（车辆工程专业论文）催化转化器内部流场的三维数值模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 催化转化器是降低汽车有害物排放的有效装置。为了满足日趋严厉的排放法规，催 化转化器不但要有高的转化效率和长的使用寿命，而且要有良好的起燃特性和流动特 性。催化转化器内的流动过程复杂，既有湍流、传热、传质又有化学反应。首先流动的 不均匀性，一方面产生涡流和气流分离现象，引起流动阻力的增加；另一方面，造成温 度分布的不均匀。温度过高的区域，催化剂很容易劣化，缩短了使用寿命，温度低的区 域催化剂又锝不到充分利用，使总体转化效率降低。其次，温度分布的不均匀造成载体 径向温度梯度的增大，容易产生熟应力而造成载体热变形和损坏。因此在催化器的各种 性能中，催化器内部复杂的流动是重要的影响因素。这就需要了解其内部的流动特性， 从而，对它进行优化设计。因此催化转化器的流动研究与分析成为开发催化转化器的重 要内容之一。 目前，催化转化器流动研究与分析的主要手段是借助于商业化的三维流动计算软件 进行内部的流场模拟。至今为止，涉及的内容主要是结构性能对流动特性以及压力损失 的影响，国内外已作了大量的透彻的研究工作，技术上已趋于成熟。但是，这些都只是 建立在科研的基础之上。在企业的研发过程中，要为实际产品做数值模拟计算和分析， 以此为研发人员提供有效的参考，则计算和分析的全过程必须建立在严格的计算规程前 提下。现行的实用化计算规程对催化转化器流动计算的详细细节都做出了要求。 本文依据企业的计算要求，总结了有效的计算规程，在此基础上考察了无化学反应 和热传导情况下，复杂扩张管催化转化器的稳态流动问题，主要研究了催化转化器内部 的流动均匀性。对具有偏心锥台型扩张管催化转化器进行了全六面体网格下的三维稳态 流动数值模拟。研究了该新型催化转化器的载体区域的流动均匀性问题以及压力损失情 况。文中详细的阐述了其六面体网格生成过程，使用严格的计算程序，得到了有效的模 拟结果，为排气后处理系统的开发和研制提供了实用的参考。 关键词：催化转化器；偏心锥台型扩张管；六面体网格；三维数值模拟 催化转化器内部流场的三维数值模拟 a b s t r a c t c a t a l y t i cc o n v e r t e ri sa na s s e m b l yt oe f f e c t i v e l yr e d u c et h ep o i s o n o u se m i s s i o n sf r o m i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e i no r d e rt om e e tt h ei n c r e a s i n g l ys t r i n g e n ta u t o m o t i v ee m i s s i o n s t a n d a r d s ，t h ec a t a l y t i cc o n v e r t o rn o to n l yh a sh i 曲c o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n dal o n gd u r a b i l i t y b u ta l s oh a sl o wl i g h t - o f f t e m p e r a t u r ea n dg o o df l o wf e a t u r e s t h ec o m p l i c a t e df l o w ，h e a ta n d m a s sm m s f e ri nt h ec a t a l y t i cc o n v e r t e ra r et h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r s i no n es i d e ，t h e a s y m m e t r yo ff l o wb e g e tv o r t e xa n dt h es e p a r a t i o no fa i r f l o ww h i c hi st h et 箍u s eo fp r e s s l 】r e l o s s e s a n di nt h eo t h e rs i d e i tc o n t r i b u t e st h ea s y m m e t r yo f t e m p e r a t u r e c a t a l y z e rb e c o m e i n v a l i d a t i o ne a s yi nt h ea r e a sw h e r et h et e m p e r a t u r ei st o oh i g h , b u ti nt h el o wt e m p e r a t u r e p l a c c ，t h ec a t a l y z e rc a l ln o tb cm a d e t h eb e s