（车辆工程专业论文）排气净化器在轻型汽油车上的应用研究.pdf

摘要 排放法规的严格执行，促使中国汽车业加快了汽车排放控制技 术的应用研究和开发本文在这一背景f ，结合重庆长安汽车公司 的实际情况，首先分析了国内外各个历史时期的排放控制技术，阐 述了欧美日以及中国的排放法规状况，然后从排气净化器的结构分 析入手，针对“长安之星”汽车设计了一种s c 6 3 5 0 c 排气净化器。 在排气净化器的理论研究方面，本文主要从排气净化器的净化 机理、消声机理、载体的物化性能以及使用寿命等方面进行了讨论 和分析，得出了排气净化器应用的理论依据，特别是在消声机理的 研究方面，本文提出了一种全新的净化器与消声器的等效结构概 念，为轻型汽车排气净化消声系统在降噪和发动机功耗方面的优化 设计提供了理论基础。 在排气净化器的试验研究方面，本文主要通过试验验证了 s c 6 3 5 0 c 的净化性能、消声性能、物化性能和使用寿命等，从而解 决了长安汽车的排放问题。 关键词汽车排放尾气净化器催化技术性能试验 a b s t r a c t t h ee n f o r c e m e n to ft h ee m i s s i o nl e g i s l a t i o nh a sa c c e l e r a t e dt h e a p p l i c a t i o nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tf o ra u t o m o t i v ee m i s s i o nc o n t r o l t e c h n o l o g yi nc h i n a u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，t h i s1 ) a p e rf o c u s e so nt l e p r a c t i c a ls i t u a t i o ni nc h o n g q i n gc h a n g a na u t o m o b i l ec o m p a n y f i r s to f a l l 。t h ep a p e ra n a l y z e dt h ee m i s s i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yi nd i f i e r e n t p e r i o d si nc h i n aa sw e l la st h ew o r l d a n ds u m m a r i z e dt h e1 e g i s l a t i o n s t a t u si ne u r o p e ，a m e r i c a ，j a p a na n dc h i n a b e g i r m i n gw i t ht h e c o n s t r u c t i o n a n a l y s i s f o re x h a u s te m i s s i o nc a t a l y t i c c o n v e r t e r , t h e c a t a l y t i cc o n v e r t e rf o r “c h a n g a ns t a r ”m o d e ls c 6 35 0 cw a sd e s i g n e d f o rt h et h e o r e f i c a lr e s e a r c ho fc a t a l y t i cc o n v e r t e gt h i sp a p e l h a s d i s c u s s e da n da n a l y z e dt h ee m i s s i o nr e d u c t i o np r i n c i p l e m u m e rn o i s e s u p p r e s s i o nm e c h a n i s m s u b s t r a t e sp h y s i c a l & c h e m i c a lp e r f o r m a n c e a n dt h ed u r a b i l i t y , a n dc o n c l u d e dt h et h e o r e t i c a lp r i n c i p l e sf o r 辔e a p p l i c a t i o no fe x h a u s te m i s s i o nc o n t r o lc o n v e r t e r e s p e c i a l l yi nt h e r e s e a r c ho fn o i s e s u p p r e s s i o nm e c h a n i s m ，a n e wc o n c e p t i o no f “e q u i v a l e n td e s i g n ”f o rc a t a l y t i cc o n v e n e ra n dm