（光学工程专业论文）催化转化器流动特性及其结构改进的研究.pdf

摘要 本文概述了催化转化器在实验研究和数值模拟研究等方面的进展情况，分析 了影响其内部流速分布和压力损失的主要因素，借助于计算流体力学技术 ( c f d ) ，运用计算机模拟和实验研究相结合的方法，研究了转化器结构对流速 分布的影响。 首先运用c f d 的知识和理论，建立了催化转化器内部流场和非稳态温度场 数学模型。在建模过程中，充分考虑了化学反应放热对载体升温过程的影响，使 得该模型更合理。在分析转化器内部流速分布均匀性时，提出了符合数学模型的 流速分布不均匀系数的计算方法。在模型求解过程中，通过c f d 软件的接口和 自编的“n e w t o n - r a p h s o n 算法，利用“d u a l c e l l ”网格求解技术，对模型进行了 计算。其次，为了改善转化器内部流速分布，提出在扩张管入口处加装导流装置 的结构，运用试验研究和数值模拟相结合的方法，对该结构进行了研究。研究结 果表明，这种改进措施是可行的。最后，采用已有的试验数据对数学模型进行了 二次论证。在可靠数学模型的基础上，应用该模型对一种催化转化器的结构进行 了改进设计。 关键词：催化转化器，c f d ，数值模拟，流速分布，优化设计 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ec u r r e n td e v e l o p i n gs t a t u so nt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f c a t a l y t i cc o n v e n e ri ss u m m a r i z e d t h em a i nf a c t o rw h i c hi n f l u e n c e sf l o wd i s t r i b u t i o n a n dp r e s s u r el o s si sa n a l y z e d u s i n gc o m p u t e rf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) t e c h n o l o g y , h o w t h ec o n s t r u c t i o no fc o n v e r t e ri n f l u e n c ef l o wd i s t r i b u t i o ni sa n a l y z e d f i r s t l y , 晰t ht h ek n o w l e d g ea n dt h e o r yo fc f d ，t h en u m e r i c a lm o d e lo fi n t e r i o r f l u i df i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l di se s t a b l i s h e d ；d u r i n gt h ep r o c e s so fb u i l d i n gt h e m o d e l ，i ti sc o n s i d e r e df u l l yh o wt h er e a c t i o nh e a ti n f l u e n c et h et e m p e r a t u r eo f m o n o l i t h w h i c hm a k e st h em o d e la c c o r dw i t ht h ef a c t w h e ni n t e r i o rf l o w d i s t r i b u t i o ni sa n a l y z e d ，t h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o do ff l o wd i s t r i b u t i o na c c o r d i n gw i t h n u m e f i c mm o d e li sd e d u c e d t h em o d e li ss o l v e db yi n t e r f a c eo fc f ds o f t w a r ea n d n e w t o n - r a p h s o n ”a r i t h m e t i cw i t h “d u a l - c e l l ”m e s ht e c h n o l o g y s e c o n d l y i no r d e r t oi m p r o v ef l o wd i s t r i b u t i o n ，t h ea u t h o rd e s i g n sad e f l e c t o r , w h i c hi si n s t a l l e di nt h e i n l e to fd i f f u s e r u s i n gt h em e t h o do fi n t e g