汽車排氣催化器的隔熱方法研究

張爽，賀永剛，張治國(guó)，黃昌瑞，王雷

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汽車排氣催化器的隔熱方法研究

張爽，賀永剛，張治國(guó)，黃昌瑞，王雷

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

催化轉(zhuǎn)化器作為汽車的一個(gè)重要的環(huán)保部件，它在將發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后的高溫廢氣向外排出的過程中不斷向外散熱，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，排氣系統(tǒng)作為主要的熱源對(duì)周圍耐熱性差的零件構(gòu)成了極大的威脅，需要采取熱保護(hù)措施。文章針對(duì)催化器內(nèi)部隔熱和外部隔熱兩種方式，制作了多種不同的方案，通過排氣臺(tái)架試驗(yàn)的手段研究了各種隔熱方法的效果，最后給出了催化器最有效隔熱方法的建議。

催化轉(zhuǎn)化器；排氣臺(tái)架試驗(yàn)；隔熱方法

前言

汽車排氣歧管和催化器零件的主要作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后的高溫廢氣向外排出，并在三元催化劑的作用下將污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。在排氣過程中，排氣系統(tǒng)不斷向外散熱，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，排氣系統(tǒng)作為主要的熱源對(duì)周圍耐熱性差的零件構(gòu)成了極大的威脅，需要采取熱保護(hù)措施。本文研究了催化器的多種隔熱方法，給出了最有效降低熱傳遞的建議。首先，介紹了催化器的基本傳熱機(jī)理，為理解最有效的隔熱方式提供了依據(jù)。其次，我們針對(duì)催化器內(nèi)部隔熱和外部隔熱兩種方式來進(jìn)行研究。對(duì)比了不同熱導(dǎo)率、不同厚度的陶瓷纖維襯墊和不同輻射率的催化器殼體等幾種方案的隔熱效果，來研究催化器內(nèi)部熱保護(hù)。驗(yàn)證安裝隔熱罩和距熱源的距離對(duì)熱保護(hù)的影響，來研究催化器外部的隔熱效果。利用簡(jiǎn)單的熱傳導(dǎo)模型作為試驗(yàn)樣件。這些簡(jiǎn)單的模型是產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常采用的行之有效的工具，因?yàn)樗鼈兛梢院芸斓膩碓u(píng)估多種方案的效果。

1 本次研究的目的

發(fā)動(dòng)機(jī)上使用三元催化轉(zhuǎn)化器的目的是為了滿足日益嚴(yán)格的污染物排放限值的國(guó)家法規(guī)認(rèn)證要求。

提高排放控制的第一步是將催化轉(zhuǎn)化器總?cè)莘e中的一小部分放到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，以便利用排氣的高溫來加熱催化劑，使其盡早起燃。這種所謂的“熱身系統(tǒng)”已經(jīng)足夠高效了，可以不必再使用其他外部的輔助加熱系統(tǒng)。

下一步是將放到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的催化器直接焊接到排氣歧管上。這種方法達(dá)到了最佳的效率和成本之比值。然而這種方法也同樣存在許多的挑戰(zhàn)。

圖1 緊耦合排氣歧管及催化器示意圖

第一個(gè)挑戰(zhàn)是催化器涂層中的貴金屬抗老化能力和穩(wěn)定性。催化器必須承受住850℃或者更高的持續(xù)加熱，并且催化器在經(jīng)過持續(xù)高溫的老化試驗(yàn)后，整車的尾氣排放數(shù)值依然要保持在法規(guī)限制值之內(nèi)。

