（动力工程及工程热物理专业论文）车用催化器内部流动的数值模拟与结构优化.pdf

摘要 本文概述了车用催化器的发展现状及今年来其内部流动测量与数值模拟的 发展，并就催化转化器的性能评价指标，流动特性，优化设计等相关问题展开 了讨论。 建立了催化器内的流动与传热模型，以计算流体动力学( c f d ) 软件 s t a r c d 为工作平台，在验证模型可靠性的基础上，对催化器的内部流场和温 度场进行了多维数值模拟，并详细分析了排气流量、催化器结构参数、孔隙 率、载体安装位置、耦合载体的间距以及耦合载体的大小比例等对催化器内流 动的影响。并且，对微粒捕捉器d p f 的内部流动进行了初步的模拟分析。 f 计算结果表明，排气流量对催化器内的流动均匀性有明显的影响，增大排 气流量，载体内的流动特性明显下降。在相同排气流量下，减小扩压器锥角， 可明显改善载体的流动性能。随排气流量的增加，扩压器锥角对载体流动性能 的影响程度增强。合理的载体前端造型可改善催化器的流动性能。增强型扩压 器( e d h ) 是一种较好扩压器的结构优化形式。载体沿基线向后移动距离的大小 基本不影响载体的流动特性。耦合载体的间距对流动性能影响明显，两耦合载 体的大小比例对第一段载体内的速度分布比第二段影响明显。减小收缩管的角 度，可明显改善载体内的速度分布并减小载体内的压降。随孔隙率的减小，载 体的速度分布变得均匀，但压降急剧增大。d p f 的内部流动模拟分析表明，由 于d p f 内存在径向流动，使得其内部流动规律与催化器载体明显不同。 对催化器的内部流动与传热耦和求解，研究催化器的非稳态温度场发现， 催化器中央温度高，但边缘温度梯度较大，一戴体内的分布受流动影响较大，采 用较小的扩张角可使温度分布均匀。r 本研究为优化催化器的结构，提高其整体性能提供了依据。 关键词：催化器；c f d 流动特性；温度分布；优化设计 + 本研究得到了教育部博士点基金项目“用催化方法同时降低柴油机碳烟微 粒和氮氧化物的新技术研究”的资助。 a b s t r a c t t h ec u r r e n td e x ，e l o p i n gs t a t u so fc a t a l y t i cc o n v e r t e ri ss u m m a r i z e dt h ef l o w m e a s u r e m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o n v e r t e rw e r er e v i e w e d t h ep e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n ，f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，p r e s s u r el o s sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g na b o u tc o n v e r t e r a r ed i s c u s s e d t h ef l o wa n dh e a t t r a n s f e rm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e db a s e do nc f ds o f t w a r e s t a r c d m o d e lr e l i a b i l i t yi sv a l i d a t e d o nt h i sb a s e ，t h ei n f l u e n c eo ff l o w r a t e ，t h e g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s ，p o r o s i t y ，t h ep o s i t i o no fm o n o l i t h ，t h ed i s t a n c eo fc o u p l e m o n o l i t h s ，s h a p e dm o n o l i t h ，a n de t co nt h ep e r f o r m a n c eo fc a t a l y t i cc o n v e r t e ra r e s t u d i e dt h ei n t e r n a lf l o wf l i e do fd i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e rd p fa r ea l s ob r i e f l y a n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o w r a t eh a sc l e a r l yi n f l u e n c e do nt h ef l o wd i s t r i b u t i o n i n d e x w i t ht h ei n c r e a s eo fe m i s s i o nf l o w