to f u s i n g a n d ，a tr a d i a lc o n v e r t e r ，t h ea s y m m e t r y o ft e m p e r a t u r ee o n 仃i b u t e si n e r e a s i n gi ng r i do ft e m p e r a t u r ea n dt h e r m a ls t r e s se a s i l y , t h a t e n g e n d e rt h e r m a ld e f o r m a t i o na n dm a n g l et h ec o n v e r t e r c o n s e q u e n t l yi t i sn e c e s s a r yt 0 u n d e r s t a n dt h ef l o wb e h a v i o ri n s i d et h ec o n v e r t e ra n do p t i m i z et h ec o n f i g u r a t i o n n o w ，t h em o s t l yi m p o r t a n tm e t h o di ns t u d yf l o w si nc a t a l y t i cc o n v e r t e ri ss i m u l a t e dt h e f l o w i n gu s i n gc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d 、c o m m e r c i a lc o d e t h em o s t l yw o r k sa r e i n v e s t i g a t i n gt h ei n f l u e n c eo ft h ec o n f i g u r a t i o na n ds t r u c t u r eo ft h ec a n i s t e ra n ds u b s t r a t eo n t h ef l o wd i s t r i b u t i o na n dp r e s s u r el o s s u pt ot h i sp r e s e n t , 1 0 t so fi n t e n s i v er e s e a r c h e sh a v e b e e nd o n eb yd o m e s t i ca n do v e r s e a sa c a d c m i c i a n s ，a n dt h et e c h n o l o g yh a sb e e nm a t u r a t e d b u ta l lo f t h e s ea r ef r o mt h ed o i n to f v i e wo f s o i e n t i f i cr e s e a r c h i nt h ep r o c e s so f r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t , w a n tt ot a k ean u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i sf o ra ne x p l o r i n gp r o d u c t , t h r o u g ht h e s ew a y st op r o v i d eac o m n l o ns o u r c ef o rp r o d u c td e v e l o p m e n te n g i n e e r s s ot h e s i m u l a t i o na n da n a l y z em u s tb eb a s e do nt h ee n g i n e r i n gt e s tp r o c e d u r e t l l i sp r o e e d l 】r e m a k e sd e t a i lr e q u i r e m e n t s0 1 1e v e r ys t e po fs t e a d ys t a t ea n a l y s i sf o rc a t a l y t i cc o n v e r t e rg a s f l o wd i s t r i b u t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ac o m p u t a t i o n a lf l n l dd y n a m i c s ( c f d ) c o d ew a su s e dt 0s i m u l a t et h e t h r e e - d i m e n s i o n a ls t e a d yf l o wi nac a t a l y t i cc o n v e r t e rw