第二個(gè)挑戰(zhàn)是催化器給發(fā)動(dòng)機(jī)艙帶來的熱害問題。由于當(dāng)代汽車上安裝的設(shè)備越來越多，并且為了提高舒適性，駕駛室的空間需求也越來越大，以及為了提高空氣動(dòng)力學(xué)性能而縮減了發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋的形狀，使得汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的可用空間越來越小了，留給安裝緊耦合排氣歧管的空間更是非常的有限。然而表面溫度高達(dá)400℃到500℃的催化器周圍布滿了耐溫低于150℃的零件，例如塑料件、冷卻液膠管和電子線束等。這對(duì)催化器的熱保護(hù)設(shè)計(jì)帶來了不小的挑戰(zhàn)。

另外一點(diǎn)，即使布置于車輛下方，催化轉(zhuǎn)化器也要從熱管理的角度仔細(xì)處理，因?yàn)樵谒邪l(fā)動(dòng)機(jī)工作模式下都會(huì)發(fā)生放熱反應(yīng)，未燃燃料的氧化會(huì)釋放出大量的能量。即便發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后，未燃燃料依然會(huì)進(jìn)行短暫的氧化反應(yīng)并釋放出大量的能量，要求布置在車身下的催化器表面溫度不能超過干草的燃點(diǎn)，以避免車輛停放在干草坪上時(shí)引起火災(zāi)的危險(xiǎn)。

由此可見，我們需要花費(fèi)大量的經(jīng)歷去研究催化器隔熱的方法，使催化器在盡可能小的占用空間的情況下更少的向外傳遞熱量，并且保證自身的耐久性和可靠性。

通常，催化器的隔熱依靠的是內(nèi)部包裹載體所使用的襯墊以及外部安裝的隔熱罩。襯墊是陶瓷纖維和蛭石的混合物，在高溫下膨脹，機(jī)械地包裹住陶瓷載體以補(bǔ)償陶瓷載體和金屬殼體之間的間隙。外部安裝的隔熱罩則是為了避免催化器直接向外輻射熱量。

本次研究，對(duì)催化器的傳熱方式進(jìn)行分析，對(duì)比內(nèi)部和外部隔熱的效果，找到影響催化器向外熱傳遞的主要因素，從而確定最有效的隔熱方法。

2 催化器的傳熱機(jī)理

排氣歧管及催化器對(duì)周圍的各種部件的加熱主要通過催化器外殼直接熱輻射和間接地通過空氣的對(duì)流換熱兩種方式。熱輻射換熱取決于催化器的表面溫度，也和材料的輻射率有關(guān)。自然對(duì)流換熱主要與催化器表面溫度有關(guān)。因此，控制催化器表面溫度是關(guān)鍵，我們將詳細(xì)分析一下影響催化器表面溫度的因素。通過分析不難發(fā)現(xiàn)，催化器外殼主要被以下兩種方式加熱（如圖2所示）：

（1）軸向熱傳導(dǎo)。通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得排氣歧管隔熱后的溫度在750 - 800°C，入口錐體在450-500°C，而催化器外殼將保持在350-450°C。如果從排氣歧管和催化器入口錐體到外殼的軸向熱傳導(dǎo)熱量足夠多，它們可以降低通過增加襯墊來實(shí)現(xiàn)的隔熱效果。催化器兩端的熱傳導(dǎo)會(huì)使催化器徑向換熱效果下降。此時(shí)增加更多的內(nèi)部隔熱措施也不會(huì)降低催化器外殼的溫度。

（2）徑向熱傳導(dǎo)。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣氣流和催化劑中放熱的化學(xué)反應(yīng)使催化劑保持在800℃至1000℃之間，廢氣通過對(duì)流換熱和通過載體的徑向傳導(dǎo)將熱量傳遞到催化劑載體的壁面上。在載體的中心和外圍之間，測(cè)量到的溫度梯度高達(dá)100°C。如果催化器殼體與載體直接接觸，沒有任何隔熱措施，那么催化器殼體表面溫度可高達(dá)850至950°C。

了解了催化器的主要傳熱機(jī)理之后，我們將通過試驗(yàn)來驗(yàn)證一下它們的影響效果。

圖2 催化器組件和傳熱方式示意圖

3 兩種傳熱方式的效果驗(yàn)證

3.1 軸向熱傳導(dǎo)