u 僚e rw a sr e v e a l e d w h i c hp r o v i d e dt h et h e o r e t i c a ib a s i sf o rt h eo p t i m i z a t i o no fe x h a u s tn o i s e s u p p r e s s i o na n de n g i n ep o w e rl o s sf o rl i g h t d u t yv e h i c l e t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ne m i s s i o nc o n t r o lc a t a l y t i cc o n v e r t e r h a ss o l v e dt h ep r o b l e mo fe m i s s i o nc o n t r o li nc h a n g a nv e h i c l e s 。m a i n t y b ye x a m i n i n gt h ee x h a u s te m i s s i o nr e d u c t i o n ，n o i s es u p p r e s s i o n ，p h y s i c a l & c h e m i c a ip e r f o r m a n c ea n dd u r a b i l i t yf o rs c 6 3 5 0 c sc o n v e r t e l k e yw o r d s ：m o t o rv e h i c l ee m i s s i o n ，e x h a u s tp u r i f i c a t i o nc o n v e r t e g c a t a l y s i st e c h n i q u e ，p e r f o r m a n c et e s t s l 绪论 1 绪论 1 1 本课题的研究背景和意义 在九十年代中后期，随着中国改革开放的不断深入和发展，中国的 各项经济指标均得到显著的增长，人们的生活水平明显提高，人们不再 关心自己吃什么和穿什么，而更多的担心是自己生存环境的严重恶化。 在改革开放初期，甚至很长一段时间，人们重视的只是经济的快速发 展，而忽略环境的保护这样一个重要的问题。经济的发展伴随着印境的 污染，如江河污染、大气污染等，特别是大气污染，它与人们息息相关， 吸入了被污染的空气就会对人体造成极大的危害，甚至造成生命危险。 与本课题最有密切联系的也是大气的污染。 污染必然有污染源，大气的污染源是随着社会的发展而不断变化的。 在经济不发达时期主要有煤烟、灰尘等的污染；在经济发达时期，主要 有汽车尾气、工业废气，同时也包含部分煤烟等的污染。在我国，随着 汽车保有量的不断巨增，且相对集中在大城市，特别是各种轻型车的快 速增长，汽车的尾气污染已成了大中城市空气污染的主要源头【l l 。 汽车尾气的成分主要包括c 0 2 、h 2 0 、c o 、h c 和n o x 等，其中的c o 、 h c 和n o x 是对人体有相当危害的物质。c o 是无色无味的气体，它和血 红蛋白的结合能力是氧的2 4 0 倍，在人体吸入的空气中，如果c o 的含 量超过0 1 时，就会造成人体中大量血红蛋白失去输氧能力，导致人体 窒息。h c 中的烷烃和烯烃有麻醉作用，对人的口鼻粘膜有刺激，其中烯 烃是造成烟雾的因素之一，它和n o x 在太阳光的作用下，会产生光化学 烟雾现象。n o x 包括n o 和n 0 2 等，n o 在空气中能被氧化成n 0 2 ，在 空气中超过一定含量时，也会与人体中的j f i i 红蛋白结合，甚至影响肺的 功能。n 0 2 具有强烈的刺激异昧，对肺和心l 等都有很强的损害1 2 i 。 鉴于汽车尾气对大气环境的污染，特) j j 足在大中城市，污染尤其严 重。凶此，人们对治理汽车尾气的要求和u 于声日益强烈，如北京市在9 8 年8 月就率先制定了一个轻型汽车排气污染物排放标准的地方法规， 这意味着我国，格控制汽车排气污染物的j 1 。始。随后，国家环保局以及 绪论 各地方环保部门也先后制定了一系列汽车排放法规，其目的只有一个： 严格控制轻型汽车的排气污染物，净化我们赖以生成的大气环境。 汽车排放法规的加严，给汽车行业提了一个严峻的课题，如何适 应新的法规要求成了各整车厂的主攻目标。第一，严格的排放法规必需 先进的排放控制技术。中国的汽车技术同雌界发达国家相比，还存在着 很大的差距，排放控制技术更是一片空白。第二，要想达到新的法规要 求，必须对传统的化油器式汽车进行更新换代，主要包括对在用车的改 造。实践表明，化油器式车是无法达到新标准限值要求的。第三，更高 标准排放法规的严格执行，可能会在汽车行业造成适者生存的局面。没 有技术和经济实力的厂家，将无法面对新的法规而被淘汰。因为先进的 技术虽能控制排放，但也会显著增加成本。 重庆长安公司作为全国最大的微型汽车生产厂，首先对排放控制作出 了反应。