（光学工程专业论文）汽车催化转化器载体结构研究与流动特性分析.pdf

垫童墼盔塑型兰箜墼 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捧放法规，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。催化转化器内的气体流动既有湍流、传热、传质，又有化学反应流动的不均匀， 易产生涡流和气流分离现象，引起流动阻力的增加，造成温度分布的不均匀。温度过高 的区域，催化剂很容易劣化而缩短使用寿命；温度低的区域催化剂又得不到充分利用， 使总体转化率降低。温度分布的不均匀又会使载体径向温度梯度的增大。产生热应力面， 使载体发生热变形并损坏。因此在催化转化器的各种性能中，催化转化器内部复杂的流 动是重要的影响因素。这就要求分析内部的流动特性，根据较理想的流动特性来改进催 化转化器的结构，达到优化设计的目的。 目前，催化转化器的研究涉及的内容多集中在改变扩张管与收缩管结构、扩张角大 小、载体在催化转化器内的位置和分析内部流动特性与压力损失。研究技术虽趋于成熟， 但实际应用，形成商业化的产品还有一段距离。 本文通过改变催化转化器载体的端面结构，建立数学模型、进行网格划分、设定合 理的边界条件，利用c f x 软件对催化转化器内部流动特性进行数值模拟。并针对球冠 形、半球形、半椭球形等不同端面载体的内部流场进行模拟，分析了催化转化器内部的 流动特性。最后通过与垂直端面载体的流动特性比较，得出如下结论：球形端面载体的 流动特性好于垂直端面载体，而且半椭球形端面载体的催化转化器流动特性三者中最理 想。 关键词：催化转化器；数值模拟；球形端面载体；流动特性 t h er e s e a r c ho fv e c t o rs t r u c t u r eo fa u t oc a t a l y t i cc o n v e r t e r a n da n a l y s i so ff l o wc h a r a c t e r i s t i c s 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 l la s s e m b l eo fe f f i c i e n t l yc o n t r o l l i n gt h ep o i s o n o u se m i s s i o n s f r o mi n t e r u a ic o m b u s t i o ne n g i n e i no r d e rt 0m e e tt h em o r ea n dm o r es t r i c te m i s s i o n s t a n d a r d s ，t h ec a l a l y t i cc o n v e r t e rn o to n l yh a v eah i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ，al o n gd u r a b i l i t y a n dl o wl i g h t - o f ft e m p e r a t u r ea n d g o o df l o wq u a l i t y t h cc o m p l i c a t e df l o wa n dh e a ta n dm a s s t r a n s f e f r e di 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 t h ea s y m m e t r yo ff l o w b e g e t sv 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 ec a u s eo fp r e s s u r el o s s e sa n di t c o n t r i b u t e st h ea s y m m e t r yo ft e m p e r a t u r e c a t a l y z e sb e c o m ei n v a l i d a t i o ne a s i l yi nt h ea r e a s w 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 w t e m p e r a t u r ep l a c e ，i tc a nn o to b t a i nf u l lu s c ， c a u s e st h eo v e r a l lc o n v e r s i o nr a t et or e d u c e t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nu o n u n i f o r m i t yc a l l c a u s et h ec a r r i e rr a d i a ld i r e c t i o ng r a d i e n to ft e m p e r a t u r et oi n c t e a s e 。