i t he c c e n t r i ci n l e t - c o n ew i t h o mh e a t t r a n s f e ra n d c h e m i c a lr e a c t i o ni ns u b s t r a t e i nt h i ss i m u l a t i o n ，t h ec o m p u t a t i o n a lm e s ha r e u s e dh e x a h e d r a lm e s h t h ed i s t r i b u t i o na n dt h ep r e s s u r el o s so f t h ef l o ww i t h i nt h i sn e w t y p e c a t a l y t i cc o n v e r t e rw e r ei n v e s t i g a t e d 1 r i l ef o c u so ft h i sp a p e ri sc o n c e n t r a t e do nt h e g e n e r a t i o no f h e x a h e d r a k m e s h b a s e do nt h es t r i c tp r o c e d u r e t h ee f f e c t i v es i m u l a t er e s u l tc a n b eu s e d 鹊r e f e r e n c ef o rd e v e l o p i n gan e w t y p eo f c a t a l y t i cc o n v e r t e r k e yw o r d s ：c a t a l y t i cc o n v e r t e r ；e c c e n t r i ci n l e tc o n e ；h e x a h e d r a lm e s h ；3 - dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n n 一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：醴垒日期：2 1 1 2 ： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 她函一 型年上月以日 大连理工大学硕士学臂论文 1 绪论 1 1 汽车排气污染现状 自然环境是指地球甚至宇宙给予人类、动物和植物的原始的一切。在自然环境中， 与人类生存所联系的一切阳光、空气、水、土壤、植物和动物，构成了人类的生存 环境。任何对自然环境的破坏都将对人类生存构成威胁。 人类的生产活动创造了辉煌的文明，同时也带来了严重的环境污染。如酸雨、臭氧 层破坏、水污染、固体废弃物、地面沉降、生物多样性减少、水土流失、森林锐减、土 地沙漠化等。环境污染带来的危害是明显的。臭氧层的耗损和破坏使皮肤癌和角膜炎患 者增加；酸雨蔓延改变了土壤性质和结构；生物多样性的减少、森林减少和土地沙化使 原本富饶美丽的自然界变得满目疮痍。自1 9 世纪开始的工业革命，已为人类带来了许 多灾难性的事件。关于机动车排放成为城市空气污染的主要来源的认识，最初是经过许 多科学家经过十几年的研究而发现的。 1 9 4 3 年美国洛杉矶市发生的光化学烟雾事件是世界上最早的光化学烟雾事件。此 后，对洛杉矶烟雾经过反复的调查研究，直到1 9 5 8 年才发现这是由于洛杉矶市拥有2 5 0 万辆汽车排放的尾气污染而造成。这些汽车每天消耗约1 6 0 0 吨汽油，向大气排放1 0 0 0 多吨碳氢化合物( h c ) 、4 0 0 多吨氮氧化物( n o x ) 。这些气体受阳光作用，酿成了危害人类 健康的光化学烟雾事件。1 9 7 0 年美国加利福尼亚洲发生大规模的光化学烟雾事件，农作 物的损失达到2 5 0 0 多万美元。 1 9 7 1 年，日本东京发生较严重的光化学烟雾事件，使一些学生中毒昏迷。与此同时， 日本的其它城市也发生了类似的事件。此后，日本的一些大城市连续不断出现光化学烟 雾事件。日本环保部门对东京几个主要污染排放的主要污染物进行调查发现，汽车排放 的c o 、n o x 、h c 这三种污染物占总排放量的8 0 ，使人们进一步认识到，汽车排放的尾 气是产生光化学烟雾的罪魁祸首。 1 9 9 7 年夏季，拥有8 0 万辆汽车的智利首都圣地亚哥也发生光化学烟雾事件。由于 光化学烟雾的作用，迫使政府对该市实行紧急状态：学校停课、工厂停工、影院歇业， 孩子、孕妇和老人被劝告不要外出，使智利首都圣地亚哥处于“半瘫痪状态”。在北美、 英国、澳大利亚和欧洲地区也先后出现这种烟雾。由此可见，汽车尾气已经对人类生存 和城市环境构成了严重威胁。 汽车的排放污染物主要包括气态污染物和颗粒物。主要气态污染物有一氧化碳、二 氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、醛类和碳氢化合物，颗粒物有碳黑、焦油和重金属等。 