r a t e t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i ci sd e t e r i o r a t e d a tt h es a m ef l o w r a t e ，t h ef l o wc o n d i t i o ni si m p r o v e db yd e c r e a s i n gt h ed i f f u s e ra n g l e w i t ht h ei n c r e a s eo ff l o w r a t e t h ee f f e c to fd i f f u s e ra n g l eo nf l o wp e r f o r m a n c ei s e n l a r g e d t h ec a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h ee n h a n c e dd i f f u s i o nh e a d e r ( e d h ) i sa p r o m i s i n gi n l e td i f f u s e r t h es h a p e ds u b s t r a t e sc a nr e d u c et h ez o n eo ff l o ws t a g n a n t i nt h ed i f f u s e r b es e l e c t i n gs u i t a b l ed i f f u s e ra n g l e ，t h es h a p e dm o n o l i t hc o u l d i m p r o v ei t sf l o wc o n d i t i o n i tc o u l dg r e a t l yd e c r e a s et h es i z eo f t h es t a g n a n tf l o w t h e m o v i n gd i s t a n c eo fm o n o l i t hf r o mb a s el i n eh a sv e r yl i t t l ei n f l u e n c eo ni t sf l o w p e r f o r m a n c e t h ed i s t a n c eb e t w e e nt w oc o u p l em o n o l i t h sh a v ec l e a r l yi n f l u e n c eo n f l o wc o n d i t i o n w i t ht h ed e c r e a s eo fc o n t r a c t i n ga n g l e s t h ef l o wd i s t r i b u t i o na n d p r e s s u r el o s si si m p r o v e dc l e a r l y t h ei n t e r n a lf l o wi nd p f i sa l s os i m u l a t e di ts h o w s e v i d e n td i f f e r e n c er e s u l t sf r o mt h er a d i a lf l o w i na d d i t i o n ，t h en o n s t e a d yf l o wm o d e l c o u p l ew i t h t h eh e a tt r a n s f e rb e t w e e ng a sa n ds o l i dm o n o l i t ha r es e t u p t h e s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ef l o wh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n m o n o l i t h t h ea b o v ew o r kp r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o rs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no f c a t a l y t i c c o n v e r t e ra n di t sm a t c hw i t he n g i n e k e yw o r d s ：c a t a l y t i cc o n v e r t e r ；c f d ；f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ；t e m p e r a t u r ef i e l d ； o p t i m i z a t i o nd e s i g n i i 1 1 研究目的和意义 第一章概述 汽车尾气污染治理是一个全球性的问题，在我国，随着经济的高速发展， 汽车保有量迅速增长，机动车有害排放已成为我国城市大气环境的主要污染 源。