事实上，长安公司早在9 6 年前就丌始排放控制技术的试验和研 究，从稀土催化剂的化油器系统到三元净化器的电控补气系统，最后到 三元净化器的电控燃油喷射系统和废气再循环控制装置( e g r 阀) 等。在 9 9 年就成功开发出三元净化器加电喷系统的微型汽车，从而极大地降低 了长安汽车的排气污染物，满足了严格的汽车排放法规的要求。正是由 于本人在实际工作中从事这方面的工作，因此，才选择了排气净化器作 为研究课题。 本课题的研究具有非常重要的现实意义。第一，本课题的研究与实 际工作相结合，解决了长安汽车现阶段的排放控制问题。第二，为轻型 汽车( 包括长安系歹0 汽车) 加装排放控制系统提供了理论依据和实际经 验。第三，本课题的研究对排放控制技术具肯很大的促进作用，为今后 的研究打下了基础。 1 2 国内外排放法规 排放法规是各图和地区用束限制汽车摊气污染物的强制性标准，它 的制定与陔国的工业化及经济水平有着密切的联系，工业化程规度越高， 经济越发达，那么排放法舰的制定和执行就越严格。美国、日本和欧溯 绪论 是当今世界上的三大法规体系，其规定的c 0 、h c 和n o x 比未控制前， 美国分别下降了9 6 、9 8 和9 0 ，日本分别下降了9 5 、9 6 和9 2 ， 欧洲分别下降了8 5 ( c o ) 、7 8 ( h c + n o x ) 1 3 1 。其他各国和地区都不同程 度地引用他们的标准。 美国是世界上制定排放法规最早和最严的国家。从1 9 6 0 年开始，美 国的加州就首先立法控制汽车的排气污染物，并于1 9 9 0 年首先提出低排 放、超低排放和零排放等标准1 4 l 。经过近四十年的不断发展，美国加州 现行的排放法规( 见表1 2 1 ) f 5 j 目前仍是世界上最严格的排放法规。 表121 加州轻型车( 轿车) 排放法规限值单位：g m i l e 污染物及限值 n m o g c on o x 车辆类另广 ( 无甲烷有机气体) t l e v0 1 2 53 40 4 l e v0 0 7 5 3 4o 2 u l e v0 ，0 4 0 l7 o 2 z e voo0 欧洲各国对汽车的排放控制比美国要晚近十年，制定的排放标准也 没有美国严格 6 。】9 7 0 年欧洲开始执行e c e r l5 - 0 0 法规，以后每3 4 年对法规限值进行修订加严。1 9 9 2 年开始执行e c e r 8 3 系列法规( 见表 1 2 2 ) 中的0 1 法规，目前已开始执行e c e r 8 3 系列中的0 4 法规( 即 欧洲号法规) 。 表12 2e c e r 8 3 系列法规限值单位：g k m 0 1 法规0 2 法规0 3 法规0 4 法规 法规 c oh c + n o xc oh c + n o xc oh cn o xc oh c n o x 法规限仇27 2 09 7 2 20 5 2 302015 1 oo 1 o 0 8 三犬排放法规体系中，同本的排放法舰介于美国和欧洲之f 日j 。事实 上，f 1 本的排放法舰是由美国法规和欧洲浊觇相结合而形成的。因此， 从某种意义上讲，世界上只有欧美两大法j 扰体系，日本不应成为独立的 1 绪论 4 法规体系。日本是从1 9 6 6 年开始控制汽车排气污染物的，其排放法规的 制定也经历了许多历程，到2 0 0 0 年，f i 小开始执行新的排放标准( 表 1 2 3 ) ，同时，日本也制定了低排放车的排放标准( 表1 2 4 ) 。 表1 2 ，3日本现行汽油车排放限值0 j 准 h cc on o x l 测试工况 耐久性( k m ) f ( g k m ) ( g k m ) ( f i k m ) 1 0 1 5 工况0 0 8 0 6 7o0 88 0 0 0 0 表1 2 4日本低排放车排放限值标准 f 低排放车测试工况 h c ( g k m )c o ( g k i n )n o x ( g k m )耐久性( k i n ) t l e vo 0 606 70 0 6 l e vl o 15 工况 00 40 6 7 0 0 4 8 0 0 0 0 【u l e v 0 、0 2 0 6 7o 0 2 中国是一个发展中国家，汽车的发展览落后子发达国家许多年，因 此，汽车的排放控制起步很晚。8 2 年开始制定汽车排放标准，9 3 年进 行了修订，其修订后的排放标准g b l 4 7 6 1 1 9 3 轻型汽车排气污染物排 放标准等效采用了欧洲e c e r l 5 一0 4 法娥。9 8 年北京市第一个制定了 d b l l ，1 0 5 9 8 北京市轻型汽车排放标准限值( 见表1 2 5 ) 的地方性法 规【7 】，该法规等效采用了欧洲8 3 一0 1 和0 2 法规， 并分两个阶段实施， 第二阶段的限值比第一阶段严格得多。 表l2 5北京市轻型汽车排放标准限值( d b l0 5 9 8 1 实 施l | 蚓 第一阶段( 9 9 11 2 0 0 31 23 h第一阶段( 2 0 0 41 1 ) l j j c o ( g k m ) 31 622 染 物 h c + n o x 排 ( g k i n ) 1 1 30 5 放 耐久性( k m )5 0 0 0 08 0 0 0 0 l 绪论 1 9 9 9 年，国家质量技术监督局颁布了新的汽举排放污染物排放标准 ( g b l 4 7 6 1 - 1 9 9 9 ) ，该标准在g b l 4 7 6 1 9 3 的基礁上送行了修改，采麓 e c e l5 + e u d c2 1 2 况、e c e r 8 3 0 l 法舰限值，是一个较为严格的汽车排放 污染物羧翻标准，萁汽油车稚气污染耪限傻觅表t 2 6 1 8 1 。 