（动力机械及工程专业论文）汽油机排气催化转化器结构设计研究.pdf

武汉遵工太学硕士学位论文 摘要 本文在系绞熬介绍了凰痰终发动机萎 放控铡技术及我垦捧放控制豹 现状的基础上，得出了催化转化器是治理机动车排放污染主流技术的结 论。通过分析催化转化器载体和楚层的特性，提出了悬浮式垫层封装技 术：并在在霸车及耨牮催纯转纯糕酶开发中掇密了精金耩丽缳纯转纯器 作为预起燃装置，同时采用辫瓷搂钱转饯器弱复合型结构设计，轰传采弱 悬浮式封装结构形式，催化剂采用稀土和贵金属复合型，台架试验及实 车试验结果表明设计方案达到设计要求。 ，丽时，通过考查鬻井多种催纯净亿器总成的试验规范，并糇据举辆 实琢运行髓净化器总竣熬工作条姊，磺究了净诧器想残瓣破坏媲律，在 此基础之上研制了一套催化净化器总成可靠性评价的台架，提出了一套 可靠性的试验方法，弗采用该试验方法，对国产及进口的催化转化器进行 了可靠往试验研究，缩采表明，我国现在市场上的催化转化器的可靠性 瘩平耀当熬舔，我嚣袋臻毽纯转健器捧为活璎秘魂车葬 气污染鹣澈亥l ， 建立催化转化器质量控制标准体系十分必要；通过大量的研究所建立的 这套催化转化器的可靠性评价方法可操作性强，可以作为质量控制的依 据，也可以指导产品生产。 i 男多 才本文对毽钝转耽器疼蘩气钵滚动匏特蠖避荐了耩究，模瓠结 果表明本文把蜂窝结构的催化器用当爨连续法建立载体熊流动力学模 型，并用a n s y s 软件对整个催化器的流场进行稳态流动数值模拟的方 ， 法是w 行的。诂柒显示气流在扩张圆锥管壁附近出现分离产生较强的扰 凌，造成爨帮滚动撰失帮载体蓊气流速凌港径淘分布不均匀；入舀扩张 管结构对l 鬟化器的流动特性蠢缀大影喊但著 # 扩张囊越大，健化器流速 武汉理工大学硕士学位论文 分布的不均匀性和压力损失也增大，而是存在着个最佳角度，但当扩 张角增大劐一定程度以后，扩张角对流速分布和压力损失的影响交小。 通过数值模拟可以为催化器优化设计提供大髓详细的流动信息，省时省 力，具有实验研究无法比拟的优点，其模拟结果对指导催化器的设计有 很强的指导意义。数值模拟与实验相结合已成为催化器设计的一种有效 手段。 关键词：汽油机j 排放控制，催化转化器i 可靠性讶凇数值模拟 萎竖矍三丕童蔓主登焦笙羔 a b s 1 魏e $ i n 也i sp 印e f ，w e n c l u d e d 也a tc a t a l y t i c c o n v e n e ri st h em a i n e n t e 辩把a s t l r e汛 e o 触d l l i n g t h e粕t o m o t i v ee x h 勰s te m i s s i 黼b y s y s t e m i c a l l ys u m m a r i z i n gt h er e s e a r c hs t a t u s o ft h ew o r i de n g i n ee x h a u s t t 精8 t l 箍蹦tt e c 融o l o g t h r o u g ha n a i y z i n g t h ei d e ao fc a r r i e ra n d g a s k e t i nt h e c a t a l ”i c n v e n 牲s ，a 珏e wd e s i g nm e 耋h o dd c 武a l y t i e 。o n v e n e r si si n t r o d u e e d 。朝l e e x p e r t m e n t a lr e s e a r c h i sc a r r i e do u tt h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sm e t h o d i se g b c t i v e c a t a l y t i cc o n v e n e r i so n eo f t h em a 主n u n t e n l t e a s h r e si nc o n t 棚l i n gt h e a u t o m o t l v ee x h a u s te m i s s i o ni nt h ew o r l d m o s to ft h eg a s o l i n ee n 西n e0 fc a r a 赫l i g 融d 滋y 钠呔h 列eb e e ni n s l 鑫l l 矗妊博e 融a l 辨i c 拄v c f t 诹t u s ， j a p a n a n d e u r o p e f r o m t h er e v i e wa n d a n a j y s i so f ag r e a tn u m b e ro f f o r e i g n l i t e f 8 t 珏糟s ，基s 娃o fe 垤l u 采i o nt e c h i 蚪e 艄dt 蜮m e t h o df 。