p r e d a c e st h et h e r m a l l o a ds u r f a c e ，c a u s e st h e 跚t i e rt oh a v et h et h e r m a ld e f o r m a t i o na n dt h ed a m a g e t h u s i t n e e d st ok n o wt h el i q u i d i t yo fi l i n e r f l o w a g ea n da m e l i o r a t et h es t r u c t u r eo fc a t a l y t i c t r a n s f o r m e ra c c o r d i n gt oi d e a ls p e e d 。a c h i e v e st h eo p t i m i z e dd e s i g nt h eg o a l 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 st oc o n c e n t r a t e t h ec h a n g eo ft h es t r u c t u r eo fe x p a n s i o np i p ea n ds h r i n k i n gp i p e ，t h es i z eo fe x p a n s i o na n g l e ， t h ep o s i t i o no ft h ev e c t o rc a t a l y t i cc o n v e r t e ra n da n a l y s i so ft h ei n t e r n a lf l o wc h a r a c t e r i s t i c s a n dp r e s s u r ei o s $ a l t h o u g ht h er e s e a r c h t e c h n o l o g y t e n dt ob em a t u r e 。t h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o na n dt h ef o r m u l a t i o no fc o m m e r c i a lp r o d u c t sa r cd i f f i c u l t t h ea c t u a l i t yr e s e a r c ho ft h ei n t e r u a lf l o wc h a r a c t e r i s t i c si sp r o c e e d e db yc h a n g i n gt h e c a t a l y t i cc o n v e r t e rv e c t o ro ft h ee n ds t r u c t u r e ，a n de s t a b l i s h i n gam a t h e m a t i c a lm e d e l ， m e s h i n ga n ds e t t i n g r e a s o n a b l eb o u n d a r yc o n d i t i o n s u s es o f t w a r e ”c f x t od ot h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h ef l o wq u a l i t yo ft h ec a t a l y t i cc o n v e r t e r 1 1 l e b a l i s h a p e dc r o w n h e m i s p h e r i c a la n ds e m i - s p h e r i c a lw i n dv e c t o re n do fi n t e r n a lt h ef l o wf i e l dc a l c u l a t i o na n d p o s t p r o c e s s i n g , a n a l y s i sc a t a l y t i cc o n v e r t e rf l o wc h a r a c t e r i s t i c s 1 1 1 ec o m p a r i s o nw i t ht h e l i q u i d i t yo ft h ep e r p e n d i c u l a r i t ys u r f a c ei n d i c a t e st h a tt h ef l o wq u a l i t yo fb a l l e n dt y p ei s b e t t e rt h a np e r p e n d i c u l a r i t y - e