表1 2 5汽油车摊气污染物限氆( g b l 4 7 6 1 1 9 9 9 ) 基准质量 排气污染物限值 车辆类型 r m ( k g )c o ( g k i n )h c + n o x ( g k m ) m i全部27 2 ( 3 16 ) 0 9 7 ( t 1 3 ) 1 类r m i 2 5 02 ，7 2 ( 3 1 6 ) 0 9 7 ( 1 1 3 ) n l 1 1 类1 2 5 0 r m 1 7 0 05 1 7 ( 6 o )1 4 0 ( t 6 、 ! 类1 7 0 0 r m 6 。9 0 8 o )1 7 0 ( 2 。o ) 注：( 1 ) m i 指车辆设 十乘受( 含驾驶壤) 不超过6 a ，目车辆的最大总质量不超过2 5 0 0 k g 。 ( 2 ) n l 还包括设计上黎员数( 古驾驶员) 超过6 人，或车辆的最大总质麓超过2 5 0 0 k g 嫂不超过3 5 0 0 k g 的m 类车辆。 ( 3 ) 话号内为生产一致幢检查撩敞隈毽。 l 。3 国终接放控铡技寒酶发震历程秘憨势 在汽车工业一百多年的历史中，汽车技术得到了突飞猛进的发展， 扶麓荸静运羧税棱到凌找兹瞧子警璎控潮系统，汽车豹功缝嚣憝完善， 汽车的性能得到了很大的提高。排放控制系统就是专门用于降低汽车排 敖污染携熬装爨，它嗣整车豹鬟 教具骞决定+ 睡戆按期箨爆。 车辆排放主要包括三部分：一是燃油术经充分燃烧从排气管中排出 鹣气毒錾，二是扶燃烧嶷透塞环豹闻辍泄漏刘曲辘籀并撼入大气的泄漏气 体，三是燃油箱及燃油管道系统蒸发出来的汽油蒸气，其所占比例分别 为8 0 、l o 、l o 。由此可见，从发动机撼气管中撑线骢污染物占了 楚车的绝大部分，是汽车的主要排放污染物。因此，本文中的排放控制 系统主要是指发动识捺气污染貔的控制系统。 国外的排敞控制技术是随着排放法规的逐步加严而得到提高和趋予 完善的。美国魁世界上撮早羧制汽车排气污染物的国家之，其摊放控 制技术也经历了许多过程。内燃机的排气净化包括机内净化和机外净化， 绪论 机内净化主要是通过改进设计发动机的结构，使燃油混合气充分燃烧， 从而降低排气污染物；而机外净化主要是发动机排气后处理，即将排气 中的有害成分转化为无害的物质。因此，早在6 0 年代，由于美国洛杉机 的光化学烟雾事件以及大气清洁法的颁布，美国加州和联邦就先后开始 了治理c o 和h c ，其控制技术主要是采用机内净化，如通过技术革新研 制成功了高压缩比、高转速、质量轻、低油耗的发动机，从而改善了内 燃机的排气状况，满足了当时排放法规的要求。但与此同时，人们也开 始研究新的排放控制装置，如二次空气喷射、废气再循环控制装置( e g r 阀) 以及排气净化器等。早期的排气净化器殷都是氧化型的，它只对排 气中的c o 和h c 起催化氧化作用。到了7 0 年代，美国开始控制排气中 的n o x ，除了机内净化措施的继续实施外，废气再循环装置和氧化型净 化器得到了较为广泛的应用。废气再循环装置对降低n o x 起到了明显的 作用，而氧化型净化器则对排气中的c o 和h c 具有较好的净化效果。 在8 0 年代，由于n o x 的进一步加严，光靠废气再循环装置和氧化型净 化器已不能满足其要求。在这种情况下，三元净化器的研究得到了较快 的发展和广泛的应用，如化油器电控补气加三元净化器系统、电子燃油 喷射加三元净化器系统等，特别是电子燃油喷射加三元净化器系统，它 能使排气中的c o 、h c 和n o x 分别降低9 0 以上，且性能稳定，它的成 功应用，使排放控制系统取得了质的飞跃。该技术被公认为是当今治理 汽油车排气污染物的主要途径和根本方法。进入9 0 年代，美国通过修订 “洁净空气法”以及降低油耗，排放法规更加严格，汽车厂商不得不在 电喷加三元净化器和废气再循坏装置的综合运用基础上研究排放控制新 技术。如在电喷加三元净化器系统中增加舣轼传感器补偿系统( 即o b d 系统) ，其主要作用是精确控制空燃比，并保持其可靠性。另外还研制成 功了电加热式的三元净化器以及新型蓄热净化器1 9 l ，主要用在高档轿 车上，以降低冷启动时的排气污染物。然而1 ：；e9 0 年代中后期，美国研究 应用得较多的是代用燃料、电动汽车以及发动机其它新技术。美国的汽 车排放控制历程见表1 3 1 。 绪论 表i 3 1美国汽车排放控制技术历程 污染物降低( ) 时间采用的技术 h cn o xc o 1 9 7 2 】9 7 4p c v 帚1e g r6 77 22 1 1 9 7 5 l9 7 9 壬角电占占火似油辨式和氢化型渖化器 8 28 65 l 1 9 8 0 - 19 8 2单点电喷闭环控制和催化净化器9 2 9 6 5 i 1 9 8 3 1 9 9 3 多点电喷闭环控制和三元净化器 9 69 67 6 发动机技术控制，供油系统、一元净 19 9 4 - 2 0 0 4 化器和e g r 等的改进 9 69 8 9 0 日本和欧洲也是严格控制汽车排放的国家和地区，虽然他们与美国相 比，起步相对较晚，但他们对排放控制的加严程度并不亚于美国。