催化转化器内部流场的三维数值模拟 由于汽车废气的排放主要在离地0 3 米至2 米之间，正好是人体的呼吸范围，对人体健 康的损害非常严重。 一氧化碳：一氧化碳是无色无味的气体。它和血红蛋白的结合能力是氧气的2 0 0 倍 以上，破坏了对人体器官的输氧能力，当发生一氧化碳中毒时，会导致人体窒息。另外 还发现，一氧化碳还加剧人的心血管疾病。 二氧化碳：二氧化碳是无色的气体，略有酸味和刺激性气味，无毒。它的主要危害 是作为温室气体造成地球变暖。 一氧化氮：无色的气体，微量时对人体无害，在空气中一氧化氮不稳定，很快被氧 化成二氧化氮。当在空气中的含量超过1 5 p p m 时，它会和血红蛋白结合，当超过2 0 p p m 时，会影响肺的功能，哮喘病人和儿童最容易受害。 二氧化氮：呈褐色，有刺激性气味，对肺和心肌都有很强的损害作用。一氧化氮和 二氧化氮统称为n o x ，是产生酸雨、光化学烟雾，在对流层形成臭氧和在平流层破坏臭 氧的主导污染物。 二氧化硫：无色气体，有强烈的刺激性气味，是酸雨的主导性污染物之一。 碳氢化合物：气态时为可溶性有机物( v o c s ) ，固态时则为颗粒物。可溶性有机物 包含多环芳香烃( p a h ) 、苯系物、烯烃、烷烃等。芳香烃有特殊气味，对神经系统有 伤害，带一到两环的芳香烃有麻醉作用。多环芳香烃有1 0 0 多种，通常以无色、白、浅 黄色或绿色的固体存在，已发现1 5 种多环芳香烃有相似的毒性，其中苯并( a ) 芘是多环 芳烃中毒性最大的一种强烈致癌物，并被怀疑能导致生育缺陷等。苯，无色，带有特殊 的芳香气味，苯与形成白血病、淋巴癌有关联。接触苯会导致血细胞数量减少( 血球减 少) 和骨髓损失。烯烃，略带有甜味，有麻醉作用，部分烯烃对人的口鼻粘膜有刺激。 烷烃基本上无味，有麻醉作用，对人的口鼻有刺激作用。碳氢化合物是形成光化学烟雾 的主导污染物。 醛类：大多数醛类有刺激性气味和麻醉作用，部分醛类对人体器官有刺激， 颗粒物：颗粒物中的主要成分是碳，由于粒径很小( 大多数小于0 3 微米) ，可以 进入人的呼吸系统，从而加重呼吸系统的疾病。颗粒物的直径越小，进入呼吸道的部位 越深。1 0 微米直径的颗粒物通常沉积在上呼吸道，5 微米直径的可进入呼吸道的深部， 2 微米以下的可1 0 0 深入到细支气管和肺泡。同时，颗粒无表面常吸附许多有机污染物、 重金属元素和一些致癌物质，更加重了对人体的危害。 目前，我国汽车油耗高，污染控制水平较低，以致造成汽车污染日益严重。部分大 城市交通干道n o x 和c o 严重超过国家标准，汽车排放已成为主要的空气污染物。 大连理工大学硕士学位论文 汽车作为现代人们广泛使用的交通运输工具，在给人类带来巨大便利和经济利益的 同时，汽车排放不仅造成了环境污染，如温室效应、臭氧层破环、酸雨、大气粉尘，同 时也对人类的生命健康产生了直接的危害。排放污染控制势在必行。 1 2 汽车排放净化技术”。1 汽车排放污染控制技术可分为三类：发动机的改造技术，主要涉及影响发动机燃烧 过程的诸因素，称为机内净化技术；与发动机燃烧废气无关的非排气污染控制技术，主 要是指曲轴箱排气和供油系统的燃油挥发；有害废气的治理技术，主要是在排气系统中 采用物理或化学的方法所做的排气净化技术，称为排气后处理技术。后两类称为机外净 化技术。 1 2 1 新型动力 采用低污染动力源是汽车排气净化的根本措施。目前，出现的新型汽车动力源中， 完全没有污染的是电动汽车的蓄电池一电动机组。氢气发动机的燃烧产物中没有c o 与 h c ，但在大负荷工况下，n o x 的排量激增。转子发动机的面容比大、燃烧室温度低，故 转子发动机与往复式发动机相比，除了结构简单、体积小以外，n o x 的排出量也少，而 且排气中的h c 和c o 又较容易处理，所以转子发动机也为人们所重视。但是由于在一 些重要性能指标方面存在严重缺陷，这些新型动力源目前在汽车领域没有得到推广。 1 2 2 杌内净化 目前广泛采用的方法是对现有发动机进行排气净化处理。对现有发动机进行排气净 化处理的方法可分为两类：一是机内净化。主要有改善可燃混合气品质、改善燃烧状况、 防止汽油蒸汽泄漏、废气再循环、使用低污染燃料等；二是机外净化。主要有利用废气 再燃烧方法净化排气、催化反应法等。 ( 1 ) 改善可燃混合气品质和燃烧状况 从排气净化的角度出发，为了促进燃烧完全，应采用稀混合气。并能保证点火可靠， 以及促进燃料的汽化，保证混合气各缸分配均匀和改善混合气在燃烧室内的燃烧状况。 为此，需要对进气系统、燃烧室及配气相位等方面进行改进。目前这些措施有：自动调 节进气温度、电子控制的汽油喷射装置、改进化油器的结构、降低燃烧室面容比和改进 催化转化器内部流场的三维数值模拟 配气相位及点火装置等。降低燃烧室面容比，相对地减小了燃烧室激冷层，从而降低了 h c 的排量。燃烧室面容比与燃烧室的形状、发动机的结构参数有关。降低发动机的压 缩比，虽然与提高热效率存在矛盾，但发动机的压缩比的降低，不仅降低了面容比，而 且使膨胀行程的壁面温度和排气温度有所提高，这些因素有利于h c 排放量的降低。降 低发动机的压缩比，降低了最高燃烧温度，也有利于n o x 的排放量的降低。