f 糟l i 曲敞yo f a u t o m o t i v ec a t a l y t i ca s s e m b i yh a sb e e ns e tu p i nt h i sw a y ，i i f es p a no f c a t d y t i cc o n v 叭e fa s s e m b l y c a nb ec h e c k o u ti ns h o 姓t i m e 。as e to f e v a l u a t t o na n dt e s tm e t h o dh a sb e e np u tf o n v a r da n dt h et e s tb e n c hh a sb e e n b u i nu p s o m ec a t 硝y s t n v e r t e f so nt h ec h i n e s em a r b ta st h es a i n p l eh a v e b e e nt e s t e do 矗t h eb e r l e h ，b u tm a n y q u a l i t yp r 。b l e m sh a v eb e e n 硒u n d s o t h e s 遮n i f i c a n c e o fe s t a b l i s h i n ge v a i u 拍o n s y s t e m o nt e s tb e n c ha ss 0 0 na s p o s s 港l et ol h ef e s e a 础箍确d e v e l o p 撤e 难。f 搬t o m o t i v ec a t a l y 鞋8 s s e 栩b l yi n c m n aw a sd i s c u s s e d am a t 蜓m 敷i c 越嫩o d e lo f 曩o w s 攮t h es u b 鞋f 越ew a se s t 幽l i s e du s i 魏g t h e e q u i v a l e n t c o 瓶n u u m a p p r o a c h ， a n dm u i t i d i m e n s i o n a l n u m e r i c a l 辩 武汉理工大学硕士学位论文 s i m “l a t i o no ft h es t e a d yn o w si nt h ec a t a i y t i cc o n v e r t e r sw a sp e r f o r m e d s i m u l a i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s e p a r a t i o n a n dv o r t e x ，w h i c hc a u s et h e p r e s s u r ei o s sa n d t h e v e i o c i t yn o n - u n i f b r m i t ya tt h e f o n to f 磕e 矗f s ts n b s t f a t e ， a r eg e n e r a t e dn e a rt h ew a l lo f t h e n i c a lp i p e 1 na d d i t i o n ，趣el a 毽e rt h ei n 醚 c o n e sa f l g l et h em o r et h ep r e s s u r el o s sa n dm 鑫l d i s t r i b u l i o ni n c o n v e 娃e r s ， h o w e v e lw h e nt h ea n g l ee n l 8 堵e se n o u g ht h ep 糟s s u 糟l o s sw o u l db ed e c 犯a s e t h e a n g l e se 援b 眭o n 韪( 珲y sw i l lb ed e c r e a s e dt h e f e 艘e lt h r o u g hn u m e r i c a l s i m h l a t i o n ， l h e o p 如攮z e dd e s i g n o f c a t a l y t i c c o n v e r t e r s g e t sm a n y i n 岛f m 8 t i o n s n u m e f i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e na ne n e c t i v em e t h o di nt h e d e 逝no f c a t a i 舛cc o n v e r t e r sw i t he x p e r j m e n t a ir e s e a r c h k e y w o r d s ：g a s o l i n e ，e m i s s i o nc o n t r 0 i ，r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n ， c 缸a l y t i cc o n v e r t e r ，n u m e r i c a ls i n l u l a t i o n i 王v 一 茎篓垄三奎兰篓主兰鉴笙苎 一 1 前言 陡着我国辊动车产量帮傈寄量豹遨逮增麴，极动车对予太气懿污染 越来越严重，为此，我国对于机动车排气污染的治理已经制订了日穰表。 1 9 9 9 年3 月1 日，原翻家质囊技术监督局发布了相当于欧澜第一阶段( 塔 下燕髂欧i ) 法规的鼹家橡准6 激1 4 7 6 1 1 9 9 9 汽车摊放污染物限值及测 试方法，并于2 0 0 0 年1 月1 日起开始实施。2 0 0 1 年4 月1 0 霞，国家环 辘保护总是嚣基象矮攫监餐捡疫毖局联合发毒了国家标准 g b l 8 3 5 2 1 2 0 0 1 轻型汽车污染物排放限慎及测量方法( i ) 、 ( 澄1 8 3 5 2 2 2 0 0 l 轻整汽率污染物撵敖蔽值及测量方法( 1 1 ) ，分剐等 效子欧i 、欧i i ( 欧洲第二阶段) 排放法规。为了满足上述日益严格的 排放标准，直到目前，适陂这黧排放法规的汽油祝授术怒电子经锖4 燃漓 喷射技术鄹继化转化技术。法规的颁布实施极大地摊动了这些技术的开 发应用，并使这些技术逐步达到产业化水平。但是，与圈外相眈，我国 率鼹键纯转纯器戆开发应爝还勉子技零攻关除段。特别慰徨化转化器的 结构设计、评价试验方法方面国内还需要进一步研究。 本章将铁对汽油辘捧气污染兹静生成梳理、影响因素、洚仡接麓豹 分手厅入手，提出进行研究的必要性，并介绍本研究的主要工作。 - 1 1 本文的选题思路 镤纯转纯嚣是最蠢效豹撼放控到接戆之一。我鞠虽然在这方夏也有 了几十年的发展历程，但是与因外相比，我国牟用催化转化器的开发还 缝子裙级帮技术攻关阶段，主黉依黎经验袋半经验来设计毽化器。嚣蔻 在我阑环保市场上应用的催化转化器，均是面向使用化油器发动机的汽 油在糟车。市场上在糟汽油车类型繁杂，催纯嚣生产厂家基零上只按发 动机搀量及某些主要车型现有底盘空间设计。在用汽油车没有电氧传感 控制系统，这些催化器也只作为氧化型( 二元) 转化器使用。 譬为魄夔 l 时，因为燃烧室温度低， r d t 的生成 量也很快下降。燃烧过程中，氮的浓度基本上是不变的，影响n o 生成 量的主要因素是温度、氧气的浓度和停留时间。所以，可以通过降低燃 烧温度水平、降低氧气浓度、使燃烧在远离理论空气比条件下进行、缩 短在高温区内的停留时间，来控制n o 的生成量。与n o 相比d ，的生 成量较少，且 ，0 ：生成的反应过程非常复杂。 重堡堡三奎堂堡主堂堡堡苎一 2 2 排气污染物的控制技术 2 2 1影响发动机废气排放成分的影响因素 ( 1 ) 空燃比的影响空燃比是影响三种污染排放物的重要因素 之一，因为它一方面指示混合气中氧的浓度，另一方面也影响着气体燃 烧时的温度。 。 _ 藿 、 叉 弋艨 蛐 、哭： 2 0 i o 呻 图2 1 空燃比与有害污染物排放量间的关系 由图2 1 可以看出空燃比与三种污染物排放量的关系： 供给浓混合气时，由于燃烧温度和氧浓度较低，n 0 。减少而c 0 、 h c 增多。 供给稍稀的混合气时。c o 、h c 减少而n 0 x 增多。 当供给稀混合气时，n 0 x 、c 0 减少而h c 增多。混合气的空燃 比大于1 7 1 8 时，h c 的增多是由于混合气过分稀薄，易于发生火焰不完 全传播以至断火，使未燃烃h c 排放量迅速增加。如混合气的空燃比大 于1 5 5 时，虽然氧浓度的增加可以促使n 0 的生成，但在稀混合气中， 燃烧温度有所降低而产生抵消，n o ；却减少。 ( 2 ) 发动机负荷和转速的影响对于化油器式发动机，在诸 如怠速、减速等低速小负荷运行时，化油器所供给的混合气偏浓，此时 发动机工作循环中的气体压力和温度都不高，混合气的燃烧速度减慢， 引起不完全燃烧，产生c 0 。由于气体温度低，气缸中的某些壁面的激冷 面上的燃油就不可能燃烧，而造成h c 排放加剧。化油器式发动机在大 有鲁气体棒出t 武汉理工大学硕士学位论文 负荷运行时，其节气门位置接近于全开，化油器后的进气管真空度减弱， 真空点火提前装置已不起多大作用，而此时由于燃烧速度变快，离心式 点火提前角装置将随转速升高成比例增大点火提前角，使燃烧后气体的 压力、温度同时升高、燃烧速率提高，这时h c 的生成量较少，而n o 。 的生成较多。 发动机转速的变化对h c 和n 0 。的生成有一定的影响，而对c 0 影 响程度相对较小。当发动机转速提高时，增强了气缸中的扰流混合与涡 流的扩散，也增强了排气的混合，于是既改进了气缸内气体的燃烧，加 强了激冷层的后氧化，又促进了排气系统的氧化反应，因此h c 明显降 低。对于不同空燃比的混合气，转速对n o 生成速度有着不同影响。在 转速高时，当稀混合气时，由于着火落后期受转速影响不大，在点火时 间不变的情况下，大部分燃烧将在膨胀过程压力与温度不太高处进行， 使n 0 的生成速度减小。而在浓混合气时，提高转速加强了气体的扰动， 火焰传播速度加快，热损失相对较小，此时n 0 的生成速率将增大。 ( 3 ) 点火时间的影响图2 2 、2 3 和2 4 分别表示了点火 提前角对h c 、c 0 和n o ；排放量的影响。从图2 2 中可知，从上止点 前3 0 。推迟1 0 。点火，h c 的排放浓度可减少1 0 0 p p m ，但燃油消耗约增 加l o 。图2 3 表明点火提前对c o 的排放浓度没有明显的影响。而图 2 4 表明在任何负荷和转速下，加大点火提前角，均使n o 浓度增加。 因此，点火提前角对h c 和n o 。的排放浓度影响较大，但是点火提前角 的改变会导致发动机动力性、经济性的改变。 量 葵 基 岫耗人l o h 、 ，1 ， 图2 2 点火时间对h c 排放的影响 5 哇 瓷 运置 鞋 8 z 1 i 一 - 点火提前角 图2 3 点火时问对c 0 排放的影响 垫望篓三查堂塑主堂垡笙塞 | 娶 甏 ! 星 一l ， f 。 j 苴 3 ， f ， 一 点火逮时上止点前( ) 圈2 4点火时阃对n o 排放的影响 另外，还有些影响因素：冷却水及燃烧嶷壁筒潞度、排气背压、 燃烧室壁鬣沉积物；工佟容积、行程懿径院、捱缩魄、燃烧室形状、气 门定辩、活塞繇豫容积、撩气系统、火蕊塞位显；燃料熬箍矮；润潺浊 的品矮；大气条件；缸痰气体的漉动。 2 。2 。2 橇动率辩蔽搂麟措滚 控制汽车排气污染应从机内和机外阉时入学，其中梳内净亿是藏个 莽 气净化静蘩穑，祝矫净优醛管是一耱辘助手段舔在满足霹蕊严格豹箨 放法援方嚣也是缀蠢效浆。 ( 1 发动撬棍浓净化所谓缴溯橇梳肉狰纯，就是优佬发动极 结构以利于降低排放的一种系统方法。爵前，控制汽率排放的机内净亿 措施主要鸯； 1 ) 电子控制燃澜喷射技术( e f l )电子控镧熬滴喷射技术 是有效控制排放的重要技术，同时也能提高汽车的动力性、经济性。电 子控制燃油喷射觚有无反镄倍息角度看，可分为开环电喷方式和闭环电 囔方式；获喷射形式看，努为逡气譬攀赢喽袈、逶气支气管多熹骥羹重器 缸逡暖射3 秘。与他油器式发动规掇比，e f 系统蠢如下饯点：在经傍工 况下都能获彳罨精确空燃比的混合气；混禽气的分配均匀性好；良好的冷 启动性能和加速性能；充气效率高。 亟堡里三盔兰堡主堂垡笙苎 一 一 2 ) 改进点火系统延迟发动机的点火时间，可以抑制排气中h c 和n o 。的生成量，但由于推迟点火会造成发动机循环热效率的下降，因 此点火时间的选择要从这两方面加以协调。同时，加大火花能量和加长 火花持续时间可以强化燃烧、减少h c 的排放量，因此可以采用高能点 火系统。 3 ) 废气再循环( e g r ) 技术 e g r ( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ) 技术是指，在控制适当的温度、时间和废气流量等条件下，从排气系统 中取出部分废气，并返回至进气管后再吸入气缸，以降低燃烧时最高温 度，进而减少0 k 。对于采用e g r 技术，要实现最优控制以保证发动机 性能不发生明显变化，o k 排放也能控制。这是因为e g r 有产生发动机 怠速不稳、动力下降等问题。