汽車排氣催化器的隔熱方法研究

任慧文

摘要：催化轉化器作為汽車的一個重要的環保部件，它在將發動機燃燒后的高溫廢氣向外排出的過程中不斷向外散熱，特別是在發動機艙內，排氣系統作為主要的熱源對周圍耐熱性差的零件構成了極大的威脅，需要采取熱保護措施。文章針對催化器內部隔熱和外部隔熱兩種方式，制作了多種不同的方案，通過排氣臺架試驗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。

關鍵詞：催化轉化器;排氣臺架試驗;隔熱方法

1本次研究的目的

發動機上使用三元催化轉化器的目的是為了滿足日益嚴格的污染物排放限值的國家法規認證要求。提高排放控制的第一步是將催化轉化器總容積中的一小部分放到發動機艙內，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”已經足夠高效了，可以不必再使用其他外部的輔助加熱系統。下一步是將放到發動機艙內的催化器直接焊接到排氣歧管上。這種方法達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。第一個挑戰是催化器涂層中的貴金屬抗老化能力和穩定性。催化器必須承受住850 ℃或者更高的持續加熱，并且催化器在經過持續高溫的老化試驗后，整車的尾氣排放數值依

然要保持在法規限制值之內。第二個挑戰是催化器給發動機艙帶來的熱害問題。由于當代汽車上安裝的設備越來越多，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力學性能而縮減了發動機艙蓋的形狀，使得汽車發動機艙內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400℃到500℃的催化器周同布滿了耐溫低于150℃的零件，例如塑料件、冷卻液膠管和電了線束等。這對催化器的熱保護沒計帶來了不小的挑戰。另外一點，即使布置于車輛下方，催化轉化器也要從熱管理的角度仔細處理，因為在所有發動機T作模式下都會發生放熱反應，未燃燃料的氧化會釋放出大量的能量。即便發動機熄火后，未燃燃料依然會進行短暫的氧化反應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，以避免車輛停放在干草坪上時引起火災的危險。由此可見，我們需要花費大量的經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，機械地包裹住陶瓷載體以補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，對催化器的傳熱方式進行分析，對比內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催化器的傳熱機理

排氣歧管及催化器對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。自然對流換熱主要與催化器表面溫度有關。因此，控制催化器表面溫度是關鍵，我們將詳細分析一下影響催化器表面溫度的因素。通過分析不難發現，催化器外殼主要被以下兩種方式加熱：

（1）軸向熱傳導。通過發動機臺架試驗測得排氣歧管隔熱后的溫度在750-800℃，入口錐體在450-500℃，而催化器外殼將保持在350-450℃：。如果從排氣歧管和催化器入口錐體到外殼的軸向熱傳導熱量足夠多，它們可以降低通過增加襯墊來實現的隔熱效果。催化器兩端的熱傳導會使催化器徑向換熱效果下降。此時增加更多的內部隔熱措施也不會降低催化器外殼的溫度。

（2）徑向熱傳導。發動機排氣氣流和催化劑巾放熱的化學反應使催化劑保持在800℃至1000℃之問，廢氣通過對流換熱和通過載體的徑向傳導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，測量到的溫度梯度高達100℃。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850至950℃。了解了催化器的主要傳熱機理之后，我們將通過試驗來驗證一下它們的影響效果。

3兩種傳熱方式的效果驗證

3.1軸向熱傳導為了驗證催化轉化器軸向熱傳導效果，我們進行了以下試驗：制作了一個特殊的催化器，使廢氣能夠在相同的流動條件下分別從催化器前后兩端吹人。在方向1中，氣體通過非隔熱端錐進入。在方向2中，氣體通過有隔熱保護的端錐進入。我們使用了容積為IL的網形陶瓷載體，4mm厚度的陶瓷纖維襯墊，在催化器外圍安裝了10個熱電偶用于溫度測量，試驗在排氣系統的專用測試臺架上進行，將800℃的高溫氣體按照相同的條件分別從催化器兩端吹人。如果催化器殼體中間的溫度受錐體溫度的影響，則靠近錐體的一側溫度會更高。為兩次試驗后各測試點的溫度圖，試驗結果表明：氣流從任何一端吹人，殼體的表面溫度基本相同，說明催化器殼體受端部熱傳導的影響很小，軸向熱傳導對催化器的溫度升高不起主要作用。

3.2徑向熱傳導

如前所述，發動機排出的廢氣和化學反應會加熱催化劑載體。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導熱決定。催化器殼體會被襯墊的導熱而加熱。為了評估徑向熱傳導效果，我們使用了容積為IL的網形陶瓷載體，4mm、8mm和12mm三種不同厚度的陶瓷纖維襯墊。采用上述同樣的臺架試驗方法，測量催化器殼體外圍溫度，選擇所測溫度最高點作為試驗結果。從試驗結果上不難看出，在同樣的試驗條件下，不同厚度的襯墊對催化器外殼溫度影響很大，襯墊厚度越薄，外殼溫度越高，說明徑向熱傳導是導致催化器外殼溫度高的主要原因，本文接下來的幾個試驗，更加證實這一點，這里只得出結論，不做詳細介紹。

結論：汽車排氣催化器是整車上最主要的熱害源頭，無論是在發動機艙內還是在車身下，都需要考慮到它對周同零件的熱影響，并且只有系統的試驗和考慮才能夠達到保護的作用和最佳的效率。催化器布置在發動機上將會增加發動機艙的環境溫度，特別是在空氣循環較差的惡劣工況下，會使周同部件溫度達到最高，因為較高的環境溫度會減少它們表面通過自然對流的散熱。因此在催化器熱保護設計時，要求在無空氣自然對流散熱的極端惡劣情況下，催化器對外的輻射傳熱降到最小，保證周同零件表面溫度低于極限使用溫度。

通過本次研究，我們得出以下結論：

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

我們將試驗結果進行了匯總。可以看到，襯墊對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。 使用較低導熱率的襯墊材料，會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到的效果相當，這也是被廣泛采用的方法。在有限的空間限制下，采用內、外部隔熱結合的方式，可以達到最佳的性價比。然而，增加隔熱罩后會使催化器殼體溫度以及催化器內部各組件的溫度增加，這也是合情合理的。因此需要同時關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對催化器帶來的危險。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不錯的選擇。使零件遠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，更何況在有限的發動機艙內，有時很難讓怕熱零件無限制的遠離催化器，所以只能說盡量避而遠之，增加熱保護才是關鍵。

參考文獻：

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