其控 制技术的发展过程与美国基本相同，也是从机内净化到机外净化，从化 油器式控制到电喷三元净化器控制等。 如今，欧美的排放控制正向更严格的排放法规过渡，美国将在2 0 0 4 年实施第二阶段汽车排放法规，主要通过提高燃油质量等技术来满足法 规的要求。而欧洲则将在2 0 0 2 年以后实行冷车c o 和h c 的排放量，同 时改进测试循环和控制燃油质量。这说明，国外的汽车排放控制技术还 在加快研究步伐，以适应越来越严格的排放法规的要求。 1 4 国内排放控制技术的概况和趋势 中国的汽车工业起步较晚，排放控制极其技术严重落后于国外，国 产车、在用车污染严重，除引进技术生产的汽车之外，其它车辆的排气 状况都很差，所排出的h c 和c o 相当于发达国家同类车型的15 2 0 倍。 中国从8 2 年开始控制汽车排放，但由1 二当时的排放标准较低，以至 于国内生产的绝大多数汽车均能达到该标准限值的要求，这就是说，只 通过机内净化而不对排气进行任何的后处理就能符合排放法规的要求。 在9 0 年代初，由于国内汽车保有量的增加，汽车的污染逐渐显露出来， 在这种情况下，国家环保部门修订了排放标准。但由于法规的执行力度 较弱，因此并未对汽车行业产生较大的影响，以至于排放控制仍没取得 绪论 多大进展。然而，也有一些部门和单位由此开始对排放控制技术的研究 和试验。比如长安公司在9 4 年就开始研制应用稀土颗粒型净化消声器， 该净化消声器在使用初期对c o 和h c 的净化效果较好，但对n o x 的降 低作用不大，且颗粒型催化剂在汽车恶劣的排气环境条件下易于磨损， 其寿命较短。因此，试验证明颗粒型净化消声器还不宜在汽车上推广使 用。尽管如此，国内对稀土催化剂的研究从来没有停止过，且研究已取 得了较大的进展i l o 1 l l 。如将稀土催化剂涂层涂糊在蜂窝型载体上，这 样避免了颗粒型催化剂的磨损；在稀土催化刹的涂层中加入适当的贵金 属催化剂，提高了净化器的净化效率，且成本明显低于贵金属净化器。 从9 7 年开始，中国加快了对汽车尾气的治理，如北京市制定了严格 的排放法规，机械部汽车司在“九五”规划中重点治理轿车和轻型车的 排放，且执行力度加强。在这一背景条件下，由于稀土催化剂的低净化 效率，其控制技术就被彻底淘汰。有的地方甚至规定新车出厂必须加装 三元净化器和电喷控制系统，对在用车必须进行化油器改造，即加装三 元净化器和电控补气系统。电控补气加三元净化器系统是国外对化油器 车普遍采用的一种排放控制系统，长安公司技术中心率先在9 8 年底将该 系统成功地应用到长安微型汽车上，并在北京环保局的排放型式试验认 证中一次过关。但后来北京市又要求新车i 能装电喷加三元净化器系统， 因此，长安公司技术中心紧接着加快了微j 魁汽车电喷加三元净化器系统 的丌发应用，并于1 9 9 9 年开发成功。现z j ! ，“长安之星”汽车不但加装 了电喷三元净化器系统，而且还加装了废7 呼循环控制装置( e g r ) ，从 而极大地降低了该车的排气污染物，在微型汽车行业中率先拿到了进京 销售的通行证。 目前，就国内汽车行业来看，为适应不同地方法舰的要求，轿车基 本上都加装了电喷加三元净化器系统，轻微型汽车也有相当一部分加装 了该系统，从而使国内汽车的排放水平提r ：笥了较大的一个档次。然而， 国内的汽车生产厂小而多，许多厂家技术和经济实力有限，因而无法进 行排放控制系统的丌发和应用，特别是电喷加三元净化器系统。因此， 他们的汽1 ：尾气排放依然严重，要想在短剐内提高排放控制技术、降低 绪论9 排气污染物是很难的。但是，随着国家排放法规的逐步加严和法规执行 力度的加强，提高汽车的排放控制技术己势在必行。目前有许多单位正 在进行国产催化剂的研究和试制，如昆明贵会属研究所、北京有色金属 总公司等，虽然他们的研究已取得了定的成果，但作为实用技术还不 十分成熟。也有一些单位在研制开发先进的排放控制技术，如上海联合 电子有限公司为国产车开发匹配的电喷系统和上海德尔福汽车系统公司 开发匹配的电喷加三元净化器系统等。因此，可以肯定中国的排放控制 技术通过引进和自主开发，同国外的差距矿在缩小。 1 5 本课题的研究目的和内容 1 5 1 研究目的 本课题主要通过对排气三元净化器的理论和试验研究，为其在轻型 汽油车上的应用提供理论依据和实践经验。 1 5 2 研究内容 在理论方面，本课题主要进行如下方面的研究： ( 1 ) 对排气净化器的基本结构及其作用进行分析研究。 ( 2 ) 探讨轻型汽油车排气污染物的生成机理。 ( 3 ) 重点研究排气净化器的净化机理，如排气三元净化器的控制原理、催 化荆活性理论等。 ( 4 ) 排气净化器的消声机理研究，它包括排气净化器对排气系统消声性能 的影删和对发动机输出功率的影响等。 ( 5 ) 排气催化剂的失效研究。 ( 6 ) 蜂窝陶瓷载体物化性能研究。 