硕士论文-EQ491i汽油机三元催化转化器的匹配及耐久性的实.pdf

天津大学 硕士学位论文 EQ491i汽油机三元催化转化器的匹配及耐久性的实验研究 姓名：高华 申请学位级别：硕士 专业：动力工程 指导教师：张惠明;弓德禄 20030801 中文摘要 摘要 随着国家对汽车排放要求的越来越严格，装E Q 4 9 1 i 汽油机的轻型卡车整 车排放达到欧洲I I 排放标准成为了必续借决的问题，因此东风公司通过与联合 汽车电子有限公司( U A E S 须解决的问题，因此东风公司通过与联合汽车电子有 限公司( U A E S ) 合作，共同合作恺发了三元催化转化系统，通过大量的台架试验 及转毂试验，对影响三元催化转化器性能及耐久性的各种因素作了详细的分 析。同时对三元催化转化器的结构、材料、制造工艺等作了详细的研究，并最 终得出装轻型卡车的三元催化转化器的固化数据，掌握了影响三元催化转化器 性能及耐久性的各种因素，提出了各种改进和预防措施。使得三元催化转化器 与发动机及整车排气系统达到良好的匹配，最终使装E Q 4 9 1 i 汽油机的车型整车 排放达到欧洲I I 排放标准。 本文介绍了三元催化转化器在轻型车上的应用开发过程。对三元催化转 化器在卡车上的推广奠定了良好的基础。 关键词：汽油机三元催化转化器排气系统设计耐久性 英文摘要 A B S T R A C T W i t hm o r ea n dm o r es t n c tr e q u i r e m e n tf o rv e h i c l ee x h a u s te m i s s i o ns t a n d a r d s f r o mt h en a t i o n ，t h ee x h a u s te m i s s i o n sf r o mt h el i g h t - d u t yt r u c ki n s t a l l e dw i m E Q 4 9 1 ig a s o l i n ee n g i n et h ee m i s s i o n so ft h ew h o l et r u c km u s tm e e tE U R OI I l i m i t T h e r e f o r e ，D o n g f e n g M o t o rC o i n c o o p e r a t i o n w i t hU A S E d e v e l o p e d t h r e e w a yc a t a l y t i cc o n v e r s i o ns y s t e m B ym a n yt i m e so fe n g i n eb e n c ht e s ta n d r u n n i n gh u bt e s t ，v a r i o u sf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c ea n dd u r a b i l i t yo f t h r e e w a yc a t a l y t i c c o n v e r t e rh a v eb e e nr e s e a r c h e d a n da n a l y z e d d e t a i l e d l y M e a n w h i l e ，t h es t r u c t u r em a t e r i a la n dm a n u f a c t u r ep r o c e s so f t h r e e w a yc a t a l y t i c c o n v e r t e rh a v eb e e n e x p l a i n e dd e t a i l e d l y , T h es o l i d i f i e dd a t ao ft h r e e ，w a yc a t a l y t i c c o n v e r t e ri n s t a l l e di nl i g h t d u t ym a c kh a v eb e e ng o tv a r i o u s f a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e t h ep e r f o r m a n c ea n dd u r a b i l i t yo f t h r e e w a yc a t a l y t i cc o n v e r t e rh a v eb e e ng r a s p e d ， a n d p u t f o r w a r ds e v e r a lm e a s u r e sf o r i m p r o v e m e n ta n dp r o t e c t i o n H e n c e ， t h r e e w a yc a t a l y t i cc o n v e r t e ra n de n g i n e ，a sw e l la se x h a u s ts y s t