如在最大负荷下不能用e g r ，以免使性能 恶化；在很低负荷下不能用e g r ，此时残余废气相对较多导致燃烧不稳， 而且0 k 生成量也不多。目前，e g r 技术采用了微电子控制，在控制。x 生成方面起较大作用。 4 ) 稀薄燃烧技术汽油机燃用空燃比在1 6 1 6 5 之间的混合气 时，能使发动机的c o 和h c 排放量降低，并提高燃油经济性，但此时 废气中的d t 排放量较高。如果加大空燃比，则三种污染物的排放量都 较低，采用加大空燃比以减少污染物的技术即是所谓的“稀薄燃烧技术”。 采用大空燃比会引起燃烧速度缓慢，导致发动机的动力性下降，甚至会 出现间歇失火。因此这种技术的关键是保证混合气着火及提高燃烧速率。 目前，对发动机的燃烧室形状结构加以优化设计以实现这种稀燃技术， 如采用扰流发生罐、喷流控制原理、火球型燃烧室等方法保证稀燃技术 的实现。 5 ) 分层燃烧技术分层燃烧技术是指发动机燃烧室内混合气浓 度成层状变化，在火花塞附近保证供给浓混合气，而在燃烧室的其余大 部分则供应稀薄混合气，经火花塞点燃浓混合气之后，火焰沿层状混合 气由浓向稀薄方向传播，完成整个燃烧过程。这种燃烧技术对于降低发 动机的排放污染物具有很重要的作用。 6 ) 改进燃烧室降低燃烧室的面容比；降低压缩比；缩小燃烧 室的激冷区：涡流调控技术。 ( 2 ) 机外净化机外净化包括机内净化和机后净化两种。 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 机内净化机内净化指的是对进入发动机气缸前的燃料和空 气进行处理的一种技术，这是一种较理想的净化措施，它在发动机不做 任何改变的情况下，改善排气状况。目前，一些代用燃料的应用就是机 内净化的一种技术，如l p g ( 液化石油气) 技术的运用对降低汽车排放 起到重要作用( c o 可降低2 0 ，n 0 。降低5 0 左右) 。 2 ) 机后净化机后净化措旌包括二次空气喷射技术、热反应器技 术和催化转化器技术等。 a ) 二次空气喷射技术( 对化油器式发动机) 这种方法是将新鲜空气喷射到排气门附近，使高温废气和空气接触 混合，以使未然的h c 、c o 进一步氧化燃烧。在混合气过浓时，二次空 气喷射具有明显的效果。在燃用稀混合气时，喷入空气过多会使排气过 分冷却，结果使h c 浓度反而增大。 b ) 热反应器技术( 对化油器式发动机) 这种装置一般和二次空气喷射技术同时应用，此装置在排气道出口 处。从喷管向排气门喷射的二次空气与废气相混合，进入热反应器，利 用本身的余热保持在高温下给予一定的反应时间，使h c 、c o 再燃烧而 大大降低其排放。 c ) 催化转化器技术 这时一项非常重要的净化技术，它是利用催化技术加速汽车废气中 c 0 、h c 和n o ；的氧化还原反应，使大部分污染物转化为c 0 2 、h 2 0 和 n 2 ，起到净化汽车尾气作用。燃油喷射控制技术和汽油无铅化、低硫化 是使催化转化器正常发挥作用的关键。 2 3 我国排放控制的现状 我国的机动车保有量虽然逐年增加，但其运行状况不佳，污染物排 放量很大。目前，机动车总体排放状态还处于发达国家2 0 世纪7 0 年代 初的水平，加之机动车报废制度也不健全，机动车报废主要依靠自然淘 汰，致使大气污染越来越严重。在1 9 9 5 年，全国机动车排放c o 达到2 2 0 0 万吨，n o x 排放总量超过1 4 0 万吨。目前，在全世界2 0 个大气质量最差 的城市中，中国就占了1 0 个。而由于我国经济发展不平衡的特点，大量 汽车拥挤在少数大中城市，从而导致机动车排放成为城市大气污染的一 个主要污染源。研究结果表明，机动车排放c o 的分担率在北京达到8 0 ， 在上海达到8 9 ，在广州达到8 9 ；a k 也有4 1 左右来自于汽车源。 武汉理工大学硕士学位论文 在我国，机动车排气污染已经成为大气主要污染源之一。 2 3 1我国机动车排放控制的主要措施 为了改变空气污染日益严重的局面，我国政府采取了一系列的措施： 修订通过大气污染防治法；禁止生产化油器式轿车；汽车排放标准合并； 国家抽查；低排放汽车减征消费税；强化汽车排放相关关键部件的管理； 强化在用车排放管理等。 2 3 2 我国排放法规的建设 我国于1 9 8 3 年开始颁布汽车排放标准，目前已经颁布了1 7 项。这 些标准基本上覆盖了机动车排放控制的主要方面。 ( 1 ) 中国汽车排放法规的建设经历了以下的过程 1 9 8 3 年中国第一次发布了有关汽车排放的国家标准，对汽油车的 怠速排放和柴油车的自由加速烟度和全负荷烟度( 滤纸法) 提出了基本 限值和相应的试验方法； 1 9 8 9 年中国颁发了汽车曲轴箱排放和轻型汽车排气排放标准，相 当于欧洲七十年代末期的水平( 等效于e c er 1 5 ，0 3 ) ，1 9 9 3 年发布了汽 油车蒸发排放标准( 收集法) 和重型汽油机排放标准，这些标准于1 9 9 5 年得到强制实施，从此我国真正开始了汽车排放控制工作； 1 9 9 8 年采用加严的e c er 1 5 0 4 排放限值； 1 9 9 9 年国家发布了一套等效于欧洲第1 阶段排放限值的标准，相 当于欧洲九十年代初期的水平( 即e c er 8 3 0 2 ) ，从2 0 0 0 年起在全国范 围内对轻型汽车、重型柴油机实旌严格的排放限值； 2 0 0 1 年4 月，等效于欧洲第1 i 阶段排放限值的标准g b l 8 3 5 2 2 发 布，预定2 0 0 4 年7 月起实施，但众多轻型汽车厂商为了获得减征消费税 的待遇纷纷提前执行该标准。 通过近年来法规的建设工作，汽车排放限值有了显著的降低。以轻型 汽车为例，其排气排放限值平均下降如下图所示。 堂堡里三查兰堡主堂焦堕苎 1 0 0 1 8 0 l 6 0 4 0 2 0 0 1 9 9 51 9 9 71 9 9 9 2 0 0 i2 0 0 32 0 0 5 2 0 0 7 图卜5 我国轻型汽车排气排放限值演变 2 ) 我国汽车排放标准体系目前，世界上实行的排放标准主要 有美国、欧洲和日本三大体系，其中美国和欧洲的排放标准体系为各国 广泛引用，中国采用的是欧洲排放标准体系( 表2 一1 ) 。在各国，汽车排 气污染物测试方法主要有三种：工况法、怠速法、烟度法。美国采用的 工况为：f t p 7 5 ，欧洲采用的工况为e c e ( + e u d c ) 。中国采用的工况是 以e c e 1 5 为基本框架，并结合我国国情作了若干规定。 表2 1 中国汽车排放标准 等效e c e 法 类别试验项目国家标准号 规 新 轻型汽车 i i v 型 g b l 8 3 5 21 2 0 0 lg b1 8 3 5 2 2 2 0 0 le c e r 8 3 定 g v w 试验 型 3 5 0 0 k g可见污染物g b3 8 4 7 1 9 9 9 e c er 2 4 0 3 生 排气排放 g b l 4 7 6 1 2 1 9 9 3g b t l 4 7 6 2 - 1 9 9 3 重型汽油曲轴箱排放g b l 4 7 6 1 4 1 9 9 3g b 厂r l l 3 4 0 1 9 8 9 新 车机 蒸发排放( 收集 生 g b l 4 7 6 1 3 - 1 9 9 3g b 厂r1 4 7 6 3 - 1 9 9 3 法) 产 重型柴油排气排放g b1 7 6 9 l - 1 9 9 9e c er 4 9 0 2 生 车机可见污染物g b3 8 4 7 1 9 9 9e c er 2 4 ，0 3 怠速排放g b l 4 7 6 1 5 - 1 9 9 3g b ，r 3 8 4 5 1 9 9 39 2 ，5 5 e c 在汽油车 简易工况法排u s a s m 加2 4 用 放 制订中 0 车 柴油车自由加速烟度g b l 4 7 6 1 6 1 9 9 3g b ，r 3 8 4 6 1 9 9 3 萎堡里三奎堂堡主兰焦丝茎一 3 催化转化器机械性能在台架上的评价方法及装置 研究 对催化转化器及其系统进行综合检验试验是催化转化器开发过程中 必不可少的步骤，目的是保证催化转化器系统具有质量稳定的使用寿命。 目前，国外在几十年的研制开发中建立了系统的催化净化器总成可 靠性的评价方法。这种可靠性的评价方法可以用数十小时的模拟试验代 替数万公里的道路试验，能够快速检验净化器总成的寿命，采用这种方 法可以大大缩短开发周期、降低开发成本。尽管技术细节( 如对于不同 技术的催化剂、不同的使用目的等情况下，其试验条件可能有差别) 和 性能要求存在差别，但评价程序基本一致，大体分为以下三个阶段： ( 1 ) 催化剂实验室小样评价：主要用于催化剂配方等早期研究； ( 2 ) 单个催化转化器性能评价：对小样结果满意后，制成全尺寸催 化转化器，在机械性能试验台和发动机试验台架上进行评价试验； ( 3 ) 催化转化器装车性能评价：对催化转化器各项性能的最终评价 是催化转化器装车评价试验，它是催化转化器实际使用效果的预测，也 是评价催化转化器的最重要依据。 每个阶段包含的评价试验项目、试验设备、试验方法差别也不大。 其中在发动机台架上的评价实验尤为重要，它与小样评价实验相比更接 近实际应用情况、评价实验内容也全面的多；与装车性能评价相比其实 验周期短、费用低。