配气相位特 别是气门的重叠时间对n o x 、h c 排放量的影响较大。气门的重叠时问长时，进、排气 充分，汽缸内温度低，n o x 的排放量减少，而h c 的增加并不多。气门的重叠时间短时， h c 将减少，n o x 的排放量将增加。点火时间直接影响点燃和燃烧的初态，进而影响燃烧 过程与排气成分。延迟点火时间可降低最高燃烧温度和延长气体的燃烧时间，因此可降 低n o x 排放量。提高点火能量，加强火花强度及加长火花持续时间，强化燃烧，可降低 h c 的排放量。尤其在稀薄燃烧时，配合高能点火可促进火焰核心的形成，提高着火性。 ( 2 ) 防止汽油蒸气泄漏 油箱、化油器的汽油蒸汽和曲轴箱中的h c 浓度很高，为防止其泄漏而采取的措施有： 曲轴箱通风和吸附法。 曲轴箱通风 最简单的曲轴箱通风装置是将曲轴箱与空气滤清器由管子连起来，使窜入曲轴箱的 气体经由管子吸入空气滤清器，再进入汽缸燃烧掉。 蒸发损失控制装置 蒸发损失控制装置可以防止汽油蒸发泄漏。汽油的蒸发是大气的污染源之一。该装 置是把储存汽油的油箱、化油器等蒸发出来的h c 收起来，再使它在发动机内燃烧。它 是利用活性碳吸附原理，在汽油蒸汽散入大气之前，用活性碳加以吸附，然后再从活性 碳内分离出来，送入发动机内燃烧。这种装置能进行自动控制，在不降低发动机效率的 情况下，不使h c 和c 0 的排放量过多。 1 2 3 机外净化 机外净化方法一般是在排气系统中安装附加装置，用化学或物理方法对排气中的有 害成分加以净化处理，以减少排气对环境的污染。常用的方法有： ( 1 ) 空气喷射法 一4 大连理工大学硕士学位论文 这种方法是将新鲜空气( 又叫二次空气) 喷射到排气门的背后。使高温废气中的h c 、 c 0 在这里与空气接触而迸一步燃烧。发动机通过皮带驱动空气压缩机，空气经压缩以 后由空气喷嘴向排气门的方向喷出。整个装置除空气压缩机外，还必须有防止发动机减 速时产生后燃，防止废气倒流到空气压缩机等的装置。这种装置具有排气净化性能稳定 的特点，如能将点火时间特性及化油器的特性适当配合好，它对c 0 、h c 的净化将有显 著效果。 ( 2 ) 热反应器法 这种反应器安装在排气道出口处，它将排气中的未燃气体和喷射的空气( 可与二次 空气法并用) 混合起来，并保持在高温下给予一定的反应时间，从而使废气中的c o 、 h c 进一步燃烧，以降低其排放量。热反应器的种类很多。反应器所用的材料必须具备 耐高温、耐氧化和耐腐蚀能力。一般用含镍合金制造。此外还有一个问题就是装备反应 器后发动机罩内温度会升高，这有待于进一步解决。 ( 3 ) 催化反应法 催化转化法也就是利用催化剂对汽车的废气进行净化，使用物理的或化学的方法将 废气中的有害物质转化为无害物质。早在7 0 年代中期，美国已经实行了这种方法，日 本和欧洲也分别在8 0 年代中期和9 0 年代开始使用催化转化器，以后被各国汽车业广泛 使用，到目前为止仍是最有效的净化方法。机外净化技术就是在汽车的排气系统中安装 各种净化装置，采用物理的、化学的方法减少排气中的污染物。可分为催化器、热反应 器和过滤收集器等两类。前者多用于汽油机汽车，后者多用于柴油机汽车。 从1 9 5 7 年美国人伯莱特首先研究成功净化汽车排气的球形催化剂至今，汽车净化 催化荆已走过4 0 余年的历程催化式排气净化器有氧化型、双床型、三元型等多种型式， 三元催化转化器技术是目前应用最多的净化技术。因为可以同时净化三种污染物，因此 被称为三元催化转化器。当发动机工作时，尾气经排气管进入催化器，其中氮氧化物与 尾气中的一氧化碳、氢气等还原剂在催化作用下分解成氮气和氧气；而碳氢化合物和一 氧化碳分别与废气中残存的氧气及前一反应生成的氧气在催化作用下充分氧化，生成二 氧化碳和水蒸气。催化剂载体按结构可分为颗粒载体和蜂窝载体，按材料可分为陶瓷载 体和金属载体。现在最常用的，也是效果最好的是陶瓷蜂窝载体。由于三元催化器中催 化载体是蜂窝结构，蜂窝表面涂有催化材料，与废气的接触表面积非常大，所以其净化 效率很高。经测试，当发动机的空燃比，也就是空气和燃料的比例，处在接近理论空燃 比附近时，三元催化剂可将9 0 的碳氢化合物和氧化碳及7 0 的氮氧化物同时净化 催化转化器内部流场的三维数值模拟 掉。铂、铑、钯等贵金属对于汽车排气有着优良的催化活性，因此，它们被首选为催化 剂材料。然而贵金属催化剂对发动机和汽油均有较高要求，且贵金属储量少，成本高， 限制了它们的广泛应用。于是，非贵金属催化剂特别是稀土催化剂逐渐被开发出来。在 贵金属催化剂中加入有可变价态的稀土元素氧化物可明显改善催化性能。世界稀土资源 丰富，据统计，总量有8 4 0 0 多万吨，而我国是稀土资源大国，一旦采用稀土的催化净 化器投入生产，就会使催化器的价格大幅下降同时也为我国汽车工业迎接国际竞争提供 了有利条件。 