影响三元催化转化器整体设计的因素分析
摘要：电喷车加装三元催化转化器是国际公认的有效的汽车尾气净化技术措施。文中分析了三元催化器设计中的流场、温度、压力损失等影响因素。运用ANSYS/Flotran软件进行了二维流场的动态模拟分析。
关键字：汽车 三元催化转化器 排放特性 流动特性 压力损失
汽车尾气有害物排放已成为城市大气污染的主要来源，从排放控制技术来看，单纯采用机内净化措施难以满足现有排放法规要求，必须同时采用机外净化措施。三元催化转化器的研制使汽车排放控制技术取得了突破性进展，它可使汽油车排放的CO、HC、NOx大为降低。闭环电子控制燃油喷射系统(EFI)加三元催化转化器(TWC)是目前控制汽油机排气污染非常重要的技术。
1 三元催化转化器介绍
1.1 三元催化转化器的结构
如图1所示，三元催化转化器一般由壳体、减振层、载体和催化剂涂层4部分组成。催化器壳体由不锈钢材料制成，以防氧化皮脱落造成载体堵塞。减振层一般采用膨胀垫片或钢丝网垫，起密封、保温和固定载体的作用，防止催化器壳体受热变形等对载体造成损害。催化器载体一般采用蜂窝状陶瓷材料，也有少数采用金属(不锈钢)材料。在载体孔道壁面上涂有一层非常疏松的活性层，即催化剂涂层，它以r-Al2O3为主,其粗造的表面可使壁面的实际催化反应表面积扩大7000倍左右.在涂层表面散布着作为活性材料的贵金属,一般为铂(Pt)、铑(Rh)和钯(Pd),Pt主要催化CO和HC的氧化反应,Rh用于催化NOx的还原反应。
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图1 三元催化转化器结构示意图 |
1.2 三元催化转化器的工作原理
在三元催化转化器中,CO、HC与NOx互为氧化剂和还原剂,生成无害的CO2、H2O和N2：
CO+2NO→2CO2+N2
4HC+10NO→4CO2+2H2O+5N2
2 影响三元催化转化器整体设计的因素
2.1汽车的排放特性
催化转化器设计中，首先必须弄清楚所针对车型的排放特性，这是正确运用催化转化技术降低汽车排放的重要前提。
在实际使用中，催化转化器与发动机及汽车组合成一个完整的排放控制系统来起作用，存在各部件之间的匹配优化问题。应根据具体车型的原始排放水平、排放法规要求、对动力性和经济性等指标的要求等条件来确定催化器设计方案。
2.2 三元催化转化器与空燃比的关系
大量试验结果表明，只有当空燃比接近理论值(14.7：1)时，NOx、HC和CO的转化率才能达到最佳，否则会出现顾此失彼的结果，不可能达到日趋严格的排放要求，采用闭环多点电喷技术，电脑根据氧传感器的氧信号调节喷油量，并且多点喷射技术加大了喷射压力，使燃油充分雾化并最大可能地完全燃烧，将空燃比控制在理论空燃比附近，可获得最佳催化转化效率。
2.3 催化转化器与排气系统的匹配
排气系统对发动机性能的影响主要是通过压力波对扫气干扰而产生的，其影响程度随排气管长度而变化。催化器的安装位置会显著影响排气系统的这种波动效应，进而对发动机的动力性和经济性造成显著影响。另外，催化器的安装位置还会影响发动机的排气噪声。因此，在采用催化转化器时，必须对发动机排气系统进行重新设计，以达到催化器与排气系统的良好匹配。匹配中主要应考虑排气总管和排气歧管的尺寸及进排气相位。
2.4 温度分布对催化器转化效率的影响
合理布置催化转化器在排气系统的位置，并采取有效措施对催化转化器内部温度加以控制，能大大改善催化转化器转化效率及失效寿命。
2.5 催化转化器的流动特性
流速分布不均匀不仅会使流阻增加，还会造成载体中心区域的空速和温度过高，使该区域的催化剂很容易劣化，缩短使用寿命；而载体外围区域的空速和温度过低，这部分催化剂得不到充分利用，造成总体转化效率降低。另外，流速分布不均匀还会导致沿载体径向存在过大的温度梯度，产生热应力分布不均匀，造成载体热变形和损坏。
为探讨入口管锥角对速度分布的影响，利用ANSYS软件对二维流场进行分析，结果如图2、3所示。从图2、3可见40°锥角的速度分布更均匀。
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图2 40°锥角导流部分的流速分布 |
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图3 90°锥角导流部分的流速分布 |