e mo ft h ew h o l e v e h i c l eh a v eb e e nw e l l m a t c h e d F i n a l l y , t h ee m i s s i o nl e v e lo fl i g h t - d u t yt r a c kw i t h E Q 4 9 1 ig a s o l i n ee n g i n eh a sm e tE U R O S t a n d a r d T h i sd i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e st h e a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so f t h r e e w a yc a t a l y t i c c o n v e r t e ri n l i g h t - d u t ym a c k ，w h i c hh a s l a i d v e r yg o o d f o u n d a t i o nf o ri n t r o d u c t i o no f t h r e e - w a y c a t a l y t i cc o n v e r t e r K e yw o r d ：g a s o l i n ee n g i n e ，t h r e e - w a yc a t a l y t i cc o n v e n e r ，e x h a u s ts y s t e m ，d e s i g n ， d u r a b i l i t y H 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨星盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名高竿签字隅州年艿月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤垄盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者繇面第 签字日期：坤器月，日 导师签名 签字日期： 0 亨么之幔 乃嘲年P 月日 ， + 第一章前言 第一章前言 汽车作为陆地上人类重要的交通工具，正发挥着越来越重要的作用。同时， 汽车又是一种流动的污染源，给人类带来很多的危害，随着汽车产量和保有量 的不断增加，汽车对人类生存环境的有害影响也日益加剧。 汽车尾气的污染物主要有一氧化碳( c O ) 、碳氢化合物( H C ) 、氮氧化物 ( N O x ) 、二氧化硫( S 0 2 ) 和微粒物质( 铅化物、碳烟等) 。研究表明：大城市 中4 0 以上的N O x ，8 0 以上的c O 和7 0 以上的H C 来自于汽车污染。这些污染 物对人类健康有直接威胁，还会造成酸雨和光化学烟雾，对动植物也有巨大威 胁。据统计，每千辆汽车每天排出C O5 0 l O O k g ，H C2 0 0 4 0 0 k g N O x5 0 1 5 0 k g ，平均燃烧一吨燃油产生的有害物资为4 0 7 0 k g 。目前，汽车尾气的净 化方法主要有两种，即机内净化和机外净化。机内净化是通过改变发动机的结 构，使燃料充分燃烧或使排除的部分废气再次循环燃烧，以减少废气中的有害 物质；机外净化主要采用催化净化法。目前所用的催化法有催化氧化法、催化 还原氧化法和三元催化净化法。世界各国都趋向于使用三元催化转化器。汽油 车用三元催化转化器( 以下简称催化器) 在国外已得到了很好的应用，催化转 化器是国外控制汽车排放的必备零部件，为满足欧洲、美国、日本等各国的不 同体系的汽车排放标准，几乎所有的汽油车都装备不同技术水平的催化转化器 并确保其耐久性要求。尽管国外政府只控制汽车排放状况，一般对催化转化器 本身的净化性能没有明确的要求( 对催化器的耐久性有要求) 和评价方法，但 事实上对整车排放的严格要求就是对催化转化器各项性能的最高要求所以各 汽车整车厂和催化转化器生产厂都自己研究探索，形成了各自的严格技术要求 和评价试验方法，以充分满足政府对整车的排放规定。 天津大学工程硕士研究生毕业设计论文 随着我国汽车工业与国际接轨，排放法规不断严格，采用催化转化器治理 汽车排气污染已势在必行。目前，我国在清华大学( 国家项目) 和天津大学建立 了催化转化器评价试验台。 国内汽车生产厂家通过与国外相关公司的合作，使催化器在汽油车上得到 了广泛应用，在电控汽油机上良好匹配的催化器稳态转化效率在9 0 以上，实 际装车的运行寿命在8 万公里以上。 东风公司在与联合汽车电子有限公司( U A E S ) 联合开发E Q l 0 3 0 N 1 5 Q 轻型 汽车过程中，U A E S 未提供三元催化器相关技术标准及评价方法，U A E S 技术人 员按系统要求将E Q l 0 3 0 N 1 5 Q 轻型汽车匹配了三元催化器，但是要保证按国外 车辆行驶3 万公里的可靠性试验应能满足法规限值的要求，其遇到的排放超标 最难办的是不清楚催化转化器样品的净化性能。