盛宏業(yè) 李志廣 黃昌瑞

（華晨汽車工程研究院動力總成設(shè)計處）

三元催化器是目前為解決點(diǎn)燃式發(fā)動機(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，而且要求冷啟動時三元催化器的起燃時間要盡量縮短。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，隨著計算機(jī)技術(shù)和計算流體力學(xué)的快速發(fā)展，用CFD軟件對催化器內(nèi)部流動的仿真日趨活躍，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)動機(jī)的匹配以及催化器的設(shè)計提供指導(dǎo)。文章針對某公司1.5 L渦輪增壓發(fā)動機(jī)的催化器設(shè)計展開討論。

1 發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)

發(fā)動機(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

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)，這樣前級催化器與發(fā)動機(jī)燃燒室間的路徑短，催化器的溫度起燃特性好。但對于廢氣渦輪增壓發(fā)動機(jī)，因渦輪增壓器的存在，啟動初期會吸收大量熱量，導(dǎo)致在ECE循環(huán)排放測試過程中，冷啟動后較長時間催化劑入口溫度處于較低水平，催化劑開始起作用的時間、起燃時間以及達(dá)到最佳工作溫度的時間較自然吸氣的晚一些。特別是歧管預(yù)混式，冷啟動時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。

針對歐Ⅳ的排放要求，主要從2個方面對三元催化器進(jìn)行研究。1）最大限度地進(jìn)行催化器緊耦合設(shè)計，采用2節(jié)催化器設(shè)計，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）對發(fā)動機(jī)進(jìn)行更激進(jìn)的冷啟動控制，優(yōu)化動態(tài)過程中的空燃比控制和催化器暖機(jī)控制。這樣的設(shè)計能同時降低新老催化器的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

2.1.1 載體尺寸

對于增壓汽油機(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受影響。為有效提高催化器性能，采用2級載體設(shè)計方式。一方面，前級催化器變小，可以有效提高催化器的溫度，提高低溫時的轉(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，前級催化器采用0.5 L容積，后級催化器采用1 L容積，能夠達(dá)到比較理想的效果。因此前級采用“φ93×75，600 cpsi/4 mil，0.5 L”，后級采用“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)增加對發(fā)動機(jī)的輸出功率有一些影響，設(shè)計目標(biāo)是盡量減少其對功率的影響，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)計方案的選擇主要從發(fā)動機(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浴⒋呋瘎┑睦寐?、背壓及封裝工藝性都是最好的，但有時由于空間位置的關(guān)系還必須采用橢圓形或者跑道形載體。現(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，同時受空間限制，前級載體較小，前級背壓可能會較高，很多情況下前級采用金屬載體。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排放有較大影響。一般貴金屬量越大，排放效果越好。手動及自動擋的載體涂層配比，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

對該機(jī)型催化器前級進(jìn)行模態(tài)振動分析。圖5示出本機(jī)型催化器前級各危險點(diǎn)分布，表2示出前級中各危險點(diǎn)的分析數(shù)值。根據(jù)催化器前級在發(fā)動機(jī)上的實(shí)際安裝狀態(tài)，對其安裝點(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 催化器前級各危險點(diǎn)分析數(shù)值

確定催化器約束點(diǎn)后對催化器進(jìn)行模態(tài)分析，主要為了保證計算后的催化器模態(tài)高于發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)模態(tài)（大約在240 Hz），避免與發(fā)動機(jī)產(chǎn)生共振而造成催化器損壞。同時為了觀察前級催化器殼體在工作中的變化，一般對前6階模態(tài)進(jìn)行計算，如圖6所示，用于殼體設(shè)計的參考。

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，在保證計算精度的同時節(jié)約計算時間。

4.3 初始參數(shù)及條件

計算工況：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，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)置對排氣系統(tǒng)的壓力損失沒有影響，對流出出口區(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，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)背壓計算結(jié)果。由表3可以看出，連接管段壓力損失約占一半，對背壓的貢獻(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：前級催化器收縮端接口部分。

4.5 流動不均勻性指數(shù)

氣流在載體截面上的流動均勻性影響到氣體在催化劑載體中的停留時間，對催化劑的催化效率有很大影響。同時，流動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來評價在催化器截面上流動的均勻程度，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，表示流動越均勻，D越大，流動分布越不均勻。取催化劑載體入口端1 cm處計算，得出：前后級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，其計算結(jié)果，如表4所示。經(jīng)計算，改進(jìn)后排氣背壓降低28.9-22.9=6 kPa，前后級載體流動不均勻性指數(shù)分別為：0.385，0.266。可以看出，改進(jìn)后前載體內(nèi)流動不均勻性略有升高，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)化后排氣背壓計算結(jié)果

5 結(jié)論

文章通過某公司1.5T發(fā)動機(jī)催化器的設(shè)計簡單介紹了催化器系統(tǒng)的設(shè)計及簡易的分析計算和性能優(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)計流程，在設(shè)計驗(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)果并對其中存在的問題進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化，保證了在試驗(yàn)階段催化器系統(tǒng)能夠滿足發(fā)動機(jī)的需求。

面對未來日益嚴(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。