r a t i n gt e s tw i t hn u m e f i c a is i m u l a t i o nt o a n a l y z et h ec o n s t r u c t i o n ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h ec o n s t r u c t i o ni sf e a s i b l e l a s t ，t h e n u m e r i c a lm o d e li sv e r i f i e dw i t l lt e s td a t ao n c em o r e u s i n gt h i sm o d e l ，t h e c o n s t r u c t i o no fc a t a l y t i cc o n v e r t e ri si m p r o v e db a s e do nt h er e l i a b l en u m e r i c a lm o d e l 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 ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f l o wd i s t r i b u t i o n ， o p t i m i z a t i o nd e s i g n i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学 位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名：杨溅 保密囹，在3 年解密后适用本授权书。 不保密口 导师始寥绣 签字日期：锄口争年月u 日 签字日攀易乒年z 月矽日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：桶成 日期：1 卯弘年，月砂日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章概述 汽车作为一种现代化的交通工具，给人类的生活和工作带来了很大的便利， 但同时也给环境带来了很大的危害。随着汽车工业的快速发展，全世界汽车保有 量的快速增加，汽车产生的废气已经成为地球上主要的污染源。据统计，汽车排 气污染占大气污染的5 0 左右。汽车尾气污染已经成为世界上最大的环境问题， 引起了人们的广泛关注。为此世界各国纷纷出台排放标准来限制汽车尾气排放， 保护人类的健康。美国首先在1 9 7 5 年颁布法规来限制h c 、c o 和n o x 的排放。 紧接着，日本和欧洲也出台了政策，其中美国和欧洲标准是最重要的法规，并且 它们对排放的要求也日渐严格。 在我国，随着经济的快速发展和城市的现代化，汽车工业得到较快的发展。 到1 9 9 5 年，全国汽车总保有量达到1 1 0 0 万辆，2 0 0 0 年为1 8 0 0 多万辆，而且正 以1 5 左右的速度快速发展。私人轿车正在逐步地进入家庭，预计2 0 1 0 年，全 国汽车保有量将达到4 5 0 0 , - - , 5 0 0 0 万辆。由于汽车数量的不断增加，从9 0 年代起， 汽车尾气污染在我国大城市中已经日益突出。1 9 9 5 年全国机动车排放的c o 和 n o 。分别达到2 0 0 0 万吨和1 2 0 万吨。在大城市中，汽车排放的c o 对大气污染 分担率达到8 5 ，n o x 达到4 5 5 0 ，成为城市的主要污染物。因此，治理 汽车污染已经成为我国环境治理中的一项重要任务i l 引。 面对日益严重的汽车尾气污染问题，1 9 9 9 年3 月1 日，国家质量技术监督 局发布了相当于欧i 标准排放法规的国家标准g b l 4 7 6 1 1 9 9 9 汽车排放污染物 限值及测试方法，并于2 0 0 0 年1 月1 日起开始实施。此外根据国家环保总局、 科技部和国家机械工业局联合发布的机动车排放污染防治技术【4 】，我国在今 年开始实施欧i i 法规，2 0 1 0 年前后与国际排放控制水平接轨。面对日益严格的 排放标准，汽车电子喷射技术加上催化转化技术是满足排放标准的必然选择。同 时日益严格的排放法规对催化转化器的性能要求提出了挑战。 在催化剂方面，不但要求有较高的活性，而且要有足够长的寿命。国外一 般要求新车用转化器在使用5 万英里( 约8 万公里) 后整车排放仍能满足法规要 催化转化器流动特性及其结构改进的研究 求。而近年来对转化器的耐久性要求又提高到8 万英里甚至1 0 万英里。 改善催化转化器的起燃性能也非常重要。在新的欧洲测试循环和美国的 f t p 7 5 测试循环期间，汽车冷启动期间( 2 0 0 秒左右) 的废气排放占整个测试循环 的6 0 8 0 【5 j 。因此，如何减少冷启动排放是满足将来排放法规的关键。 全面改善催化转化器内的流速分布均匀性和压力损失。据有关资料统计1 6 j ， 催化转化器的压力损失占整个发动机排气系统压力损失的3 0 4 0 ，而国产 催化器的流动阻力比国外产品还要大，这一差距随排气流量的增加而增大。