转毂试验超标时就更换催化 器，试验就得重新进行，这样影响了开发进度。 东风公司为了全面开发E Q l 0 3 0 N 1 5 Q 轻型汽车，满足国家排放法规的要求， 在查找国内外有关资料的基础上，通过近3 年来的试验摸索、逐步建立了车用 催化转化器的性能评价试验台。其目的在于建立东风公司自己的关于三元催化 器的技术规范和评价试验体系，积累经验，以满足开发符合排放法规的汽车需 要。 2 第二章汽油车用三元镗化转化嚣的结构及工作原理 第二章汽油车用三元催化转化器的结构及工作原理 2 1 催化器的发展概况 在六十年代中期，汽车尾气排放控制在加州实施。最初汽车生产厂家不 需要使用催化剂就能满足排放标准。在七十年代早期，制定了更严格的标准， 由于其它的手段都不能满足标准要求的情况下，激发起了人们在催化剂研究方 面的努力。1 9 7 5 年催化器开始投入使用，从此，催化器得到迅猛发展。 第一代催化器( 1 9 7 6 年1 9 7 9 年) 主要是氧化H C 和C O ，不影响N O x 的 排放量。通过发动机技术的改进，减少N O x 的产生。用铜、铬、镍作氧化催化 剂，活性远不及铂、钯好，而且对汽油中硫的毒害作用更敏感。最初的催化器 中，P t 与P d 的质量比为2 5 ：1 ，二者占金属总质量的0 1 2 ，其工作温度为 2 5 0 6 0 0 。 第二代催化器( 1 9 7 8 年1 9 8 6 年) ，为了减少N O x 的排放，把氧化催化 器与还原催化器串联，从而导致了三元催化器( T W C ) 的出现。它不仅氧化H c 和C 0 ，同时也还原N O x 。只有当发动机混合气浓度处于比理论空燃比1 4 6 稍 浓的小范围内时，T W C 才有最高的转化效率。T w c 用P t 、R h 作催化剂，P t 是氧 化剂，R h 是还原剂，R h 还有助于c 0 的氧化。在T W C 中含有0 1 0 1 6 的贵 金属，P t 对R h 的质量比为5 ：l ，C e 0 2 占1 0 2 0 ，其余的为Y A 1 2 0 3 ，其中 有1 2 L a 2 0 3 或B a O 用作稳定剂。这种复合粘附层涂镀在6 2 目c m 2 的蜂窝 载体上，载体占催化器总质量的8 5 。典型的T W C 等效直径为1 3 0 1 5 0 m m ，长 7 5 1 5 0 m m ，截面形状有圆形和椭圆形两种。 第三代催化器( 1 9 8 6 年1 9 9 2 年) ，不仅要求有高的转化率，而且要求 T W C 在更高的温度下有更高的转化速度，并能实现更好的燃油经济性。为了获 天津大学工程硕士研究生毕业设计论文 得好的燃油经济性，在汽车减速的时候切断燃油供应，这样在高温下( 尤其是 8 0 0 。C 9 0 0 。C 时) ，排气管中很浓的氧促使R h 与Y A 1 2 0 3 反应生成没有活性的 铝化合物。经过努力，精心设计的催化器可以在浓混合气下恢复活性，从而解 决了这一难题。 第四代催化器出现在1 9 9 5 年生产的轿车中，它用价格便宜的P d 替代P t 、 R h ，或者P d 、P t 、R h 一起使用，这种催化器具有高活性、耐高温和长寿命的 特点。 国内催化器技术的研究和应用不多，但仍取得了长足进展，主要有：开 发了一系列稀土元素催化剂，代替昂贵的贵金属，许多已达到实用程度；已经 能生产以堇青石为主的蜂窝陶瓷载体，完全可以实用；己研制成功可燃用无铅 汽油的三元催化器。 2 2 催化器的结构 催化器一般由载体、催化剂和涂层、衬垫和壳体组成，见图1 2 2 1 载体 载体是承担氧化、还原反应的基体，直接影响着催化器的使用寿命，因 4 第二章汽油车用三元催化转化器的结构及工作原理 此对其性能要求很高，必须具有：A 、高稳定性和耐久性；B 、热膨胀系数要小； C 、有一定的机械性能，能抗冲击和振动；D 、质量要轻；E 、应增加载体的表 面积，以提高净化效率。 早期的催化器采用颗粒型，8 0 年代后逐渐被蜂窝型载体所代替。蜂窝型 载体有圆柱形、跑道形、椭圆形、梯形，沿轴向整体分布。蜂窝由薄壁多孔平 行小通道构成，其最大的优点是排气通过阻力小，减少发动机的功率损失。其 次是热容量小，可使催化剂在发动机起动阶段尽快达到起燃温度。目前，催化 器主要使用蜂窝状陶瓷载体，材料大多为堇青石，因为堇青石热膨胀系数最小。 堇青石载体的热膨胀系数为1 0 1 ，因此抗热冲击性能好。如果对载体的几何形 状、网孔密度、壁厚作合理设计，堇青石载体的还具有良好的机械强度。另外， 堇青石载体是挤压成型，其生产效率高、成本低。除陶瓷载体外，还有高温镍、 钢丝棉、不锈钢片制成的载体( 见图2 ) 。 蝓謦卅嘲毛角尚酬M 翻I 神晦囊相一 黩壤体豹肇韩澎拔 l 舻w 6 。期- e o 2 2 2 催化剂和涂层 催化剂( C a t a l y s t ) 分散固化在涂层表面，常用贵金属P t 、P d 和R h 。 催化剂能改变化学反应路径，降低反应活化能，使反应能在更低温度和更小空 对已口一1 j 天津大学工程硕士研究生毕业设计论文 间中充分进行。涂层也称水性涂层，通过理化附着于载体表面，一般厚2 0 u m 由氧化铝加入稳定剂、助催化剂( 如稀土氧化物) 等晶体材料的微粒烧结而成 涂在载体上作为衬底物质。