微波在发动机排气净化中的应用研究.pdf

吉林大学硕士研究生毕业论文 47 器。 3.2 TWC的工作原理 汽车排气中的有害成分CO、HC和NOX在催化剂(Pt 、Pd、 Rh)等的 作用下,经过流体反应物(CO、HC和NOX)向固体催化剂外表面扩散、反应 物从催化剂外表面内表面扩散、反应物被催化剂吸附、产物(CO2、H2O、 N2)从催化剂内表面上脱离、产物从催化剂内表面扩散到催化剂外表面等几 个阶段,最终CO、HC分别被氧化为CO2、H2O, NOX被还原为N2, 44即: CO 催化剂 CO2 （有氧参加的氧化反应） HC 催化剂 H2O （有氧参加的氧化反应） NOX 催化剂 N2 （没有氧参加的还原反应） 第四节 汽油机的微波快速起燃的理论计算 第四节 汽油机的微波快速起燃的理论计算 通过对目前汽油机冷起动排放控制技术的调研，在将微波成功应用于 柴油机排气净化器的再生后，我们提出将微波加热技术应用于汽油机的冷 起动排放控制技术中，即汽油机冷起动的微波快速起燃技术。将微波应用 于汽油机的快速起燃，主要是利用微波的热效应，可以归类为加热型催化 转化器，都是使用外部能量使催化剂温度尽快达到起燃温度，区别在于微 波加热方式的效率较高，过滤体相对于微波是透明的，不需要象其它加热 方式那样使整个过滤体整体升温到催化剂的起燃温度，这样就可以避免浪 费过多的能量，减轻汽车电源的负担。 4.1 过渡段微波理论分析过渡段微波理论分析 三元催化转换器的载体表面涂有很薄的催化剂涂层，其中直接起催化 作用的主要是铂族贵金属（铂 Pt、铑 Rd、钯 Pd） ， 催化剂的主要技术指标 吉林大学硕士研究生毕业论文 48 是对废气中三种主要有害成分的转化效率，一般都应在 80以上，起燃温 度是检验低温下催化剂活性的重要指标，对冷启动时废气的转化作用有重 要影响，进口的TWC“起燃”温度一般低于300,有的低达220,而国产 的TWC “起燃”温度在330以上。45载体中贵金属催化剂的含量较少， 且载体为堇青石蜂窝陶瓷，对于微波呈透明状态。 三元催化转换器的尺寸如下：L= 420mm ，l= 100mm ， l= 80mm ，= 75mm ，= 290mm。微波源直接安装在过滤器变径段。由于不满足截止 条件，需在两端加防护。 l l L 图 7 过滤器实物示意图 根据各模式传输微波功率的大小，可以清楚地了解各模式对加热的贡 献。 根据过滤器和再生腔可能的尺寸范围可知， 再生腔内基模H11波所传输 的微波功率在总传输功率中占主导地位， 即基模H11波对过滤体的加热起决 定性作用。为此，在下面的分析中，主要以H11波作为分析波型。 吉林大学硕士研究生毕业论文 49 L dz Z2 Z1 Z (z) 0 Z z z+dz 馈电波导 过渡器 再生腔 图 8 过渡器传输线等效电路 我们对过渡器实物作相关理论计算，作如下假设：微波源已激励起稳 定的振荡，通过一波导传输过来；变径段为一平滑过渡器。等效电路如图8 所示，图中，馈电波导的等效阻抗为Z1 ，再生腔的等效阻抗为Z2，过渡器 的等效阻抗是坐标z的函数，设为Z（z） ；图中的L为过渡器的轴向几何长 度。 设过渡器的等效阻抗Z（z）沿z方向作线性变化，则由传输线理论40， z处尺寸变化引起的反射系数为46 dz AzZ A d z )(2 1 + = 式中，A=(Z2Z1)/L。这一反射系数对输入端（Z=0）反射系数的贡献为 dz AzZ Ae edd zj zj zi )(2 1 2 2 + = 式中，为z处的相移常数。 为简化计算，设线性变化。 令 AzZt+= 1 Dtu = 吉林大学硕士研究生毕业论文 50 L Z AL v lL 2 2/ 0 01 0 = LA D L0 (21 = )(4/)2( 02 01 0 10 2 1 0 AL Z AL ZZ AL C LLL = 积分可得 du u e e DZ DZ vuj A C j i = 2 1 2 )( 2 2 1 定义函数 du u vu xCo x = 0 2 )cos( )( du u vu xSo x = 0 2 )sin( )( 则过渡器输入端反射系数 i 可以表示为 )()()()( 2 1 1212 2 DZSoDZSojDZCoDZCoe A C j i = 设 1 DZK=， 120 /ZZR= ， 0 R 为阻抗变换比，将K和 0 R 代入，可得过渡 器输入端反射系数的模值为 2/12 0 2 0 )()()()( 2 1 KSoKRSoKCoKRCo i += 由此可以分析过渡器对系统驻波特性的影响及计算反射功率和传输功 率：过渡器输入端反射系数与阻抗变换比及过渡器长度有关；平滑过渡器 输入端反射系数的振幅随着过渡器的长度变化而呈起伏变化，过渡器长度 越短，反射系数振幅越大，并且起伏也越明显；电压驻波比的变化规律与 反射系数相同。随着过渡器长度的增大，驻波比逐渐下降，并且起伏趋于 平稳，这时若再增加长度，驻波比变化将不明显。其原因是由于过渡器等 效阻抗随长度变化造成的。