沈彬 王勇

摘要：實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)燃料多元化和低碳化發(fā)展，緩解我國(guó)碳排放的壓力和石油對(duì)外依賴(lài)的現(xiàn)狀，保障國(guó)家能源安全。由于醇醚代用燃料獨(dú)特的排放、使用成本經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)，推廣應(yīng)用醇醚代用燃料技術(shù)（乙醇、甲醇、二甲醚等）和生物燃料（生物柴油、生物乙醇），初步實(shí)現(xiàn)液體替代燃料與石化燃料摻混改應(yīng)用，石化燃料替代意義重大。

Abstract： Realize the diversification of internal combustion engine fuels and low-carbon development， ease the pressure of China's carbon emissions and the status quo of oil dependence on foreign sources， and ensure national energy security. Due to the unique emission and cost-effective advantages of alcohol ether alternative fuels， the promotion and application of alcohol ether alternative fuel technologies （ethanol， methanol， dimethyl ether， etc.） and bio-fuels （biodiesel， bioethanol）， have initially realized liquid alternative fuels and the blending of petrochemical fuels and the application of petrochemical fuels are of great significance.

關(guān)鍵詞：甲醇發(fā)動(dòng)機(jī);催化器;設(shè)計(jì)應(yīng)用

Key words： methanol engine;catalytic converter;design and application

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ223.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0010-03

0? 引言

甲醇催化器是甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣后處理關(guān)鍵部件，催化器的可靠性[1]對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣達(dá)標(biāo)以及消聲作用[2]起到至關(guān)重要作用，另外，由于催化器中催化劑的價(jià)值量較大，對(duì)企業(yè)后期三包索賠損失也會(huì)大大的增加。

催化器的封裝的重要性：一方面對(duì)催化劑保護(hù)作用，確保催化劑不損壞;另一方面要確保封裝密封性，確保凈化前尾氣全部通過(guò)載體凈化。所以封裝質(zhì)量是產(chǎn)品質(zhì)量的保證的關(guān)鍵，也是保證發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放是否合格的保障。另外過(guò)剩設(shè)計(jì)選型，對(duì)產(chǎn)品的成本競(jìng)爭(zhēng)力起到負(fù)面作用。本文針對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)催化器封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析、材料選型[3]、試驗(yàn)驗(yàn)證 ，最終選擇性?xún)r(jià)比較高的封裝材料、零部件，滿(mǎn)足催化器總成的性能[4]、可靠性要求。

1? 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的輸入條件

1.1 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)輸入條件見(jiàn)表1

1.2 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的技術(shù)要求

①滿(mǎn)足<GB17691-2018 重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）>中天然氣的排放標(biāo)準(zhǔn)，分別滿(mǎn)足 6.3 發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)排放限制和 6.4 非標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)排放要求。滿(mǎn)足未燃甲醇和未燃甲醛≤20mg/（kW.h）的標(biāo)準(zhǔn)。

②非常規(guī)排放滿(mǎn)足《八部委關(guān)于在部分地區(qū)開(kāi)展甲醇汽車(chē)應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)（工信部聯(lián)節(jié)〔2019〕61號(hào)）》中第十六條規(guī)定。

③振動(dòng)耐久滿(mǎn)足：試驗(yàn)完成后不得出現(xiàn)載體破碎、變形等失效模式;催化器不得出現(xiàn)破碎、脫焊、 變形等失效模式。試驗(yàn)方法參照：QC/T 631 4.8 條款。

④插入損失≥25dB。試驗(yàn)方法參照：QC/T 631 5.5 條款;排氣背壓≤20kPa。試驗(yàn)方法參照：QC/T 631 5.5 條款。

1.3 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)催化器開(kāi)發(fā)邊界

根據(jù)整車(chē)排氣空間結(jié)構(gòu)，催化器本體空間需在：長(zhǎng)×寬×高在510×320×485范圍內(nèi)布置。

2? 催化器的方案設(shè)計(jì)、驗(yàn)證

2.1 催化器的載體、襯墊選型

①根據(jù)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)信息，確定催化器載體規(guī)格見(jiàn)表2。

②根據(jù)載體規(guī)格以及發(fā)動(dòng)機(jī)輸入信息，進(jìn)行催化器襯墊選型，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