n d t y p e ，t h ef l o wq u a l i t yo ft h ec a t a l y t i ct r a n s f o r m e ro f h a l f - e l l i p s e e n dt y p ei st h eb e s ta m o n gt h e s et y p e s k e yw o r d s lc a t a l y t i cc o n v e r t e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s p h e r ee n ds u r f a c ec a r r i e r ：f l o w c h a r a c t e r i s t i c 6 一i i 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：日期：坐! ! 兰：! ! 汽车催化转化器载体结构研究与流动特性分析 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：笼丝 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题的理论意义和应用价值 随着社会的进步、科学技术的发展，人们生活质量的提高，在汽车快速进入人们生 活的时候，排放、节能、安全成为人们关注的焦点。降低排放，发展环保型汽车已成为 热点。随着我国汽车排放法规日趋严格，为了使汽车排放满足要求，汽车捧放污染控制 技术在不断的发展和改进，采取了一系列的机内、机外排放净化技术和措施，取得了很 好的效果。其中，研究和开发排放系统中的催化转化装置，对尾气的催化处理效果十分 明显，从而把催化转化器的结构研究作为处理尾气最理想和最重要的措施 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。国内对催化转化器流动研究与分析的主要手段还是借助于 三维流动计算软件进行内部的流场模拟。结构性能对流动特性以及压力损失的影响已趋 于成熟，但对结构的进一步优化还处在研究阶段。为了更好、更快、更有效的降低废气 排放，减少汽车废气对环境的污染，要加快对催化转化器的结构研究与开发。 本课题旨在通过对催化转化器内流场建立数学模型，利用计算流体力学软件对其数 值模拟。主要对催化转化器进行全六面体网格生成，设定边界条件，三维稳态流动数值 模拟，根据模拟结果进行计算分析。通过计算结果分析，得出催化转化器内部的速度场， 用流场图分析催化转化器在不同端面载体区域的流动均匀性，为改进和优化催化转化器 载体的结构提供参考。 1 2 汽车排气污染现状 随着汽车产量、保有量的增加和城市化进程的加快、汽车尾气污染物已成为大气的 主要污染源据统计，目前我国汽车排放c o 可达1 0 0 0 万吨，碳氢化合物和氮氧化合 物各在1 0 0 万吨以上。我国的许多城市机动车污染对大气环境的污染已成了城市大气的 第一污染。2 0 0 3 年全国机动车碳氢化合物( h c ) 、一氧化碳( c 0 ) 和氮氧化物( n o x ) 排放量是1 9 9 5 年相应污染物排放总量的2 5 1 、2 0 5 和3 0 1 倍i ”。 由于汽车废气排放主要在离地0 3 至2 米之间，正好是人体的呼吸范围，对人体的 健康损害严重经研究表明汽车尾气成分非常复杂，有1 1 3 0 种以上【2 】，其中主要污染物 为：c o 、h c 、n o x 、s 0 2 和颗粒物。c o 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，影响人体的造血机能，导致人体 窒息。随时诱发心血管疾病；h c 在气态时为可溶性有机物，固态时则为颗粒物可溶 汽车催化转化器载体结构研究与流动特性分析 性有机物包含多环芳香烃、苯系物、烯烃、烷烃等。这些物质易形成具有很强毒性的光 化学烟雾，伤害人体，并会产生致癌物质产生白色烟雾，对家畜、水果以及橡胶制品 和建筑物均有损坏；n o x 主要是n o 和n 0 2 n o 是无色无味气体只有轻度刺激性，毒 性不大，高浓度时会造成中枢神经的轻度障碍，它可被氧化成n 0 2 ，它与血液中的血红 素的结合能力比c o 还强。n 0 2 是一种红棕色气体，对呼吸道有强烈的刺激作用，对人 体影响甚大。n o x 和s 0 2 是产生酸雨的主要物质，酸雨的危害极大，它可使植物由绿色 变为褐色直至大面积死亡。是一种极为恶劣的气候现象。而且，由于汽油燃烧不充分， 汽车排放的尾气中含有大量直径等于或小于2 5 微米的细微颗粒物( 简称p m 2 5 ) 。由 于这些细粒子很容易随着呼吸进入人体肺部，又被称为入肺颗粒物，其中有3 0 - - 5 0 元素碳( 碳黑) 和有机碳，这些细粒子长期漂浮在空气中，使空气变得浑浊，对阳光有 散射作用，使空气能见度下降。同时有机碳中大部分为挥发性有机化合物。在紫外线照 射下，产生氧化反应，变成醛、酮类化合物，还会生成过氧乙酰硝酸脂和臭氧等氧化物， 是形成光化学烟雾的主要因素。