1 2 4 控制技术 表2 1 从欧i 到欧排放标准，汽油轿车应采用的控制技术 t a b 2 ，1c o n c e p t i o na n ds c o p eo f l o g i s t i c s 欧i欧i i欧欧 = 兀催化转化器= 兀催化转化器= 兀催化转化器三元催化转化器 t h r e e l a yc a t a l y s tt h r e e - w a yc a t a l y s tt h r e e l a yc a t a l y s tt h r e e - w a yc a t a l y s t 发动机改进发动机改进发动机改进 e n g i n em e a s u r e se n g i n em e a s u r e s e n g i n em e a s u r e s 改进催化转化器的涂层 改进催化转化器的涂层 i m p r o v e dc a t a l y s ti m p r o v e d c a t a l y s t c o a t i n gc o a t i n g 催化剂加热 催化剂加热 c a t a l y s th e a t i n gc a t a l y s th e a t i n g 催化转化器靠近发动机催化转化器靠近发动机 c a t a l y s tc l o s et oe n g i n ec a t a l y s tc l o s et o e n g i n e 二次空气喷射二次空气喷射 s e c o n d a r ya i ri n j e c t i o ns e c o n d a r ya i ri n j e c t i o n 进一步改进的催化转化器 涂层 f u r t h e ri m p r o v e d c a t a l y s tc o a t i n g 排气再循环系统 e x h a u s tg a s r e c i r c u l a t i o n 大连理工大学硕士学位论文 在我国，中华人民共和国控制污染防治法和中华人民共和国环境噪音污染防 治法是制定汽车排放污染控制的法律基础。从1 9 8 3 年起，s e p a 出版并修正了3 4 项包 括汽油车、柴油车、发动机、摩托车和农用运输车等车辆的汽车排放污染控制标准的同 时逐渐建立起综合汽车排放控制标准系统。s e p a 于1 9 9 9 年六月发布了“机动车污染控 制技术策略”。轻型车的排放标准在1 9 9 9 年7 月发布，2 0 0 1 年修正。第一阶段： g b l 8 3 5 2 1 - 2 0 0 1 等同于欧i ，从2 0 0 1 年1 月1 日起实施；第二阶段：g b l 8 3 5 2 2 - 2 0 0 1 等同于欧i i 标准，从2 0 0 4 年7 月1 日起实施；第三阶段：g b l 8 3 5 2 3 - 2 0 0 1 等同于欧 标准，将于2 0 0 7 年实施；第四阶段：g b l 8 3 5 2 4 - 2 0 0 1 等同于欧标准将于2 0 1 0 年实施； 2 0 1 0 年达到国际排放控制水平。针对不同的排放目标，相应的应该采用如下技术。表 2 1 和表2 2 是欧洲汽车在执行不同排放标准阶段所采用的技术。 发动机改造涉及的内容很多。对汽油机来说，主要有精确的混和气制备( 电子控制 汽油喷射系统) 、点火系统控制、燃烧系统优化、可变进排气系统、废气再循环等。 表2 2 从欧i 到欧排放标准，柴油轿车应采用的控制技术 t a b 2 2c o n c e p t i o na n ds c o p eo fl o g i s t i c s 欧i欧i i 欧欧 发动机改进氧化催化转化器 氧化催化转化器燃油后喷射 e n g i n em e a s u r e s o x i d a t i o nc a t a l y s to x i d a t i o nc a t a l y s tp o s t i n j e c t i o n 排气再循环系统发动机改进 发动机改进发动机节流 e x h a u s tg a s e n g i n em e a s u r e se n g i n em e a s u r e st h r o t t e l i n g r e c i r c u l a t i o n 排气再循环系统带有冷却装置的排气再循环提高燃油喷射压力 e x h a u s tg a s系统 i n c r e a s e di n j e c t i o n r e c i r c u l a t i o n c o o l e de g r p r e s s u r e 优化的涡流形成压电式喷油器 o p t i m i z e ds w i r lf o r m a t i o n p i e z oi n j e c t i o n v a l v e s 氮氧化物吸附催化转化器 n o xa b s o r p t i o nc a t a l y s t 催化转化器内部流场的三维数值模拟 1 3 催化转化器 催化转化器是降低汽车排气污染的主要手段，自1 9 7 5 年问世以来得到了迅速发展。 为满足日趋严格的汽车排放限值法规的要求，世界各国的汽车制造商在努力改进发动机 结构和燃烧状况、采用先进的电子控制技术的同时，也投入了大量的资金研究开发高性 能的催化转化器。 