2.6 催化转化器压力损失的组成及计算
催化转化器压力损失包括气流与催化器管壁的摩擦引起的沿程损失、催化剂载体通道中的沿程损失(即载体的压力损失)、扩张管和收缩管处的涡流引起的局部损失、载体前后气流收缩和扩张造成的局部损失。载体的压力损失：
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式中：为沿程损失系数；ρ为气流密度；μ为空气粘性系数；L为载体长度；Dh为孔道的水力半径；V为载体内气流的速度；Re为雷诺数；Reλ对于规则通道内的层流为常量，圆形孔的理论值是64,正方形孔的理论值为54.908。由于一般三元催化器的孔道为正方形，涂上涂层后，涂层材料堆积在通道的拐角处，通道变圆了，且由于工艺方面的限制，实际孔道不可能完全是正方形，Reλ取值为56.908~64。
随着载体技术的发展，蜂窝孔的密度可达800~1000孔/in2，壁厚也已降至0.025mm这样的薄壁能减少热容量，避免压力损失(增加压力损失的补偿)。
局部损失，即涡流损失、转向损失和撞击损失。对催化器来说，局部损失主要出现在扩张管、收缩管和载体前后端面等。扩张管损失
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式中：f1为突扩损失系数;f2为逐渐扩大损失系数;v为逐渐扩大前的平均流速;ρ为流体密度。
扩张管角度对压力损失的影响如图4所示。从图4可见，采用40°扩张管角较为理想。这是因为40°扩张管角较小，气流扩散良好，沿壁面气流分离小，因而催化器局部损失小。
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图4 扩张管角度对压力损失的影响 |
从图4可看出，压力损失并非随锥角增大而一直增大。这是因为当锥角超过一定值(如90°)后，气流在扩张管入口处开始分离，并呈射流状态，流动对轮廓线不敏感，压力损失主要与涡流区的大小有关。由于90°扩张管比120°扩张管的体积大，相应的涡流区及流动损失也大，导致压力损失大。
收缩管损失
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式中：f1和f2分别为突缩和逐渐收缩损失系数。
载体引起的突扩和突缩损失
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式中：f12是突扩混合系数。
出口锥角在载体后面，气流在其中存在顺压梯度，不会产生分离现象，对流动分布基本没有影响，对压力损失的影响也较小。因此，可取出口锥角与扩张管相同，即40°。
沿程损失主要包括入口管、出口管和中间管道(不包括载体损失)的压力损失。为了计算方便，将入口管和出口管称为小管，中间管道称为大管。由于低速时沿程损失很小，主要考虑高速时的情况。小管内Re为 1×105～1.6×105 ，沿程损失系数
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大管内Re 为6×104～8×104 ，沿程损失系数
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在催化转化器的设计中，尽可能减少这些压力损失，能保证催化转化器系统具有良好的空气动力学性能，使安装催化转化器导致的插入损失最低、两端的压力差最小（低背压），将对汽车发动机的动力性、经济性的影响程度降至最低。
3 结语
控制并降低汽车尾气污染已成为世界性课题。发达国家的汽车工业总体技术较先进，在尾气控制技术方面已取得重要成绩，正在向超低污染排放和零污染排放迈进。汽油机用三元催化转化器作为降低废气排放的有效装置，在国外已得到很好的应用。如在电控发动机上，匹配良好的催化器的稳态转化效率可达90%，实际装车的运行寿命在8万KM以上。在我国，汽车排放导致的污染问题已引起政府部门的极大重视，严格的排放标准相继出台，人们已经从汽车使用的角度来关注催化转化器技术的发展，相信我国的催化转化器技术会有实质性突破。
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