摘要：電噴車加裝三元催化轉化器是國際公認的有效的汽車尾氣凈化技術措施。文中分析了三元催化器設計中的流場、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。
        關鍵字：汽車 三元催化轉化器 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，從排放控制技術來看，單純采用機內凈化措施難以滿足現有排放法規(guī)要求，必須同時采用機外凈化措施。三元催化轉化器的研制使汽車排放控制技術取得了突破性進展，它可使汽油車排放的CO、HC、NO_x大為降低。閉環(huán)電子控制燃油噴射系統(EFI)加三元催化轉化器(TWC)是目前控制汽油機排氣污染非常重要的技術。

        1 三元催化轉化器介紹

        1.1 三元催化轉化器的結構

        如圖1所示，三元催化轉化器一般由殼體、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,Rh用于催化NO_x的還原反應。

        1.2 三元催化轉化器的工作原理

        在三元催化轉化器中,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 影響三元催化轉化器整體設計的因素

        2.1汽車的排放特性

        催化轉化器設計中，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化技術降低汽車排放的重要前提。

        在實際使用中，催化轉化器與發(fā)動機及汽車組合成一個完整的排放控制系統來起作用，存在各部件之間的匹配優(yōu)化問題。應根據具體車型的原始排放水平、排放法規(guī)要求、對動力性和經濟性等指標的要求等條件來確定催化器設計方案。

        2.2 三元催化轉化器與空燃比的關系

    大量試驗結果表明，只有當空燃比接近理論值(14.7：1)時，NO_x、HC和CO的轉化率才能達到最佳，否則會出現顧此失彼的結果，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，電腦根據氧傳感器的氧信號調節(jié)噴油量，并且多點噴射技術加大了噴射壓力，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，可獲得最佳催化轉化效率。

        2.3 催化轉化器與排氣系統的匹配

        排氣系統對發(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的這種波動效應，進而對發(fā)動機的動力性和經濟性造成顯著影響。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，在采用催化轉化器時，必須對發(fā)動機排氣系統進行重新設計，以達到催化器與排氣系統的良好匹配。匹配中主要應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化效率的影響

        合理布置催化轉化器在排氣系統的位置，并采取有效措施對催化轉化器內部溫度加以控制，能大大改善催化轉化器轉化效率及失效壽命。

        2.5 催化轉化器的流動特性

        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，造成總體轉化效率降低。另外，流速分布不均勻還會導致沿載體徑向存在過大的溫度梯度，產生熱應力分布不均勻，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，結果如圖2、3所示。從圖2、3可見40°錐角的速度分布更均勻。

        2.6 催化轉化器壓力損失的組成及計算

        催化轉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：

        式中：為沿程損失系數；ρ為氣流密度；μ為空氣粘性系數；L為載體長度；Dh為孔道的水力半徑；V為載體內氣流的速度；Re為雷諾數；Reλ對于規(guī)則通道內的層流為常量，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、轉向損失和撞擊損失。對催化器來說，局部損失主要出現在擴張管、收縮管和載體前后端面等。擴張管損失

         式中：f₁為突擴損失系數;f₂為逐漸擴大損失系數;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。

        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。由于90°擴張管比120°擴張管的體積大，相應的渦流區(qū)及流動損失也大，導致壓力損失大。

        收縮管損失

        式中：f₁和f₂分別為突縮和逐漸收縮損失系數。

        載體引起的突擴和突縮損失

        式中：f₁₂是突擴混合系數。

        出口錐角在載體后面，氣流在其中存在順壓梯度，不會產生分離現象，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R_e為 1×10⁵～1.6×10⁵ ，沿程損失系數

         大管內R_e 為6×10⁴～8×10⁴ ，沿程損失系數

         在催化轉化器的設計中，盡可能減少這些壓力損失，能保證催化轉化器系統具有良好的空氣動力學性能，使安裝催化轉化器導致的插入損失最低、兩端的壓力差最�。ǖ捅硥海瑢ζ嚢l(fā)動機的動力性、經濟性的影響程度降至最低。

        3 結語

        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)總體技術較先進，在尾氣控制技術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用。如在電控發(fā)動機上，匹配良好的催化器的穩(wěn)態(tài)轉化效率可達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，人們已經從汽車使用的角度來關注催化轉化器技術的發(fā)展，相信我國的催化轉化器技術會有實質性突破。
 

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