影響三元催化轉(zhuǎn)化器整體設(shè)計的因素分析
摘要：電噴車加裝三元催化轉(zhuǎn)化器是國際公認的有效的汽車尾氣凈化技術(shù)措施。文中分析了三元催化器設(shè)計中的流場、溫度、壓力損失等影響因素。運用ANSYS/Flotran軟件進行了二維流場的動態(tài)模擬分析。
關(guān)鍵字：汽車 三元催化轉(zhuǎn)化器 排放特性 流動特性 壓力損失
汽車尾氣有害物排放已成為城市大氣污染的主要來源，從排放控制技術(shù)來看，單純采用機內(nèi)凈化措施難以滿足現(xiàn)有排放法規(guī)要求，必須同時采用機外凈化措施。三元催化轉(zhuǎn)化器的研制使汽車排放控制技術(shù)取得了突破性進展，它可使汽油車排放的CO、HC、NOx大為降低。閉環(huán)電子控制燃油噴射系統(tǒng)(EFI)加三元催化轉(zhuǎn)化器(TWC)是目前控制汽油機排氣污染非常重要的技術(shù)。
1 三元催化轉(zhuǎn)化器介紹
1.1 三元催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)
如圖1所示，三元催化轉(zhuǎn)化器一般由殼體、減振層、載體和催化劑涂層4部分組成。催化器殼體由不銹鋼材料制成，以防氧化皮脫落造成載體堵塞。減振層一般采用膨脹墊片或鋼絲網(wǎng)墊，起密封、保溫和固定載體的作用，防止催化器殼體受熱變形等對載體造成損害。催化器載體一般采用蜂窩狀陶瓷材料，也有少數(shù)采用金屬(不銹鋼)材料。在載體孔道壁面上涂有一層非常疏松的活性層，即催化劑涂層，它以r-Al2O3為主,其粗造的表面可使壁面的實際催化反應(yīng)表面積擴大7000倍左右.在涂層表面散布著作為活性材料的貴金屬,一般為鉑(Pt)、銠(Rh)和鈀(Pd),Pt主要催化CO和HC的氧化反應(yīng),Rh用于催化NOx的還原反應(yīng)。
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圖1 三元催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)示意圖 |
1.2 三元催化轉(zhuǎn)化器的工作原理
在三元催化轉(zhuǎn)化器中,CO、HC與NOx互為氧化劑和還原劑,生成無害的CO2、H2O和N2：
CO+2NO→2CO2+N2
4HC+10NO→4CO2+2H2O+5N2
2 影響三元催化轉(zhuǎn)化器整體設(shè)計的因素
2.1汽車的排放特性
催化轉(zhuǎn)化器設(shè)計中，首先必須弄清楚所針對車型的排放特性，這是正確運用催化轉(zhuǎn)化技術(shù)降低汽車排放的重要前提。
在實際使用中，催化轉(zhuǎn)化器與發(fā)動機及汽車組合成一個完整的排放控制系統(tǒng)來起作用，存在各部件之間的匹配優(yōu)化問題。應(yīng)根據(jù)具體車型的原始排放水平、排放法規(guī)要求、對動力性和經(jīng)濟性等指標的要求等條件來確定催化器設(shè)計方案。
2.2 三元催化轉(zhuǎn)化器與空燃比的關(guān)系
大量試驗結(jié)果表明，只有當空燃比接近理論值(14.7：1)時，NOx、HC和CO的轉(zhuǎn)化率才能達到最佳，否則會出現(xiàn)顧此失彼的結(jié)果，不可能達到日趨嚴格的排放要求，采用閉環(huán)多點電噴技術(shù)，電腦根據(jù)氧傳感器的氧信號調(diào)節(jié)噴油量，并且多點噴射技術(shù)加大了噴射壓力，使燃油充分霧化并最大可能地完全燃燒，將空燃比控制在理論空燃比附近，可獲得最佳催化轉(zhuǎn)化效率。
2.3 催化轉(zhuǎn)化器與排氣系統(tǒng)的匹配
排氣系統(tǒng)對發(fā)動機性能的影響主要是通過壓力波對掃氣干擾而產(chǎn)生的，其影響程度隨排氣管長度而變化。催化器的安裝位置會顯著影響排氣系統(tǒng)的這種波動效應(yīng)，進而對發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性造成顯著影響。另外，催化器的安裝位置還會影響發(fā)動機的排氣噪聲。因此，在采用催化轉(zhuǎn)化器時，必須對發(fā)動機排氣系統(tǒng)進行重新設(shè)計，以達到催化器與排氣系統(tǒng)的良好匹配。匹配中主要應(yīng)考慮排氣總管和排氣歧管的尺寸及進排氣相位。
2.4 溫度分布對催化器轉(zhuǎn)化效率的影響
合理布置催化轉(zhuǎn)化器在排氣系統(tǒng)的位置，并采取有效措施對催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部溫度加以控制，能大大改善催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率及失效壽命。
2.5 催化轉(zhuǎn)化器的流動特性
流速分布不均勻不僅會使流阻增加，還會造成載體中心區(qū)域的空速和溫度過高，使該區(qū)域的催化劑很容易劣化，縮短使用壽命；而載體外圍區(qū)域的空速和溫度過低，這部分催化劑得不到充分利用，造成總體轉(zhuǎn)化效率降低。另外，流速分布不均勻還會導(dǎo)致沿載體徑向存在過大的溫度梯度，產(chǎn)生熱應(yīng)力分布不均勻，造成載體熱變形和損壞。
為探討入口管錐角對速度分布的影響，利用ANSYS軟件對二維流場進行分析，結(jié)果如圖2、3所示。從圖2、3可見40°錐角的速度分布更均勻。
