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1三元催化器設(shè)計(jì)

1.1載體設(shè)計(jì)

1.1.1載體材料目前催化器使用的載體有陶瓷載體和金屬載體。要求三元催化器載體具有高的幾何表面積、強(qiáng)度和氧化阻抗等，低的熱容量、壓力降和熱膨脹系數(shù)，以及有效的廢氣熱轉(zhuǎn)換，且易于涂覆。圖1示出陶瓷載體和金屬載體的起燃溫度比較圖。從圖1可以看出，陶瓷載體具有較好的起燃特性，排放控制效果也較好[2]。

1.1.2載體結(jié)構(gòu)陶瓷載體采用高目數(shù)及薄壁結(jié)構(gòu)能取得較好的凈化效果。圖2示出載體有效催化面積與目數(shù)的關(guān)系。載體目數(shù)增加對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率有一些影響，設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡量減少其對(duì)功率的影響，并達(dá)到排放要求。通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究，選用600cpsi/4mil結(jié)構(gòu)，能夠達(dá)到理想的效果。

1.1.3載體封裝設(shè)計(jì)方案的選擇主要從發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間大小、底盤(pán)空間布置、排放要求及成本控制進(jìn)行考慮。在載體的選擇上應(yīng)盡量考慮采用圓形的載體，因?yàn)槠錃饬鞣植嫉木鶆蛐?、催化劑的利用率、背壓及封裝工藝性都是最好的，但有時(shí)由于空間位置的關(guān)系還必須采用橢圓形或者跑道形載體?，F(xiàn)有的載體封裝方式分為蚌殼式、壓入式和捆綁式，如圖3所示。不同封裝方式的底座平均壓力也不相同，如圖4所示。因增壓器存在，催化器布置較為困難，催化器的布置較靠后，同時(shí)受空間限制，前級(jí)載體較小，前級(jí)背壓可能會(huì)較高，很多情況下前級(jí)采用金屬載體。金屬載體背壓與熱容小，無(wú)需封裝，可以直接焊端錐，相同催化器空間可獲得更大的載體體積。

1.2貴金屬涂層和涂覆工藝

1.2.1貴金屬涂層貴金屬的配比和用量對(duì)排放有較大影響。一般貴金屬量越大，排放效果越好。手動(dòng)及自動(dòng)擋的載體涂層配比，如表1所示。

1.2.2涂覆工藝除了基本的設(shè)計(jì)外，還需借助隔離涂層技術(shù)，控制涂層成分的布置，保持催化器活性和耐久性。對(duì)于貴金屬，特別是Rh，要避免因與氧化物（氧化鈰）發(fā)生有害反應(yīng)而生成低性能合金（如Pd-Rh），從而避免固態(tài)失活物（如鋁酸鹽）的形成，改善堿土的促進(jìn)作用。采用特別的隔離涂層工藝，不僅使原子級(jí)的催化劑工程技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，使貴金屬以原子態(tài)散布在特殊基層金屬氧化物載體上，而且對(duì)貴金屬功能有特別促進(jìn)作用，可避免形成低性能合金，避免貴金屬與基層金屬氧化物生成化合物[4]。

2催化器模態(tài)分析

對(duì)該機(jī)型催化器前級(jí)進(jìn)行模態(tài)振動(dòng)分析。圖5示出本機(jī)型催化器前級(jí)各危險(xiǎn)點(diǎn)分布，表2示出前級(jí)中各危險(xiǎn)點(diǎn)的分析數(shù)值。根據(jù)催化器前級(jí)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際安裝狀態(tài)，對(duì)其安裝點(diǎn)進(jìn)行約束及載荷加載，其約束位置，如圖5中紅圈部分所示。確定催化器約束點(diǎn)后對(duì)催化器進(jìn)行模態(tài)分析，主要為了保證計(jì)算后的催化器模態(tài)高于發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)模態(tài)（大約在240Hz），避免與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振而造成催化器損壞。同時(shí)為了觀察前級(jí)催化器殼體在工作中的變化，一般對(duì)前6階模態(tài)進(jìn)行計(jì)算，如圖6所示，用于殼體設(shè)計(jì)的參考。經(jīng)過(guò)分析，在工作狀態(tài)下其頻率在2600Hz以上，主要表現(xiàn)為空腔部分的徑向呼吸模態(tài)。