较 大的排气背压不但制约着发动机的输出功率，而且还影响着发动机的燃油经济 性。催化转化器载体的流速分布不均匀不仅降低催化剂的使用效率，加速催化 剂的劣化程度，还会导致载体径向温度梯度过大，造成温度热应力，产生热疲劳， 这些都会降低其使用寿命。同时，流速分布对催化转化器的起燃特性也有较大的 影响。因此研究催化转化器的流速分布意义重大，它不仅能够为催化转化器的结 构优化提供理论指导，还为发动机和整个排气系统的匹配提供必要的信息。 催化转化器内部流动非常复杂( 包括传热、传质和化学反应等现象) ，受到 转化器内部结构复杂和恶劣工作环境的限制，要想针对转化器流动特性进行优化 设计非常困难。同时，依靠试验的方法来设计和优化催化转化器耗费了大量的人 力、物力和时间。但是随着计算机技术的发展，计算流体力学技术( c f d ) 在改 善流速分布和减少压力损失，提高催化剂的使用效率，减少载体的热应力，延长 其使用寿命等方面发挥了很大的作用。应用c f d 技术对转化器进行优化设计可 以缩短开发周期，减少开发费用，提高催化转化器的转化性能。 在国内，车用催化转化器的开发起步较晚，在催化转化器的结构设计方面 与国外有较大的差距，对催化转化器的研究大多停留在对催化剂的研究和制备 上，对催化转化器的设计还停留在经验上，缺乏有效的手段和理论指导。本文就 是在这样的背景下，通过建立催化转化器的数学模型，应用c f d 技术对其结构 参数进行了分析，证明了c f d 技术可以对催化转化器结构进行优化设计，能够 为其优化设计提供理论指导。这对于提高我国汽车的排放控制水平有重要的现实 意义。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 国内外对催化转化器内部流场等研究概况 1 2 1 实验研究 催化转化器的流动特性主要指的是催化转化器压力损失和流动均匀性两个 方面。流动均匀性对起燃温度有很大的影响，而压力损失直接影响到发动机的燃 油经济性和动力性，因此对催化器的流动特性进行研究具有重大的意义。 早在1 9 7 4 年，h o w i t t 和s e k e l l a 7 】通过使用热线风速仪对装有不同导流片的 氧化性催化转化器的载体进口速度分布进行了测量。结果发现，如果不加导流片， 气流主要集中在载体的中心区域；在加入导流装置后，可以大大改善载体的速度 分布，使得c o 和h c 转化效率提高。同时流速分布均匀会造成载体的温度梯度 分布也均匀，这样就延长了转化器的使用寿命。 同年，l e m m e 和g i v e n s 8 】研究了不同扩张管和收缩管形状的催化转化器对 流速分布的影响。在室温条件下，测量了圆锥形、椭圆形和方形截面的扩张管和 收缩管的速度分布。结果发现扩张管和收缩管的形状对速度分布的影响影响不明 显；增加载体的长度，可使载体内的流速分布均匀，这主要是由于载体流动阻力 增加所致；增加入口管和载体直径的比率可以改善载体内流速分布。 19 8 6 年，w e n d l a n d 和m a t t h e s l 9 1 对双块载体的催化转化器进行了水流可视化 研究。实验是用水流通过由丙烯酸制成的全透明催化转化器，在水中放入少量 2 0 0 p r o 中性密度颗粒作为跟踪粒子，用2 0m w 的h e n e 激光和2w 的氩离子 激光作为光源，照亮入口、出口和中间部分一层薄平面，照亮区域的粒子轨迹就 可以显示水流的运动，用颗粒的波纹长度来显示速度分布。研究结果发现入口管 流速在进入扩张管时与其壁面产生分离，以直径不变的射流前进，在距离第一块 载体前端面2 0 m m 时开始扩展。射流有一个不规则的椭圆形、螺旋状漩涡包围。 在整个流速范围内，这种情况不变。研究还发现，水流在收缩管内没有产生分离； 把出口管移进扩张管1 2 m m 时对压力损失没有影响。 1 9 9 2 年，w e n d l a n d 和m a r h e s 1 0 】在以前试验的基础上研究入口管和出口管 端面与载体端面的距离对转化器流动特性的影响。考察了入口管伸入率为0 、 5 0 、7 5 和9 0 的四种转化器，结果发现在前三种情况下压力损失和流速分 布没有明显的变化，这就意味着缩短转化器的扩张管和收缩管对转化器的流动性 3 催化转化器流动特性及其结构改进的研究 能没有影响；另外还发现缩短扩张管和收缩管对c o 、h c 和n o 。起燃特性没有 不利影响，但有可能延长转化器的起燃时间。但从结构布置的角度来说，缩短转 化器的长度可以减小安装空间。 另外，b e n j a m i n 【l l j 利用皮托管对不同扩张角度的催化转化器的速度分布进 行了测量，它的主要目的是为了验证c f d 模型的正确性。 1 9 9 8 年，m a r t i n 等人【1 2 】通过c f d 模拟得出了流速分布均匀性的结果，但 是流速分布对转化效率和起燃温度的影响通过稳态测试程序得出。研究结果表 明，流速分布越均匀，起燃温度就越低。 在国内，对催化器内气体流动实验研究进行得很少，与国外相比有很大的 差距。这主要是与我国前几年的排放法规可操作性差，科研经费投入不足，人们 的环保意识不强造成的。