涂层表面分布着大量直径1 0 i 0 0 埃的微孔，单位 质量的表面积( 称表面积率) 高达1 5 0 1 7 5 m 2 g ，富含羟基0 H ，为催化剂提供 了理想的表面附着条件，可以增强催化剂的抗热冲击性和抗毒化性，提高催化 剂的活性和稳定性。 2 2 3 壳体 壳体用于封装催化反应载体，其材料和形状直接影响着催化器的使用效 率、使用寿命。因为催化器的工作环境十分恶劣，要求材料具有抗腐蚀性、热 变形程度小等性能，通常用不锈钢制成。壳体形状要求尽可能减少涡流和气流 分离现象的产生，防止气流阻力增加，保证载体进气端气流的均匀性，提高净 化效率和使用寿命。同时设计中还要考虑设置加强筋，防止壳体变形。 2 2 4 衬垫 衬垫具有密封、隔热和缓冲作用，置于载体与壳体间。由于排气温度变化 较大，载体与壳体的热膨胀性能相差悬殊，对衬垫有以下的要求：A 、有良好 的密封性，能防止排气从载体与壳体之间泄露；B 、有良好的缓冲性，能防止 载体由于受冲击而遭受的损坏：C 、有良好的隔热性，能防止载体的高温传递 给壳体。衬垫主要有金属网垫和陶瓷纤维垫两种。 2 3 催化器的工作原理 三元催化转化器安装在汽车排气管的中部、排气消声器之前，当尾气通过 载体时，以一级催化转化方式，通过氧化还原反应，将c 0 、H C 、N O x 三种有害 成份转化为C O z 、H 2 0 和N ：等无害气体，从而达到净化尾气的目的。但是安装了 6 三元催化转化器并不一定就能保证车辆的尾气排放绝对不超标，这是因为发动 机在不同的工作状态下，排气温度不同、混合气浓度不同，催化器会产生不同 的转化效果。试验研究表明，催化器排气净化率与发动机空燃比之间存在着图 3 所示的关系。 由图可知，催化器氧化、还原反应转化率最高时是在空燃比为1 4 7 O 3 范围内( 该区域称为催化器的“窗口”) ，净化率均超过了9 0 。当混合气较浓 即空燃比数值变小时H c 和c 0 的转化率降低；当混合气较稀即空燃比数值变大 空纛比 圈3三效倦化净化器的空燃比特性 时N O x 的转化率降低，不能同时达到最高转化率。因此，催化器要达到最佳功 效，就只能匹配使用闭环控制的电子燃油喷射汽油发动机，通过氧传感器检测 排气中的氧气浓度，并输入计算机精确控制发动机燃油喷射量，将空燃比控制 在有效范围附近，从而得到较高的转化率。 汽车中除了c 0 、H C 、N O x 之外，还含有H 2 、H 2 0 、C 0 2 等，其含量与空燃 比有关。在三元催化剂的作用下，这些组分会进行以下反应。 式( 1 ) ( 3 ) 是H C 、C 0 、H 2 的氧化反应，式( 4 ) ( 6 ) 是N O x 的还原反应， 零*餐埔髯 墨鲞查兰三堡雯主堑壅生主些堡生堡兰一 其它的反应是N H 3 的氧化反应，水性气体的转换反应，水蒸气的改质反应和N O N H 3 的反应。 C ，H 。+ + 昔) D 2 一m C 0 2 + 号日2 0 C O + 号0 2 斗C 0 2 日2 + D 2 一日2 0 N O + C O 一号2 + C 0 2 2 ( m + 昔) o + C 。H 。 ( m + 昔) 2 + 号H 2 0 + m C 0 2 N O + 日2 斗圭2 + 嚣2 0 N O + 专日2 一N H 3 + H 2 0 N i l 3 - 4 - 睾0 2 哼N 0 4 - 日2 0 C O + H 2 0 - + C 0 2 + 日2 C 。H 。+ 2 m H 2 0 斗m C 0 2 + 协+ 量 H 2 0 N O + 号朋3 _ 2 + H 2 0 8 恸伪嘲m 第三章E Q l 0 3 0 T N 1 5 Q 车用催化器设计 第三章E Q l 0 3 0 T N 1 5 0 车用催化器设计 3 1载体的设计 自7 0 年代以来，车用催化剂载体最初用粒状氧化铝，后来采用蜂窝堇青 石。蜂窝堇青石在一定程度上满足了高机械强度、高熔点、低热膨胀系数、 良好的热传导性能和低压力降等要求，因而被广泛用做汽车催化剂载体。与堇 青石相类似的其他材料还有氧化铝、莫来石、硅酸铝锂和钛酸铝，它们的化学 组成、软化最高温度和热膨胀系数等特性如表1 所示。 表l堇青石和其他材料的典型特性 材料中英文名称化学组成最高温度热膨胀系数( 室温一 ( 。C )1 0 0 0 。C ，1 0 “。C ) 堇青石( C o r d i e r i t e )2 M g O 2 A 1 ：0 3 5 S i 0 2 1 3 5 01 1 氧化铝( A l u m i n a )A 1 扣。 1 8 0 08 8 莫来石( M u l l i t e )3 A I2 0 ，2 S i O ： 1 6 5 04 2 硅酸铝锂( L i t h i u mL i ：0 A 1 ：0 3 4 S i O ： i 3 0 0O 6 A 】i u m i n u mS i l i c a t e ) 钛酸铝( A l i u m i n u mA 1 ：0 3 T i O 。 1 7 0 00 8 T it a n a t e ) 根据我国载体的生产情况及对载体的性能要求，选用了美国康宁公司生产 的圆柱形蜂窝陶瓷载体。