圖3 特殊催化器試驗(yàn)樣件示意圖

為了驗(yàn)證催化轉(zhuǎn)化器軸向熱傳導(dǎo)效果，我們進(jìn)行了以下試驗(yàn)：制作了一個(gè)特殊的催化器，使廢氣能夠在相同的流動(dòng)條件下分別從催化器前后兩端吹入。在方向1中，氣體通過非隔熱端錐進(jìn)入。在方向2中，氣體通過有隔熱保護(hù)的端錐進(jìn)入，如圖3。我們使用了容積為1L的圓形陶瓷載體，4mm厚度的陶瓷纖維襯墊，在催化器外圍安裝了10個(gè)熱電偶用于溫度測(cè)量，試驗(yàn)在排氣系統(tǒng)的專用測(cè)試臺(tái)架上進(jìn)行，將800℃的高溫氣體按照相同的條件分別從催化器兩端吹入。

如果催化器殼體中間的溫度受錐體溫度的影響，則靠近錐體的一側(cè)溫度會(huì)更高。圖4為兩次試驗(yàn)后各測(cè)試點(diǎn)的溫度圖，試驗(yàn)結(jié)果表明：氣流從任何一端吹入，殼體的表面溫度基本相同，說明催化器殼體受端部熱傳導(dǎo)的影響很小，軸向熱傳導(dǎo)對(duì)催化器的溫度升高不起主要作用。

圖4 催化器各點(diǎn)溫度測(cè)量結(jié)果

3.2 徑向熱傳導(dǎo)

如前所述，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣和化學(xué)反應(yīng)會(huì)加熱催化劑載體。載體外周溫度將由載體前端面溫度和流量分布以及由中心的徑向?qū)釠Q定。催化器殼體會(huì)被襯墊的導(dǎo)熱而加熱。

為了評(píng)估徑向熱傳導(dǎo)效果，我們使用了容積為1L的圓形陶瓷載體，4mm、8mm和12mm三種不同厚度的陶瓷纖維襯墊。采用上述同樣的臺(tái)架試驗(yàn)方法，測(cè)量催化器殼體外圍溫度，選擇所測(cè)溫度最高點(diǎn)作為試驗(yàn)結(jié)果，如圖5。

圖5 不同厚度襯墊的殼體溫度測(cè)量結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果上不難看出，在同樣的試驗(yàn)條件下，不同厚度的襯墊對(duì)催化器外殼溫度影響很大，襯墊厚度越薄，外殼溫度越高，說明徑向熱傳導(dǎo)是導(dǎo)致催化器外殼溫度高的主要原因，本文接下來的幾個(gè)試驗(yàn)，更加證實(shí)這一點(diǎn)，這里只得出結(jié)論，不做詳細(xì)介紹。

4 兩種隔熱方式效果比較

對(duì)于安裝在汽車上催化器來說，車輛在行駛過程中，從汽車格柵進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙的氣流推動(dòng)著催化器周圍的空氣不斷的流動(dòng)變換，因此催化器對(duì)周邊零部件的放熱主要是通過輻射傳熱的方式，而空氣對(duì)流換熱的方式所占的比重很小。因此，我們重點(diǎn)研究一下降低催化器輻射傳熱的方法。

通常來說，以下兩種方式可以降低輻射傳熱：

（1）降低熱源表面溫度。這可以通過降低襯墊的導(dǎo)熱系數(shù)或增加墊子的厚度來實(shí)現(xiàn)。然而，墊層厚度的增加會(huì)增加殼體的直徑，從而增加輻射面積。