近几年，由于我国的排放法规的日益严格，对催化转化 器进行内流场的研究开始活跃起来，其中清华大学【1 3 - 1 4 】通过u 型管和皮托管对 转化器的流动和压力损失进行过一些研究。 通过上面的综述可以看出，催化转化器内流场的试验研究能够为设计提供 理论依据，为数学模型的建立提供依据和验证标准，但实验研究不仅花费的时间 长，而且成本也很高，且对催化器的测量只能集中在局部方面，无法对催化转化 器的内流动进行整体的研究。随着计算机技术的发展，利用c f d 技术对催化转 化器进行优化设计是完全可行的。它可以弥补实验研究的不足，可以对催化转化 器内的流场和温度场进行全面分析。 1 2 2 数值模拟研究 催化转化器内存在着复杂的物理和化学反应，对这些反应过程的成功模拟， 取决于如何对传质、传热、动量和化学反应动力学模型进行定量的描述。转化器 的性能不仅与催化剂的化学特性有关，而且也与转化器系统的设计( 扩张管和收 缩管的形状，载体的尺寸和位置等) 有关。随着排放法规的日益严格，转化器结 构设计显得更加重要。从上一节的分析可以看出，传统的方法主要靠试验或经验 设计；随着c f d 技术的日益完善，应用c f d 技术优化催化转化器的设计成为一 种选择。催化转化器的数值模拟分为以下两类： ( 一) 稳态流场的数值模拟 4 江苏大学硕士学位论文 这类计算模拟主要是研究催化转化器流动均匀性和压力损失两个方面，它 不考虑传质和传热过程，只考虑动量传输过程。流动均匀性对转化器的起燃温度 和载体的热应力有很大影响。因此当考虑到催化转化器的使用寿命时，转化器内 的流速分布非常重要。 1 9 9 1 年，l m 等人1 5 1 用p h o e n i c s 软件对一个典型的双床催化转化器内流 动进行了三维数值模拟，没有考虑化学反应。湍流模型采用的是标准k 方程， 载体阻力方程采用充分发展的层流管的d a r c y 方程，研究了入口管结构、载体阻 力、入口流速、雷诺数等对转化器流动特性的影响。数值模拟结果发现：雷诺数、 载体阻力、入口管的长度和弯曲的角度等对载体内的流速分布有很大的影响；当 雷诺数较小，载体阻力较大时，直入口管比弯曲入口管、短入口管比长入口管的 流速分布好。 同年b e l l a 等人【1 6 】用s t a r - i 程序对一锥形入口管接头进行了三维稳态数值模 拟，研究了入口管导流片对流动均匀性的影响，发现在采用了导流装置后载体内 的流速分布更加均匀。 1 9 9 6 年，b e 坷a m i n 等人【1 7 】用s t a r - c d 程序对轴对称的催化转化器进行t - - 维模拟，湍流模型采用的是k - e r n g 方程，载体阻力采用h a g e n p o i s e u l l e 方程。 模拟的结果和试验结果进行了比较，评估了c f d 在预测催化转化器流动性能方 面的有效性。 ( 二) 温度场和浓度场的数值模拟 上述内部流场数值模拟能够预测催化转化器的流速分布和压力损失，能够 说明催化转化器结构对转化效率和起燃特性等性能的影响。研究转化器的传质和 传热过程，能够更加深入对催化转化器的认识，为其结构优化设计和整车匹配提 供全面的指导。 1 9 8 8 年以前，出现的催化转化器数学模型【1 8 舶】主要是研究在绝热条件下， 转化器入口流速分布均匀时的催化转化器性能。此时，假定载体所有通道内的温 度和浓度分布相同，因此只需考虑一个孔道的情况。但是，汽车催化转化器实际 上处于非绝热状态，流速主要分布在转化器载体的中心区域【7 】，因此每个孔道的 气流状态是不同的，相邻孔道之间存在着径向传导，故需要考虑整个催化转化器 载体。 5 催化转化器流动特性及其结构改进的研究 1 9 8 8 年，c h e n 等人【2 0 1 用基于有限单元法的a b a q u s 软件，模拟了蜂窝陶 瓷载体在流速分布不均匀、非绝热条件下的三维非稳态数值模拟。该模型较全面 地考虑了载体和气流间换热、气体组分向载体表面的传质、化学反应的放热、载 体的径向热传导和向周围环境的放热等重要的物理和化学现象。研究了在不同流 速、入口温度和催化剂涂附量下的载体温度分布情况。研究发现，径向热损失和 流速分布不均匀是造成载体温度梯度和热应力的主要来源。此外， f l y t z a n i s t e p h a n o p o u l o s 等人【2 1 1 及b e c k e r 和z y g o u r a 妇s 等人也研究了转化器载 体的三维数值模拟，但前者没有考虑化学反应放热的热传导，后者忽略了向周围 环境的热传导。 1 9 9 1 年，b e l l a 等人【怕】用s t a r - i 软件对蜂窝状陶瓷载体的单个孔道进行了一 维非稳态模拟。在进行非稳态模拟以前，首先对一扩张管接头进行三维稳态模拟， 得到的流速分布结果作为一维模拟的入口边界条件。同时还对c o 和c 3 h 8 的浓 度进行了预测。 在前面提到c h e n 等人的数值模拟中，虽然能够详细的预测催化转化器载体 的温度分布，但是提供的入口流速分布是预先设定的。此外，仅考虑了催化转化 器载体，因此不能研究整个催化转化器的流动问题，无法预测催化转化器内的传 热和化学反应对入口气流的影响。正是出于以上问题的考虑，1 9 9 5 年，s u g i u r a 等人 2 3 j 在s t a r - c d 软件上开发了新的数值模拟方法。