1 9 4 3 年美国洛杉矶市，2 5 0 万辆汽车每天燃烧掉1 1 0 0 吨汽油。汽油燃烧后产生的碳氢化合物等在太阳紫外线的照射下发生光化学反应，形成 蓝色烟雾，使该市大多市民患了眼红、头疼病，后来人们称这种污染为光化学烟雾。1 9 5 5 年和1 9 7 0 年洛杉矾市又两度发生光化学烟雾事件。前者有4 0 0 多人因五官中毒、呼吸 衰竭而死亡，后者使全市7 5 的人患病【3 l 。 目前，我国汽车油耗高，污染控制水平低，汽车污染物排放加重，许多地方都超过 国家排放标准因此，降低汽车排放，控制尾气排放污染己势在必行 1 3 汽车排放污染控制技术 随着我国汽车排放法规日趋严格，为了使汽车排放满足限值，汽车排放污染控制技 术也在不断的发展和改进，采取了一系列的机内和机外排气净化技术和措施。如：多气 门技术、进气主流组织、燃烧系统改进、废气再循环( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n 缩写为 e g r ) 、曲轴箱强制通风装置、燃油蒸发控制系统。此外，柴油机还采用了推迟喷油提 前角、高压共轨喷射、小直径多孔喷射、喷油率控制、预混合燃烧、增压中冷、颗粒捕 集器、氧化催化转化器、还原催化转化器；汽油机采用了电子控制燃油喷射系统( e g i ) 、 推迟点火提前角、增大点火能量、可变进排气系统、可变气门升程、稀薄燃烧、二次空 气喷射、吸附净化器、三元催化转化器( 1 w c ) 。另外，代用燃料车、混合动力车、电 动车和太阳能车也在逐步开始使用。 2 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 3 1 机内净化技术 机内净化就是从有害排放物的生成机理及影响因素出发，以改进发动机燃烧过程为 核心，达到减少和抑制污染物生成的各种技术。机内净化技术主要是改善可燃混合气品 质和燃烧状况、改进点火系统和进气系统、采用电控汽油喷射、防止汽油蒸汽泄漏和废 气再循环技术等 1 改善可燃混合气品质和燃烧状况1 4 j 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、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 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 的排放量的影响较大。气门的重叠时问长时，进、 排气充分。气缸内温度低，n o x 的排放量减少而h c 的增加并不多。气门重叠的时间短 时，h c 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。延迟点火时问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，加强火花强度及加强火花持续时间，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 着火性能。 2 改进点火系统和进气系统 采用新的电控点火系统和无触点点火系统，提高点火能量和点火可靠性对点火正 时实行最佳调节，以改善燃烧过程。降低有害排放物的含量。充气效率直接关系到发动 机的燃烧效率和未完全燃烧气体的比例，适当地选择进气管长度，充分利用进气波动， 来优化进气系统工作状况。近年来，出现7 一种可变进气管的结构设计，进气管采用树 脂材料，管路内设有旋转控制阀，通过控制阀门的开闭来改变进气路径。从而改变有效 进气歧管长度，以适应不同工况对进气管长度设计的要求。 3 电控汽油喷射l 习 电控汽油喷射是利用各种传感器检测发动机的各种状态，经检测控制系统判断、计 算，使发动机在不同的工况下均能获得比较合适的空燃比的混合气，使燃油经济性、动 3 汽车催化转化器载体结构研究与流动特性分析 力性、舒适性和操纵性得到了较好的提高。较化油器式发动机具有以下特点；( 1 ) 采 用电控汽油喷射，用微机来控制每循环的喷油量和喷油时刻，可按各种工况的要求对燃 油量进行校正。其废气排放指标比化油器汽油机好得多；( 2 ) 在电控多点喷射系统中， 各缸采用单独喷油器供油，这样，可提高各缸空燃比的均匀性和喷油量的精确性；( 3 ) 燃油雾化特性是由喷油器的特性决定的，与汽油机的转速无关，所以在起动时能保持良 好的雾化特性起动性能良好，且起动时h c 排放量少；( 4 ) 进气系统中没有化油器喉 管的节流作用。减少了进气系统的阻力损失，充气效率高。 4 防止汽油蒸汽泄漏和废气再循环技术 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曲轴箱 通风和吸附等措施。既可以使窜入曲轴箱的气体通过连接管子吸入空气滤清器，进入气 缸重新燃烧；又通过蒸发擐失控制装置，利用活性碳吸附原理，在汽油蒸汽散入大气前， 用活性碳加以吸附，然后再从活性碳内分离出来，送入发动机内燃烧从而控制h c 、 c o 的排放量 废气再循环技术【5 】是控制氮氧化物排放的主要措施。