为保证尾气排放过到法规，催化转化器应满足以下要求： ( 1 ) 起燃温度低，以保证冷起动时尽可能快地达到工作温度： ( 2 ) 各种温度下尽可能高的转化效率： ( 3 ) 在尽可能宽的空燃比范围内达到要求的净化效率： ( 4 ) 较高的储氧能力，以补偿过量空气系数的波动： ( 5 ) 耐高温，不易热老化： ( 6 ) 对杂质不敏感，不易被化学毒化： ( 7 ) 极少产生h 2 s ，n 也等物质： ( 8 ) 价格合理。 1 3 1 催化转化器的结构 8 9 催化转化器的作用是把发动机尾气中的有害排放物，主要是指h c 、c o 和n o x ，转化 成无害的排放物，如水蒸气( h 2 0 ) 、c 0 2 和n 2 。下面的图1 2 是国内某公司的三元催 化转化器的结构图。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 图1 2 催化转化器结构图 f i g 1 2 c o n f i g u r a t i o n o f c a t a l y t i cc o n v e r t o r ( 1 ) 壳体 催化转化器壳体由不锈钢板材制造而成，以防止因为氧化皮脱落造成催化剂的阻塞。目 前，许多催化转化器的壳体设计成双层结构，两层壳体之间为隔热层，可以降低催化转 化器外表面的温度，使散发到底盘和发动机舱的热量减至最小，同时有助于降低排气噪 声。另外，为了防止进入加油站时因催化转化器炽热的表面引起火灾，避免路面积水飞 溅对催化转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 ) 载体 载体是承载催化剂和涂层的一种支撑基体。早期的催化剂曾采用氧化铝( a 1z 如) 颗粒 状载体，这种载体存在磨损快、阻力大的缺点，目前车用催化转化器已经很少采用。美 国c o r n i n g 公司于7 0 年代初发明了陶瓷蜂窝载体，与颗粒状载体相比，它具有结构紧 催化转化器内部流场的三维数值模拟 凑、压力损失小的优点，因此很快就占据了车用催化转化器的主导地位。据统计目前世 界上车用催化转化器的9 0 是陶瓷载体，其余为金属载体。金属载体于8 0 年代中后期开 始在轿车上使用，它的突出优点是壁薄、阻力小、热容小、导热块，使生产工艺复杂、 成本高，主要在摩托车及汽车前置催化转化器上得到应用。 ( 3 ) 涂层 通常在载体的表面涂有一层多孔的活性过渡层，其粗糙的多孔表面可使载体的表面 积大大增加。在涂层表面分散着作为催化活性材料的贵金属，如铂( p t ) 、钯( p d ) 、 铑( r h ) 等，以及作为助催化剂的铈( c e ) 、钡( b a ) 、镧( l a ) 等稀土金属和贱金属。 催化剂的活性和耐久性除了与涂层的成分有关外，还与涂层的制备工艺密切相关。 ( 4 ) 衬垫 衬垫一般有膨胀垫片和钢丝网垫两种，起到减震、缓解热应力、固定载体、保温和密封 的作用。膨胀垫片是一种抗高温的毯状物，由陶瓷纤维、胫石颗粒和粘结剂组成，在隔 热性、抗冲击性、密封性和高低温下对载体的固定性等方面均优于钢丝网垫，是主要的 应用衬垫。世界上大部分的陶瓷膨胀衬垫由美国3 m 公司和u n i f r a x 公司生产。 1 3 2 催化转化器性能的评价指标 ( 1 ) 转化效率 汽车发动机排出的废气在催化转化器中进行催化反应，其有害污染物浓度得到不 同程度的降低。有害污染物的转化效率定义为： ”警 。， 式中，c ( f ) 。为第i 种污染物的转化效率入口的浓度； c ( 氓。为第i 种污染物的转化效率出口处的浓度。 一1 0 大连理工大学硕士学位论文 分别为第i 种污染物的转化效率、在催化转化器的入口和出口处的浓度。就目前汽 油车上使用的三元催化转化器来说，c 0 、h c 和n o x 的最高转化效率一般可以达到9 5 以上。但衡量催化转化器的转化效率不能仅仅看它的最高转化率，还必须考察他的空燃 比特性、起燃特性和空速特性。只有那些具有宽空燃比窗口、低起燃温度( 或短起燃时 间) 和高空速适应性的催化剂才有实用价值。 ( 2 ) 空燃比特性 催化转化效率的高低和发动机的空燃比( 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，三效催化转化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的关系，催化剂只有达到一定的温度以上才能 开始工作( 即起燃) 。催化转化器的起燃特性有两种评价方法，一种称为起撩温度特性 ( l i g h t o f ft e m p e r a t 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。它表示了转化效率随催化剂入口温度 t ，的变化，而转化率达到5 0 时所对应的温度称为起燃温度k 。显然t ”越低，催化器在 汽车冷起动时越能迅速起燃，因此k 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t 。并在t ，充分稳定后测取转化率。