对于气流来说，采用可压缩 气体，考虑了质量、惯量、能量、湍流能传输和化学组分守恒方程，湍流模型采 用的是标准k - 方程；对于催化转化器载体，只考虑能量守恒方程。因为载体由 许多细小孔道构成，它对载体孔道内的流动有很大影响，如何处理蜂窝状孔道对 预测催化转化器性能的影响很大。如果通过划分网格的方法来代表这些孔道，虽 然能够准确地预测出孔道内的流动情况，但要花费大量的时间来生成网格和进行 计算，从工程角度来说，实际上是不可取的。因此载体孔道采用多孔介质模型， 阻力方程的系数通过实验数据得出。为了缩短计算时间，对于轴对称问题，采用 了二维模型。预测和试验结果良好吻合。 2 0 0 0 年，k i mw o o s e u n g 5 】用s t a r - c d 软件对催化转化器进行了三维非稳态 数值模拟。与以往的数值模型不同，在这个模型中，把催化转化器系统的流动区 域分成两部分，载体里面采用层流区域，其余部分为湍流区域；对于可压缩湍流 6 江苏大学硕士学位论文 区域，对质量、动量、组分浓度、能量、团流动能和耗散率采用雷诺平均控制方 程。将载体看作多孔介质，预测了孔密度，几何表面积和孔隙率等几何参数对载 体温度和化学性能的影响。此模型对可变孔密度的载体设计概念进行了模拟计 算，其方法是通过调整孔密度改善整个转化器端面上的流速分布。计算结果发现 随着空速增加转化效率下降；另外还发现可变孔密度设计思想可以改善起燃特 性。 在以上的数值模拟中，化学反应使用的是整体反应机制，而忽略了发生在 催化剂表面的单个反应。2 0 0 0 年，b r a u nj 等人【2 4 】用f l u e n t 软件模拟了催化转 化器在稀混合气、理论配比和浓混合气的条件下的起燃特性。该模型和以往最大 的区别是更详细考虑了催化转化器载体内发生的化学反应，它采用的是基元反应 机制，预测和试验结果能够很好吻合。 综上所述，数值模拟从早期对催化转化器进行简单一维模拟，到现在复杂 的三维模拟；从模拟转化器内的流动状况发展到现在模拟复杂的化学反应；在模 拟精度和范围上都有了很大的进展。催化转化器模型能够准确地预测催化转化器 的性能。 国内对催化转化器内部流动的研究并不多见。帅石金等人【2 5 之8 1 采用s t a r - c d 软件对催化转化器的结构对流动特性的影响进行过模拟。刘军和苏清祖【2 9 】用 a n s y s 软件对催化转化器的流速分布进行了模拟。赵继业等人【3 0 】也用a n s y s 软件对催化转化器内的非稳态温度场进行了模拟，但没考虑化学反应的影响，只 考虑了热传导的影响。宋金瓯等人【3 l 】用m k 一1 4 程序对催化转化器进行了非稳态 模拟，使用的模型是一维模型，预测和试验结果吻合良好。 总之，国内对催化转化器内流场的数值模拟有了较大的进展，数学模型也开 始复杂起来；但是与国外相比，还是有较大的差距。因此研究c f d 在催化转化 器中的应用意义重大。 1 3 本文主要工作 在全面分析了国内外催化转化器内部流场研究现状的基础上，结合我国排 放控制的法规要求和催化转化器的设计水平，本课题主要从以下几个方面进行了 研究： 7 催化转化器流动特性及其结构改进的研究 1 ) 全面了解催化转化器的实验研究和数值模拟等方面的发展概况，着重分 析研究影响催化转化器流动特性的因素，提出催化转化器的改进方案，并进行实 验验证。 2 ) 利用计算流体力学的知识和理论，建立综合考虑催化转化器内部流动、 传热、传质和化学反应的更加合理的数学模型，通过此模型分析改进的催化转化 器，对导流装置进行数值模拟的研究。 1 4 本章小结 本章概述了国内外对催化转化器在试验研究和数值模拟方面的进展，表明 催化转化器的流动特性对催化转化器的性能有重要影响。其中，催化转化器载体 的流速分布对催化剂的使用效率、起燃特性和寿命都有很重要的影响；同时，压 力损失影响着发动机动力性和燃油经济性。因此改善催化转化器的流动特性至关 重要，它是催化转化器优化设计的目标之一。另外还可以看出，试验研究虽然可 以为催化转化器的优化设计提供必要的信息，但是无法研究整个催化转化器内的 流动状况。随着计算机技术的发展和催化转化器数学模型的成熟，应用c f d 技 术优化设计催化转化器是完全可行的。 8 江苏大学硕士学位论文 第2 章催化转化器内部流动特性及导流装置研究 21 催化转化器系统的组成 催化转化器是为了满足汽车排放标准而发展起来的一项降低排气污染的技 术，是机外净化装置的主要形式。它的主要作用是在催化剂的作用下将汽油车捧 放污染物中c o 、h c 、n o x 快速转化为c 0 2 、h 2 0 、n 2 。传统的催化器系统主要 有壳体、垫层、载体和催化剂四部分构成( 见图21 ) 。 圈2 l催化转化器的结构 i ) 载体 载体是承载催化剂和催化助剂的一种支撑体。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化学反应，从而达到净化尾 气中有害物的目的。现在市场上的载体主要有陶瓷载体和金属载体( 见图22 ) 。 