因为蜂窝陶瓷载体是由美国康宁公司于1 9 7 2 年首先 开发的，并在韩国设有工厂进行生产。载体的材料和形状是最重要的设计参数。 经验表明：载体的体积一般为发动机排量的5 0 8 0 9 6 ，容积为发动机排量 的5 0 。E Q 4 9 1 i 发动机的排量为1 9 9 3 L ，排量的5 0 8 0 为1 0 1 6 L 。 9 天津大学工程硕士研究生毕业设计论文 表2 载体的具体特征参数 M g 。A l 。S i 。0 ，。( 主要) 组份 A 1 。0 。( 次要) 尺寸 4 6 6 ”X 6 ” 目数( c e l l i n 2 ) 4 0 0 体积 ( L )1 7 0 壁厚( m m ) 0 1 5 熔化温度( )1 4 5 0 网状材料密度( g c 一) 1 6 热膨胀系数( k )1 O x l 0 1 热导率2 5 ( J i m k ) O 9 2 比热2 5 ( J g k ) 0 8 平均孔直径( pm ) 6 耐压强度( N m 2 ) 与孔道平行1 2 4 x 1 0 与孔道垂直1 3 7 x 1 0 6 表3圆柱形载体与非圆柱形载体的性能比较 载体型式圆柱形载体非圆柱形载体 压力分布均匀不均匀 温度梯度径向均匀不均匀 壳体变形的可能性拉伸、弯曲拉伸、交形、扭曲 加强筋设计很有效效果一般 壳体变形的程度小大 密封性极好不好 流场分布均匀不均匀 垫层腐蚀程度低高 O 第三章E Q l 0 3 0 T F R l 5 Q 车用催化器设计 3 2催化剂和涂层 3 2 1 催化涂层 催化剂和涂层由德固萨公司研制并涂敷。催化剂配方包括氧化催化剂P t 、 P d 和还原催化剂R h ，氧化与还原催化剂的质量比为5 ：l ，总质量占涂层质量 的0 4 ，贵金属含量为4 0 9 i f t 3 。涂层以Y A 1 ：0 ，为主，辅以储氧成份、稳定 剂和涂层附着增进剂，涂层量约为1 5 2 9 i n 3 。Y A 1 。0 。是一种耐高温结构，适 于催化成份分散附着，对涂层结构进行x 射线衍射分析表明，涂层表面存在细 小的非晶体结构。储氧成份常用C e O 。，其它如N i O N i 、F e 。0 。F e 0 等，用量占 涂层总质量的1 0 2 0 。储氧成份具有氧不稳定性，富氧时结合部分0 。，贫氧 时又将O ，释放。C e O 。还能促使排气中C O 、H C 与水蒸气反应，生成用于还原N 0 ， 嗽簟赣霍诧猿量示l 啊 的H 。储氧成份一定程度上弥补了由电喷闭环控制时滞造成的空燃比波动，为 同时进行高效氧化、还原反应创造了更好条件。稳定剂常用B a 0 、L a 。0 。、S i O ：、 Z r O 。，它们在涂层表面形成固溶物，减低了涂层表面离子的活动性，稳定剂加 入量约占涂层总质量的1 2 。图4 为其剖面示意图。 3 2 2 涂敷、催化浸渍工艺 使Y A 1 。0 ，涂层附着在堇青石载体上的工艺过程称为涂敷。陶瓷涂层制各 天律大学工程硕士研究生毕业设计论文 工艺有多种，蜂窝载体涂敷属低温烘烤工艺，过程为：制备涂料，浸涂、干燥、 清洗和煅烧。首先将涂料制成浆糊状悬浊液：然后让蜂窝浸入涂料中，涂层厚 度通过涂料用量控制：最后在1 5 0 下干燥，并在4 0 0 左右煅烧，使涂层表 面结构在浸渍前发生必要的预变化。 使活性物质固化在涂层表面的工艺过程称为催化浸渍。基本工艺步骤包 括浸渗、活性物质固化、清洗、干燥和高温煅烧。涂敷后的载体浸过含有催化 剂成份的盐溶液，利用毛细作用、静电吸附和催化剂一载体表面离子交换，使 催化物质吸附在涂层表面。 3 3 衬垫 目前，衬垫有金属网垫和陶瓷纤维垫两种，两者的有关性能见表4 。 表4两种不同形式垫层的比较 垫层形式金属网垫陶瓷纤维垫 机械粘着力低温下好，高温下差低温、高温均好 隔热性不好极好 抗冲击性一般极好 抗剪切位移极好好 摩擦阻力小较大 密封性不好好 经综合分析，选择陶瓷纤维垫。 3 4壳体 壳体材料选用不锈钢O C r l 3G B T 3 2 8 0 9 2 ，与排气管材料相同。壳体结 构型式为蚌壳式( 见图5 ) 。入口管、出口管外径为中5 l ，扩张管和收缩管半角 均为2 8 。壳体沿纵向分为对称的两半，催化器装配时，先将载体用衬垫包裹 好，放入一半的壳体中，再将另一半壳体合拢，施以一定的压力并将两半壳体 第三章E Q l 0 3 0 T ，N I S Q 车用催化器设计 的结合面焊接牢固。这种结构的壳体一般不需再另外设计加强筋，刚度好，装 配工艺简单。 图5 催化器外形图 3 5 催化器C F D 模型 催化器的实际工作过程十分复杂，包含有湍流、传热、传质及化学反应 等各种物理化学现象。而形状结构对性能的影响主要表现为对流动分布和压力 损失的影响。以往的催化器，气流往往集中在载体中心区域，载体边缘地带气 流量很小，造成气流速度和温度在中心区域很高，使催化剂在中心区域很快老 化，而在边缘区域又得不到充分利用，即减少了催化器的使用寿命，又降低了 它的转化效率。另外，因载体阻力和扩张管壁面气流分离造成的压力损失，也 影响发动机的动力性和经济性。