为此，国家和地方相继出台控制汽车尾气排放法规和管理办法，2 0 0 0 年国 家要求轿车排放水平达到相当欧洲第一阶段的排放法规( 欧1 标准) “】，2 0 0 4 年达到相当欧洲第二阶段的排放控制水平( 欧i i 标准) ，预计在2 0 1 0 年前后与 国际排放控制水平接轨，这标志着我国对汽车排放的控制进入一个新的发展时 期。在这个阶段，汽油车排放的基本控制技术仍是电喷闭环控制发动机( e f t ) 和 三元催化转化器( t w c ) ，但不断严格的排放法规对催化器的性能提出更新的挑 战。 催化剂不但要求有很高的活性，而且要有足够的寿命，国外，般要求新 车用催化剂在使用5 万英里( 约8 万公里) 后整车排放仍能满足法规限值，美 国新的排放法规要求催化剂的寿命达到1 6 万英里，我国新车催化剂的寿命要求 8 万公里。 改善催化转化器的起燃特性十分重要。由于冷起动过程中催化剂起燃速度 较慢，排出的h c 一般占整个美国f t p 测试循环h c 排放的8 0 以上，因此如何提 高冷起动过程中h c 的转化效率也是满足未来严格排放法规的关键。 全面改善催化转化器的流动特性。它包括流速分布均匀化和减小压力损失 两个方面。据国外资料统计，催化转化器的压力损失大约占整个排气系统的 3 0 4 0 。由于我国的催化器流动阻力偏大，所占的比例可能更大一些。较高 的排气背压不但制约了发动机的输出功率，还影响发动机的燃油经济性，特别 是在较高的排气流量和较高的温度下。催化转化器内载体速度分布的不均匀， 不但使催化剂得不到充分利用，降低催化转化效率，还造成载体中心区域的气 流速度和温度过高，加剧催化剂的劣化速度，缩短其使用寿命，另外，流速分 布不均匀还会导致载体径向温度梯度过大，产生较大的热应力梯度，产生热疲 劳损害，同时，速度分布对催化转化器的起燃特性和热响应也有较大的影响。 催化转化器内部流动的研究，对提高催化转化器的整体性能非常有意义，它不 仅为改善载体催化转化器的流动特性、进行结构优化设计提供对策，还为整个 排气系统和发动机的匹配设计提供必要的信息。 催化转化器的内部流动十分复杂，涉及到湍流流动、多孔介质流动、传 热、传质、化学反应等现象，受催化器内部复杂结构和恶劣工作环境的限制， 要完全真实地了解其流动特性十分困难。依靠经验和传统实验手段来研制催化 器不但浪费大量的人力、物力，花费大量的时间，还无法给出催化转化器内部 全面的流动信息。随着计算机技术的飞速发展，计算流体动力学( c f d ) 技术被 用来研究催化器的流动特性，温度场，起燃特性，转化效率等问题。它在改善 载体内的流速分布和减小压力损失，提高催化剂的转化效率，减小载体内的热 应力梯度，延长使用寿命，减少催化剂的体积和贵金属催化剂的用量，降低催 化转化器的成本，降低排气背压对发动机动力性与燃油经济性的负面影响等方 面起到了积极的作用。 在我国，催化转化器的研究起步较晚，催化转化器中催化剂的配方和载体 的制备工艺与发达国家差距较大，催化转化器的设计还停留在经验设计上，缺 乏有效的设计手段和理论指导。这些都使得催化器的研究成为目前我国汽车排 放控制技术中急需突破的一个研究领域。本研究就是在这样的背景下，建立催 化转化器的流动模型，采用计算流体力学( c f d ) 方法对其进行流动分析，研 究各种结构参数对其流动性能的影响，从而为催化转化器的优化设计提供指 导。它对提高我国汽车排放控制技术水平，减少汽车有害排放物的排放，具有 重要的理论与现实意义。 1 2 催化转化器的内部流动的实验研究综述 人们很早就发现，催化器内部的气体流动状况对催化器的转化效率，内燃 机的燃油经济性都有较大的影响。但是，在真实的发动机工作条件下，催化器 内部流动的实验数据很难得到，这主要是由于催化器的结构形状复杂，工作条 件苛刻，内部工作情况不易被观察所致。因此，为了弄清催化器内部流动的真 实状况，国外许多研究机构建立了专门的实验台，采用各种实验手段对其内部 流动进行了研究。 h o w i t t 和s e k e l l a ，早在1 9 7 4 年就使用热线风速仪( h w a ) 对装有各种导 流片的氧化型催化器的载体进口速度分布进行了测量，发现如果不加导流片， 流动主要集中在载体的中心区域，加入导流片可以大大改善载体的流速分布， 使得c o 和h c 转化效率提高，但它也有明显的缺陷，即导致催化剂的起燃时 间延迟，催化器的压降增加。l e l l ：l r n e 和g i v e n s “1 用皮托管测量了室温下催化 器入口与出口连接管的几何形状，包括锥形，椭圆形和方形，对单载体催化器 的影响，发现载体内的速度分布对它们的形状并不敏感，加长载体的长度，可 使载体内的速度分布均匀，这主要是由于载体阻力增大所致，增加入口管与载 体直径的比值可以大大改善载体内的速度分布。 早期内部流动研究只局限于某个面的速度测量，不能提供催化器内部流动 的整体信息。1 9 8 6 年，d a n i e l 和w i l l i a m “以示踪粒子、激光发生器和快速照 栩为研究手段，用水加示踪粒子代替气流作为实验介质，对双载体催化器的内 部流动进行了可视化研究。