过渡器长度越短，阻抗变换比越大，等效阻抗 吉林大学硕士研究生毕业论文 51 直接决定着反射系数的大小。反射系数的起伏变化是由过渡器上各个微分 长度的输入端引起的相位迭加造成的。在工程上一般要求驻波比小于1.5， 当阻抗变换比在一定范围内时，只要过渡器长度适当，一般可保证驻波比 的要求。过渡器长度一定时，阻抗变换比越大，驻波比也越大。因此，应 尽量使再生腔尺寸与激励波导尺寸接近，这样可以减小阻抗变换比，从而 降低过渡器的能量反射。反射系数和电压驻波比的极小值均出现在过渡器 长度为二分之一波导波长的整数倍处，因此过渡器的长度应按二分之一波 导波长原整数倍来选取，这样可以有效地降低反射系数和电压驻波比。47 4.2 谐振腔理论分析谐振腔理论分析 在过滤器微波再生系统中，再生腔是微波能量作用于被加热介质的空 间。这种再生腔是一种行波式加热器。微波能量从再生腔一端馈入，逐渐 向另一端传输，在传输过程中不断地被吸收，转换为介质的温升。为了防 止微波能量的泄漏，再生腔后部设有一截止波导，吸收负载及截止波导的 存在，对再生腔的特性有较大的影响，因此有必要对再生腔的特性进行分 析。 再生腔传输线等效电路如图9所示。其中，Z0为再生腔空气段等效阻 抗， 0 Z 为再生腔内过滤体段的等效阻抗，ZL为终端截止衰减器的等效输入 阻抗48。 图 9 再生腔传输线等效电路 吉林大学硕士研究生毕业论文 52 在实际结构中， 截止衰减器是一段直径D=70mm的圆管(排气管的一部 分)。在此圆管内，截止波长不满足微波传输条件。根据截止波导理论，当 截止波导壁无耗时，其输入阻抗为49 )( )( 0 0 0 lthZZ lthZZ ZZ l L L + + = 式中， l Z 为截止波导终端负载阻抗； l 为截止波导长度； 0 Z 为截止波导中 11 H波的等效阻抗，并且有50 11 0 377377 u c d jjZ = 为截止波导的衰减常数，对于 11 H波，圆截止波导的衰减常数可以由 linder公式计算51。截止波导终端开路，则= l Z，由此得截止波导的等 效输入阻抗为 1 11 )(377 =lth d jZ u L 根据微波传输线理论，S2截面处的输入阻抗为 0 0 0 )( )( 2 jX LtgjZZ LtgjZZ ZZ L L inS = + + = 式中， 为谐振腔空气段内的相移常数； X 为 )()(377 )()(377 1 11 0 2 0 1 11 0 Ltglth d Z LtgZlth d Z X u u + = L 为谐振腔空气段的长度。 谐振腔内的过滤体为有耗介质， 根据有耗传输线理论，S1截面处的输入 阻抗为 吉林大学硕士研究生毕业论文 53 )( )( 2 2 1 0 0 0 LthZZ LthZZ ZZ inS inS inS + + = 式中，L为过滤体长度；为过滤体内的传播常数，j+=，和 分 别为过滤体的衰减常数和相移常数；过滤体段的等效阻抗为 2 0 2 0 0 )/(1 )/( )/(1 / cc uu Z = = 式中 为过滤体中的工作波长 / r = r 为过滤体的相对介电常数。 经过整理，可得S1截面处的输入阻抗，它可以表示为 jXRZinS+= 由此，过滤体前端反射系数 的模值可以表示为 22 0 22 0 )( )( XZR XZR + + = 从上述分析中可以看出， 谐振腔内过滤体前端面的反射系数与谐振腔和 截止波导的几何尺寸以及过滤体的特性有关。过滤体前端面反射系数是随 过滤体的厚度呈起伏衰减变化的；反射系数的极小值出现在过滤体厚度为 二分之一波导波长的整数倍处。因此从微波能量有效利用角度考虑，应尽 量采用较厚的过滤体，并且过滤体的厚度应按二分之一波导波长的整数倍 进行选取。另外，当厚度一定时，过滤体的损耗系数越大，过滤体前端面 的反射系数越小。在再生的初期，由于过滤体积碳较多，损耗系数较大， 因而反射系数较小；但随着再生过程的进行，积碳量逐渐减少，反射系数 吉林大学硕士研究生毕业论文 54 将逐渐增大，即过滤体前端面的反射系数是随再生过程的进行而变化的。 反射系数也是随再生腔空气段的长度呈起伏变化的，但幅值是非衰减的。 可以通过调节再生腔空气段的长度，使反射系数达到极小。当过滤体微波 特性参数一定时，衰减器的长度对过滤体前端面反射系数的影响不大。因 此，在进行过滤器设计时，截止衰减器的长度可根据实际结构进行选取。 综上分析， 影响过滤体前端面反射系数的主要因素是过滤体厚度、 谐振 腔空气段长度以及过滤体的损耗系数；可通过合理地选择过滤体的厚度和 谐振腔空气段的长度，使过滤体前端面的反射系数达到最小，以充分利用 微波能量进行再生。 4.3 结论结论 (1) 模式分析结果表明，尽管谐振腔内存在着除基模H11波以外的高次模 式，但对过滤体再生起主要加热作用的仍是基模H11波。 (2) 为了降低过渡器的反射系数和电压驻波比，谐振腔尺寸与激励波导尺 寸应尽量接近；过渡器的长度应尽量长，并应按二分之一波导波长的整数 倍进行选取。 (3) 过滤体