因此，如何减少载体内气流速度分布的不均匀 性和降低压力损失，便成了催化器结构设计的关键。 依靠经验或半经验来设计催化器，既费时又费力。近年来，随着计算机 技术和计算流体力学( C F D ) 的快速发展，一大批商用C F D 软件开发出来，如 S T A R C D 、F L U E N T 、P H O E N I C S 等，使人们可以采用数值模拟的方法来研究催化 器的流场速度分布、压力损失、起燃特性和转化效率等问题，为催化器的优化 设计提供指导，从而可以减少试验工作量，缩短设计周期。优化后的催化器能 提高催化剂的转化率，延长催化剂的寿命，改善催化剂的起燃特性；还能减少 天津大学工程硕士研究生毕业设计论文 催化器的压力损失，降低排气背压。另外，遭过优化设计还能减，J o 催化剂的体 积或贵金属的用量，从而降低催化器的成本。 3 5 1 流动控制方程 对稳态不可压三维流动，有以下雷诺平均的质量、动量守恒方程： 去( P 蝴= o ( 1 ) 击( 刚一驴一卺蚂 ( 2 ) 式中s 。为源项，这里表示催化器载体阻力；t 。，为应力张量，对牛顿流有： 一七十詈鼍a 弘p - u u j - w 固 式中6t 。为K r o n e k e r 数；p 1 i u J 为雷诺应力张量；s 。，为流体变形率张量 = 鼍+ 簧 3 5 2 揣沉模型 采用标准的x e 模型计算雷诺应力来封闭上述流动控制方程，即有： 丽岛+ 吾0 鲁+ 冉 c 却 式中u 。为湍流粘性系数 胪华 ( 6 ) B x 、e 分别为湍流动能和湍流耗散率它们的运输控制方稗为： 击x 一等专) = 烨。每一胂一号0 鲁+ 帕等 c D 击一等茜) 咆蛳茜一号( “鲁+ 一鼍一 印导+ 钳丢 ( 8 ) 1 4 第三章E Q l 0 3 0 T f N l 5 Q 车用催仡器设计 式中的各项经验系数按下表确定。 C 。 o O E C 。lC 。2C 。，C 。4 O 0 91 O1 2 21 4 41 9 20 0一O 3 3 3 5 3 蜂窝载体流动模型 由于载体管道尺寸非常小，载体内的气流可以认为是定常不可压层流 当多孔介质具有很大阻力时，可以忽略动量方程的对流项和扩散项，这时动量 方程就简化为： 卺一脚。 ( 9 ) K ，= 划两+ E( 1 0 ) 式中K - 为渗透率，与当地速度大小成正比：n ，、B 。为经验常数。 3 5 4 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室使用S T A R C D 软件求解了圆 锥扩张管半角分别为3 0 。和4 5 。，其它尺寸均相同的催化器流动控制方程， 其结果如图6 、7 、8 所示。 图6 圆锥管局部速度矢量放大图 天津大学工程硕士研究生毕业设计论文 图7 催化器等压图( 单位：P a ) 图8 催化器湍动能等值图( 单位：m Z s 2 ) 结果表明，扩张管结构对催化器的流动有很大影响，增大扩张管锥角容 易造成气流分离旋涡区域加大，湍流扰动加强，使得整个催化器的压力损失增 大，同时造成载体前的速度分布不均匀性加剧。从流动的角度来看，设计催化 器时，应尽可能采用小锥角扩张管。 3 5 5 发动机台架性能试验 1 试验用主要设备、仪器 序号名称规格型号生产厂家 1汽车排气分析A V LC E B I I奥地利A v L 仪 2 空燃比仪 H O R I B AM E ) m 一1 1 0 日本H O R I B A 3 测功机 C W l 0 0 中国南峰 4 试验用发动机E Q 4 9 1 i 发动机厂 第三章E Q l 0 3 0 T 烈i S Q 车用罐化器设计 如下 2 采用( 三元催化器和两级消声器) 的总功率试验和怠速排放试验结果 表5 总功率试验特征数据 排气系统校正最大校正最大燃油消最低燃油消 有效功率有效扭矩耗量耗率 k W N m r p m K g hg k W h r p m 试验室排气系统( 无催化转 7 7 51 5 8 4 0 0 02 3 0 72 7 4 2 5 0 0 化器) E Q l 0 3 0 N 1 5 Q 车用排气系统 7 5 31 5 5 4 0 0 02 2 8 6 2 7 8 2 5 0 0 ( 有催化转化器) 表6 怠速排放数据 排气系统 C 0 ( ) H C ( p p m )G f ( k g h ) 九 试验室排气系统( 无 O 9 1 2 0O 8 91 0 0 催化转化器) E Q l 0 3 0 N 1 5 Q 车用排 0 0 1 1 50 9 71 0 0 气系统( 有催化转化 器) 试验结果表明，采用E Q l 0 3 0 N I S Q 车用排气系统后，发动机动力性指标下 降小于3 、经济性指标下降小于2 ，怠速排放满足设计指标要求。 3 5 6 冷起动时的排放问题的研究 根据新欧洲驾驶循环( N e wE u r o p e nD r i v i n gC y c l e ) 和美国联邦F T P 7 5 循 环的测试，冷起动的前2 0 0 秒排放的c 0 和H c 可占总排放的6 0 - 8 0 。因而在城 市的短距离运行( 小于3 k m ) 时，减少冷起动的排放可以显著减少发动机的总排 放。