3排氣系統(tǒng)CFD分析

3.1物理邊界的確定圖7示出催化器原始三維幾何模型。通過(guò)抽取流體外殼及拉伸進(jìn)出口邊界，確定其物理邊界。

3.2CFD物理模型及網(wǎng)格劃分圖8示出對(duì)排氣系統(tǒng)建立的物理模型。各部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全按照實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，外部結(jié)構(gòu)在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。采用切割體網(wǎng)格對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主要由六面體網(wǎng)格構(gòu)成，在保證計(jì)算精度的同時(shí)節(jié)約計(jì)算時(shí)間。

3.3初始參數(shù)及條件計(jì)算工況：排氣管的流量為0.13kg/s，排氣入口溫度1173K（900℃）。

3.4邊界條件設(shè)置1）入口邊界：溫度為1173K，將入口氣流設(shè)定為均勻分布且沿入口軸線方向流動(dòng)，介質(zhì)為空氣（因無(wú)確定的尾氣物性數(shù)據(jù)，用空氣近似代替），氣體流量為估算值0.13kg/s；2）出口邊界：經(jīng)過(guò)前期的模擬試算表明，在較低壓力狀況下，出口壓力的設(shè)置對(duì)排氣系統(tǒng)的壓力損失沒(méi)有影響，對(duì)流出出口區(qū)域采用壓力邊界的形式，壓力設(shè)置為500Pa；3）多孔介質(zhì)：尾氣在催化劑載體內(nèi)是沿其孔道徑向流動(dòng)，因此，催化劑載體按各向異性多孔介質(zhì)處理，即流體流經(jīng)載體時(shí)只有沿軸向的速度和壓力損失。表3示出排氣系統(tǒng)背壓計(jì)算結(jié)果。由表3可以看出，連接管段壓力損失約占一半，對(duì)背壓的貢獻(xiàn)最大，是需要改進(jìn)的主要地方。圖9示出排氣系統(tǒng)背壓分布圖，如圖9紅框所示，這部分彎管是管段壓力損失的主要來(lái)源，也是優(yōu)化的主要目標(biāo)區(qū)域。圖10示出排氣系統(tǒng)背壓局部圖。圖10中紅框部分為壓力損失較大的區(qū)域：前級(jí)催化器收縮端接口部分。

3.5流動(dòng)不均勻性指數(shù)氣流在載體截面上的流動(dòng)均勻性影響到氣體在催化劑載體中的停留時(shí)間，對(duì)催化劑的催化效率有很大影響。同時(shí)，流動(dòng)均勻能有效減少壓力損失。圖11示出載體端面氣流分布圖。在這里，用催化劑載體截面上流體速度不均勻度指數(shù)D來(lái)評(píng)價(jià)在催化器截面上流動(dòng)的均勻程度。D越小，表示流動(dòng)越均勻，D越大，流動(dòng)分布越不均勻。取催化劑載體入口端1cm處計(jì)算，得出：前后級(jí)催化載體不均勻指數(shù)分別為：0.252，0.431。

3.6優(yōu)化方案結(jié)合優(yōu)化工作，進(jìn)行綜合改進(jìn)，改變進(jìn)口段實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡，增加管徑，將后端催化器擴(kuò)張管和收縮管改為錐形，如圖12所示。

3.7改進(jìn)結(jié)果圖13示出催化器優(yōu)化后排氣背壓分布圖，其計(jì)算結(jié)果，如表4所示。經(jīng)計(jì)算，改進(jìn)后排氣背壓降低28.9-22.9=6kPa，前后級(jí)載體流動(dòng)不均勻性指數(shù)分別為：0.385，0.266?？梢钥闯?，改進(jìn)后前載體內(nèi)流動(dòng)不均勻性略有升高，后載體不均勻性下降。圖14示出優(yōu)化后載體端面氣流分布圖。從圖14可以看出，通過(guò)優(yōu)化，載體端面流場(chǎng)分布明顯改善。

4結(jié)論

文章通過(guò)某公司1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)催化器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單介紹了催化器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)易的分析計(jì)算和性能優(yōu)化，根據(jù)這些結(jié)果有效地建立了催化器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段確立了催化器的結(jié)構(gòu)、材料及工藝方法等相關(guān)參數(shù)，模擬分析了初步結(jié)果并對(duì)其中存在的問(wèn)題進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，保證了在試驗(yàn)階段催化器系統(tǒng)能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。面對(duì)未來(lái)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，目前的催化器產(chǎn)品將無(wú)法滿足排放要求，需要在載體的選擇以及貴金屬涂層等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。

作者：盛宏業(yè)李志廣黃昌瑞單位：華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成設(shè)計(jì)處