满足欧Ⅲ排放标准的摩托车尾气催化剂研究
环境保护是全世界关注的大问题，从全球来看摩托车是重要污染源之一，随着全球摩托车排放法规的不断加严，催化转化装置（催化剂）在摩托车排放系统中的应用也越来越广泛。国内绝大部分摩托车生产商也正在进行满足欧Ⅲ排放标准的整车开发工作，并取得了初步成功。这些厂商采取的技术方案大致有：1）电喷＋三元催化剂（TWC)；2）稀薄燃烧电控补气＋氧化型催化剂（OC）；3）化油器精调＋还原型催化剂（RC）＋二次补气＋氧化型催化剂（OC）。
欧Ⅲ与欧Ⅱ排放标准测试方法的主要区别在于排量＜150mL摩托车采用的是经修定的ECE R40循环，采样时间从摩托车起动时开始计算，将原来的前2个预循环作为排放测量循环，共测量6个循环排放；排量大于150mL的两轮摩托车，增加了一个最高车速为120km/h的EUDC高速循环。这些区别对尾气催化转化装置（催化剂的抗老化能力）提出了更高要求：1）预循环即开始取样要求催化剂以最快的速度起燃，有较低的起燃温度；2）最高车速的增加要求催化剂在高空速下仍具有较强的催化处理能力；3）催化净化装置的寿命要求可能从1万km增至3万km。
1、不同技术方案对催化技术的要求
1.1使用电喷技术的后处理催化剂
当摩托车使用电喷控制技术后，排放特点与当今电喷汽车相似，工作空燃比（A/F＝14.7）附近振荡变化，要求催化剂对CO、HC、NOX这3种污染物具有优良的催化转化作用，除选用Pt/Rh、Pd/Rh等以贵金属为主要催化活性材料的三效催化剂（TWC）外，还须将催化剂与电喷进行匹配，根据排放结果差异对催化剂配方进行微调，同时根据贵金属国际市场行情的变化，为客户提供最具竞争力的技术方案。
1.2使用稀薄燃烧电控补气技术的后处理催化剂
当摩托车使用稀薄燃烧电控补气技术后，排出的尾气空燃比在理论空燃附近变化，可选用Pt/Rh、Pd/Rh等具有三元催化作用的贵金属内化活性材料的三元催化剂（TWC）。
1.3使用二次补气技术的催化剂
二次补气技术（空气泵主动补气）是一种结构简单、成本最低、且能达到欧Ⅲ排放标准的技术方案。该方案需要将化油器进行精调，保证发动机处于最佳工作状态，此时排出的尾气应处于稍偏浓状态，应用二级催化法处理污染物；对摩托车在高速情况下产生过多的NOX排放污染物，第一级采用1个还原型催化剂（RC，一般为Pt/Rh、Pd/Rh、单Rh型催化剂），后端使用1个空气泵进行微量补气，将排放混合气调节至富氧状态；第二级采用1个氧化型催化剂（OC，一般为Pt、Pt/Pd或Pd催化剂）方法，处理排出超的CO、HC污染物。
2、催化剂的发展思路
2.1快速起燃技术
由于欧Ⅲ在测试循环中将取样时间提前，要求催化剂以最快的速度达到起燃温度，现采取4种方法实现：1）在电喷匹配过程中，采用预喷射技术来提高催化剂床层温度，此方法仅适用于使用电喷的技术方案；2）采用电加热方法使催化剂的温度迅速提高，这种方法的系统设计较复杂，目前国内进行的轻型汽车欧Ⅲ排气系统均未采取此方法；3）在保证骑乘人员安全的前提下，将催化剂的安装位置尽量前移，这种方法十分有效，已在轻型汽车欧Ⅲ排气系统设计中得到广泛应用，系统布置为在发动机歧管出口安装一级紧凑耦合催化剂，达到迅速起燃，再在排气管加装另一级主催化剂；4)降低催化剂的起燃温度。
2.2高催化处理能力
