電加熱式多載體催化轉(zhuǎn)化器中NO轉(zhuǎn)化率及載體溫度分布特征

左青松，楊曉美，馬穎，張彬，沈壯，翟潤(rùn)行

(湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南湘潭，411105)

汽車(chē)排氣污染物是環(huán)境污染的主要來(lái)源之一，因此，世界各國(guó)制定了嚴(yán)格的排放準(zhǔn)則，以改善環(huán)境質(zhì)量[1?2]。目前，催化轉(zhuǎn)化器是減少汽車(chē)排氣污染物最具有潛力的裝置之一[3?4]。在運(yùn)行條件符合要求的前提下，催化轉(zhuǎn)化器能夠?qū)O，HC 和NOx排放量降低約95%[5?6]。但是，在實(shí)際使用中，傳統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化器受到內(nèi)部溫度低、流場(chǎng)均勻性差等不利因素的影響，凈化能力下降和使用壽命縮短[7?8]。因此，提高催化轉(zhuǎn)化器溫度和流場(chǎng)均勻性是改善其性能的關(guān)鍵[9?10]。

對(duì)于催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部流場(chǎng)分布不均勻性的問(wèn)題，許多學(xué)者提出不同的解決方案。IBRAHIM等[11]在催化轉(zhuǎn)化器的載體通道內(nèi)放置了一層薄薄的絕緣材料，并研究其內(nèi)部流場(chǎng)的分布和熱擴(kuò)散的變化，發(fā)現(xiàn)其氣體均勻性提高了5%，熱性能提高18%。孫魯青等[12]建立半圓球形進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)的催化轉(zhuǎn)化器計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)其氣體均勻性提高了5%，有利于延長(zhǎng)使用壽命。許建民等[13]研究了不同載體端面對(duì)氣體均勻性的影響，發(fā)現(xiàn)錐形端面的載體結(jié)構(gòu)氣體均勻性更好。以上學(xué)者主要是通過(guò)改善載體結(jié)構(gòu)以?xún)?yōu)化流場(chǎng)均勻性，此外部分學(xué)者通過(guò)優(yōu)化擴(kuò)張管形狀以提高均勻性。許建民等[14]研究了不同擴(kuò)張管傾斜角度對(duì)流場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)張管的傾斜角越大，流場(chǎng)越均勻。HAYES 等[15]分析了擴(kuò)張管擴(kuò)散角度對(duì)催化轉(zhuǎn)化器的影響，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散角度越大內(nèi)部流場(chǎng)分布越均勻。MU等[16]提出合理化B樣條線(xiàn)的擴(kuò)張管結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該擴(kuò)張管的催化轉(zhuǎn)化器壓降降低12%，氣體均勻性更好。對(duì)于內(nèi)部溫度較低問(wèn)題，主要是采用電加熱方式改善。BROATCH等[17]深入分析了催化轉(zhuǎn)化器的進(jìn)氣加熱技術(shù)，發(fā)現(xiàn)與電熱塞相比，進(jìn)氣加熱技術(shù)可使碳?xì)浠衔锱欧帕繙p少13%，CO 排放量減少5%，NO 排放量減少3%。代鵬等[18]對(duì)廢氣進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使之始終保持在催化系統(tǒng)高效催化的溫度區(qū)間內(nèi)，發(fā)現(xiàn)該方式可大幅減少汽油發(fā)動(dòng)機(jī)污染物尾氣排放。HORNG等[19]研究了加熱器加熱位置和加熱溫度對(duì)CO轉(zhuǎn)化率的影響，發(fā)現(xiàn)加熱器的溫度越高，CO 轉(zhuǎn)化率越高。劉旻等[20]研究了電加熱金屬載體催化劑對(duì)汽油機(jī)冷起動(dòng)階段排放的影響，發(fā)現(xiàn)使用電加熱技術(shù)可以減少50%的催化劑使用量。

綜上所述，目前對(duì)催化轉(zhuǎn)化器的研究主要集中在只改善內(nèi)部溫度或者流場(chǎng)均勻性單一方面，而對(duì)同時(shí)提高催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部溫度以及流場(chǎng)均勻性缺少全面深入的分析。GAO等[21?22]指出催化轉(zhuǎn)化器熱管理時(shí)，電加熱是減少污染物排放有效方法。催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部流場(chǎng)不均勻會(huì)引起載體溫度場(chǎng)不均勻，從而產(chǎn)生載體熱應(yīng)力，導(dǎo)致載體結(jié)構(gòu)變形，影響使用壽命。YOSHIDA 等[23]在研究徑向變孔密度載體催化轉(zhuǎn)化器時(shí)，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)有效改善內(nèi)部流場(chǎng)分布。