它将汽车发动机排出的一部分 废气重新引入发动机迸气系统，与混合气一起再进入气缸燃烧，废气混入的多少用废气 再循环系统( e m i s s i o n sg a sr e c y c l i n g 缩写为e g r ) 率来表示的。因e g r 的增加会使燃 烧开始不稳定，燃烧波动增加，h c 排放上升，功率下降，燃油经济性趋于恶化。小负 荷特别是怠速时进行e g r 会使燃烧不稳定，甚至导致失火，使1 4 c 排放急增。全负荷 追求最大动力性，使用会使最大功率降低，动力受损。因此，必须对e g r 率进行适当 控制，使之在各种不同工况下，得到各种性能的最佳折中，实现n o x 的控制目标。车 用汽油机上现安装e g r 控制系统，不同的e g r 率是通过e g r 阀的调节来实现的。这 样可以获得较适当的废气蟹，通过再燃烧。来降低h c 和n o x 的排放量 除上述一些机内净化方法外，还可以通过涡轮增压技术和多气门技术来降低c o 、 h c 和n 0 x 的排放量，达到机内净化的目的 1 3 2 机外净化技术 机外净化也就是人们常说的后处理净化，一般是在排气系统中安装附加装置，用化 学或物理的方法对排气中的有害净化成分加以净化处理，来减少尾气对环境的污染。常 用的方法【6 j 有， 1 热反应器法 在排气道出口处安装用耐热材料制造的热反应器，使尾气中未燃的碳氢化合物和一 氧化碳在热反应器中保持高温并停留一段时间，使之得到充分氧化从而降低其排放量。 4 大连理工大学硕士研究生学位论文 热反应器不能净化氮氧化物，在发动机冷起动时不能发挥作用。起动后，为了工作可靠， 要求排气中有足够的可燃物质以保证产生自燃反应迷，就需使混合气浓度大大高于最经 济时的浓度，从而导致油耗增大。 2 空气喷射法 空气喷射就是将新鲜空气喷射到排气门的后面，使尾气中的h c 化合物和c o 在排 气管内与空气混合，进一步氧化燃烧。 3 催化转化反应法1 7 l 此法是目前应用最多的废气后处理净化技术。当发动机工作时，废气经排气管进入 催化转化器，其中氮氧化物与废气中的一氧化碳、氢气等还原性气体在催化作用下分解 成氮气和氧气；而碳氢化合物和一氧化碳在催化作用下充分氧化，生成二氧化碳和水蒸 气。催化作用的核心是催化剂，催化剂是一种能够改变化学反应达到平衡的速率而本身 的质量和组成在化学反应前后保持不变的物质。催化反应一般都是多阶段或多步骤的， 从反应物到产物郝经过多种中间物，催化剂参与中间物的形成，但最终不进入产物。催 化转化器的载体一般采用蜂窝结构，蜂窝表面有涂层和活性组分，与废气的接触表面积 非常大，所以其净化效率高，当发动机的空燃比在理论空燃比附近时，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。多孔性的涂层物质常选用氧化铝 a 1 2 0 3 与s i 0 2 、m g o 、c e 0 2 或z 由2 等氧化物构成的复合混合物。理想的涂层可使催化 剂有合适的比表面积和孔结构，从而改善催化剂的活性和选择性，保证助催化剂和活性 组分的分散度和均匀性，提高催化剂的热稳定性。同时还可节省金属活性组分的用量， 降低催化剂生产成本。汽车尾气净化用催化剂以铑r h 、铂p t 、钯p d 三种贵金属为主要 活性组分，此外还含有铈c e 、镧b 等稀土元素作为助催化剂。助催化剂是加到催化剂 中的少量物质，这种物质本身没有活性，或者活性很小，但能提高活性组分的性能 活性、选择性和稳定性。车用三元催化荆中常用的助催化剂有氧化镧和氧化铈，它们具 有储存及释放氧，使催化剂在贫氧状态下更好地氧化一氧化碳和碳氢化合物，以及在过 氧的情况下更好地还原氮氧化物；稳定载体涂层，提高其热稳定性，稳定贵金属的高度 分散状态；促进水煤气反应和水蒸气重整反应；改变反应动力学，降低反应的活化能， 从而降低反应温度等功能。 1 3 3 排放控制技术0 1 ” 早在上个世纪4 0 年代中期，由于洛杉矾市出现严重的石油型空气污染光化学 烟雾，加利福尼亚州就制订了第一个控制汽车排放的法规。随后，世界各国也根据各自 不同的环境状况和汽车保有量特点，纷纷制订和实施汽车排放法规。欧洲国家从1 9 9 3 年开始推行了日趋严格的排放标准，而且从1 9 9 6 年起除日本外，欧共体和大部分汽车 ， 汽车催化转化器载体结构研究与流动特性分析 工业发达国家都相继采用了联合国委员会( e c e ) 的排放标准f 见表1 1 为欧洲汽车排放 标准( g k r a ) 】为实施此项排放标准，许多国家对车辆进行了改进( 对照情况见表1 2 ) 。 袭1 。l 欧詈l l 汽车捧放标准( g k i n ) 竺：! ：! ! 竺坐! ! 竺竺竺型坐竺竺! 塑! 年份汽油车柴油车 c 0n o xh cn0pm 为实旖此项排放标准，许多国家对车辆进行了改进( 对照情况见表1 2 ) 表1 2 欧洲汽车从欧i 到欧i v 排放标准采用的控制技术 t a b 1 2s t a n d a r d so f e u r o p e a nv e h i c l ee m i s s i o nf r o mit oi v 6 大连理工大学硕士研究生学位论文 我国汽车排放控制始于上个世纪舳年代初。