幽2 , 2 金埘载体和陶瓷载体 9 催化转化器流动特性及其结构改进的研究 早期的催化转化器采用的是氧化铝( a 1 2 0 3 ) 的球状载体，这种载体的缺点 是磨损快、阻力大，目前在汽车催化器中已不再采用。美国康宁公司于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， 因此很快占据了车用催化器载体市场的主导地位。据统计【3 2 1 ，目前，世界上车用 催化器载体的9 0 是陶瓷载体，其余的为金属载体。金属载体于8 0 年代中后期 在轿车上开始使用，它突出的优点是壁薄、阻力小、热容小、导热快，但其生产 工艺复杂，成本高，可靠性较差，目前主要用作前置催化器，以降低发动机冷启 动时的有害气体排放量。 对于陶瓷载体来讲，它重要的几何参数是孔隙率口( 载体内流动面积与载 体横截面积之比) 和几何表面积g s a ( 单位体积载体的蜂窝孔的几何内表面积) 。 孔隙率口是孔道形状、孔密度n 和壁厚6 的函数。对于正方形孔的载体来 说，孔隙率为： 口：“一羽v o 5r ( 2 1 ) 几何表面积g s a 也是孔密度n 和壁厚6 的函数。对于正方形孔的载体来说， 几何表面积为： g s a ：4 ( n 0 5 一n 6 l( 2 2 ) 为了获得较小的流动阻力和较大的几何表面积，蜂窝载体正在向着多孔薄 壁的方向发展。目前，美国、日本等国的汽车用催化转化器大多为椭圆形，载体 的最小壁厚为o 1 m m - - 0 1 5 m m ，孔密度在4 0 0 - 6 0 0 c p i ( 每平方英寸拥有的小孔 数) 之间。孔密度越高，表明单位表面的催化剂体积就越大。但是受到机械强度 和热强度的限制，蜂窝通道的壁厚不宜做得太小，孔密度也就不可能太高。对于 孔密度为4 0 0 c p i 的载体来说，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积在2 8 c m 2 c m 3 以上，可以承受的高温在9 8 0 以上。一般来讲轿车用催化转化器的体积为汽油机排量的5 0 - - - 8 0 左右。 2 ) 涂层 涂层是将具有催化作用的物质分散在载体表面上的部分。涂层主要由丫- a 1 2 0 3 构成，具有较大的比面积( 2 0 0 m 2 儋) ，适合的孔分布，并具有一定的强度。 但其缺点是高温( 9 0 0 。c ) 时会发生相变，从而导致结构破坏。通过引入l a 、 c e 等助催化剂可以有效的改善丫a 1 2 0 3 的性能。l a 2 0 3 能使具有高比面积的 1 0 江苏大学硕士学位论文 y - a 1 2 0 3 结构稳定，防止高温下转化为a a 1 2 0 3 。c e 0 2 可以使活性组分在载体上 高度分散，而不宜聚集烧结。另外其本身还具有储氧功能，对p 。、p d 和r h 的催 化作用起促进作用。 3 ) 垫层 由于发动机排气温度变化范围宽，壳体和载体材料的热膨胀系数相差较大， 为了避免载体产生额外应力，需要在壳体和载体之间安装垫层。垫层材料在高温 下应保持良好的弹性恢复力，具有较长的使用寿命。另外，为了减小载体内部的 温度梯度，以减小载体承受的热应力和壳体的热变形，垫层还应具有隔热性。常 见的垫层有金属网垫和陶瓷密封垫，但陶瓷密封垫在隔热性、抗冲击性、密封性 和高低温下对载体的固定力，都比金属网垫优越，是主要的应用垫层。 4 ) 壳体 催化转化器壳体材料和形状是影响催化转化器转化效率和使用寿命的重要 因素。催化转化器的工作环境十分恶劣，壳体材料应具有抗腐蚀好和热变形程度 小等特点。目前国外多采用含n i 、c r 的不锈钢材料。 壳体的形状设计应使流经催化转化器的气流尽可能少的产生涡流和气流分 离现象，防止增大气流阻力。要特别注意进气端形状的设计，保证进气流的均匀性， 以提高催化转化器的转化效率和使用寿命。为了增强壳体的刚度，防止变形，应 考虑在壳体上设置加强筋。 2 2 转化器内部流动特性的分析 入口管 出口管 图2 3催化转化器的结构 典型的催化转化器结构主要由入口管、扩张管、载体、收缩管和出口管组 成( 如图2 3 所示) 。其结构对转化器流动特性的影响主要体现在流速分布和压力 催化转化器流动特性及其结构改进的研究 损失两个方面。常规结构的转化器，其流动集中在载体中心区域，易造成中心区 域的气流速度和温度较高，而载体边缘的气流量较小，这样就使得催化剂在中心 区域快速老化，而边缘地区的催化剂得不到利用，最终导致了转化器使用寿命的 减少和转化效率的降低。影响转化器流动特性的结构因素有以下方面【3 3 】： i ) 入口管的结构及其出口处的气体流向 入口管对转化器的气流分布的影响主要体现在入口管出口处的气流流向和 入口管本身的结构布置。 i i ) 扩张管的扩张角 为了使气体有足够的时间与催化剂表面发生化学反应，催化剂载体截面积 应大于转化器入口管截面积。当两者之间用扩张管连接，其扩张角超过5 0 7 0 时， 气流会出现分离。由于受排气系统安装尺寸的限制，通常扩张管很短，使扩张角 较大，导致流速在壁面分离，造成气流局部压力损失，使载体入口流速分布不均 匀。因而扩张管的设计是转化器结构设计的关键之一。 i i i ) 载体横截面的形状及其压力损失 载体横截面的形状和压力损失，对入口处的气流分布也有重要的影响。