图1 1 为三种流量下催化器的内部流动示踪图，可 以看出，扩张管壁面存在较大的速度分离，入口管内的流体几乎以不变的直径 流向载体，在大约距离载体2 0 r a m 的位置刁开始向两边扩散；两载体之间的流 动除在较高流量下的径向流动发生弯曲外，流动基本没有径向和周向窜动；收 缩管内流动稳定，没有流动分离现象，这部分研究使人们对催化器内的流动有 了较为直观的认识。 1 9 9 2 年，d a n ie 1 等”人在原实验台架上研究了入口管伸出扩压器的长度 对催化器内速度分布的影响，发现入口管伸出长度与锥形扩张管之比在较大的 范围内，对载体流动均匀性没有影响，因此建议缩短扩张管和收缩管，并在此 基础上优化设计一种增强型扩张管，来减小催化转化器的压力损失和速度分布 的不均匀性。 l o wf l o w u e d i u mf l o w h i g hf l o w ( a ) 扩压器中心轴面粒子成像图 l o wf l o wm e d i u f l o wh i g hf l o w ( b ) 两载体中间间隔中心轴面粒子成像图 f c ) 收缩管副轴面粒子成像图 图1 1 催化转化器内的流动示踪图 1 9 9 5 年，z h a o 等”1 使用激光多普勒测速仪( l d v ) ，在四缸汽油机真实工况 下，测量了两种不同长度扩压器的速度分布，发现相同转速下，发动机不加载 比加载的速度分布均匀，长扩张管比短扩张管的速度分布均匀。1 9 9 7 年z h a o 等在原实验台架上，测量了真实工况下，催化器内的瞬态流动结构，发现载 体前的速度分布受发动机工况影响较大。1 9 9 5 年，h u a n g 等埔人用l d v 和高速 摄影技术，在冷态非稳定工况下，对一透明紧凑耦合催化器的内部流动进行了 测量，研究了扩压器内的流动情况。 另外，有些研究者进行内部流动研究的主要目的是为验证数值模拟的准确 性。n s w i l l 和c j b e n n e i t 等”1 使用皮托管在发动机排放的真实工况下， 测量了载体前后的速度分布，发现增大扩压器的锥角使得载体内的流速分布不 均匀。l a i 和k i m 等“”用l d v 和烟气可视化技术测量了催化转化器的内流场。 b e n j a m i n 和c l a r k s o n 等人使用皮托管，在冷态实验台上测量了载体出口处的 流动1 ，并根据实验结果归纳出了流动不均匀系数、压降等与扩压管的长 度、雷诺数和载体长度的无量纲幂指数关系。 对催化转化器内部流动的实验研究，从稳态到非稳态，从冷态到发动机真 实排气工况，从线到面，历经了多种测量方法，进行过多方面的探讨，不仅为 弄清催化转化器的内部流动结构提供了非常有意义的信息，也为其内部流动的 模型建立提供了依据和检验标准。 1 3 催化转化器内部流动数值模拟的研究状况 催化转化器内的物理和化学过程都比较复杂，对这类复杂过程成功的模拟 取决于对其内部流动，传热，传质，化学反应等输运现象的模型建立。国外对 于催化器模型研究进行得较早，综观催化器模型的发展过程和应用现状，它基 本上从两个方面展开，即流体动力学模型的研究和传质、传热及化学模型的研 究，以下对这两个方面近些年的研究进行概述。 ( 一) 、无化学反应的流动模拟 1 9 9 1 年，m c l a i ，j y k i m 等“2 人使用p h o e n i c s 软件对典型的双载 体催化器的三维稳态、无化学反应、不可压湍流流动进行了模拟，计算采用标 准女一f 方程，载体阻力由充分发展方管层流导出。研究结果表明，载体内的流 速分布与扩压器的性能关系密切，它是雷诺数r e 载体阻力，进口管的长度和 弯曲角度的复杂函数。当r e 数较小，载体阻力较大，进口管为直管时，载体的 速度分布比较均匀。 同年b e l l a 等“”人用s t a r - i 软件对一载体横截面为椭圆形的催化器进行 了三维数值模拟，并研究了导流薄板对载体入口速度分布的影响，证实了导流 板可改善载体速度分布的均匀性。 19 9 3 年， _ e r m a nw e t e n s 等“给出了流动均匀性指标来量化评估载体内 的流动性能，并使用s t a r c d 软件对催化转化器内的流动进行了二维与三维稳 态湍流数值模拟，通过与实验结果对比发现，特别是对几何结构比较复杂的催化 器，三维模型具有较高的求解精度，并研究了催化器的结构参数对流动性能的 影响，认为催化器的流动性能与其排气系统的布局安排，进口歧管的连接形 状，进出口锥的几何形状，载体的横截面积，长度，安装位置关系较大。 1 9 9 5 年，p a y r i 等“”人将催化转化器等效为一个简单的管道容积组合体 模型，利用一维特征线法来研究废气流动的平均压力降、平均温度变动和瞬时 压力波的波动和传输，计算能够快速反映催化器、排气管、内燃机三者之间的 相互作用，这对分析催化器大小及安装位置与内燃机性能之间的相互影响非常 便捷。 1 9 9 6 年，s f b e n j a m j n 等”使用s t a r c d 软件，湍流模型采用 k 一r n g 模型，载体阻力采用h a g e n p o i s e u l l e 方程，对催化转化器进行了二 维稳态数值模拟，并与实验结果进行了对比，评估了c f d 在预测催化器流动性 能方面的有效性，并研究了扩压管锥角、载体的安放位置、载体前端造型等对 载体流动性能的影响并予以了实验与计算验证。 