因此，本文首先建立新型電加熱式多載體催化轉(zhuǎn)化器的物理與數(shù)學(xué)模型，并驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性；其次，以氣體均勻性指數(shù)、壓降以及NO轉(zhuǎn)化率作為判據(jù)，對(duì)比分析了傳統(tǒng)和新型催化轉(zhuǎn)化器的流動(dòng)特性和凈化性能；最后，在不同電加熱功率工況下，研究了孔密度組合、后載體長(zhǎng)度和載體總長(zhǎng)度3 個(gè)參數(shù)對(duì)新型催化轉(zhuǎn)化器性能的影響。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 物理模型

新型電加熱式多載體催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)如圖1所示。排氣從入口管進(jìn)入，先流經(jīng)加熱器裝置。加熱后的排氣流入涂有催化劑Pt 的載體，排氣中的NOx、碳?xì)浠衔锖虲O 在催化劑的作用下被凈化[24]。載體是由中間的高孔密度載體、邊緣的低孔密度載體和后部分的高孔密度載體組成。該結(jié)構(gòu)具有沿徑向逐漸減小孔密度的特點(diǎn)，導(dǎo)致載體的沿程阻力沿徑向方向逐漸減小，促進(jìn)排氣向阻力較小的邊緣流動(dòng)[25?26]。載體入口端面為錐形，部分排氣可沿錐面流至邊緣。載體的物理特性見(jiàn)表1。由圖1(b)可見(jiàn)：加熱器裝置結(jié)構(gòu)不僅增加了加熱器的傳熱面積，同時(shí)把排氣導(dǎo)流至載體邊緣。加熱器裝置、進(jìn)氣管和擴(kuò)張管的銜接處設(shè)有連接口，三者通過(guò)螺栓可靠連接。為了便于分析，定義載體軸向位置x與載體總長(zhǎng)度Z的比為軸向量綱一距離x/Z；定義載體徑向位置r與總半徑R的比為徑向量綱一距離r/R。

表1 載體物理特性Table 1 Physical properties of carrier

圖1 電加熱式多載體催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of electrically heated multi-carrier catalytic converter

1.2 仿真建模

1.2.1 簡(jiǎn)化模型

為簡(jiǎn)化新型電加熱式多載體催化轉(zhuǎn)化器數(shù)學(xué)模型，對(duì)模型進(jìn)行假設(shè)[26]：

1)鋼殼和襯墊的熱損為0；

2)催化劑均勻覆蓋在載體表面并且全部反應(yīng)只在載體表面發(fā)生；

3)加熱器的厚度為0；

4)載體之間緊密接觸；

5)排氣為不可壓縮的理想氣體；

6)排氣成分只有8種，分別是O2，CO2，H2O，N2，CO，NO，NO2以及C3H6。

1.2.2 數(shù)學(xué)模型

1)基于文獻(xiàn)[27]，催化轉(zhuǎn)化器流動(dòng)控制方程分為層流流動(dòng)的載體區(qū)域和湍流流動(dòng)的載體上下游區(qū)域。載體上下游區(qū)域的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量平衡方程和能量平衡方程可由通用方程表示：

式中：ρg為排氣密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u為排氣速度，m/s；Γ為有效黏性系數(shù)；Sφ=-??p+??τ，τ為應(yīng)力張量。

對(duì)于質(zhì)量守恒方程，φ取1，Γ取0，Sφ為0；對(duì)于動(dòng)量平衡方程，φ為流速，m/s。

2)載體區(qū)域的流動(dòng)控制方程?；谖墨I(xiàn)[27]，動(dòng)量方程為

式中：?p為壓降梯度，Pa；R為阻力向量，N。

載體通道中的總壓降p為

式中：RZ為沿載體軸向方向減少的阻力，N；fapp為范寧表面摩擦因數(shù)；Rec為載體通道的雷諾數(shù)；D為孔道水力直徑，m。

基于文獻(xiàn)[28]，固體傳熱方程為

式中：ε為孔隙率；Cs為載體的比定壓熱容，J/(kg·K)；TS和Tg分別為載體溫度和排氣溫度，K；λs為載體的熱導(dǎo)率，W/(m·K)；?為圓心角度，rad；r為半徑，m；S為比表面積；h為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；β為單位質(zhì)量涂層所含貴金屬表面積，m2/kg；ρs為載體密度，kg/m3；ΔH為反應(yīng)焓，J/mol；Ri為物種i的反應(yīng)速率，mol/(m3·s)；i分別代表O2，CO2，H2O，N2，CO，NO，NO2以及C3H6。