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圖2 40°錐角導(dǎo)流部分的流速分布 |
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圖3 90°錐角導(dǎo)流部分的流速分布 |
2.6 催化轉(zhuǎn)化器壓力損失的組成及計算
催化轉(zhuǎn)化器壓力損失包括氣流與催化器管壁的摩擦引起的沿程損失、催化劑載體通道中的沿程損失(即載體的壓力損失)、擴張管和收縮管處的渦流引起的局部損失、載體前后氣流收縮和擴張造成的局部損失。載體的壓力損失：
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式中：為沿程損失系數(shù)；ρ為氣流密度；μ為空氣粘性系數(shù)；L為載體長度；Dh為孔道的水力半徑；V為載體內(nèi)氣流的速度；Re為雷諾數(shù)；Reλ對于規(guī)則通道內(nèi)的層流為常量，圓形孔的理論值是64,正方形孔的理論值為54.908。由于一般三元催化器的孔道為正方形，涂上涂層后，涂層材料堆積在通道的拐角處，通道變圓了，且由于工藝方面的限制，實際孔道不可能完全是正方形，Reλ取值為56.908~64。
隨著載體技術(shù)的發(fā)展，蜂窩孔的密度可達800~1000孔/in2，壁厚也已降至0.025mm這樣的薄壁能減少熱容量，避免壓力損失(增加壓力損失的補償)。
局部損失，即渦流損失、轉(zhuǎn)向損失和撞擊損失。對催化器來說，局部損失主要出現(xiàn)在擴張管、收縮管和載體前后端面等。擴張管損失
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式中：f1為突擴損失系數(shù);f2為逐漸擴大損失系數(shù);v為逐漸擴大前的平均流速;ρ為流體密度。
擴張管角度對壓力損失的影響如圖4所示。從圖4可見，采用40°擴張管角較為理想。這是因為40°擴張管角較小，氣流擴散良好，沿壁面氣流分離小，因而催化器局部損失小。
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圖4 擴張管角度對壓力損失的影響 |
從圖4可看出，壓力損失并非隨錐角增大而一直增大。這是因為當錐角超過一定值(如90°)后，氣流在擴張管入口處開始分離，并呈射流狀態(tài)，流動對輪廓線不敏感，壓力損失主要與渦流區(qū)的大小有關(guān)。由于90°擴張管比120°擴張管的體積大，相應(yīng)的渦流區(qū)及流動損失也大，導(dǎo)致壓力損失大。
收縮管損失
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式中：f1和f2分別為突縮和逐漸收縮損失系數(shù)。
載體引起的突擴和突縮損失
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式中：f12是突擴混合系數(shù)。
出口錐角在載體后面，氣流在其中存在順壓梯度，不會產(chǎn)生分離現(xiàn)象，對流動分布基本沒有影響，對壓力損失的影響也較小。因此，可取出口錐角與擴張管相同，即40°。
沿程損失主要包括入口管、出口管和中間管道(不包括載體損失)的壓力損失。為了計算方便，將入口管和出口管稱為小管，中間管道稱為大管。由于低速時沿程損失很小，主要考慮高速時的情況。小管內(nèi)Re為 1×105～1.6×105 ，沿程損失系數(shù)
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大管內(nèi)Re 為6×104～8×104 ，沿程損失系數(shù)
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在催化轉(zhuǎn)化器的設(shè)計中，盡可能減少這些壓力損失，能保證催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)具有良好的空氣動力學(xué)性能，使安裝催化轉(zhuǎn)化器導(dǎo)致的插入損失最低、兩端的壓力差最。ǖ捅硥海瑢ζ嚢l(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性的影響程度降至最低。
3 結(jié)語
控制并降低汽車尾氣污染已成為世界性課題。發(fā)達國家的汽車工業(yè)總體技術(shù)較先進，在尾氣控制技術(shù)方面已取得重要成績，正在向超低污染排放和零污染排放邁進。汽油機用三元催化轉(zhuǎn)化器作為降低廢氣排放的有效裝置，在國外已得到很好的應(yīng)用。如在電控發(fā)動機上，匹配良好的催化器的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化效率可達90%，實際裝車的運行壽命在8萬KM以上。在我國，汽車排放導(dǎo)致的污染問題已引起政府部門的極大重視，嚴格的排放標準相繼出臺，人們已經(jīng)從汽車使用的角度來關(guān)注催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)的發(fā)展，相信我國的催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)會有實質(zhì)性突破。
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