1 9 9 7 年，s o o j i nj e o n g 等”对一六缸发动的具有两y 形接头的双载体催 化器进行了三维稳态和非稳态的可压缩湍流数值模拟，计算边界通过对进排气 系统进行一维非稳态气动分析获得。研究表明，为了研究脉动气流对载体速度 分布均匀性的影响，采用非稳态模型是必要的；载体内的速度分布均匀性与混 合管的长度，混合管的接头形状和角度等关系较大。 1 9 9 9 年，w o l l i n 等对载体前端采用4 5 0 、6 0 。锥角、圆顶型和传统的载 体进行了比较，发现采用了前端造型的载体可以部分利用催化器入口端的圆锥 空间，在不改变催化器结构的情况下增大了催化剂的容量。造型后载体中心气 体的最大流速减小，气流更均匀，提高了催化器的转化效率，同时也使得载体 的压降增大。 ( 二) 、有反应的流动与传热的数值模拟 不考虑无化学反应只研究催化转化器内的流动特性，无法研究催化转化器 的结构优化对催化剂转化效率及起燃特性的影响。研究究催化转化器的传热、 传质与化学反应动力学规律，可以更加深入认识催化转化器的性能，为其结构 优化设计和整机匹配提供更全面的指导。 b e 1 a 等”采用b e n s o n 提出的反应速率和放热规律，以催化转化器的三 维流动数值模拟结果作为边界条件，对催化剂的载体单个通道内的气流用一维 非稳态方程进行了模拟，研究了载体管道内的传热，传质及化学反应，并对c o 和h c 进行了化学反应动力学的计算，预测了进气速度和温度对其转化效率的影 响，发现催化转化反应主要集中在载体的中心位置，载体中催化剂的利用很不 均匀。 1 9 8 8 年，d a y i d 和e d w a r d 等“”人对催化转化器内瞬态热传导和转化效率 进行了三维数值模拟，模拟考虑了对流热质输运，气固热传导，轴向和径向热 传导，化学反应，化学放热和暴露于大气的热损失，分析了持续高负荷和失火 情况下的催化器的瞬态反应，发现高负荷和发动机失火情况下，载体存在较高 的温度，且起动工况下，载体内存在较大的温度梯度。 1 9 9 2 年，n s w i1 1 和b e n n e t t “1 采用c f d 方法，结合非绝热的化学反应 模型，对催化器内的二维和三维流动进行了模拟，与不考虑化学反应相比，对 载体流动不均匀性的预测差别很小。且稳态条件下，载体内的速度分布对温度 场和转化效率影响较大。 1 9 9 9 年，w i 儿i a m “”在载体的能量方程的源项中引入氧化反应放热规律， 采用c f d 方法对催化转化器在稳态，高负荷工况下的温度场进行了数值预测和实 验验证，发现扩压器锥角和载体内的热扩散对载体，密封衬垫，壳体等结构内的温 度分布影响较大。 1 9 9 9 年，c a t h y 和s i v a n a n d i 等1 人采用c f d 技术，将导热和化学反应 模型相结合，对催化转化器内的热流动和转化效率进行了模拟。 2 0 0 1 年，w o o s e u n gk i m “”采用三维流动数值模拟与化学反应动力学相结 合的方法，研究了催化器的起燃特性，发现通过载体径向的孔密度对起燃特性 和载体的热响应都有较大的影响。 国内对催化转化器内部流动的研究并不多见，清华大学“”使用s t a r c d 软件对催化器内部流动进行了数值模拟和结构优化设计。江苏理工大学“2 使用 a n s v s 软件对催化转化器及载体7 l 内的流动进行了分析。大连理工大学“”对催 化转化器非稳念数学模型的建立进行了研究。 可看出，催化转化器的内部流动数值模拟考虑的因素全面，模拟的精度得 到了不断提高，这对了解催化器内的流动、传热和传质具有较大的指导意义。 但对催化器的内部流动数值的研究，仍需要比较各种计算模型，建立更为完善 的考虑气体流动、气固耦合传热、传质、化学反应及热应力等因素的三维计算 模型，并在模拟过程中，将催化器与发动机排气系统作为一个整体考虑，使其 能够反映催化器和发动机排气系统的相互作用，为研究催化器各种性能和结构 优化提供更全面更完善的指导。 1 4 催化转化器的最新研究进展 随着各国排放法规的日趋严格，使得的催化转化器内的起燃特性成为当今 汽车排放控制技术中的一个研究热点。研究表明，钯( p d ) 催化剂对降低h c 的起 燃温度有一定的作用，日本h o n d a 公司在发动机后处理系统采用钯金属和钯金 属氧化物，使h c 的起燃温度降低了1 0 0 度，美国j o h n s o n 公司采用钯催化剂使 c o 在环境温度下起燃。实验结果表明，常温起燃催化剂很容易老化，尤其使用 现有的燃油，目前常温催化剂还在发展之中。 在改善催化器的起燃特性上，除采用降低催化剂的起燃温度外，还采取对 催化转化系统进行加热的方式。根据加热方式不同，催化器分主动式和被动 式。主动催化转化系统是指在发动机起动前或刚起动时，通过外界直接给催化 剂加热，使催化剂在很短的时i f i j 内起燃，常见有电加热和燃烧加热，燃烧加热 催化器需要解决的问题是：空气、燃油和点火的精确控制等。 被动催化排气系统包括排气隔热系统、紧凑耦合催化器( 前置起燃催化 器) 和h c 吸附器等。