催化剂的催化处理能力除了与催化剂的体积、空速、载体的目数、贵金属的含量有关，还与催化剂涂层的涂敷量、助催化材料的应用有关。当在TWC、RC、OC这3种催化剂中采用优等稀土复合氧化物（CeZrO）时，可达到事半功倍的效果，这些助催化材料在排气系统中氧富足的情况下发生化学反应，将剩余的氧存储在涂层中，当排气系统中氧不足时再将存储的氧释放出来，促进氧化反应。欧Ⅲ系统在进行催化后处理匹配时，必须考虑催化剂的体积、载体目数、空速，当通过催化剂的空速发生变化时，催化剂的起燃温度、转化效率均会有较大变化。
2.3催化剂的寿命
催化剂的催化寿命主要与催化剂涂层稳定性、使用条件有关，当涂层材料使用高比表面积氧化铝时，可降低催化剂的起燃温度，但如何保持高比表面积，是值得我们深究的问题。采用含有稀土添加剂（Ce、La）的高比表面积氧化铝不失为一个好的解决方法，可以使催化剂在新鲜态有较高的活性比表面积。
3 一种应用在摩托车欧Ⅲ排放系统中的TWC催化剂技术
3.1催化剂的制备与表征
a)主要原材料：金属蜂窝载体（外壳不锈钢、芯体Fe-Cr-Al)、γ-Al2O3粉末、掺杂有稀土Ce或La有γ-Al2O3粉末、纳米稀土复合氧化物（CeZrO)、贵金属Pt/Pd/Rh和水。
b)样品的制备：采用高速剪切混合法制备氧化铝涂层浆液，通过控制浆液的pH值、固含量等参数，得到具有一定粘度的涂层浆液。采用金属载体涂敷专机，将此浆液均匀地涂敷在金属蜂窝载体上，进行烘干、焙烧。
c)样品的表征：1）涂层牢固度分析：使用气枪（口径φ3mm，压力0.6Mpa）、CQ-25-6（H）型超声波清洗仪（工作效率25kHz，功率300W）检测涂层在载体上的附着强度。先将样品用气枪吹扫，时间60s，计算脱落率；再将样品置于水介质中，超声波作用15min后取出、烘干、称重，计算脱落率；再用压缩空气吹扫，计算脱落率；2）涂层比表面积分析：将涂层浆液经500℃处理2h，使用ST-03型比表面测定仪测定比表面积；经950℃处理6h，再行测定；3）催化剂发动机台架性能测试：利用摩托车发动机试验台架对样品进行评价，选用125mL排量的GY6发动机，发动机转速46750r/min，转矩4Nm，空速80000h-1。
3.2结果与讨论
3.2.1 涂敷牢固度分析结果
浆液与载体附着强度（牢固度）是表征催化剂性能与寿命的重要技术参数，作为摩托车尾气催化反应的主要活性成份“贵金属担体”，涂层与载体间的结合力必须能够抵抗住尾气的侵蚀、基体的振动，保证涂层材料与贵金属组份的完整性。TWC涂层脱落率表征结果如表1所示，由表中看到，该涂层涂敷牢固度很强，能够经受住摩托车长时间的颠簸。
3.2.2比表面积表征
TWC比表面积对比结果如表2所示，从表中看出，1#TWC比2#TWC新鲜态及老化态比表面积高。
3.2.3发动机台架性能评价表征
对1#TWC、2#TWC样品催化剂进行摩托车发动机台架试验，取得两种催化剂温度一转化效率特性曲线，如图1、图2所示。通过两图对比看出，1#TWC配方催化剂对污染物CO、HC、NOx的转化效率和起燃温度均好于2#TWC催化剂，1#催化剂比2#催化剂催化剂更适用于欧Ⅲ摩托车排放系统。
3.2.4 整车排放试验
以上表3为在150mL四冲程摩托车GY6发动机上采用1#TWC催化剂配方，将化油器精调＋稀薄燃烧电控补气＋三元催化剂方案的整车排放测试结果。
4 总 结
无论采取何种技术方案使摩托车整车达到欧Ⅲ排放标准，其尾气后处理催化剂均需在催化处理能力、起燃温度、老化寿命等诸方面作出非常有效的技术改进。