依据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从1 9 9 3 年起相继发布了七项汽车排放 国家标准g b l 4 7 6 1 1 - - - 9 3 轻型汽车排气污染物限值及测试方法、g b l 4 7 6 1 2 一_ 9 3 车 用汽油机排气污染物排放标准、g b l 4 7 6 1 弘- 9 3 汽油车燃油蒸发污染物排放标准、 0 8 1 4 7 6 1 4 - 9 3 汽车曲轴箱污染物排放标准、g b l 4 7 6 1 5 9 3 汽油车怠速污染物排 放标准、g b l 4 7 6 1 铲- 9 3 柴油车自由加速烟度排放标准、g b l 4 7 6 1 7 叫3 汽车 柴油机全负荷烟度排放标准。1 9 9 9 年我国正式发布四项汽车排放国家标准g b l 4 7 6 1 1 9 9 9 、0 8 1 7 6 9 1 - - 1 9 9 9 、g b 3 8 4 7 1 9 9 9 、g m w - - 1 9 9 9 ，于2 0 0 0 年1 月1 日起实施。 至此，我国新车排放达到欧洲上世纪9 0 年代初期水平。国家2 0 0 1 年4 月1 6 日发布了 o b l8 3 5 2 1 2 0 0 1 与g b l 8 3 5 2 2 - 啦0 1 ，分别于2 0 0 1 年4 月1 6 日和2 0 0 4 年7 月1 日 起实施。国家于2 0 0 2 年1 1 月2 7 日颁布了g b l 4 7 6 2 - - 2 0 0 2 ，从2 0 0 3 年1 月1 日起实施。 国家还拟制订g b l 8 3 5 2 3 - - 2 0 0 x ，将于2 0 0 8 年1 月1 日与2 0 1 3 年1 月1 日分别实施第 i 与第阶段排放限值。 可以看出我国的汽车排放控制水平比欧洲国家滞后，但汽车研究人员一直致力于这 方面的研究，他们相应采取了改进催化剂成分、电控发动机技术( 包括电控多点燃油喷 射、电控点火、电控e g r 和电控催化器等) 、新配方汽油、低污染或无污染的代用燃 料汽车、电动车等措施，来提高节能、降低污染，为今后我国汽车工业的发展奠定基础。 1 4 催化转化器的研究概况及发展趋势 国外从上个世纪7 0 年代初就开始对催化转化器的流动进行研究，其早期工作主要 是催化转化器阻力和流速分布不均匀性的试验研究。由于测量大都局限在催化转化器入 口处的某个点或某个面上，能够提供的信息非常有限，不能满足催化转化器优化设计的 要求。进入9 0 年代，随着计算机技术的飞速发展和计算流体动力学( c f d ) 理论的逐 步完善，应用c f d 软件对流体进行了数值模拟日趋活跃。人们可以采用数值模拟的方 法来研究催化转化器的流速分布、压力损失、起燃特性和转化效率等问题，这样不仅可 以减少试验工作量，缩短设计周期，而且模拟结果对催化转化器的优化设计具有较强的 指导意义。 1 9 7 4 年，h o w i t t 1 1 l 用热线风仪( h w a ) 对一个氧化型的催化转化器载体入口处的 流速分布进行了测量，并研究了入口管安装不同的机械导流装置对入口速度分布的影 响。测量结果表明：导流装置可以改变催化转化器载体入口的流速分布，减弱了载体中 心区域的气流，加强了载体周边的气流，提高了催化转化器的转化效率，减小了催化剂 7 汽车催化转化器载体结构研究与流动特性分析 的劣化率，使催化剂的使用寿命得到了提高；但延长了催化剂的起燃时间，并增大了发 动机排气背压 1 9 8 6 年，w e n d l 孤d 1 2 1 对双块蜂窝载体催化转化器内的流动进行了可视化试验研究。 试验是在装有完全透明的聚丙稀催化转化器模型的稳态水流试验台上进行的。试验发 现：催化转化嚣入口处的水流在扩张壁面开始分离，并以直径不变的射流撞击到第一块 载体的前表面，在距载体表面2 0 m m 左右的地方射流开始扩展，其流动形态在一定的流 量范围内不随流量变化。1 9 9 5 年w e n d l 孤d 还设计了增强型入口扩张管( e d h ) 。该扩 张管的结构特点是气流首先经过一个小角度的圆锥管，在接近载体时再大角度扩张至整 个载体表面遥过实验此管可以有效减小扩张管的局部压力损失。 1 9 9 1 年，【丑i “”等人应用p h o e n i c s 软件建立了一个无化学反应，绝热的三维模型， 进行了催化转化器稳态流动三维模拟。其模拟结果表明：入口扩张管对载体内的流速分 布有很大的影响气流在载体孔道中流动的雷诺数、载体阻力、入口管长度和弯管角度 对载体各通道的气流分布均匀度都有影响。 1 9 9 9 年，w o u i n “”等人通过试验研究和理论计算发现：不同的载体形状对气流的流 速分布和造成的压力损失是不同的。他们对载体用4 5 。锥角、6 0 。锥角和传统型载体进 行了比较，发现t 采用前端造型的载体可以部分利用催化转化器入口端的圆锥空间，使 得扩张管内气流的流动分离减小，这增大了催化剂容量且并不改变整个催化转化器的包 装体积；而且其迎风面圆滑过渡，中闻部分的气流由于端面的导流作用而漉向边缘，使 流速分布均匀i 由于载体中心区域比边缘部分长，中心区域载体的沿程阻力就要大于边 缘部分，这也对流速分布有利。