其中，排气隔热系统是为使催化剂快速起燃，在排气管路 上安装隔热管，虽然可使排气温度提高，但会使催化器始终处于较高温度的工 作状态，加速催化剂的老化：紧凑耦合催化转化系统( c l o s e c o u p e d c o n v e r t e r ) ，又称前置起燃催化转化器，它紧靠发动机排气歧管的出口安装，能 使催化剂在冷起动时快速起燃，明显降低h c 的排放，但仍面临催化剂老化等问 题；h c 吸附器的原理是在发动刚起动，排气温度较低时吸附排气中的h c ，当排 气温度达到起燃温度时释放吸附的h c ，使其通过较高温度的催化剂进行转化， 目前它正在发展和完善中，需要解决吸附材料、h c 释放时间与起燃时间的平 衡、可靠性和成本等问题。 1 5 本文的研究内容和方法 ( 一) 研究内容 ( 1 ) 考察催化器内部流动实验与计算的研究概况，明确催化器的研究内容； ( 2 ) 分析催化转化器的性能及其影响因素，建立催化转化器系统结构优化设计 思想： ( 3 ) 建立催化转化器流动与传热的数学模型，包括蜂窝载体的流体动力学模 型，分析催化转化器的内部流动特征，与典型流动测量结果进行对比分析， 验证模型的有效性： ( 4 ) 采用该模型计算催化器几何参数对其流动特性以及温度分布的影响，为催 化转化器的结构优化提供依据。 ( 二) 研究方法 建立催化器的流动与传热的数学模型，以计算流体动力学( c f d ) 商品软 件s t a r c d 为平台，对其流场和温度场进行多维数值模拟，并在验证模型有效 性的基础上，分析不同工况和结构参数条件下，催化转化器内部的流动结构和 温度分布状况，进而获得催化转化器的结构优化设计信息。 第二章催化转化器的结构及性能评价指标 本章介绍了催化转化器的结构，并讨论了性能评价指标及其相关的问题。 2 1 催化转化器的结构 汽车污染控制措施分为机内净化和机外控制两类技术，其中催化转化器是 最有效的机外尾气净化方法之一，它的主要作用是将汽油车排放污染物中c 0 、 c 、n o x 在催化剂的作用下快速转化为c o 。、h ：o 、n ? 。典型的催化器由壳体、减 振层、载体及催化剂四部分构成( 见图2 1 ) 。 ，o 图2 1 催化转化器的基本结构 l 、壳体 催化转化器的壳体由不锈钢扳材制成，以防因氧化皮脱落造成氧化剂的堵 塞。许多催化器的壳体做成双层结构，用来保证催化剂的反应温度。为了减少 催化转化器对汽车底板的高温辐射，防止进入加油站时因催化器炽热的表面引 起火灾，避免路面水飞溅对催化器的激冷损坏以及路面飞石造成的撞击损坏， 壳体外面还装有半周或全周的隔热罩。 2 、减振层 减振层一般由膨胀垫片和钢丝网垫两种，起到减振缓解热应力、固定载 体、保温和密封作用，减振结构见图2 2 。膨胀垫片由膨胀云母( 4 5 6 0 ) 、 硅酸铝纤维( 3 0 4 5 ) 以及粘接剂组成。膨胀垫片在第一次受热时 体积明显膨胀，而在冷却时仅部分收缩，这样就使金属壳体与陶瓷载体之间的 缝隙完全胀死并密封。 髟| 【垫片( 芒宴j悄氅惜堡 肥华片 图2 2 催化器的减振垫结构 3 、载体 载体是催化器的核心部件，用来支撑催化剂和催化助剂。汽车尾气就是通 过与附着在载体上的活性催化剂相互作用，加速尾气中污染物的氧化还原反应， 从而达到净化尾气中废气的目的。 早期的催化器采用氧化铝( a 1 。0 ，) 的球状载体，这种载体存在磨损快、阻 力大的缺点，目前在汽车催化器中已不再采用。美国康宁( c o r n i n g ) 公司于 7 0 年代初发明了陶瓷蜂窝载体，与颗粒载体相比，它具有结构紧凑、压力损失 小等优点，很快占据了车用催化器载体市场的主导地位。目前，世界上车用催化 器载体的9 0 是陶瓷载体，其余为金属载体。金属载体于8 0 年代中后期在轿车 上丌始使用，它的突出优点是壁薄、阻力小、热容小、导热快，但其生产工艺 复杂，成本高，主要在摩托车及汽车前置催化器中使用。 载体最重要的性能指标是孔隙率a ( 载体内流动面积与载体横截面积之 比) ，它是孔道形状，孔密度n ，壁厚6 的函数。对方形孔的载体，孔隙率为： 口= ( 1 一耐o5 ) 2( 2 1 ) 现有的三效催化转换器的蜂窝密度在2 0 0 6 0 0 e p i 之间。蜂窝密度越高， 单位表面的催化体积越大。由于受到机械强度和热强度的限制，蜂窝通道的壁 厚不宜做得太小，蜂窝密度就不可能太高。一般蜂窝密度采用4 0 0 c p i 左右，蜂 窝通道的壁厚在0 2 m m 左右，最薄的地方可达到0 1 m m 。单位体积中的载体表 面在2 8 c m 2 c m 3 以上，可以承受的高温在9 8 0 。c 以上。轿车用三效催化转换器的 体积是汽油机排量的5 0 8 0 左右。 4 、催化剂 催化作用的核心是催化剂，催化剂是一种能改变化学反应速率而本身的质 量和组成在化学反应前后保持不变的物质。催化转化器发生催化反应的基本过 程是：反应物随气体流动到达催化剂的外表面，通过扩散作用进入催化剂多7 l 介质内，即被催化剂的表面吸附，反应物与催化剂的活点发生化学反应，反应 产物由催化剂表面脱附，产物离开催化剂表面向周围扩散，随载体管道气流排 出。 