在试验方面，本课题也将作如下方面的研究： ( 1 ) 排气净化器净化机理方面的试验研究，它包括净化器净化效率试验、 空燃比特性试验、起燃温度特性试验以及丈乍8 0 0 0 0 k m 耐久性试验等。 ( 2 ) 排气净化器的消声性能试验，即插入损足和功率损失比等的试验。 ( 3 ) 摊气净化器的机械性能试验。 ( 4 ) 排气净化器的抗铅性能试验。 2 排气净化器的结构硬方案设计 1 0 2排气净化器的结构及方案设计 2 1 排气净化器的基本结构及佟用 排气净化器的摹本结构觅图2 ，1 1 ，一般由壳俸、衬蛰、载体帮催亿 荆涂层四部分组成1 1 2 - 1 4 j 。 | f 图2 1 1 排气净化器结栅示意图 2 1 1 壳体 排气净化器的壳体按封装方式可分为对壳式、捆绑式和填充式。一般 采雳不锈钢誊季籽割袋，强1 c r l 9 n i t i 等，冀最大懿优点藏是耐瘸疆、不 易氧化产生氧化皮而堵塞催化剂载体。因为内燃机排气舆有含氯等复杂 成分，麴粟馁瘸了率季矮较差翡壳薅，英凌袭瑟藏会霞长瓣楚予捺气恶锈 环境中而产生腐蚀氧化现象，产生的氧化皮在气流的冲击下，被吹到载 零魏入溜璇，出子载俸荸露缎，l 、，这撵裁缀容易被堵塞，冀惹聚不餐会 引起摊气背压的增大，还会损坏催化剂涂层，影响催化剂的净化效果和 绩爱寿翕。 壳体不仅具有固定催化剂载体的作用，它还具有保温的重要作用。催 化荆戆馋爱必乡囊在一定兹温度下孝缝进行，为了骁止净化器内韶湿凄熬 迅速扩散，往往将壳体设计成双层结构。如是单层壳体，则厚魔般较 太，如t = 2 。0 m m 等。 有的净化器在壳体上表面安装了隔热罩。在下表面安漩了防护罩。隔 热罩起隔热 乍翅，它防止净化器戆反应高潺辐射剩车身她扳上，造成车 厢内温度升高。也有的隔热翠安装在净化器上面的车身地板上。防护犟 致鬻 邀黧 避 拨糯 邀 世隔 朔嘲眠 的釉 器瓢懿赢麓 净势鼹 护对酚暨 镙邵朝隧磊淤 2 捧气净化器的结苷j 故方案设诤 1 2 在3 0 3 1 0 。c 范围内，有机粘接刹软化并开始挥发，此时树垫被压缩：巍 净化器达到一定的温度( 3 0 。c ) 搿，蛭石卡于科开始使衬垫膨胀，直到一 个较离的温度( 8 2 0 ) ，此时衬垫厚度膨胀为初始厚度的1 4 0 - 1 7 0 ；獭 温度继续升离，衬蛰厚度开始减少；当衬警温度冷却至i 宠温时，衬垫裙 定稷度的收缩1 1 5 1 。 由于汽车的频繁磨动和行驶工蕊的不同，使得净化嚣耍经历光数次晌 温度升高和降低过程。因此，衬垫要经过多次循环膨胀。但是在多次热 循环中，衬蛰膨胀率几乎在定的数值下僳持不变。匿2 1 3 季雩垫在羊循 环的基础上经过多次循环的膨胀曲线。 么 一 7 、1 l j 鬻2 ，1 3 幸重垫多次热循环膨涨曲线 糕接裁为树垫提供了良好的压缩特性，这对载体的封装非常重要， 它决定了载体封装时所产生的压力。当封装时，有机粘接剂提供粘接强 度，由于它是静牯弹性材料，因此，压缩的速度越快，压缩力就越大， 当压缩速度过离时，典压缩力就会造成催化剂载体的损坏。一般情况下， 衬挚必须压缩至原厚度的6 3 庄右。但如粜压缩力过小，载体也会因固 定不牢而发生窜动。 衬热的保温特性并不是简单的隔热作刷，准确地讲，应是衬避的热传 导性，即在温度较低辩，热传导往较小，此时神辍对催纯帮超保温作丽； 丽当温度较赢时，如果衬垫的热传导性也较小的话，那么，催化剂就会 因高澄丽失活。困此，在德化帮处于高温f 列+ ，衬蛰应具有良好的燕传弹 性，以使催化荆温度不至于过高。圈2 1 4 魁衬垫的导热性曲线。 2 接气净化器魏结枇墟方案设计 t o m p e r a t u r cf + c 图2 1 4 衬垫的姆热性曲线 2 1 3 催化剂载体 键化刘载体按形状分为颗粒型鞠蜂窝型巍摹中。颗粒型载体具有耐冲 击性好、成本低等特点，因此，在早期应用得较为广泛，特别鼹美国通 期汽车公司曾经以生产颞粒型催化裁丽著称。但是，由予摊放法规的加 严，颗粒型催化剂的缺陷就逐渐暴鳝出来，如摊气阻力大、热负荷高、 澍癌性差等阉题，尽游已被汽车净化器所淘体。 蜂窝载体的最大优点是馐力损失小，约为9 8 2 9 4 p a ，是颓粒型载体 的几分之一 1 6 1 。蜂窝型载体按材料可分为衾属载体和陶瓷载体，其主鬻 参数对比见表2 1 1 。会嚣载体具存强度裹、几褒波瑟积大、气滚阻力小 袭21 1 金属载体与陶瓷载体的3 ：要参数对比 盘瓣蓑捧黼瓷蓑捧 售 jl jl= 扎避 l ；捩；丝父：” 口 p 耐 皿7 4 0 0 i i i n 1 城l i 1 2 女，o e s k ， 等优点，金属载体其有较好静传热往，起漱速度快1 1 7 一1 8 1 ，是一释跑较 理想的催化剂载体。它主要阁在靠近发动机的净化器上，这样对汽车冷 宣i牡蓉eujddt 2 排气净化器的结构技方案搜计 启动时的排放有所改善。但金属载体加工难度大，且不锈钢材料价格贵， 造成整个净化器成本很高。故目前金属载体的应用还较少，主要集中在 中高档轿车上。 蜂窝型陶瓷载体的开发成功，满足了汽车排气净化器的要求。首先， 以堇青石为材料的陶瓷载体具有良好的热稳定性和抗热冲击性。大量的 研究和试验证明，堇青石的热膨胀系数是最低的，它能够在净化器快速 加热或急冷时，抵抗载体的破裂，适合汽车的排气特点和净化器的使用 环境。