w e l t e 璐“曾对四缸发动机催化转化器入口的5 种不同结 构形状进行了试验研究。研究结果表明：入口管过短时，由于气流的惯性作用，使气流 分布不均匀，在入口处安装锥形导流器或缩口喷嘴以及延长入口小管长度后，气流分布 要均匀一些在m a u s “”的研究中，发现斜扩张管比常规扩张管的压力损失要小，流速 分布也要均匀些w e l t e 船和h a u b e r “”等人还对载体之间的缝隙进行了研究。 2 0 世纪末。我国也逐步开始了对催化转化器流场及压力损失方面的研究。 最初国内对催化转化器的研究主要集中在催化剂的配方和工艺上，对催化转化器内 的流动特性研究不全面。其实，催化转化内部结构因素对催化转化器性能的影响很大， 主要表现在催化转化器内部流动分布、压力损失、和温度分布三方面。我国在这方面研 究起步比较晚，采用c f d 软件对催化转化器进行流动数值模拟也刚刚起步，而且目前 多数研究基本上集中在前两个方面，对温度分布影响涉及得较少。 2 0 0 0 年。清华大学的帅石金“”等人用当量连续法建立了蜂窝载体的流体力学模 型，并用c f d 软件对整个催化转化器的流场进行了稳态流动数值模拟模拟结果显示： 8 大连理工大学硕士研究生学位论文 气流在圆锥管壁面附近出现了分离并产生较强的扰动，造成气流局部压力损失和载体前 气流速度分布不均匀；此外，扩张角越大，催化转化器流速分布不均匀性和压力损失越 大，但当扩张角增大到一定程度后，扩张角对流速分布和压力损失的影响变小。i 可年， 宋金瓯等人啪针对现行催化转化器数学模型的缺点，考虑了工作过程的非稳态基本特征 和催化过程与排气管中气体流动的相互作用，提出了改进模型。该模型由一传热子模型 和一流动予模型耦合组成，分别用有限差分法和特征线法求解。计算结果表明，模型能 正确地预测催化转化器工作过程及参数变化规律。 2 0 0 1 年，帅石金等人乜1 1 应用s t a r - c d 软件建立了催化转化器流场的三维模型，研 究了扩张管倾斜角和入口管布置对流动特性的影响。结果表明：扩张倾斜角在6 0 。附近 可使催化转化器获得较好的流速分布和较小的压力损失。同年，刘军对4 种不同的入 口扩张管催化转化器结构的速度流场、压力流场进行了计算，结果表明：入口扩张管对 催化转化器的气流分布影响很大，应尽量避免采用直壁无引流过渡的结构：采用平滑过 渡的入口扩张管，不仅可以减少涡流损失，而且压力损失也比其他结构的小。 赵继业等人嘲利用计算流体动力学对催化转化器内部温度场和流场进行数值模拟， 比较了不同设计因素对催化转化器内部温度场和流场的影响。黄震等人针对国内外有 关催化转化器气体流动的研究，归纳了几种流动数学模型和试验方法，总结了催化转化 器中气体流动的机理和影响流速分布的一些因素。方瑞华等。”利用计算流体力学研究 了载体蜂窝孔内的气流分布，通过研究发现在气体流速低时，在扩张段就出现气流分离 现象，而在载体入口段流速分布比较均匀；在载体孔内随着气体流速的增加，气流状态 由层流向紊流转变。 从催化转化器流动实验研究的发展看，人们从早期研究催化转化器冷态稳态工况的 流动发展到了目前研究真实发动机非稳态工况的流动，实验手段也在不断的发展和提 高，从机械式到可视化显示方法，到现在的激光多普勒测试技术，采用的测量方法也越 来越多；从催化转化器数值模拟可以看出，人们从早期对催化剂进行简单的物化模拟， 发展到今天采用计算流体力学( c f d ) 软件对催化转化器内流动进行全面的数值模拟， 模拟结果对设计催化转化器具有很强的指导意义，随着排放法规日趋严厉，这种方法在 逐步完善。 9 汽车催化转化器载体结构研究与流动特性分析 2 催化转化器的结构与性能 催化转化器作为汽车排气系统的重要组成部分，对于降低汽车尾气污染具有重要作 用。自1 9 7 5 年研发到现在发展迅速。是目前应用最多的废气后处理净化技术。当发动 机工作时，废气经排气管道进入催化转化器，其中氮氧化物与废气中的一氧化碳、氢气 等还原气体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在催化作用下充 分氧化，生成= 氧化碳和水蒸气。催化转化器的载体一般采用蜂窝结构，蜂窝表面有涂 层和活性组分。与废气的接触表面积非常大，其净化效率高，当发动机的空燃比在理论 空燃比附近时，催化剂可将9 0 的碳氢化合物和一氧化碳及7 0 的氮氧化物同时净化。 因此在研究设计催化转化器的过程中，不仅对催化转化器的结构参数有一定的要求，还 要对其性能和匹配条件有一定的限制 2 1 催化转化器的结构 催化转化器的基本结构如图2 1 所示，它由壳体、垫层、载体和催化剂组成。其中 催化剂包括涂层和活性组分。 图2 i 催化转化器的基本结构 f i f 2 1 t h eb a s i cs t r u c t u r eo f t a i y t i cc o n v e r t e r 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 壳体 催化转化器壳体是催化转化器系统的支承体，从模型上看是催化转化器系统的物理 边界条件。