通常催化剂附着在催化器载体孔道壁面的多孔涂层上，在涂层表面分散着 作为催化活性材料的贵重金属，一般为铂( p t ) 、铑( r h ) 和钯( p d ) ，以及作为辅 助催化剂成份的铈( c e ) 、钡( b a ) 、镧( l a ) 等稀土金属材料，辅助催化剂主要用 于提高催化剂的活性和高温稳定性。催化剂的活性及耐久性除与涂层的成分有 关外，还与其制备工艺密切相关。 2 催化转化器的性能评价指标 l 、转化效率 由汽车发动机排出的废气在催化器中进行催化反应后，其有害污染物得到 不同程度的降低： 叩，=型! 二业b 1 0 0 c ( o 。 ( 2 2 ) 式中： 仉 一排气污染物i 在催化器中的转化效率： q ，c ( 氓一排气污染物i 在催化器入口处的浓度： l 【! j ：一排气污染物i 在催化器出口处的浓度： 就目前汽油车上用的催化器，c o 、h c 、和n o x 的最高转化效率可高达 9 5 ，但衡量催化器的转化效率不能仅看其最高转化效率，还必须考虑空燃比特 性，起燃特性，空速特性，高温耐久性能等多方因素，对它进行综合评价。 2 、空燃比特性 催化剂转化效率的高低与发动机的空燃比a ( 或过量空气系数由。) 有关， 转化效率随空燃比的变化称为催化器的空燃比特性，三效催化器在化学计量比 ( 中。= l ，或a 。1 4 7 ) 附近的狭窄区间内对c o 、h c 和n o x 的转化效率同时达 到最高，这个区间被称为“窗口”。在实际使用中采用闭环电子控制燃油供给 系统，可使催化剂能保持在这个高效窗口内工作，平均净化效率可达9 5 。 3 、起燃特性 催化剂转化效率的高低与温度有密切关系，催化剂只有达到一定温度以上 才能开始工作，即起燃，催化转化器的起燃特性有两种评价方法，一种为起燃 温度特性，它表示转化率随催化器入口温度t i 的变化，将转化率达到5 0 时对 应的催化器入口温度t 。定义为起燃温度，显然k 越低，催化器在汽车冷起动 时越能迅速起燃，它是催化器活性的重要特征值，主要取决于催化剂的配方。 另一种评价催化剂起燃特性的方法称为起燃时间特性，它是指在实车或发动机 台架上控制车辆或发动机以一定的工况循环运转，将达到5 0 转化率所需要的 时间称为起燃时间，起燃时间特性除与催化剂配方有关外，很大程度上取决于 催化器总体的热惯性、绝热程度以及流动、传热、传质过程。 在美国城市标准测试循环f t p 一7 5 中，排气污染物的5 0 8 0 是在冷起 动后1 分钟内排放的。因此，提高催化转化器在冷起动时的效率是满足进一步 严格的排放标准的关键。 4 、空速特性 空速s v 定义为每小时流过催化剂的排气体积流量与催化剂容积之比，其 单位为h 。转化效率随空速s v 的变化称为催化剂的空速特性，空速的大小实 际上表示了反应气体在催化剂中的停留时间t ，两者的关系为： ，= 3 6 0 0 熹，式中，为催化床的孔隙率，是由催化剂结构参数决定。反应 6 v 气体在催化剂中停留的时间越短，转化效率越低；但同时由于反应气体流速和 湍流度的增加，有利于反应气体向催化剂表面的扩散以及反应后成分的脱附。 因此，在一定范围内，转化效率对空速的变化并不敏感。 5 、耐久性 催化剂经长期使用后，其性能将发生劣化，亦称失活，影响催化剂寿命的 因素主要有高温失活、化学中毒、结焦与机械损伤四类。其中高温失活是目前 汽车催化剂最主要的失活方式。 国外一般要求新车用催化剂在使用5 万英里( 约8 万公里) 后整车排放仍 能满足法规限值，而近年来对催化剂的耐久性要求已提高到8 万英里甚至1 0 万 英里。研究经验表明，开发一种高活性的催化剂不难，难的是具有较长的使用 寿命。 6 、流动特性 催化器的流动特性包括压降与速度分布均匀性两个方面，车用催化器的流 动阻力增大了发动机的排气背压，背压过大会使排气过程的推出功增加，消耗 同样燃料所输出的有用功减少；背压过大还会使残余废气增大，发动机的充气 效率降低，同样气缸容积所能利用的燃料化学能减少；同时残余废气量增加， 又引起燃烧热效率下降，这将导致发动机的经济性和动力性降低。国外一般要 求三效催化转化器对燃油消耗率和输出功率的负面影响均在2 以下，我国有关 催化器的技术要求中不超过j “”。所以探讨车用催化转化器流动阻力的影响 因素，研究减少流动阻力的途径是非常有必要的。 研究表明，国产催化器的流动阻力普遍较国外产品偏大，这一差距随排气 流量的增加很快增大。与陶瓷蜂窝载体相比，金属裁体具有较低的流动阻力， 相同孔隙密度的条件下，金属载体的流动阻力比陶瓷载体约低1 3 。 催化器的流动特性还应包括载体截面上的速度分布均匀性。流速分布不均 匀，不但影响流动阻力，还会造成载体中心区域的空速和温度过高，使得该区 域的催化剂容易劣化，引起转化率下降，缩短使用寿命；同时载体外围区域的 空速和温度又过低，使得这部分催化剂得不到充分利用造成总体转化效率降 低。另外，流速分布不均匀还会导致载体径向存在过大的温度梯度和热应力分 布不均匀，造成载体热变形和损坏。因此研究催化转化器的流动特性对改善催 化转化器的i t - - 能和延长其寿命意义重大。 2 3 催化转化器内流动压力损失分析 排气系统的排气背压，不但制约发动机的最高功率输出，而且还影响燃油 的经济性，其中，催化转化器的压力损失在整个排气系统中约占- - ：9 之- - 5 ， 因此非常有必要研究催化转化器内的流动阻力特性，为降低其压力损失提供对 策。 