国产的催化转化器起燃温度一般 在3 3 0 0 c ，国外的产品起燃温度一般低于3 0 0 0 c ，有的甚至达到了2 2 0 0 c 。 ( 4 ) 空速特性 空速即空间速度( 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h 。转化效率随空速s v 的变化 称为催化剂的空速特性。 催化转化器内部流场的二维数值模拟 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 - 1 0 ，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。 ( 5 ) 流动特性 催化转化器安装在发动机排气管路上，会增大排气系统的流动阻力，因此增大了发 动机的排气背压，背压过大会使排气过程的推动功增加，消耗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 面影响在2 以内，在我国有关催化转化器的技术要求中规定不超过5 。催化转化器的 流动特性还包括气流在载体横截面上的流速均匀性。流速分布不均匀会导致催化剂沿径 向的劣化程度不均匀，缩短催化剂的整体寿命，并且径向过大的温度梯度会造成载体热 应力变形，加速载体的破裂损坏。 ( 6 ) 耐久性 催化剂受高温、化学中毒、结焦和机械损伤等的影响，经过一段时间使用后，其 性能将劣化，导致催化剂失活。国外一般要求新车用催化剂使用8 万英里后整车排放仍 能满足法规要求，而近年来对催化剂的耐久性要求已经提到8 万英里甚至1 0 万英里。 国内外几十年的研究开发经验表明，开发一种活性高的催化剂并不难，难的是同时具有 较长的使用寿命。 1 3 3 催化转化器冷启动控制技术 1 0 - 1 2 】 目前世界上对汽车废气排放的标准越来越严格，如美国加州低排放( l e v ) 、超低排放 ( u l e v ) 和欧洲i 等汽车加排放法规的相继实施，现有工况法测试结果表明0 1 冷启动期 间的h c 排放己占到整个测试环节h c 排放总量的8 0 左右，c o 和n o x 排放也分别达到了 各自排放总量的4 5 和6 0 。因此如何使催化转化器快速起燃以降低发动机冷启动过程 大连理工大学硕士学位论文 过程有害物排放，尤其是未燃h c 的排放。已经提出了零排放的目标，这就推动了三元 催化转化器产品升级换代的速度。从h c 转化的要求来看，欧i 标准是7 6 ，而欧i i 标 准则提高到9 5 。三效催化剂在工作温度时对h c 的转化几乎是完全的，但是催化转化器 一般要在3 0 0 0 c 以上才对h c 有完全有效的催化转化，对于冷起动的汽车而言，要让催化 剂达到这一温度一般需要一分多钟的时间，由于在冷起动时汽油燃烧不完全，导致此时 尾气中h c 的浓度值很高，因此控制冷起动时尾气中h c 的排放是十分重要的。 通常控制冷车排放的方法主要集中在下述几个方面。 ( 1 ) 改善催化转化器的起燃特性 降低催化剂的起燃温度或缩短催化剂的起燃时间，一直是催化转化器设计开发者所 追求的目标之一。 提高陶瓷载体快速响应的特性。未来催化转化器将提高载体响应的特性，以便更 快地提高载体温度，使冷起动排放得到净化。一方面将使载体壁厚大大减薄，另一方 面将使载体目数大大增多。目前则主要是通过薄壁多孔来提高催化转化器的催化转化效 率，同时，也增加了系统设计的灵活性，使得催化转化器与汽车在性能上能够更好地匹 配。 金属载体的催化转化器系统。金属载体在极高的机械负载和热负载下其作用仍具 有较高的转化效率、低的背压和极高的耐用度，壁很薄，具有较快的响应特性。目前有 关人员正在着力解决金属载体中存在的问题，主要包括涂覆制备催化剂工艺、热膨胀性 及成本问题等，未来的金属载体在进一步控制汽车排放方面将有相当大的前景。 研究表明催化转化器的流动分布对催化剂的起燃温度也有很大的影响，在稳态流 动条件下，流动均匀性越好，催化剂起燃温度就越低。 仅靠改善催化转化器起燃特性的方法要满足日益严格的排放法规是难以做到的，必须 同时采用其他有效的催化转化系统。根据催化转化器的加热方式不同，可以将现有的催 化转化系统分为主动催化转化系统合被动催化转化系统。 ( 2 ) 主动催化转化系统 主动催化转化系统是指在发动机启动前或刚刚启动时，通过外界直接给催化剂加 热，使催化剂能在短时间内起燃。目前常见的两种加热方式：电加热和燃烧加热。 电加热催化转化器( e h c ) 汽车在冷起动时所排放的污染物经过催化转化器时，由于此时的温度达不到催化剂 起燃的温度，致使催化转化器无法对废气进行氧化还原反应，故需采用电加热的方式在 催化转化器内部流场的三维数值模拟 发动机冷起动时迅速对催化转化器系统进行加热，就将催化器迅速加热到起燃温度以 上，使之工作，随后停止加热，恢复催化器的正常工作。电加热催化转化器布置在发动 机排气歧管与催化转化器之间，e h c 系统一般由电源、空气喷射装置、控制系统以及相 关传感器。现在人们正在寻求低能耗的电加热催化转化器系统，以最大限度地节约能量。 燃烧加热催化转化器( c h c ) 与e h c 系统一样，燃烧加热催化转化器也布置在发动机排气歧管与催化转化器之间。