椭 圆形载体的流动分布并不理想。近年来，紧凑截面的蜂窝载体，如圆形和三角形 载体，在双催化转化器系统中得到应用。陶瓷蜂窝载体催化转化器的压力损失与 气流雷诺数和载体的物理特性有关，这里包括载体的横截面积、孔密度、壁厚以 及涂层的厚度和分布情况，特别是载体的长度。 2 2 1 转化器内流动压力损失的分析 催化转化器内流动的压力损失可分为沿程损失和局部损失。沿程损失是由 于气流的粘性力造成的能量损失；局部损失是由于气流微团发生碰撞、产生漩涡 等原因造成管道附近局部范围内的能量损失。据有关资料统计【6 】，催化转化器的 压力损失占整个发动机排气系统压力损失的3 0 - - 一4 0 ，因此如何减少催化转化 器的压力损失是催化转化器和汽车生产厂家十分关注的问题。下面详细分析载体 的入口和出口、扩张管和收缩管对压力损失的影响： ( 一) 载体压力损失【3 4 1 1 载体的沿程压力损失 1 2 江苏大学硕士学位论文 对于蜂窝陶瓷载体来说，载体内流动的雷诺数( r e ) 范围通常在1 0 r e 1 0 0 0 之间，这被认为是充分发展的层流。根据h a g e n p o i s e u i l l e 方程，单个通道内的压 力损失为： 。 a p = 睨砉 ( 2 3 ) 式中，凹为压力损失，q 是通过单个通道的体积流量，是气体的粘性系数， c 是与孔道形状和气流摩擦有关的常数，a 是孔道的开口面积，x 为通道的长度。 这里，q 和都是温度的函数，对压力损失有重要的影响。 表2 1空气物性参数随温度的变化值 温度( o c ) 2 04 0 08 0 0 粘性系数( 1 0 5n s m 2 ) o 8 4 1 4 71 8 9 密度p ( k g m 3 ) 1 1 4o 5 30 3 4 怕( 1 0 sn s m k g ) 0 7 42 7 75 8 2 表2 1 列出了空气物性参数随温度的变化情况。当其它条件不变时，温度从 室温增加到8 0 0 0 c ，压力损失增加了近8 倍，由此可见温度对压力损失有很大的影 响。 式( 2 3 ) 为单个孔道的流量计算式。把通过各单个孔道的流量加起来组成 多孑l 结构的流量方程，就可以算出整个蜂窝状载体的压力损失。对于典型的多孔 载体结构，若孔道数为n ，则总流量q f 为： q f = n o c ( 2 4 ) 对于正方形孔道的载体，压力损失为： p2 而c , u q , - x( 2 5 ) f n d ： 式中，f h 前开口面积，n 为孔密度，见为水力半径。我们可以把式( 2 5 ) 分成 三部分： 廿= 牿x ) ( 面1 c 2 剐 在这里，c ，q f 是常量，c 和f 与载体的外部结构尺寸有关，n 弄f l d h 与孔道的 催化转化器流动特性及其结构改进的研究 结构有关。这样可以把c ，t ，q f 构成一个新的参数c ，因此式( 2 6 ) 可以改 写成： 廿= c 敝珥肚珥) ( 2 7 ) 尺珲和尺珑分别称为部件阻力和管道阻力。下面详细分析这两种阻力： 1 ) 部件流动阻力 如式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 所示，部件流动阻力定义为载体长度和前开口面积的 比值。下面详细讨论它们对流动阻力的影响： ( a ) 当载体长度和前开口面积相互独立时，部件流动阻力能够简单的定义 为： 尺珲邵毒 晓鼬 式中，c 为常数，d p 为载体的当量直径。在这种假设条件下，压力损失和载体的 长度成正比，和当量直径的平方成反比。 ( b ) 当载体体积不变时，前开口面积和载体长度的关系如下： 矿= j x( 2 9 ) 这时候，载体的部件阻力可以表示成： r 珥2 軎苇彰矿毒 旺 和 尺珲= 亭= 等 旺 由此可以看出，当载体的体积保持不变时，部件流动阻力与部件当量直径 的四次方成反比，或者与载体长度的平方成正比。 经过上述分析表明，载体的直径对转化器的压力损失有显著的影响。当体 积不变时，直径分别增j j l l 5 到2 倍时，压力损失下降8 0 和9 4 。 2 ) 管道流动阻力 对于方形孔道载体来说，d , ：f l 的水利直径可以简单地表示为小孔的边长减 去壁厚( 一丁) 。利用这种关系和孔密度n 的定义，式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 中定义的 1 4 江苏大学硕士学位论文 管道流动阻力可以表示为： r 瓯= 志= 南 ( 2 1 2 ) 为了更清楚地表明孔密度n 和壁厚t 的影响，式( 2 1 2 ) 可以表示成： r 瓯= r 【1 一( r z ) f 一仃三) 】4 =一=一 ( 2 1 3 ) 由于载体孑乙道的强度可以用小孔边长与壁厚的比值表示，当孔道的强度不 变时，即三t = a 为一常数，式( 2 1 3 ) 可以写成： r 珥= 瓦 ( 2 “) ( 1 一l 么) 4 从上式可以看出，若保持孔道强度不变，则管道流动阻力与孔密度成正比。 