载体 入 排气 图2 3 引起催化器流阻的各部件示意图 催化器阻力损失的主要原因是：气流与催化器壳体壁面的流动摩擦：入 l 1 处和出1 3 处的局部旋流引起的气流剪切和变向；载体小孔中的流动摩擦。以 下从引起催化器流阻的各部件( 见图2 - 8 ) 进行分析： 1 、载体内压力损失分析 以下针对典型的陶瓷蜂窝载体的流阻展开详细讨论，蜂窝载体由许多大小 相同的方形管道组成。由于管道尺寸非常小，其横截面的典型边长1 1 5 r a m 范围内，管道内气体流动的r e 数范围为1 0 1 0 0 0 ，流态为层流，管内流动由未 充分发展区域和充分发展区域两部分组成，未充分发展的区域流动摩擦因子比 充分发展区域大。文献旺”给出了载体中心线处管道的压力损失： p = h 、a u g f l i r t2 3 ) 其中h 】：流道的动压头；a u g ：边界层发展引起的摩擦因子：f ：流道摩 擦因子；l ：载体的长度；r ：载体的水力半径。 载体中心线处管道流动的动压头和雷诺数为： = 2 ( 1 + m ) ：( 2 p a2 a ；) ( 2 4 ) r e = 4 m ( 1 + m ) r ( a a a ，)( 2 5 ) 其中，m 为排气的质量流量，m = ( w 。k w 。) w m e a n ，为载体流动 分布不均匀系数，p 为流体密度，a ，为载体的前端面积，口为载体的空隙率， “为流体的粘度。 由公式( 2 - 3 ) ( 2 - 5 ) ，得出了载体中心线处管道的压力损失公式： a p = a u g e f r e l l ( s a r2 a ，) m ( 1 + m ) p ( 2 - 6 ) 可见，中心流道处的压力损失是载体流道的平均压力损失的f 1 + m ) 倍，压 力损失与载体长度成正比，与载体前端面积成反比。减小压力损失可以通过减 小载体长度，增加载体前端面积，减小流速分布不均匀系数获得。 对催化器管道内的层流流动，【厂r e l 为常数，它仅与流道横截面的形状 有关，与通道的尺寸无关，对未加涂层的方形孔载体，i f r e l 为1 42 2 7 ，对 环形截面的流道， 厂r e 。 为1 6 ，对加涂层的方形通道，由于横截面接近环 形， 厂r e 。 的值在1 4 2 2 7 1 6 的范围内。 由于流道进口效应引起的摩擦扩大因子由下式给出： a u g = 1 + 0 0 4 4 5 r e l4 r l 1 0 5 ( 2 7 ) 其中，l t 为载体长度。 流体进入和离开载体流道时，引起流道截面的突缩和突扩，引起的压力损 失与面积的变化有关。图2 4 为载体流道进出口处面积突变示意图。 m i l l e r ，l d e l c h k ，b e n e d i c t 等”7 “2 趵”给出了由于管道面积突变引起的压力损失 系数( 见图2 5 ) 。 损 失 系 数 夕 流道进口 匪多一一一 - 流道出口 急剧扩张 e 一一一 图2 4 载体流道进出口处流道面积突变示意图 面积比 面积比 图2 5 管道横截面面积突扩突缩损失系数图 b e n e d i c t 对突扩突缩压力损失的公式分别为： p h = ( 1 一口) 2( 2 - 8 ) p h 2 = ( 旯) 一2 2 0 + 1( 2 - 9 ) 其中，h l 、h 2 分别为流道进出口处的动压头，五为o 9 7 5 ，为载体空隙率 的函数： 驴= 0 6 1 3 7 + o 1 3 3 2 a 一0 2 6 0 9 0 t 2 + 0 5 1 1 4 6 f z 3 ( 2 1 0 ) 文献”对影响载体压力损失的各种因素还进行了敏感性分析，结果认为， 对一般的蜂窝载体，载体的压力损失对载体直径最为敏感，其次是载体的长度 和孔密度，敏感性最小的是载体孔的壁厚。 2 、扩压管与收缩管内的压力损失 催化器扩压管与收缩管的形状多种多样，包括多个进出口头或偏离载体中 心线等。入射流与扩压器内滞流区的摩擦，在载体前端的转向与扩张，都会导 致压力损失。它与人口管和扩张管的结构和形状密切相关，例如，在排气质量 流量不变的条件下，当入口管直径减小时，催化器人口动压增加( 与直径的4 次方成正比) ，入射流的不均匀性增加，与周围气流扰动和载体前表面的碰撞 加剧，使得扩张管的局部压力损失增大。 收缩管的压力损失主要由气流与管壁的摩擦，载体管道出口气体束间的摩 擦及缩口处气流的剪切造成”。它对收缩管与出口管之阳j 的过渡形状非常敏 感，增加缩口处的圆滑过渡半径可大大减小收缩管的压力损失。尖角缩口的压 力损失系数一般为0 5 左右，适当减小收缩管的夹角可使压力损失系数减小到 0 2 左右，锥管与直管圆滑过渡( 过渡半径出口直径 o 1 ) ，可使压力系数降 低到0 1 以下。典型催化器扩张管进出口截面比一般在0 2 o 2 5 之间，这时 管接头的扩张和收缩压力损失系数在ll 1 3 之间。 催化器的结构形状对压力损失影响很大，通过理论分析或实验来确定其压 力损失非常困难，特别是对结构形状比较复杂的情况。 2 4 催化转化器载体内的流动均匀性 催化转化器的性能受其的流速分布特性影响很大，它直接影响到裁体内催 化剂的利用效率、热应力与压降大小，从而影响催化转化器的寿命和发动机的 燃油经济性。载体内的流动均匀性系数是衡量载体内速度