基于文獻(xiàn)[28]，氣體傳熱平衡方程為

式中：Cg為排氣比熱容，J/(kg·K)；

傳質(zhì)平衡方程[28]

式中：Yg,i和Ys,i分別為組分i在載體通道和涂層中的摩爾分?jǐn)?shù)；Ki為組分i的傳質(zhì)系數(shù)，m/s。

3)基于文獻(xiàn)[26]，反應(yīng)機(jī)理為如下。

NO催化反應(yīng)

反應(yīng)速率方程

式中：Ai為指前因子，s?1；Ei為反應(yīng)活化能，J/mol；R0為氣體常數(shù)，為8.314 J/(mol·K)。

4)基于文獻(xiàn)[29]，電加熱方程為

式中：T1為排氣目標(biāo)溫度，K；P為電加熱器加熱功率，kW；E1為電加熱器換熱系數(shù)，其值為1.2～1.3；Qe為排氣流量，kg/h；t取1 h；T0為排氣初始溫度，K。

反應(yīng)機(jī)理如表2[26]。

表2 NO?O2 反應(yīng)機(jī)理Table 2 Reaction mechanism of NO?O2

采用Fluent軟件模擬催化轉(zhuǎn)化器的運(yùn)行。分別選擇標(biāo)準(zhǔn)k?ε模型和組分運(yùn)輸模型求解流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)模型，應(yīng)用Couple算法處理壓力?速度耦合計(jì)算，采用速度入口和壓力出口邊界條件。排氣入口成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表3所示[26]。

表3 進(jìn)口排氣成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 3 Composition and mass fraction of imported exhaust gas %

1.2.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，將催化轉(zhuǎn)化器載體出口處的流速分布與文獻(xiàn)[30]的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，流速模擬值與實(shí)驗(yàn)值變化規(guī)律一致，在相同量綱一半徑下，流速模擬值和實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差在5%以?xún)?nèi)。造成誤差因素包括：

圖2 載體出口處的流速對(duì)比Fig.2 Comparison of velocity at carrier outlet

1)仿真模型假設(shè)各組排氣道流動(dòng)均勻，而實(shí)際流動(dòng)中各組排氣道的流動(dòng)并不完全均勻；

2)實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差由讀數(shù)誤差、測(cè)量?jī)x器的精密性較低等原因造成；

3)仿真模型假設(shè)鋼殼無(wú)熱量損失，實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)存在熱量損失。

因此，本文建立的數(shù)值模型是正確的，其模型精度滿(mǎn)足計(jì)算要求。

2 傳統(tǒng)與新型催化轉(zhuǎn)化器的性能對(duì)比

為探究新型催化轉(zhuǎn)化器的性能，對(duì)比了傳統(tǒng)和新型催化轉(zhuǎn)化器的氣體均勻性指數(shù)、壓降和NO轉(zhuǎn)化率。傳統(tǒng)載體孔密度為77.5 個(gè)/cm2(均勻)，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，在排氣入口流速分別為16，18和20 m/s 的3 種工況下進(jìn)行仿真。NO 轉(zhuǎn)化率η定義為

式中：win(NO)和wout(NO)分別為進(jìn)口和出口NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

基于文獻(xiàn)[26]，流場(chǎng)均勻性用氣體均勻性指數(shù)γ衡量，γ在0～1之間，γ越接近1表示越均勻：

式中：n為孔道數(shù)量；vj為j孔道的流速；為平均流速。

圖3所示為3種工況下不同催化轉(zhuǎn)化器的流場(chǎng)和壓降特征。由圖3(a)可知，載體出口處，傳統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化器的流速隨半徑增加而減小，變化較大；新型催化轉(zhuǎn)化器載體中間的流速較低并且邊緣流速較高，徑向分布均勻。該現(xiàn)象原因如下：對(duì)于傳統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化器，在慣性影響下排氣主要集中在載體中間；而新型催化轉(zhuǎn)化器的加熱器和錐形端面把部分排氣導(dǎo)流至載體邊緣，并且載體沿程阻力沿徑向方向逐漸減小，促進(jìn)排氣向邊緣流動(dòng)。因此，新型催化轉(zhuǎn)化器優(yōu)化了內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性。

