盛宏業(yè) 李志廣 黃昌瑞

（華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成設(shè)計(jì)處）

三元催化器是目前為解決點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排放問題而被廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)后處理技術(shù)。隨著排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，以及歐Ⅳ測試循環(huán)相對(duì)于歐Ⅲ測試循環(huán)的改變，不但要求催化器有高的轉(zhuǎn)化效率，而且要求冷啟動(dòng)時(shí)三元催化器的起燃時(shí)間要盡量縮短。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的快速發(fā)展，用CFD軟件對(duì)催化器內(nèi)部流動(dòng)的仿真日趨活躍，人們可以采用數(shù)值模擬的方法來研究催化器的溫度場、濃度場及速度場分布，從而為催化器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配以及催化器的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。文章針對(duì)某公司1.5 L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的催化器設(shè)計(jì)展開討論。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)為直列4缸汽油機(jī)，配備廢氣渦輪增壓器，排量為1.5 L，最大功率為110 kW，最大功率轉(zhuǎn)速為5 500 r/min，最大扭矩195 N·m，最大扭矩轉(zhuǎn)速為1 800～4 500 r/min，配備 5MT/4AT變速箱。

2 三元催化器設(shè)計(jì)

為了達(dá)到歐Ⅳ排放指標(biāo)，自然吸氣的汽油機(jī)一般采用排氣歧管與三元催化器一體的緊耦合結(jié)構(gòu)，這樣前級(jí)催化器與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室間的路徑短，催化器的溫度起燃特性好。但對(duì)于廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，因渦輪增壓器的存在，啟動(dòng)初期會(huì)吸收大量熱量，導(dǎo)致在ECE循環(huán)排放測試過程中，冷啟動(dòng)后較長時(shí)間催化劑入口溫度處于較低水平，催化劑開始起作用的時(shí)間、起燃時(shí)間以及達(dá)到最佳工作溫度的時(shí)間較自然吸氣的晚一些。特別是歧管預(yù)混式，冷啟動(dòng)時(shí)混合氣偏濃加之增壓器吸熱，HC的處理是主要問題點(diǎn)。因此，對(duì)于渦輪增壓的汽油機(jī)而言，THC排放是主要問題，特別是AT車型THC更多一些。

針對(duì)歐Ⅳ的排放要求，主要從2個(gè)方面對(duì)三元催化器進(jìn)行研究。1）最大限度地進(jìn)行催化器緊耦合設(shè)計(jì)，采用2節(jié)催化器設(shè)計(jì)，選用大小合適的高目數(shù)薄壁厚載體，此外還要保證涂層金屬的熱穩(wěn)定性，要求金屬涂層具有高耐久性能。2）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行更激進(jìn)的冷啟動(dòng)控制，優(yōu)化動(dòng)態(tài)過程中的空燃比控制和催化器暖機(jī)控制。這樣的設(shè)計(jì)能同時(shí)降低新老催化器的HC和NOx排放，使催化器在40 s左右就達(dá)到起燃溫度[1]。

2.1 載體設(shè)計(jì)

2.1.1 載體尺寸

對(duì)于增壓汽油機(jī)而言，由于一部分廢氣的熱量被增壓器吸收，催化器的起燃特性會(huì)受影響。為有效提高催化器性能，采用2級(jí)載體設(shè)計(jì)方式。一方面，前級(jí)催化器變小，可以有效提高催化器的溫度，提高低溫時(shí)的轉(zhuǎn)化效率；另一方面，載體總尺寸不變，可以保證高速段催化器有足夠的轉(zhuǎn)化能力。經(jīng)過理論分析和試驗(yàn)研究，前級(jí)催化器采用0.5 L容積，后級(jí)催化器采用1 L容積，能夠達(dá)到比較理想的效果。因此前級(jí)采用“φ93×75，600 cpsi/4 mil，0.5 L”，后級(jí)采用“φ101.6×123.3，400 cpsi/6 mil，1.0 L”進(jìn)行布置。

2.1.2 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]。

2.1.3 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。通過理論分析和試驗(yàn)研究，選用600 cpsi/4 mil結(jié)構(gòu)，能夠達(dá)到理想的效果。

2.1.4 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[3]。

2.2 貴金屬涂層和涂覆工藝

2.2.1 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。

表1 催化器尺寸及載體涂層配比

2.2.2 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]。

3 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。

表2 催化器前級(jí)各危險(xiǎn)點(diǎn)分析數(shù)值

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240 Hz），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)過分析，在工作狀態(tài)下其頻率在2 600 Hz以上，主要表現(xiàn)為空腔部分的徑向呼吸模態(tài)。

4 排氣系統(tǒng)CFD分析

4.1 物理邊界的確定

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

4.2 CFD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。

4.3 初始參數(shù)及條件

計(jì)算工況：排氣管的流量為0.13 kg/s，排氣入口溫度1 173 K（900℃）。

4.4 邊界條件設(shè)置

1）入口邊界：溫度為1 173 K，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0.13 kg/s；

2）出口邊界：經(jīng)過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500 Pa；

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[5]。

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。

表3 催化器排氣背壓計(jì)算結(jié)果

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。

4.5 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來評(píng)價(jià)在催化器截面上流動(dòng)的均勻程度，定義為[6]：

式中：Uavg——截面平均速度，m/s；

U——某點(diǎn)速度，m/s；A0——截面面積，mm2。

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1 cm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。

4.6 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。

4.7 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=6 kPa，前后級(jí)載體流動(dòng)不均勻性指數(shù)分別為：0.385，0.266?？梢钥闯觯倪M(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，通過優(yōu)化，載體端面流場分布明顯改善。

表4 催化器優(yōu)化后排氣背壓計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

文章通過某公司1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)催化器的設(shè)計(jì)簡單介紹了催化器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及簡易的分析計(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)未來日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，目前的催化器產(chǎn)品將無法滿足排放要求，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。