壳体通常做成双层结构，用奥氏体或铁素体镍铬耐热不锈钢板材制造而成， 以防因氧化皮脱落造成催化剂的堵塞。壳体之间装有隔热层，用来降低催化转化器外表 面的温度，加速发动机冷起动时催化剂的起燃，降低排气噪声。壳体的形状设计，要求 尽可能减少流经催化转化器气流的涡流和气流分离现象，防止气流阻力的增大；尤其是 进气端的形状设计，要保证进气流的均匀性，使废气尽可能均匀分布在载体的端面上， 使附着在载体上的活性涂层可能承担相同的废气注入量，让所有的活性涂层都能对废气 产生加速反应的作用，以提高催化转化器的转化效率和使用寿命。 2 垫层 垫层是由软质耐热材料制成，加在载体与壳体之间，因具有特殊的热膨胀性能，可 以起到减震、缓解热应力、固定载体、保温和密封作用。常用的垫层有金属网和陶瓷密 封垫层两种，陶瓷密封垫层一般由陶瓷纤维、蛭石和有机粘合剂组成。因陶瓷密封垫层 的隔热性、抗冲击性、密封性和高低温下对载体的固定力等比金属网优越，是目前主要 的应用垫层。 3 载体 载体是承载催化剂与涂层的一种支撑体。汽车尾气就是通过与附着在这种载体表面 上的活性催化剂相互作用，而加速尾气中污染物的氧化还原反应从而达到净化尾气中废 气的目的。载体主要有颗粒状载体、金属载体、陶瓷蜂窝载体三类，颗粒状载体在催化 转化器早期被大量使用，但因在使用时排气阻力大，致使汽车的动力性、经济性受到影 响和催化剂需经常补充而逐渐被淘汰。陶瓷蜂窝载体是美国c o m i n g 公司于上世纪7 0 年代初发明的，因具有热膨胀系数低、排气阻力小、机械强度大、压力损失低和耐冲出 等优点，被广泛用于汽车催化剂的载体。目前市场上销售的汽车排气净化催化剂商品 9 0 采用蜂窝状整体式载体，此载体用堇青石陶瓷制成。金属载体由特殊的金属薄片卷 成，形状类似于蜂窝体，其优点是起燃温度低、起燃速度快、机械强度高、比表面积大、 传热快、比热容小、抗震性强和寿命长，可适应汽车冷起动排放的要求，并可采用电加 热。但因其造价昂贵，目前主要用于空间体积相对较小的摩托车以及少量汽车的前置倦 化转化器中。 汽车催化转化器载体结构研究与流动特性分析 2 2 催化转化器的性能评价指标嘲 1 转化效率 图2 - 2 是车用催化转化器的净化效果示意图。从左边的图中可以看出。当过量空气 系数值增大时。c o 、h c 的量在逐渐减小，而n 0 x 的量在增大，到了一定的值后才减 小。使用催化转化器后，在右图中c o 、h c 、n o x 的量与左图相比都发生了很大的变化， 在过量空气系数为l 0 时，各值都减少到最低。但n 0 x 量随着过量空气系数的增大出现 了很大的变化，但总体看各化合物的浓度都降低了。这是由于汽车发动机排出的废气在 催化转化器中发生了催化反应催化转化器的转化效率定义为： 忱。里坠丝1 0 0 9 6( 2 1 ) ” c u k 式中，为第f 种排气污染物在催化转化器中的转化效率； c ( f k 为第f 种排气污染物的转化效率入口的浓度i c 警k 为第f 种排气污染物的转化效率出口的浓度。 催化转化之前的排放催化转化之后的排放 霸如 l n 魄 仑 烬 。 j 。 穰化转鼗嚣 n 9 7 51 0 i ，0 嚣l 。璐 o 9 7 5l 0 1 舵，l ，缎 过量空气系数九过量空气系数九 图2 2 车用催化转化器的净化效果示意图 f i g 2 2 t h es k e t c hm a po f p u r i f i 酬o ne f f e c to fa u l 0 瑚c i 坩龃t a l y 聃锄盯 大连理工大学硕士研究生学位论文 就目前汽油车上使用的催化转化器，c o 、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看它的最高转化率，还必须考虑它的 空燃比特性、起燃特性、空速特性和高温耐久性能等多方面因素，对它进行综合评价 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，如图2 3 所示。催化转化器在化学计量比( 过量空气系数 m 。- 1 ，或空燃比口- 1 4 7 ) 附近的狭窄区问内对c o 、h c 、n o x 的转化效率同时达到 最高。这个区间被称为“窗口”。在这个窗口范围内，c o 、h c 、n o x 的转化效率最好， 也就是当实际空燃比接近理论空燃比时，催化转化器内的催化荆才能对汽车尾气中的主 要污染物进行高效净化。 l o o 透 势 鬈o 磊 o 宙【】 一 j ，- h c ， ， c o i * ， n 仉 ” ，+ ， 。 ， 。7 、 ， 魄腹 毯j k ， ， 窀燃托尊 图2 3 空燃比特性 f 培z 3 t h ec h l r s c t e r i s t i c so fa i 池lr a l i o 1 o i ) 5 0 乏 缓 翟 2 露 箍 篓 逮 o 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温度以上才能开 始工作( 即起燃) 。催化转化器的