圖3 3種工況下不同催化轉(zhuǎn)化器的流場(chǎng)和壓降特征Fig.3 Flow field and pressure drop characteristics of different catalytic converters under three working conditions

從圖3(b)可知，在排氣入口流速為16，18 和20 m/s的3個(gè)工況下，傳統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化器的氣體均勻性指數(shù)γ分別為0.890 8，0.885 7 和0.874 5，而新型催化轉(zhuǎn)化器的分別為0.979 6，0.975 8和0.974 5。氣體均勻性指數(shù)最大提高了0.10，表明新型催化轉(zhuǎn)化器的流場(chǎng)較均勻。在排氣入口流速為16，18 和20 m/s的3個(gè)工況下，傳統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化器壓降分別為294，349 和407 Pa，而新型催化轉(zhuǎn)化器壓降分別為308，368 和434 Pa，最大增加了6.6%。這主要是由于新型催化轉(zhuǎn)化器設(shè)置了加熱器，增加了局部阻力損失。但是，高流場(chǎng)均勻性可減小流體回流形成的漩渦強(qiáng)度，降低局部能量損失。因此，新型催化轉(zhuǎn)化器壓降有所提高，但提高幅度低于6.6%，影響較小。

圖4所示為傳統(tǒng)與新型催化轉(zhuǎn)化器NO 催化對(duì)比。由圖4(a)可知，3 種工況下，新型結(jié)構(gòu)的NO轉(zhuǎn)化率均高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的NO轉(zhuǎn)化率，最大增加了5.19%，表明了新型催化轉(zhuǎn)化器的凈化性能較高。由圖4(b)可知，傳統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化器的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨半徑增加呈先減小后增加的變化趨勢(shì)；而新型催化轉(zhuǎn)化器NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿徑向分布較均勻并且較低。其原因是傳統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化器排氣溫度較低，催化劑活性較弱，并且載體中間的流速較大，減少了NO與催化劑的接觸時(shí)間，導(dǎo)致NO催化不充分。而新型催化轉(zhuǎn)化器提高了排氣的溫度，降低了載體中間的流速，促進(jìn)NO催化。

圖4 傳統(tǒng)與新型催化轉(zhuǎn)化器的NO催化對(duì)比Fig.4 Comparison of NO catalytic in traditional and new catalytic converters

綜上所述，新型催化轉(zhuǎn)化器改善了內(nèi)部流動(dòng)不均勻以及溫度較低的現(xiàn)象，從而提高了凈化性能。壓降增加幅度在6.6%之內(nèi)，影響較小。因此，新型催化轉(zhuǎn)化器是一種較理想的催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)。

3 載體結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響分析

3.1 孔密度組合

孔密度組合影響載體的比表面積以及沿程阻力，從而影響催化轉(zhuǎn)化器的凈化性能。在其他參數(shù)不變的情況下，選取中間/邊緣孔密度分別為93.0/77.5 個(gè)/cm2、77.5/62.0 個(gè)/cm2和62.0/46.5 個(gè)/cm2的載體結(jié)構(gòu)，分別在不同加熱功率工況下進(jìn)行模擬。

圖5所示為不同加熱功率下孔密度組合對(duì)NO催化的影響。由圖5(a)可知，NO轉(zhuǎn)化率隨孔密度組合增加而增大，并且隨加熱功率增加，NO轉(zhuǎn)化率呈先逐漸增加后下降的變化規(guī)律。在不加熱條件下，孔密度組合從62.0/46.5 個(gè)/cm2增加至93.0/77.5 個(gè)/cm2時(shí)，NO 轉(zhuǎn)化率從60.63%增加至66.75%。其主要原因是孔密度組合增大，增加了沿程阻力和比表面積，導(dǎo)致流速下降，促進(jìn)NO催化。由圖5(a)還可知，當(dāng)加熱功率從0 W 增加到1 000 W 時(shí)，孔密度組合為93.0/77.5 個(gè)/cm2的NO轉(zhuǎn)化率從66.75%增加到75.31%再下降至75.09%，在加熱功率為800 W時(shí)達(dá)到最大值。其原因是增加加熱功率可使得催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部溫度增加，促進(jìn)NO 催化[31]；然而，當(dāng)加熱功率大于800 W 時(shí)，排氣溫度過(guò)高，導(dǎo)致NO2分解為NO 和O2的速率增加，NO轉(zhuǎn)化率下降。因此，適當(dāng)提高孔密度以及加熱功率有利于提高NO催化。