第二，堇青石载体具有良好的机械强度和抗冲击能力。这不仅抵 抗了排气流的高速冲击和汽车行使中由路面引起的振动，还为载体的封 装提供了良好的条件。第三，堇青石的热导性较好，即热负荷较低，能 缩短催化剂的起燃时问。第四，陶瓷载体加工相对容易，且成本较低， 适应了汽车大批量生产的特点【1 9 】。目前，全球生产催化剂陶瓷载体的厂 商主要有美国康宁( c o r n i n g ) 公司和日本n g k 公司，他们的产品几乎 占了全球的9 0 以上，价格也相对较低。 2 1 4 催化剂涂层 催化剂涂层是在载体每个小孔通道的壁面上涂的一层非常疏松的活性 层，它是排气净化器起催化作用的核心部位。作为汽车排气催化剂涂层， 它必须具备下列特点f 2 0 i ： 1 ) 适应频繁的大幅度的气体流量、反应物成分浓度和排气温度的变化 2 ) 高活性，用量少，有较宽的温度、空燃比和空速特性。 3 ) 良好的抗热冲击性、抗毒性和热稳定胜。 4 ) 足够的机械强度和良好的物化性能。 催化剂涂层包含贵金属、助催化剂和氧化铝等物质，贵金属和助催化 剂散布在氧化铝表面上，如图2 1 5 所示。催化剂涂以y a 1 2 0 3 为主。y a 1 2 0 3 具有非常粗糙的表面，其表面积可使钱体小孔壁面面积扩大7 0 0 0 倍左右。但是，y a 1 2 0 3 在一定的高温下会发生晶相转变，即y a 1 2 0 3 转化为a a 1 2 0 3 ，俗称催化剂的高温失活。因为n a 1 2 0 3 不但表面积急 剧缩小，丽且还会阻隔贵金属催化剂与废气的有效接触，从而使催化剂 丧失催化作用。在涂层中加入一定的助催化剂等物质，可以提高y a 1 2 0 3 2 排气净他器的结构成方案设计 豹相交温度，加强催化剂的热稳定性。 强2 1 5 载体及涂层结粕币嚣强 催化剂作为活性材料，在排气污染物的转化过程中起着决定性的作 耀。奄子稀健讫裁在发动橇低滠逛魂霹盼净讫效率低，n o x 懿还藤效 果差 2 1 1 ，因此目前应用得最多的盛贵金属催化剂，如铂( p t ) 、钯( p d ) 帮铑( r h ) 。p t 主要瓣子灌亿c o 耧疆e 静氧 乞反应，嚣襄h 弱灞予镬偬 n o x 的还原反应 2 2 2 4 1 。贵金属的含量多少和比例大小直接影响到排气 污染物豹净化效率，一般来说，爨金属含藿越裹净诧效祭越驽。当然， 贵金属必须均匀散布在涂层的表面上，这样才能与排气魔气进行充分的 接魅，使疫气藏分缛裂充分戆转纯。贵金矮的分枣愤瑷熬霪2 。6 获示。 幽2 1 6 贵金属分布细微构遗| 到 2 2 排气净化器方案设计 2 。2 。l 设诗琢茭 l 排气净化器的基本结构是致的，但是对于不同排量的发动机和整 2 摊气净化器的结构是方案设计 车结构，其也有所不同。因此，结合工程实际，在进行排气净化器方案 设计时应遵循下歹u 设计琢尉： ( 1 ) 优趣的性熊。设计的排气净化器必须具瞽较高的净化效率和良好的 耐久性，使稀放符合国家法规的要求。 ( 2 ) 经济性原则。由于排气净化器所用的贵金属催化剂价格昂贵，因此 在设计时应考虑净化器静成本问题。 ( 3 ) 轻量化原则。设计的排气净化器应尽可能降低骥量、符合整车的轻 爨化要求，敬提高整车盼躲油经济性。 ( 4 ) 标准化原则。在设计排气净化器时应符合标准化要求，尽可能采用 栋准材料及舔藏、选丽标准零部彳串。 ( 5 ) 通用化原则。在设计排气净化器时还应考虑到该净化嚣的通用化问 遴，使之耗在多萃孛系餮举上瘦用。 下面结合长安公司生产的“长安之星”s c 6 3 5 0 c 汽车设计一种排气 净讫器。 2 2 2 “长安之星”简介 “长安之星”是重庆长安汽车公司瑟运开发设计熬穗全薮车型，主 疆技术来源于翻本铃术公司。该车不但外形美观，超出了馓车的想象范 酶，丽且整车动力牲好、油栽低、安全性高，特剐是安全性在清华大学 正面碰撞一次成功。“长安之厘”包括s c 6 3 5 0 、s c 6 3 5 0 a 、s c 6 3 5 0 b 和 s c 6 3 5 0 c 系受汽车。 s c 6 3 5 0 c 慰长安公司技术中心在今年仞才开发设计的一种低成本电 唆车，其髫的藏是为了缓“长安之鬃”具仃低戒本和低排放，以适应霉 寐排放法规和市场的需要。该车采用j l 4 6 5 q 5 电喷发动机，其基本参数 为：舞 量o + 9 7 l ，额定功率3 7 k w ，最大翅萋t6 3 n ，m ，最高转速6 0 0 0 r m i n 。 2 。2 3 排气净化器设计 零设汁主要为“长安之星”s c 6 3 5 0 c 抵成本电喷车设计撑气净化器。 2 2 3 1 催化剂载体选型设计 罐化剂载体选型设计的原则是既要傈汪净化器的净化效率，又要保证 耐久性，同时还要考虑成本和生产工艺性。设计步骤如下： 2 排气净化器的结构技方案设计 1 7 a 首先确认原车排气系统结构、排放状况、净化器要达到的净化效 果以及使用寿命等。 b 确定所需载体的形式及材料。 c 确定所需载体的体积和性能。 d 设计和选择几何参数。 e 选择载体的形状并确定载体的长度。 载体设计是排气净化器设计的关键环节之一，它的设计也要遵循排 气净化器的设计原则。