襯墊選型說(shuō)明：催化劑入口最高進(jìn)氣溫度為582℃，TWC的背壓為5kPa，TWC的載體涂覆后載體的質(zhì)量為3kg，振動(dòng)加速度為20g，根據(jù)計(jì)算所得襯墊保持力在最小的GBD值在0.37大于安全系數(shù)大于1.2，且最大GBD值在0.43時(shí)新鮮態(tài)的襯墊壓強(qiáng)在609kPa，遠(yuǎn)小于載體的抗壓強(qiáng)度3000kPa，所以這個(gè)情況下的GBD值是安全的。同時(shí)考慮到甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)不成熟性，會(huì)偶發(fā)產(chǎn)生后燃現(xiàn)象，所以在載體的進(jìn)出氣口位置增加了金屬絲網(wǎng)與擋圈固定，從而保證催化劑在100kPa的背壓下，載體不滑移。襯墊在選型的同時(shí)，也考慮內(nèi)筒體的材質(zhì)選擇及熱膨脹系數(shù)（因箱式結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒體的內(nèi)壁溫度與外壁溫度與進(jìn)氣溫度接近，均很高）。

最后確定襯墊規(guī)格PC-max2000i-1688g/m2。

③根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)輸入邊界、流量等信息，進(jìn)行催化器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行設(shè)計(jì)分析：

1）結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)說(shuō)明：由于整體設(shè)計(jì)空間所限，整個(gè)箱體只能布置在長(zhǎng)×寬×高在510×320×485的空間內(nèi)，經(jīng)計(jì)算，整個(gè)箱體的體積約為75L，與發(fā)動(dòng)機(jī)的排量比值為5.7倍。而查閱資料所得，一般消聲器的體積與排量比為6～8倍。為了插入損失可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，所以盡可能充分的利用腔體，讓氣流在腔體中呈“U”型結(jié)構(gòu)。所以進(jìn)氣腔體放在第一個(gè)消聲腔處?？紤]到氣體在連接管進(jìn)入到腔體后需要充分的分布，才可以滿(mǎn)足均勻性的要求，所以第一腔體的長(zhǎng)度不得設(shè)計(jì)的太短，根據(jù)分析所得，長(zhǎng)度在100mm處可滿(mǎn)足均勻性的設(shè)計(jì)要求。尾氣流經(jīng)催化劑后，催化反應(yīng)后氣體到達(dá)第三腔體，由于后隔板中開(kāi)了6個(gè)孔，方便氣體流經(jīng)第二腔體。同時(shí)氣體通過(guò)出氣管排入到大氣中。前連接管與增壓器的連接管路相連。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)車(chē)架在行駛過(guò)程中，受到路面的各種工況也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)產(chǎn)生的力全部傳遞到進(jìn)氣管與箱體相連的焊縫處，為了考量焊縫滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，在此處增加了一個(gè)加強(qiáng)套。

2）材料的選擇：其中與甲醇?xì)怏w直接接觸的材料，考慮到甲醇?xì)怏w反應(yīng)后會(huì)生產(chǎn)甲酸，甲酸會(huì)腐蝕金屬。經(jīng)驗(yàn)證，甲酸在高溫下腐蝕SUS304、與441等材質(zhì)較慢。所以進(jìn)氣管、出氣消聲管、進(jìn)氣法蘭、氧傳感器座質(zhì)等材料選擇SUS304，筒體、端蓋、隔板、箱體、材料選擇441，隔熱罩支架、催化器支架、脖套等不與甲醇?xì)怏w接解的材料選擇SUH409L。

3）CFD、FEA的分析：分析參數(shù)：進(jìn)氣流量18.9kg/min，進(jìn)氣溫度585℃，增壓器出口處背壓設(shè)定為18kPa。分析工具：前處理：CATIA，ANSA 15.1.0;求解器：Fluent 14.5;后處理：Fluent 14.5。

CFD分析流線(xiàn)圖：載體1流線(xiàn)圖見(jiàn)圖2，載體2流線(xiàn)圖見(jiàn)圖3。

均勻性分析結(jié)果：載體1均勻性系數(shù)0.984;載體2均勻性系數(shù)0.986。滿(mǎn)足均勻性設(shè)計(jì)目標(biāo)要求：UI≥0.95。