圖5 不同加熱功率工況下孔密度組合對(duì)NO催化的影響Fig.5 Effects of cell density combinations on NO catalysis under different power conditions

由圖5(b)可知，孔密度組合越大，軸向NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低。不加熱下，孔密度組合從62.0/46.5 個(gè)/cm2增加到93.0/77.5 個(gè)/cm2時(shí)，NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小值從0.034%下降至0.027%。當(dāng)加熱功率為1 000 W時(shí)，62.0/46.5 個(gè)/cm2和93.0/77.5 個(gè)/cm2的NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小值分別下降至0.022%和0.020%。這表明增加孔密度組合和電加熱促進(jìn)了NO的催化。在載體量綱一軸長(zhǎng)為0～0.5 區(qū)域，NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少了62%以上，表明在載體前半段區(qū)域NO催化反應(yīng)速率較快。這是由于NO催化受反應(yīng)物濃度影響，在0.5～1.0區(qū)域，NO濃度下降而生成物NO2濃度增加，使得逆向反應(yīng)速率增加，導(dǎo)致NO催化減慢。

由于載體溫度場(chǎng)不均勻會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致載體結(jié)構(gòu)變形，縮短使用壽命，因此，需要進(jìn)一步分析載體的溫度分布。圖6所示為孔密度組合對(duì)載體軸向溫度分布的影響。由圖6可知，不加熱時(shí)，增大孔密度組合會(huì)導(dǎo)致載體溫度增加。孔密度組合從62.0/46.5 個(gè)/cm2增加至93.0/77.5 個(gè)/cm2時(shí)，載體溫度最大值從550.7 K增加至550.9 K。其主要原因是孔密度組合越大，NO反應(yīng)越充分，導(dǎo)致反應(yīng)熱增加，溫度上升。此外，載體溫度沿載體軸向方向逐漸增加，并在量綱一軸長(zhǎng)為1.0處達(dá)到最大值。這是由于載體上游反應(yīng)放出的熱量隨排氣移至下游，導(dǎo)致溫度逐漸增加，并在出口處溫度達(dá)到最大。

圖6 孔密度組合對(duì)載體軸向溫度分布的影響Fig.6 Effect of cell density combination on axial temperature distribution of carrier

由圖6還可知，當(dāng)加熱功率為1 000 W 時(shí)，載體溫度沿軸向方向呈先增加后下降的變化趨勢(shì)，在量綱一軸長(zhǎng)約為0.1處達(dá)到最大值。其原因是加熱器裝置里層的對(duì)流換熱面積比中間層的小，使得流經(jīng)里層的排氣溫度較低，導(dǎo)致軸線(xiàn)上的載體前端溫度較低，邊緣載體溫度較高。邊緣載體再通過(guò)熱傳導(dǎo)方式加熱軸線(xiàn)上的載體，而載體前端為錐形，吸收到熱傳導(dǎo)的熱量較少，錐形載體之后的載體吸收到的熱量逐漸增加，溫度逐漸上升。當(dāng)排氣繼續(xù)沿載體軸向流動(dòng)時(shí)，排氣熱量逐漸被上游載體吸收，使得溫度逐漸降低。此外，加熱條件下，增大孔密度組合可減小載體溫度最大值?？酌芏冉M合從62.0/46.5 個(gè)/cm2增加至 93.0/77.5個(gè)/cm2時(shí)，載體最高溫度從575.9 K 下降至575.6 K，表明增大孔密度組合有利于載體溫度場(chǎng)均勻化。因此，提高孔密度組合，有利于改善載體因熱應(yīng)力影響而變形的現(xiàn)象。

3.2 后載體長(zhǎng)度

后載體長(zhǎng)度影響整體的比表面積以及沿程阻力，從而影響催化轉(zhuǎn)化器的流動(dòng)特性以及凈化性能。當(dāng)后載體長(zhǎng)度改變時(shí)，中間和邊緣載體的長(zhǎng)度相應(yīng)改變，從而保持整體載體總長(zhǎng)不變。選取后載體長(zhǎng)度分別為80，40 以及0 mm 的載體結(jié)構(gòu)，在不同加熱功率工況下進(jìn)行模擬。

