瓷纤维纸将摩托车催化剂A、B固定在催化剂台架老化辅助工中，安装在汽油机老化台架的排气管路上；

步骤三：将摩托车耐久循环的相关参数输入发动机老化循环程序中，同时台架老化催化剂C、D，台架老化循环参数如下表7。

表7发动机台架老化条件

步骤四：将台架老化的催化剂焊接消声器，C催化剂对于消声器的编号为CX-03,

D催化剂对于消声器的编号为DX-03；

比较例1

参照标准HJ T331-2006中“快速老化试验循环A”，其中老化时间由160h。原文中160h快速老化对应汽车16万公里，摩托车国四耐久里程要求为2万公里通过等价代换即老化20h；在实施例1中，变更步骤三：将摩托车耐久循环的相关参数输入发动机老化循环程序中，同时台架老化催化剂A、B、C、D台架老化循环参数调整为，台架老化循环参数如下表8。

表8发动机台架老化条件

步骤四：将台架老化的催化剂焊接消声器，A催化剂对于消声器的编号为BAX-01,

B催化剂对于消声器的编号为BBX-01,C催化剂对于消声器的编号为BCX-01,D催化剂对于消声器的编号为BDX-01；

比较例2

参照专利CN201110264924和CN201110265372通过对摩托车整车进行11LAPS试验和对该车的后处理装置进行SBC台架老化试验，并对两种循环试验中的催化器分别按照设定的规律测量温度；对SBC台架老化试验中的催化器温度数据使用BAT方程迭代求出三元催化器的标准有效温度Tr；由Tr和11LAPS试验中的催化器温度数据使用BAT方程求出达到20000km11LAPS试验后催化器老化同等效果所需要的SBC试验的催化器老化时间T；某合资品牌110排量的摩托车安装底盘上，调查摩托车国四耐久循环相关参数比如催化剂床层温度区间参数，2个11LAPS催化剂床层温度区间参数如下表9和SBC试验催化剂床层温度区间相关参数如下表10。

表9某110排量摩托车2个11LAPS相关温度参数

表10某110排量摩托车SBC试验催化剂床层温度区间相关参数

使用BAT方程调整台架老化的设置温度使得SBC试验的Th(h)等于Te(h)，即老化温度为771℃，台架老化时间等于11LAPS试验Te(h)*1.1＝74h；

变更步骤三：将摩托车耐久循环的相关参数输入发动机老化循环程序中，同时老化A、B两个方案催化剂，台架老化循环参数如下表11。

表11发动机台架老化条件

步骤四：将台架老化的催化剂焊接消声器，A催化剂对于消声器的编号为BAX-02,

B催化剂对于消声器的编号为BBX-02；

试验一(摩托车整车耐久试验)

将A、B催化剂直接焊接消声器，A催化剂对于消声器的编号为ZA-00,B催化剂对于消声器的编号为ZB-00；然后分别将消声器ZA-00和ZB-00安装在某合资品牌110排量1#摩托车上分别进行整车2万公里耐久试验。然后分别将耐久后的消声器ZA-00和ZB-00安装在某合资品牌110排量2#摩托车上，按照国标GB 14622—2016《摩托车污染物排放限值及测量方法(工况法，中国第Ⅳ阶段)》中污染控制装置试验(Ⅰ型试验)的要求进行整车排放试验，试验结果如下表15。

表15催化剂在摩托车整车排放的测试结果

同上操作，ZC-00和ZD-00进行整车排放试验，试验结果如下表16。

表16催化剂在摩托车整车排放的测试结果

从上表15、16可以得知：ZA-00与ZB-00通过实车老化，两者的排放结果存在明显差异,ZC-00与ZD-00通过实车老化,两者的排放结果存在明显差异,作为台架老化的对标标准。

试验二(摩托车整车排放试验)

将消声器AX-01、AX-02、BAX-01、BAX-02和BX-01、BX-02、BBX-01、BBX-02，安装于某合资公司生产的110ml排量摩托车，按照国标GB14622—2016《摩托车污染物排放限值及测量方法(工况法，中国第Ⅳ阶段)》中污染控制装置(Ⅰ型试验)的要求,进行整车排放试验,结果为如下表17。

表17催化剂整车排放的测试结果

从表17可知：AX-01、AX-02、BX-01、BX-02台架老化后排放结果与摩托车实车耐久后的结果偏差在10％左右，通过本应用发明，能够快速完成了催化器产品可靠性和耐久性考察，在短时间内预测出摩托车催化剂在耐久后的排放情况，大大的缩短开发时间和开发成本。而通过参照标准HJT331-2006和现公开催化剂台架老化方法老化的催化剂BAX-01、BAX-02、BBX-01、BBX-02的排放结果与实车耐久后催化剂的排放结果相差很大。

将消声器CX-03、BCX-01和DX-03、BDX-01，安装于某合资公司生产的150ml排量摩托车，按照国标GB 14622—2016《摩托车污染物排放限值及测量方法(工况法，中国第Ⅳ阶段)》中污染控制装置(Ⅰ型试验)的要求,进行整车排放试验,结果为如下表18。

表18催化剂整车排放的测试结果

从表18可知：CX-03、DX-03台架老化后排放结果与摩托车实车耐久后的结果偏差在10％左右，通过本应用发明，能够快速完成催化器产品可靠性和耐久性考察，在短时间内预测出摩托车催化剂在耐久后的排放情况，大大的缩短开发时间和开发成本。而通过参照标准HJ T331-2006和现公开催化剂台架老化方法老化的催化剂BCX-01、BDX-01的排放结果与实车耐久后催化剂的排放结果相差很大。

本发明催化剂快速老化方法，能模拟摩托车整车耐久水热老化温度因素、耐久的时间因素、耐久中积碳因素，还能模拟催化剂耐久中的空速影响因素对催化剂耐久性能的影响，全面的模拟出摩托车催化剂在耐久过程中的真实状态，有助于提高催化剂的耐久评价的准确性。