FEA分析結(jié)果示意圖（因篇幅問(wèn)題，不詳細(xì)表達(dá)）及結(jié)論：LCF分析結(jié)果示意見(jiàn)圖4，HCF分析結(jié)果示意見(jiàn)圖5，溫度分布見(jiàn)圖6，材料分布見(jiàn)圖7。

分析結(jié)論：從路面載荷g-load分析結(jié)果可看出，各方向在HCF、LCF載荷下的疲勞系數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

從熱力耦合分析結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)最高溫度607℃，在進(jìn)氣口區(qū)域;最大等效塑性應(yīng)變?cè)隽繛?.8%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求（<1%）。

根據(jù)分析結(jié)果初步確定催化器結(jié)構(gòu)方案。

2.2 樣件的制作以及性能、進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證

根據(jù)催化器的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行樣件的制作，完成樣品樣件的制作，進(jìn)行下一步相關(guān)驗(yàn)證。催化器總成主要完成的試驗(yàn)：

①催化器總成的背壓試驗(yàn)——結(jié)果18kPa，滿(mǎn)足要求。

②催化器總成的插入損失試驗(yàn)——結(jié)果23dB，滿(mǎn)足要求。

③催化器總成的鹽霧試驗(yàn)、壓力脈沖試驗(yàn)、冷熱沖擊試驗(yàn)、彎矩試驗(yàn)等，結(jié)果均滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

④催化器總成的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)——結(jié)果滿(mǎn)足滿(mǎn)足：<GB17691-2018重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）>中天然氣的排放標(biāo)準(zhǔn)（因主機(jī)客戶(hù)基于數(shù)據(jù)保密，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)未提供）。

⑤催化器總成的試驗(yàn)臺(tái)熱振動(dòng)耐久試驗(yàn)，具體如下：振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)條件：進(jìn)氣溫度700℃，流量420kg/h。進(jìn)行階梯振動(dòng)，1）第一階段，10g@100Hz振動(dòng)3h;2）第二階段，15g@100Hz振動(dòng)3h;3）第三階段，16g@100Hz振動(dòng)3h;4）第四階段，18g@100Hz振動(dòng)3h;5）第五階段，20g@100Hz振動(dòng)3h。

試驗(yàn)照片及結(jié)論：圖8為催化器在振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)試驗(yàn)，圖9為載體封裝后推力試驗(yàn)。

振動(dòng)臺(tái)熱振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：試驗(yàn)后，經(jīng)檢查、分析催化器封裝結(jié)構(gòu)無(wú)開(kāi)裂、脫焊、變形等問(wèn)題;催化劑載體無(wú)脫落、破碎等問(wèn)題，滿(mǎn)足可靠性試驗(yàn)要求。

⑥整車(chē)道路試驗(yàn)除了常規(guī)的一般公路路面，同時(shí)還增加強(qiáng)化路的試驗(yàn)。

2.3 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)

①以整機(jī)性能指標(biāo)、可靠性等指標(biāo)為導(dǎo)向;②整車(chē)道路試驗(yàn)、市場(chǎng)整車(chē)運(yùn)行情況;③借鑒傳統(tǒng)燃料試驗(yàn)方法;④不斷積累數(shù)據(jù)作為甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

①綜合催化器總成相關(guān)試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)以及整車(chē)道路試驗(yàn)等結(jié)果，確定催化器總成的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求，可以進(jìn)行小批量生產(chǎn)。②在甲醇催化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，把筒體材質(zhì)選擇（重點(diǎn)考慮熱膨脹、腐蝕等問(wèn)題）、襯墊的選擇（筒體熱膨脹系數(shù)要考慮進(jìn)去）作為重點(diǎn)。其它結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、均勻性也是非常重要。③目前產(chǎn)品已進(jìn)入批量生產(chǎn)供貨狀態(tài)，社會(huì)反饋良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]熱振動(dòng)試驗(yàn)參考FOSO企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ES-W19001催化轉(zhuǎn)化器消聲器相關(guān)技術(shù)條件和試驗(yàn)方法.

[2]排氣背壓、插入損失：QC/T 631-2009汽車(chē)排氣消聲器總成技術(shù)條件和試驗(yàn)方法.

[3]不銹鋼和耐熱鋼牌號(hào)及化學(xué)成分GB/T20878-2007中S11873.

[4]性能試驗(yàn)：GB17691-2018重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）.