圖7所示為不同加熱功率下后載體長(zhǎng)度對(duì)NO催化的影響。由圖7(a)可知，增加后載體長(zhǎng)度可提高NO 轉(zhuǎn)化率，并且電加熱輔助下可進(jìn)一步提高NO 轉(zhuǎn)化率。不加熱時(shí)，后載體長(zhǎng)度從0 mm 增加至80 mm時(shí)，NO轉(zhuǎn)化率從63.97%提高至65.26%。其主要原因是后載體增大會(huì)增加反應(yīng)表面積，促進(jìn)NO催化。在加熱功率850 W的輔助下，后載體長(zhǎng)度為80 mm 的NO 轉(zhuǎn)化率可提高至74.85%，但加熱功率大于850 W，NO 催化會(huì)下降。這是由于適當(dāng)提高溫度可促進(jìn)NO 正向反應(yīng)，但溫度過(guò)高，NO逆向反應(yīng)加劇，從而降低NO轉(zhuǎn)化率。

圖7 不同加熱功率工況下后載體長(zhǎng)度對(duì)NO催化的影響Fig.7 Effects of post carrier lengths on NO catalysis under different electric power conditions

由圖7(b)可知：增加后載體長(zhǎng)度會(huì)使NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升。在不加熱下，后載體長(zhǎng)度從0 mm增加到80 mm 時(shí)，NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小值從0.026%增加至0.032%，表明減少后載體長(zhǎng)度有利于NO 催化。其原因是后載體長(zhǎng)度為0 mm時(shí)，載體邊緣的沿程阻力過(guò)低，使得過(guò)多的排氣流向邊緣，導(dǎo)致中間的流速較低，促進(jìn)NO催化。電加熱輔助下，軸向NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯下降，最小值下降至0.019%。

圖8所示為后載體長(zhǎng)度對(duì)載體軸向溫度分布的影響。由圖8可知，不加熱時(shí)，增加后載體長(zhǎng)度會(huì)減小載體溫度。其原因是由圖7(b)可知，后載體長(zhǎng)度越小，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，表明NO催化更充分，因此，放出的反應(yīng)熱越多，溫度越高。輔助加熱時(shí)，載體溫度變化較大，其原因同圖6，不再贅述。此外，電加熱下，增大后載體長(zhǎng)度會(huì)增加載體溫度。后載體長(zhǎng)度從0 mm增加至80 mm時(shí)，載體最高溫度從575.6 K上升至575.9 K。因此，減小后載體長(zhǎng)度可促進(jìn)溫度場(chǎng)均勻化。

圖8 后載體長(zhǎng)度對(duì)載體軸向溫度分布的影響Fig.8 Effect of post carrier length on the axial temperature distribution of carrier

3.3 載體總長(zhǎng)度

由于載體總長(zhǎng)度不同，其反應(yīng)面積和沿程阻力不同，導(dǎo)致NO催化和溫度分布不同。因此，本次探究載體總長(zhǎng)度為120，150和180 mm的3種載體結(jié)構(gòu)對(duì)新型催化轉(zhuǎn)化器性能的影響。

圖9所示為不同加熱功率下載體總長(zhǎng)度對(duì)NO催化的影響。由圖9(a)可知，增加載體總長(zhǎng)度可促進(jìn)NO催化，并且在電加熱輔助下催化更充分。在不加熱下，載體總長(zhǎng)度從120 mm 增加至180 mm時(shí)，NO 轉(zhuǎn)化率可從58.79%提高到69.60%；在加熱功率為750 W 的輔助下，載體總長(zhǎng)度為180 mm的NO轉(zhuǎn)化率可達(dá)到76.25%。其原因是載體總長(zhǎng)度增加，增大反應(yīng)表面，并且加熱可使催化劑處于高效催化狀態(tài)。因此，適當(dāng)提高載體長(zhǎng)度和加熱功率可提高NO轉(zhuǎn)化率。由圖9(b)可知：載體總長(zhǎng)度越長(zhǎng)，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低。不加熱條件下，載體總長(zhǎng)度從120 mm增加到180 mm時(shí)，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小值從0.037%下降至0.026%，說(shuō)明增加載體總長(zhǎng)度可促進(jìn)NO 催化。在加熱功率為1 000 W 時(shí)，載體總長(zhǎng)度為180 mm 時(shí)的NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小值可降低至0.020%，表明加熱可有效促進(jìn)NO的催化。