3 ) 压力损失对载体结构参数的依赖性分析 根据上面的描述，式( 2 6 ) 可以写成： a p ：c 二- ( 2 1 5 ) d 口2 1 一( t 三) 】4 对式( 2 1 5 ) 的两边取自然对数，得出： l n p = l n c + i n n + l n x 一2 i n d p 一4 i n 1 一( 丁z ) 】 ( 2 1 6 ) 然后对每个变量的自然对数求导数，可以得出压力损失对每个变量的关系式： d i n h , ：l 一2 业( 2 1 一)= l z ol z ，j d l n xd i n x d l n z x p ：l d l n 1 一( t ) 】 d l n nd i n n d l n 尸d l n x ，、 d l n d pd l n d p d i n 心4 d l n t 【乜丁) 一1 】 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 在一定的假设条件下，可以求出式( 2 1 7 ) 到式( 2 2 0 ) 右边的值，这样可 得到有关结构参数对载体压力损失的影响指数值，其结果如表2 2 所示。表中正 号表示压力损失与变量成正比，负号表示与变量成反比。 1 5 催化转化器流动特性及其结构改进的研究 表2 2 载体压力损失对载体结构参数的依赖性 变量压力损失依赖性的指数值 载体直径( 载体体积不变) 4 载体直径 2 载体长度( 载体体积不变) 2 1 3 3( l 厂t - 7 ) 载体孔密度( 壁厚不变) 1 2 2( l 厂r = 1 0 ) 1 1 3( l 厂r = 1 7 ) 载体孔密度( 载体的强度不变) l 载体长度 l 0 6 7( l 厂r = 7 ) 载体壁厚( 孔密度不变) o 5 0( l 厂r = 1 0 ) 0 2 5 ( 毋1 7 ) 正如前面讨论过的那样，压力损失对载体长度的依赖性有两种可能的结果： ( a ) 当载体长度和直径相互独立时，依赖性指数为+ l ：当载体的体积不变， 而长度变化时，依赖性指数为+ 2 。 ( b ) 当载体长度不变时，压力损失对载体直径的依赖性指数为2 ；当载体 体积不变时，依赖性指数为4 。 当载体强度保持不变时，压力损失与孔密度成正比；当孔道的边长与壁厚 相互独立时，对孔密度的依赖性指数为l ，实际值与l 和t 的值有关。 正如式( 2 2 0 ) 所示，压力损失对小孔壁厚的依赖性是孔道边长和壁厚的函 数。当孔密度不变时，依赖性随着壁厚的变化而变化。当坍的比值大于5 时，压 力损失的依赖性小于l 。壁厚越小，压力损失的依赖性越小。 综上所述，载体直径对压力损失的影响最大，载体壁厚对压力损失的影响 最小。 ( 二) 载体入1 3 和出口处的压力损失【3 5 】 由于载体有很多细小的孔道，使得载体的有效流通面积小于载体的实际横 截面积。当气流进入和离开载体通道时，有一个突然收缩和扩张的过程，这必然 会造成气流在载体管道入口和出口处的局部压力损失增加。 1 6 江苏大学硕士学位论文 截面突变引起的压力损失和面积比有关。对于蜂窝陶瓷载体来说，面积比 等于孔隙率口。载体收缩和扩张的压力损失系数可以表示为： fa p ih i = ( 1 一口) 2 ( 2 2 1 ) l 舯日2 = q 矽) 一2 + 1 ( 2 2 2 ) 式中，圩。、2 分别为载体入口和出口处的动压头，常数旯的值为o 9 7 5 ，是载 体孔隙率口的函数，可以由下式给出： 西：0 6 1 3 7 + 0 1 3 3 2 a 一0 2 6 0 9 6 2 + 0 5 11 4 6 6 3 ( 2 2 3 ) 对于一个0 1 5 2 m m 壁厚、1 9 , t a n 厚的涂层和孔密度为6 2 c m 2 的载体来说，扩 张和收缩压力损失系数分别为o 0 5 和0 1 5 。 ( 三) 扩张管和收缩管的压力损失 扩张管压力损失主要是由于入口射流在进入扩张管时产生分离，在射流和 其周围的滞止气流间产生剪切力，气流在载体前端发生转向和扩散造成的。当入 口管直径减小时，入口射流的动压头增加，使得压力损失增加。 收缩管的压力损失主要是由于入口气流和管壁的摩擦、出口气流与管壁的 摩擦及收缩管里的流动和滞止气流间的剪切造成的。收缩管对收缩管口和出口管 之间的过渡尖角非常敏感，增加收缩管口的半径能够明显的减少收缩管的压力损 失。尖角过渡的压力损失系数一般在o 5 左右，适当的增加倒角可以使压力损失 系数降低n o 2 。 对于典型的转化器来说，收缩管面积比一般为0 2 - 0 2 5 ，管接头的扩张和 收缩损失系数的范围在1 1 和1 3 之间。管接头压力损失被看作在相同的入口管雷 诺数下测量的总压力损失与计算的载体压力损失之差。在高流速下，头部压力损 失是整个转化器压力损失的一半；在低流速下，约为总压力损失的三分之一。 2 2 2 转化器内流动均匀性的分析 转化器内流动均匀性对其性能有很大的影响，如果流速分布不均匀，造成 载体内的催化剂利用率下降。在流速大的地方，催化剂容易老化；相反，在流速 小的地方，催化剂得不到充分的利用，这样不仅造成催化剂的浪费，也降低其转 化效率。另外，流速分布不均匀也在载体横截面上产生温度应力，使得载体容易 1 7 催化转化器流动特性及其结构改进的研究 变形而损坏。 w e n d l a n d 矛- i w i l l i a m1 9 1 石8 究了流速大小对流动均匀性的影响，并用载体流速 不均匀性系数作为评价指