下面就s c 6 3 5 0 c 排气净化器进行选型设计： ( 1 ) 排气系统结构及载体设计目标 s c 6 3 5 0 c 排气系统主要由发动机排气歧管和排气消声器组成。由于 排气歧营为双通道，因此排气消声器就由双排气管和消声器组成，在双 排气管和消声器之间由单排气管连接，在单排气管的底盘处具有较大的 净化器设计空间。 载体的设计必须符合国家排放法规的要求，即整车排放c o 2 7 2 9 k i n 、h c + n o x 0 9 7g k m ，耐久性要求达到8 0 0 0 0 k m 。 ( 2 ) 催化剂载体形式及材料的选择 在本章2 3 1 节中已介绍过催化剂载体形式主要有颗粒型和蜂窝型两 种，由于颗粒型载体存在诸多缺陷，现已被汽车行业所淘汰。而蜂窝型 载体则克服了颗粒型载体的一些不足，具有排气阻力小、热负荷低( 有 利于起燃) 、耐冲击性好等优点。因此本催化制载体采用蜂窝型载体，使 设计的排气净化器能具有良好的物化性能。 蜂窝型载体的材料目前主要有金属材牡【和陶瓷材料两种。金属材料 虽然具有耐高温和起燃快等特点，但由于它的成本很高，目前主要用于 轿车的前级净化器上，对于冷启动具有很女j 的净化效果，是适应更严格 排放法规的一种净化装置。对于中国目前律放法规( 欧洲i 号) 以及 低成本的微型汽车而言。，考虑到经济性原则，还不宜采用金属材料的载 体。陶瓷载体是目前性价比较为理想的催化荆载体，一个具备优良性能 的圆形陶瓷载体( 1 0 l ) 只需9 美圆左右。另外陶瓷载体比金属载体易 于封装，对于净化器而言，容易实现批量l 产，降低生产成本。因此， 2 排气净化器的结构成方案设计 本人选择了蜂窝型陶瓷载体作为s c 6 3 5 0 c 排气净化器的催化剂载体，由 美国康宁公司生产并提供样品。 ( 3 ) 催化剂载体体积设计 催化剂载体体积的确定与发动机的排量等因素有关。对于轻型汽车， 发动机排量与催化剂载体容积的升容比一股在o _ 8 1 2 之间。图2 2 1 是 d e g u s s a 公司在研究1 0 l 排量发动机时得出的催化剂载体体积和效率的 关系曲线1 2 5 1 。该曲线表明，随着载体体积的增加，净化器的净化率呈增 量1 0 0 褂7 5 菱5 0 2 5 o 0 6 0 8 l l ，21 3 体积( l ) 图2 2 1 催化剂载体体积和效率的关系曲线 大的趋势，特别是对1 0 升以下体积的载体，这种趋势较为明显：而对 于1 0 开以上体积的载体，净化率则提高很少。因此。i ，0 l 排量的发动 机在1 0 l 的催化剂载体体积( 升容比为1 ) 时具有最佳的性价比效果， 如果体积继续增大，并不能无限增加净化效率，只会增加成本；如果体 积减小，则最大效率会受到影响。但是，伍确定升容比时还得考虑另外 几个因素：一是净化器与整车的安装以及净化器的离地间隙。虽然升容 比选择较大对净化效果有利，但过大还会造成安装困难以及离地间隙减 小。二是排放法规加严趋势的因素。排放法舰在中国还会逐步加严，且 加严的节奏较快，因此，在目前设计催化剂钱体体积时，就要考虑一定 的体积余量，以免今后为了满足新的法规而对体积进行重新改进设计。 三是要考虑载体生产厂的规格型号。设计的催化剂载体体- 积应尽可能符 合载体生产厂的规格型号，这样才能避免放体生产厂的专门定制。降低 载体的成本。 2 排气净化器的结构驶方案设计 因此，综合各方面的因素，本人选择了升容比为1 0 ，这样载体容积 就为0 9 7 l ( 0 9 7 10 ) 。考虑到康宁公司只有1 o l 的催化剂载体，最后 确定s c 6 3 5 0 c 排气净化器的催化剂载体容积为1 0 l 。 ( 4 ) 载体几何参数设计 2 6 1 载体蜂窝孔的几何形状和大小直接决定载体的特性。蜂窝孔的形状 主要有正方形、三角形和波纹形等，正方形主要用于陶瓷载体，而三角 形和波纹形则主要用于金属载体，因此载体蜂窝孔的几何形状采用正方 形，其常用的边长( i ) 为1 2 7 m m 、壁厚( 6 ) 为0 1 7 m m 。 下面根据蜂窝孔的边长l 和壁厚6 计算载体的其它几何参数 】： a 开口率k ( ) 开口率k 是指载体横截面上气体可以流通的面积与总面积之比。由 公式k = 【( l 一6 ) 2 三2 】1 0 0 可计算出： k = ( 1 2 7 一o 1 7 ) 2 1 2 72 1 1 0 0 = 7 5 b 体积表面积s ( m 2 l ) 体积表面积s 是指单位体积载体的蜂窝孔的几何内表面积，即可以 涂覆催化剂的面积。由公式s = 4 ( l 一6 ) l2 计算得： s = 4 ( 1 2 7 0 1 7 ) 1 2 7 2 = 2 7 2 8 ( 1 3 3 2 l ) c 。动力学直径d ( m m ) 动力学直径d ( m m ) 是指蜂窝孔最大内切圆的直径。对于正方形孔 而言，由公式d - l 一6 可计算得： d = 1 2 7 0l7 = 11 ( m m ) ( 5 ) 催化剂载体外形尺寸设计 催化剂载体的容积确定后，还要设计外形及尺寸，外形设计主要 是断面的设计。 催化剂载体的断面形状主要有圆形和椭尉形两种。椭圆形断面能够提 高净化器的离地间隙，但载