（2）降低殼體的輻射率。鋼的輻射率從奧氏體不銹鋼的0.4到鐵素體不銹鋼的0.7不等。

接下來我們將從催化器內(nèi)部和外部?jī)煞N隔熱方式著手，來找到最有效的隔熱方法。

4.1 催化器內(nèi)部隔熱

我們依然通過試驗(yàn)來驗(yàn)證催化器內(nèi)部組件的隔熱效果。前面我們已經(jīng)驗(yàn)證了不同厚度的襯墊的隔熱效果，接下來我們采用相同的試驗(yàn)方法來驗(yàn)證襯墊導(dǎo)熱率、催化器殼體輻射率對(duì)隔熱的影響。首先，我們選用了厚度為4mm，襯墊導(dǎo)熱率由（0.1w/（m·K）在200°C, 0.2w/（m·K）在800°C）降低到(0.06w/（m·K）在200°C,0.16w/（m·K）在800°C)，試驗(yàn)方法與之前相同，同時(shí)我們?cè)诖呋魍獠坎贾昧艘粋€(gè)橡膠管，距離催化器外殼50mm，可以視作布置在催化器周圍的零件，并測(cè)量橡膠管的表面溫度。試驗(yàn)布置如圖6。

圖6 催化器內(nèi)部隔熱試驗(yàn)組件示意圖

試驗(yàn)結(jié)果如圖7，我們可以看出，降低襯墊的導(dǎo)熱率可以使殼體和外部零件的表面溫度降低6%左右，這一點(diǎn)效果還是比較可觀的，在不增加催化器尺寸的情況下，可以起到很好的隔熱效果。然而，隔熱性好的襯墊會(huì)比較貴，需要綜合考慮。

圖7 不同導(dǎo)熱率襯墊的溫度測(cè)量結(jié)果

圖8 橡膠管表面溫度（不同輻射率殼體）

其次，我們選用相同的襯墊，不銹鋼殼體的輻射率由0.8降到了0.4，再次進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8。

降低殼體的輻射率，橡膠管表面溫度降低了16℃，這比降低襯墊熱導(dǎo)率更加有效，并且也不會(huì)增加催化器的體積。

4.2 催化器外部隔熱

如圖9所示，我們通過兩個(gè)試驗(yàn)來驗(yàn)證催化器外部隔熱的效果。首先，我們?cè)诖呋魍獠堪惭b了隔熱罩，隔熱罩與殼體的間隙為4mm，選用的襯墊厚度是4mm，這樣可以視為安裝隔熱罩和采用8mm厚度襯墊具有相同的外部尺寸，以便能對(duì)比內(nèi)部和外部隔熱的效果。

圖9 催化器外部隔熱試驗(yàn)組件示意圖

試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，增加隔熱罩后，催化器殼體溫度上升到615℃，而橡膠管表面溫度降到了136℃，雖然增加隔熱罩會(huì)使殼體的溫度有顯著升高，但它的隔熱效果是非常顯著的。

圖10 催化器內(nèi)、外部隔熱溫度對(duì)比

其次，我們?cè)衮?yàn)證一下距離催化器外圍長(zhǎng)度L的變化，對(duì)橡膠管表面溫度的影響。我們選用了4mm后襯墊，不加隔熱罩，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯觯嚯xL從50mm到100mm再到200mm，橡膠管表面溫度分別為167℃，158℃和149℃。隨著距離的增加，橡膠管表面溫度的降幅并不明顯，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)要使周圍怕熱零件距離催化器全都大于100mm以上也是很困難的，所以單獨(dú)采用遠(yuǎn)離熱源的方法，效果并不顯著。

圖11 距催化器不同距離零件溫度對(duì)比

5 結(jié)論

汽車排氣催化器是整車上最主要的熱害源頭，無論是在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)還是在車身下，都需要考慮到它對(duì)周圍零件的熱影響，并且只有系統(tǒng)的試驗(yàn)和考慮才能夠達(dá)到保護(hù)的作用和最佳的效率。催化器布置在發(fā)動(dòng)機(jī)上將會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)艙的環(huán)境溫度，特別是在空氣循環(huán)較差的惡劣工況下，會(huì)使周圍部件溫度達(dá)到最高，因?yàn)檩^高的環(huán)境溫度會(huì)減少它們表面通過自然對(duì)流的散熱。因此在催化器熱保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，要求在無空氣自然對(duì)流散熱的極端惡劣情況下，催化器對(duì)外的輻射傳熱降到最小，保證周圍零件表面溫度低于極限使用溫度。