所以作为一整套模拟评价实验装置，催化转化器在 发动机台架上的各种性能评价实验装置是连接催化剂配方、工艺开发与 实际装车应用的桥梁，也是催化转化器与整车匹配的必备工具之一，其 中一些设备同时也是大批量生产催化转化器的质量监督的必须设备。开 发一整套模拟评价实验装置，催化转化器在发动机台架上的评价实验装 置对于催化转化器的研究开发、匹配应用、产品认证、质量监督都具有 非常现实的意义。 目前国产车用净化器总成的质量尤其是可靠耐久性与国外差距很 大，其主要原因之一就是我国净化器总成可靠性评价体系很不完善，尤 其是缺乏台架评价试验装置，无法按照国外通用的试验方法进行净化器 总成性能评价。因此，建立车用催化净化器的可靠性试验方法，已经成 为国产催化净化器开发及实用化过程中亟待解决的关键技术问题。通过 考查国外多种催化净化器总成的试验规范，根据车辆实际运行时净化器 总成的工作条件，研究了净化器总成的破坏规律，并在此基础之上研制 重堡里三查兰堡主堂垡堡茎 一 了一套催化净化器总成可靠性评价的台架，提出了一套可靠性的试验方 法。采用该试验方法，抽检了部分国产催化转化器和进口的催化转换器， 比较了其可靠性的差异。 3 1催化转化器的性能评价指标 ( 1 ) 转化效率 轨：盟! 二竺垫1 0 0 ” c ( f ) 】 h 一排气污染物f 在催化器中的转化效率 c o ) 一排气污染物f 在催化器入口处的浓度 ic ( f ) 2 一排气污染物f 在催化器出口处的浓度 ( 2 ) 空燃比特性 催化剂转化效率的高低与发动机的空燃比( 或过量空气系数) 有关， 转化效率随空燃比的变化称为空燃比特性。三效催化转化器有效工作必 须使发动机的空燃比保持在一狭窄的区域内，即当实际空燃比在理论空 燃比附近时，三效催化转换器才能对汽车尾气中的三种典型污染物进行 高效率净化。 ( 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， 一种称为起燃温度特性( l i g h t o f r t e m p e r a c u r e ) ，另一种为起燃时间特性 ( l i g h t o f ft i m e ) 。到目前为止，起燃温度特性是最常用的起燃特性评价 方法。如图3 1 所示，它表示了转化率随催化器入口温度乃的变化，而 转化率达到5 0 时所对应的温度称为起燃温度正。显然正。越低，催化 器在汽车冷起动时越能迅速起燃，因此一直是催化器活性的重要特征 值。起燃温度特性是在化学试验室或发动机台架上测取的，在空速和空 燃比一定的条件下，逐点或连续改变催化器入口温度打，并在打充分稳 定后测取转化率。 茎堡里三奎兰塑主兰堡鲨苎一 一c o ，t h c 面3 0 0 了、o4 0 0 5 0 0 人口强度瓦， 图3 1 催化转化器的起燃温度特性 ( 4 ) 空速特性 空速( 空间速度的简称，s v ，s p a c ev e l o c i t y ) 被定义为每小时流过催 化剂的排气体积流量( 换算到标准状态) 与催化剂容积之比，其单位为妇。 转化效率随空速s v 的变化称为催化剂的空速特性，如图3 2 所示。 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。空速越 高，反应气体在催化剂中停留的时间越短，会使转化效率降低：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。在催化剂实际应用中，人们总希望用较小体积的催化剂实 现较高的转化率，以降低催化剂成本，这就要求催化剂有很好的空速特 性。一般，催化剂容积与发动机排量之比为0 5 一1 o ，这主要是根据催化 剂的空速特性以及要求达到的排放性能指标来确定的。 褂 裁 ：翠 啦 ( 5 ) 流动特性 o 5l o o 空速( 1 0 。h ) 图3 2 催化剂的空速特性 柏 加 。 递j i 犁样 武汉理工大学硕士学位论文 车用催化转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 大还会使残余废气量增大，发动机的充气效率降低，每循环同样气缸容 积所能利用的燃料化学能减少；同时残余废气量的增加，又引起燃烧热 效率下降，这些都使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暂定为不超过3 一5 。 重 水 耘 r 幽 某进口产品 田产l 号啊产2 + 产3 + 国产4 + 目产5 05 d 1 0 d1 5 02 0 0 质量流量，( k g ，l i ) 图3 3 国内外催化器流动阻力对比 图3 3 为部分国产三效催化转化器与国外产品的对比试验结果。