近来，随着排放法规更趋严格，欧1 1 1 排放法规将把冷起动后4 0 秒的排 放纳入采样，解决冷起动排放的研究非常活跃。图9 示出了发动机冷起动时， c 0 和H c 在前7 m i n 的排放。相对于稳态运行，前3 0 sC O 和H c 都很高，其中 天津大学工程硕士研究生毕业设计论文 H c 的体积浓度分数的最高值可达4 5 0 0 0 1 0 一，此值相当于稳态时排放的H C 的体 积浓度分数( 1 6 0 0 1 0 “) 的2 8 倍。经3 3 0 s 后，催化剂开始起作用，使H c 体积 浓度分数降至1 5 0 1 0 一。图中C O 有类似的规律，冷起动时N 0 x 的浓度相对较 低。图1 0 示出了发动机出口的温度和催化剂进口温度随时间的变化。可见发 动机出口的温度均高于催化剂的进口温度，在前3 0 s 时，催化剂的进口温度仅 约为5 0 ，需2 0 0 s 才可达到2 5 0 。c ，接近催化剂的起燃温度。 图9 测试的发动机最初的7 m i nC O 和H C 的排放 ( 最大H c 浓度与稳态H C 的体积浓度分数之比为4 5 0 0 0 X1 0 “1 6 0 0 1 0 一= 2 8 ，3 3 0 s 后，H c 的体积浓度分数为1 5 0 1 0 “) 图1 0 冷启动时发动机排气歧管处和催化转化器入口处的温度 ( 二个测温点的距离为1 3 7 m ) 第三章E Q l 0 3 0 T N I S Q 车用催化器设计 为提高催化转化器的进口温度可采用的方法有几类：第一类是将主催化剂 置于比正常位置更靠近发动机的位置。此法不要求发动机做大的改动，但加速 了催化剂的高温老化，因而需要更耐高温的催化剂，全钯催化剂在一定程度上 是此类催化剂的合适选择；第二类是保持主催化剂的位置不变而通过其他方式 加热主催化剂，如前置小体积的催化剂、电加热和点燃尾气等手段，此类系统 一般需要在线诊断( O n B o a r dD i a g n o s t i c s ) 等复杂和昂贵的电路控制系统，费 用较高；第三类是用吸附剂在低温下捕集碳氢化合物，随着尾气温度的升高， 再将被吸附的物种释放出来并进一步处理。选用的材料为活性碳和特殊的分子 筛。此法对碳氢化合物的净化效率比未用此材料提高4 5 以上。开发长效的捕 集吸附材料是此法广泛应用的关键。总之，开发更耐高温的催化剂和低温碳氢 化合物吸附剂是解决冷启动问题的一种很好的途径。 9 0 年代以来，对于冷起动问题的关注，一方面鼓励研究者探索耐更高温度 的材料，一方面不断的改进蜂窝堇青石的蜂窝制造工艺，包括提高单位面积内 的孔隙率和缩小壁厚。图11 示出了在具有相同总比表面而孔隙率分别为2 0 0 孔、4 0 0 孔和6 0 0 ；K 每平方英寸( 1 英寸= 2 5 4 c m ) 的催化器上，C O 的起燃温度。 可以看出，2 3 9 96 0 0 孔的载体比3 1 2 94 0 0 孔和4 2 6 92 0 0 孔具有更低的c O 起 燃温度，应注意到6 0 0 孔载体的质量仅为2 0 0 孔的载体的质量的6 0 。可见载 体的孔隙率对催化器的行为的影响是很大的。7 0 年代以来，蜂窝孔隙率已由每 平方英寸2 0 0 孔、2 3 6 孔、3 0 0 孔增加到4 0 0 孔，壁厚也由O 3 m m 减少到0 1 5 、 0 1 【f 【l ，已出现了每平方英寸1 2 0 0 孔，壁厚为0 0 5 m m 的M e t r e o n 公司的金属 蜂窝载体。但目前广泛采用的载体仍是孔隙率为4 0 0 ，壁厚为0 1 5 m m 的蜂窝堇 青石。壁厚的降低可以降低压降、提高传热性能、增大几何面积，但其制备工 1 9 天津大学工程硕士研究生毕业设计论文 艺更趋复杂，且载体的机械性能变差，如何克服此缺点是载体制备工艺过程中 需解决的问题。 图1 l 在孔隙率不同的载体上一氧化碳的起燃温度与催化器进口的氧浓度关系 3 6 本章小结： ( 1 ) 实验结果表明，安装催化转化器的整车发动机功率有所下降。但下降幅 度不大。 ( 2 ) 怠速排放能够满足法规要求，所以安装催化转化器不失为一种有效的措 施。 在如何降低由于安装催化转化器而降低发动机功率还需认真研究。 ( 3 ) 提高发动机在冷启动情况下的排放水平，加装催化转化器是一种很合理 的措施。 第四章E Q l 0 3 0 T f N l 5 Q 车用排气系统设计及密封性改进 第四章E Q l 0 3 0 T N 1 5 Q 车用排气系统设计及密封性改进 4 1E Q l 0 3 0 T N 1 5 Q 车用排气系统设计 E Q l 0 3 0 T N 1 5 Q 车用排气系统设计是在E Q l 0 3 0 T N 车用排气系统基础上进 行的，因为这两种车型除了发动机不同外，其余均相同。其中E Q l 0 3 0 T N 车型 匹配的是E Q 4 9 1 化油器式发动机，而E 0 1 0 3 0 T N 1 5 Q 车型匹配的是E 0 4 9 1 i 电子 燃油喷射式发动机，目的是满足国家排放法规的要求。由于发动机的排气管未 变，因此车用排气系统与发动机排气管的连接方式不变，为双出口法兰面连接， 密封垫为不锈钢薄板冲压件。