通過本次研究，我們得出以下結(jié)論：

從催化器端部、排氣歧管和出口錐體對(duì)中心殼的軸向熱傳導(dǎo)不顯著。我們只能從降低催化器徑向熱傳導(dǎo)的方面采取措施。

如表1所示，我們將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了匯總?？梢钥吹?，襯墊對(duì)催化器的隔熱起到的作用是最為顯著的，增加襯墊的厚度可以有效的降低殼體和零件的溫度，只是在布置空間和成本的考慮下，不能將其厚度增加太多。

使用較低導(dǎo)熱率的襯墊材料，會(huì)降低催化器殼體和周圍零件的表面溫度，但是效果有限。由于這種低導(dǎo)熱率的襯墊成本很高，只能在空間有限不能增加催化器厚度的情況下采用。

催化器外部安裝隔熱罩的效果也是非常顯著的，它與增加襯墊厚度達(dá)到的效果相當(dāng)，這也是被廣泛采用的方法。在有限的空間限制下，采用內(nèi)、外部隔熱結(jié)合的方式，可以達(dá)到最佳的性價(jià)比。然而，增加隔熱罩后會(huì)使催化器殼體溫度以及催化器內(nèi)部各組件的溫度增加，這也是合情合理的。因此需要同時(shí)關(guān)注一下催化器各組件在高溫下的耐久性和可靠性，特別是催化劑貴金屬材料的高溫老化問題，避免外部隔熱罩的過熱保護(hù)對(duì)催化器帶來的危險(xiǎn)。

表1 試驗(yàn)結(jié)果匯總

另外，令人意想不到的是，降低催化器殼體的輻射率比降低襯墊導(dǎo)熱率更加有效，在綜合考慮成本和可靠性等因素后，選用輻射率較低的奧氏體不銹鋼也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

使零件遠(yuǎn)離催化器等熱源雖然可以降低它們的溫度，但是效果并不顯著，更何況在有限的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，有時(shí)很難讓怕熱零件無限制的遠(yuǎn)離催化器，所以只能說盡量避而遠(yuǎn)之，增加熱保護(hù)才是關(guān)鍵。

[1] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[第四版].北京:高等教育出版社,2006.8.

[2] 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.GB/T 18377-2001汽油車用催化轉(zhuǎn)化器的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法.

[3] 張文.三效催化轉(zhuǎn)化器及陶瓷密封襯墊評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2006.

[4] 蔡皓.三效催化轉(zhuǎn)化器長(zhǎng)壽低排放機(jī)理及性能優(yōu)化研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2010.

[5] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.不銹鋼和耐熱鋼牌號(hào)及化學(xué)成分[M].北京:中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,GB／T20878—2007.

Study on ThermalInsulationof Automobile Catalytic Converter

Zhang Shuang, He Yonggang, Zhang Zhiguo, Huang Changrui, Wang Lei

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 100141 )

Catalytic converter is an important component of automobile environmental protection, it it continuously dissi -pates heat when the high temperature exhaust gas discharged from the engine. Especially in the engine compartment, the converter constitute significant heat sources that increase the underhood air temperature and the direct radiation to surrounding components with limited heat tolerance.In the present study, internal and external thermal protection methods will be compared, the effects of various insulation methods were studied by means of exhaust bench test. Finally, sugges -tions for the most effective insulation methods of catalytic converters are given.

Catalytic converter; Exhaust bench test; Insulation methods

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1671-7988(2018)24-231-04

U467.4+8

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U467.4+8

張爽，就職于華晨汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.083