从 图中可以看出，国产催化器的流动阻力普遍较国外产品偏大，且这一差 距随排气流量的增加很快增大。在质量流量为1 4 0 k h 时，这一差距甚 至达到4 倍左右。根据国外资料统计，催化转化器的压力损失大约占整 个排气系统的3 0 一4 0 。由于我国的催化器流动阻力普遍偏大，占的 比例可能要更大一些。 与陶瓷蜂窝载体相比，金属载体具有较低的流动阻力。相同孔密度 的条件下，金属载体的流动阻力比陶瓷载体约低l 3 。 催化器的流动特性还应包括流动截面上的速度分布均匀性。国外从 7 0 年代就开始研究这问题，发现由于流速分布不均匀，不但影响阻力， 而且造成载体中心区域的流速及温度过高，导致催化剂沿径向的劣化程 度不均匀，缩短了催化剂的整体的寿命，并且过大的温度梯度会使陶瓷 载体破裂。 ( 6 ) 催化剂的耐久性 催化剂经长期使用后，其性能将发生劣化( 失活) 。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，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。 影响催化剂寿命的因素主要有：高温失活、化学中毒、结焦、机械损伤。 其中后两种因素随着现代催化剂以及发动机制造工艺水平的不断提高， 6 5 4 3 2 l 0 垫坚里三盔兰堡主兰焦堡茎 在国外已不是主要问题。化学中毒可通过严格限制燃料和润滑油中的有 害成分含量来控制到最小。因此高温失活是目前催化剂最主要的失活方 式。实际应用中引起催化器高温失活的主要原因有：发动机失火使未燃 混合气在催化剂中发生剧烈的氧化放热反应；汽车连续高速大负荷运行； 为减少冷起动排放而紧靠发动机设置的初级催化剂受到更严酷的高温。 3 。2汽车催化转化器的工作条件分析及其主要破坏 形式 3 2 1汽车催化转化器的工作条件分析 汽车运行工况复杂，从冷启动、低速到高速，行驶过程中还有加减 速过程，汽车行驶的道路也是多种多样，因此，催化转化器在汽车上所 受的外界激励负荷状态也是变化的，催化转化器将以不同的频率进行振 动，当振动频率接近于自振频率时，催化转化器将产生强烈的共振。 汽车运转过程中，有时工作在低温，如当汽车在冬天刚冷启动时， 排气温度不高；但是又希望催化剂快速起燃，这样使得催化转化器在较 段的的时间内实现由低温向高温的转换；有时长时间工作在高温，如汽 车在高速大负荷行驶肘，高温、高速的排气冲击着催化转化器，加上排 气中未燃烧的h c 、c o 进一步发生氧化反应而产生热量，使得催化转 化器的温度进一步升高；有时长时间工作在高温情况下突然遇到外界水 急冷，使得催化剂壳体、垫层、载体等受到内外相差很大的热应力作用。 3 2 2 催化转化器主要机械破坏的形式 目前市场上催化转化器的主要破坏形式有：催化剂载体在壳体内松 动以至于破裂、载体受到冷热冲击而产生裂纹、催化剂活性层脱落、焊 接接缝出现裂纹以至于漏气等。造成这些形式破坏的原因是多方面的， 大致有以下几个方面： 催化剂载体本身有缺陷，如机械强度不好、有缺格现象、壁厚不 均匀等。 同一规格的催化剂载体的尺寸偏差太大，封装时其外壳的尺寸和 垫层的规格是一样的，造成载体所受的预紧力不一样。 催化剂载体封装方式不合理、封装的预紧力大小不恰当。 武汉理工大学硕士学位论文 垫层的质量缺陷或垫层规格选择不合适。 催化转化器总成焊装时有缺陷，如焊缝不均匀、夹渣、裂缝、烧 裂。 催化剂活性层与载体粘附不牢等。 催化转化器由于气体流动的不均匀性导致芯部空速高、外部空速 低，使催化转化器的径向受热不均匀二出现机械破坏。 3 3 催化器在发动机台架上评价实验项目 对于汽车排气催化转化器总成，其考核方法包括催化剂性能试验( 起 燃温度试验和空燃比特性试验) 、快速老化试验、机械性能试验。其中， 催化剂的性能试验主要是考核催化剂的起燃温度和在不同空燃比下催化 剂的转换效率的高低；快速老化试验主要是为了评价和考核催化剂寿命 的长短：机械性能试验就是为了评价催化转化器总成的可靠性，具体而 言目前国内外的主要评价实验项目如下： ( 1 ) 化学活性试验：空燃比特性试验、起燃特性试验、空速 特性试验。 ( 2 ) 陕速老化试验：模拟催化转化器装车实际净化性能劣化 情形，可用一定小时的台架快速老化试验模拟装车运行数万公里时的催 化转化器转化效率的变化。 ( 3 ) 机械性能评价试验 机械性能的评价由本研究所提出，主要包括以下评价项目 1 ) 密封- 陛检验：向样品中施加一定压力的空气，测定一定时间 内的压力降。在进行交变载荷试验、热冲击( 水急冷) 、热振动试验后要进 行密封性