后部消声器部分仍为主、副消声器串连的两级消 声方式。而前部为了适应催化器的布置要求及氧传感器的安装需要，进行了重 新设计( 见图1 2 ) 。 麟1 2髓1 0 转暇l 攀掰棒气豢笺暴鼗黼 4 1 2 排气脉冲转换器的设计 E Q l 0 3 0 T N 车型的排气脉冲转换器结构长度较长，占用的空间也很大，两 根歧管在空间相互交错，形状复杂，不易布置。这种完整的脉冲转换器在实际 使用过程中，与结构紧凑性要求不相适应。近年来，脉冲转换器有简化的趋势 2 l 天津大学工程硕士研究生毕业设计论文 即：常将稳压室完全省略，扩压管和混合管也大大缩短或省略，从而形成了简 单脉冲转换器，其效果与完整的脉冲转换器相当。结合以前从事E Q 6 1 0 0 3 发 动机排气脉冲转换器的设计经验，并参考日产公司几款发动机排气脉冲转换器 的结构参数，完成了E Q l 0 3 0 T N 1 5 Q 车型排气脉冲转换器的结构设计。其具体 结构参数及与其它结构的比较如表7 所示。 表7脉冲转换器结构参数单位：l I I f n 瓷 E Q 4 9 1 i日产Q 0 3 2日产S R 2 0 D E日产K A 2 4 D E 歧管中心距5 0 5 5 5 8 5 8 进口直径 2 一中3 92 一中3 92 一中4 22 一3 9 出口直径 中4 8中4 8中4 8中4 8 进口一出口长度 1 6 01 2 03 0 01 8 0 4 1 2 催化器及氧传感器安装位置确定 根据催化器的工作温度( 2 5 0 9 5 0 ) ，其距发动机的排气口不能太远 否则在冷起动和暖机阶段不能很快达到起燃温度，将影响净化效果，造成排放 超标。一般推荐催化器距发动机排气管出口0 5 m I m ，结合E Q l 0 3 0 N T 1 5 Q 的 底盘布置情况以及管路的空间走向，最终确定催化器距发动机排气管出口 0 8 m 。而氧传感器的安装则考虑到在整车上的拆装方便性及其防水、防油的要 求，还要布置在排气总管的直线段部分，所以氧传感器的安装孔位于发动机排 气管出口3 7 0 r a m 处，联结用的螺纹头焊接在排气管上。 4 1 3 排气管管路及材料的确定 由于催化器载体蜂窝密度大，孔径尺寸很小，极易堵塞，因此普通的电 第四章E Q l 0 3 0 T N 1 5 Q 车用排气系统设计及密封性改进 焊钢管不适用。所以催化器前的所有管路材料均采用耐高温不锈钢，牌号为 O C r l 3G B T 3 2 8 0 9 2 ，以防止管内高温的锈渣堵塞催化器，引起转化效率降低 和失效。为了减轻由于发动机振动而传递给催化器的振动冲击，防止机械损坏 在催化器进口前的管路中采用了一段不锈钢波纹管，并且将其与催化器焊接成 一体，这样就避免了管路的漏气现象。波纹管能吸收发动机工作、车辆制动、 变速惯性位移和路面颠簸等引起的排气管振动，防止排气管因长期振动而断裂 脱落，提高排气管的使用寿命并可有效降低排气系统噪声。 4 2 排气系统设计及密封性改进 E Q 4 9 1 i 电喷发动机的排气管与E Q 4 9 1 化油器发动机的排气管为通用件， 其出口为双出口。与车用排气管的连接密封方式为平面密封。即：发动机排气 管出口为法兰面，车用排气管的进口面也为法兰面，两个平面之间用由0 5 帆 厚的不锈钢板冲出两个圆环状凸筋的密封垫来密封。在装配过程中，当螺栓被 拧紧时，圆环状凸筋被压扁以起到密封带的作用。这种密封方式对发动机排气 管法兰面及车用排气管的表面粗糙度及平面度的要求较高，否则容易漏气。而 且密封垫是单层结构，装配后凸筋被完全压平，产生的是塑性变形，没有任何 回弹力，实际上等于是两个法兰面之间加上一个刚性的平面密封垫，密封效果 比较差。况且，在发动机工作时，排气温度高达8 0 04 C ，排气管承受的是冷、 热冲击的交变应力，法兰面很容易变形，此时密封垫又不能补偿法兰面的这种 变形，就很容易漏气。在高速、高温气体的冲刷又使法兰面烧蚀，加剧了漏气 现象。 化油器式发动机由于对排气系统没有特殊要求，少量的漏气不会产生严 重的后果。而电喷发动机则对排气系统的密封性要求很高。因为电喷发动机为 天津大学工程硕士研究生毕业设计论文 了三元催化净化器具有最高的转化效率，以降低废气中的c O 、H c 、N O X 的含量， 必须对空燃比进行精确控制( 要控制在理论空燃比附近) 。空燃比的控制是通 过装在车用排气管路中，三元催化净化器前的氧传感器反馈的信号来实现的。 氧传感器探测的是排气管中氧的含量，如果排气系统存在漏气，那么由于排气 管中的压力波动，空气会通过漏气处进入排气系统，氧传感器误以为发动机混 合气偏稀，E C U 会通过控制策略加大喷油量，使混合气偏浓。这样就会产生两 个严重的后果，其一是因为空燃比偏离理论空燃比，使得催化转化效率大大降 低，引起尾气排放超标；其二是排气中未完全燃烧的燃料在催化器中燃烧，引 起催化器温度升高，烧损甚至完全失效。催化器燃损严重的会堵塞排气管路， 造成发动机排气不畅，动力下降。以上现象在E Q l 0 3 0 N 1 5 Q 电喷车排气污染物 控制装置3 万公里耐久性试验中都曾出现过，影响了电喷车的整车可靠性。 针对以上存在的问题，必须改进发动机排气管和车用排气管的密封形式， 才能彻底解决