圖9 不同加熱功率下載體總長(zhǎng)度對(duì)NO催化的影響Fig.9 Influence of total carrier length on NO catalysis under different powers

圖10所示為載體總長(zhǎng)度對(duì)載體軸向溫度分布的影響。由圖10可知，不加熱時(shí)，載體溫度隨載體總長(zhǎng)度增加而增大；載體總長(zhǎng)度從120 mm增加至180 mm 時(shí)，溫度最大值從550.7 K 增加至550.9 K。其主要原因是增加載體總長(zhǎng)度促進(jìn)了NO反應(yīng)，反應(yīng)熱增加，導(dǎo)致溫度上升。當(dāng)加熱功率為1 000 W時(shí)，載體溫度沿軸向方向呈先增加后下降的變化趨勢(shì)，其原因同圖6，不再贅述。此外，加熱條件下增加載體總長(zhǎng)度會(huì)減小載體溫度；總長(zhǎng)度為120 mm 和180 mm 時(shí)，最高溫度分別為575.8 K和575.6 K。這表明增加載體總長(zhǎng)度促進(jìn)了溫度場(chǎng)均勻化。

圖10 載體總長(zhǎng)度對(duì)載體軸向溫度的影響Fig.10 Effect of total carrier length on axial temperature of carrier

4 電加熱的影響分析

在環(huán)境溫度較低的運(yùn)行工況下，溫度是限制NO催化的主要原因。新型催化轉(zhuǎn)化器主要增設(shè)了電加熱裝置，提高了內(nèi)部溫度，從而促進(jìn)NO催化。后載體為40 mm，載體總長(zhǎng)度為150，孔密度組合為93.0/77.5 個(gè)/cm2的新型催化轉(zhuǎn)化器在不加熱的條件下，NO 轉(zhuǎn)化率僅為66.75%；而在加熱功率為 800 W 的條件下，NO 轉(zhuǎn)化率提高到75.31%，表明電加熱可以提高NO催化。其主要原因是電加熱方式可提高內(nèi)部溫度，使催化劑處于高活性的溫度范圍內(nèi)，促進(jìn)NO催化。

電加熱不均勻也帶來(lái)了載體溫度分布不均勻的負(fù)面影響，導(dǎo)致載體受熱應(yīng)力影響而變形。后載體為40 mm，載體總長(zhǎng)度為150，孔密度組合為93.0/77.5 個(gè)/cm2的新型催化轉(zhuǎn)化器在不加熱的條件下，載體最大溫差僅為0.7 K，并且溫度變化緩慢。然而，在加熱功率1 000 W的條件下，該結(jié)構(gòu)的催化轉(zhuǎn)化器載體最大溫差約為2.4 K,并且溫度在量綱一半徑約為0.1處變化較大，熱應(yīng)力大。因此，使用電加熱裝置可提高NO催化，但需要同時(shí)考慮加熱均勻性的問(wèn)題。

5 結(jié)論

1)相比于傳統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化器，新型催化轉(zhuǎn)化器的氣體均勻性指數(shù)最大提高了0.1，NO 轉(zhuǎn)化率最大提高了5.19%，壓降最大增加了6.6%。新型催化轉(zhuǎn)化器有效改善了內(nèi)部的流場(chǎng)均勻性和凈化性能。

2)增大載體孔密度組合可以提高NO 轉(zhuǎn)化率，有利于改善新型催化轉(zhuǎn)化器的凈化性能。電加熱輔助下，NO轉(zhuǎn)化率隨加熱功率增加呈先增加后下降的變化趨勢(shì)，適當(dāng)?shù)妮o助加熱可有效提高凈化性能。增大載體孔密度組合有利于載體軸向溫度分布均勻化，減小載體熱應(yīng)力，改善載體結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象。

3)后載體長(zhǎng)度增加可以提高NO轉(zhuǎn)化率，但是不利于載體軸向溫度分布均勻化。因此，增加后載體長(zhǎng)度可以改善新型催化轉(zhuǎn)化器的凈化性能，但是會(huì)加劇載體由熱應(yīng)力引起的熱變形現(xiàn)象。

4)載體總長(zhǎng)度越長(zhǎng)，NO轉(zhuǎn)化率越高，并且載體軸向溫度分布越均勻。因此，增加載體總長(zhǎng)度有利于提高新型催化轉(zhuǎn)化器的凈化性能，同時(shí)改善載體熱變形現(xiàn)象。