甲醇發動機催化器設計開發應用

沈彬 王勇

摘要：實現內燃機燃料多元化和低碳化發展，緩解我國碳排放的壓力和石油對外依賴的現狀，保障國家能源安全。由于醇醚代用燃料獨特的排放、使用成本經濟性等優勢，推廣應用醇醚代用燃料技術（乙醇、甲醇、二甲醚等）和生物燃料（生物柴油、生物乙醇），初步實現液體替代燃料與石化燃料摻混改應用，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.

關鍵詞：甲醇發動機;催化器;設計應用

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

中圖分類號：TQ223.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0010-03

0? 引言

甲醇催化器是甲醇發動機尾氣后處理關鍵部件，催化器的可靠性[1]對甲醇發動機尾氣達標以及消聲作用[2]起到至關重要作用，另外，由于催化器中催化劑的價值量較大，對企業后期三包索賠損失也會大大的增加。

催化器的封裝的重要性：一方面對催化劑保護作用，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載體凈化。所以封裝質量是產品質量的保證的關鍵，也是保證發動機尾氣排放是否合格的保障。另外過剩設計選型，對產品的成本競爭力起到負面作用。本文針對甲醇發動機催化器封裝結構設計、分析、材料選型[3]、試驗驗證 ，最終選擇性價比較高的封裝材料、零部件，滿足催化器總成的性能[4]、可靠性要求。

1? 甲醇發動機開發的輸入條件

1.1 甲醇發動機的開發輸入條件見表1

1.2 甲醇發動機開發的技術要求

①滿足<GB17691-2018 重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）>中天然氣的排放標準，分別滿足 6.3 發動機標準循環排放限制和 6.4 非標準循環排放要求。滿足未燃甲醇和未燃甲醛≤20mg/（kW.h）的標準。

②非常規排放滿足《八部委關于在部分地區開展甲醇汽車應用的指導意見（工信部聯節〔2019〕61號）》中第十六條規定。

③振動耐久滿足：試驗完成后不得出現載體破碎、變形等失效模式;催化器不得出現破碎、脫焊、 變形等失效模式。試驗方法參照：QC/T 631 4.8 條款。

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

1.3 甲醇發動機催化器開發邊界

根據整車排氣空間結構，催化器本體空間需在：長×寬×高在510×320×485范圍內布置。

2? 催化器的方案設計、驗證

2.1 催化器的載體、襯墊選型

①根據甲醇發動機的相關信息，確定催化器載體規格見表2。

②根據載體規格以及發動機輸入信息，進行催化器襯墊選型，計算結果如圖1所示。

襯墊選型說明：催化劑入口最高進氣溫度為582℃，TWC的背壓為5kPa，TWC的載體涂覆后載體的質量為3kg，振動加速度為20g，根據計算所得襯墊保持力在最小的GBD值在0.37大于安全系數大于1.2，且最大GBD值在0.43時新鮮態的襯墊壓強在609kPa，遠小于載體的抗壓強度3000kPa，所以這個情況下的GBD值是安全的。同時考慮到甲醇發動機不成熟性，會偶發產生后燃現象，所以在載體的進出氣口位置增加了金屬絲網與擋圈固定，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，也考慮內筒體的材質選擇及熱膨脹系數（因箱式結構，內筒體的內壁溫度與外壁溫度與進氣溫度接近，均很高）。

最后確定襯墊規格PC-max2000i-1688g/m2。

③根據發動機輸入邊界、流量等信息，進行催化器結構方案設計，并進行設計分析：

1）結構方案設計說明：由于整體設計空間所限，整個箱體只能布置在長×寬×高在510×320×485的空間內，經計算，整個箱體的體積約為75L，與發動機的排量比值為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足設計要求，所以盡可能充分的利用腔體，讓氣流在腔體中呈“U”型結構。所以進氣腔體放在第一個消聲腔處。考慮到氣體在連接管進入到腔體后需要充分的分布，才可以滿足均勻性的要求，所以第一腔體的長度不得設計的太短，根據分析所得，長度在100mm處可滿足均勻性的設計要求。尾氣流經催化劑后，催化反應后氣體到達第三腔體，由于后隔板中開了6個孔，方便氣體流經第二腔體。同時氣體通過出氣管排入到大氣中。前連接管與增壓器的連接管路相連。發動機在運行中會產生振動，同時車架在行駛過程中，受到路面的各種工況也會產生振動，振動產生的力全部傳遞到進氣管與箱體相連的焊縫處，為了考量焊縫滿足設計要求，在此處增加了一個加強套。

2）材料的選擇：其中與甲醇氣體直接接觸的材料，考慮到甲醇氣體反應后會生產甲酸，甲酸會腐蝕金屬。經驗證，甲酸在高溫下腐蝕SUS304、與441等材質較慢。所以進氣管、出氣消聲管、進氣法蘭、氧傳感器座質等材料選擇SUS304，筒體、端蓋、隔板、箱體、材料選擇441，隔熱罩支架、催化器支架、脖套等不與甲醇氣體接解的材料選擇SUH409L。

3）CFD、FEA的分析：分析參數：進氣流量18.9kg/min，進氣溫度585℃，增壓器出口處背壓設定為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分析流線圖：載體1流線圖見圖2，載體2流線圖見圖3。

均勻性分析結果：載體1均勻性系數0.984;載體2均勻性系數0.986。滿足均勻性設計目標要求：UI≥0.95。

FEA分析結果示意圖（因篇幅問題，不詳細表達）及結論：LCF分析結果示意見圖4，HCF分析結果示意見圖5，溫度分布見圖6，材料分布見圖7。

分析結論：從路面載荷g-load分析結果可看出，各方向在HCF、LCF載荷下的疲勞系數滿足設計要求。

從熱力耦合分析結果顯示，結構最高溫度607℃，在進氣口區域;最大等效塑性應變增量為0.8%，滿足設計要求（<1%）。

根據分析結果初步確定催化器結構方案。

2.2 樣件的制作以及性能、進行相關驗證

根據催化器的結構方案進行樣件的制作，完成樣品樣件的制作，進行下一步相關驗證。催化器總成主要完成的試驗：

①催化器總成的背壓試驗——結果18kPa，滿足要求。

②催化器總成的插入損失試驗——結果23dB，滿足要求。

③催化器總成的鹽霧試驗、壓力脈沖試驗、冷熱沖擊試驗、彎矩試驗等，結果均滿足試驗要求。

④催化器總成的發動機臺架性能試驗——結果滿足滿足：<GB17691-2018重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）>中天然氣的排放標準（因主機客戶基于數據保密，具體試驗數據未提供）。

⑤催化器總成的試驗臺熱振動耐久試驗，具體如下：振動臺試驗條件：進氣溫度700℃，流量420kg/h。進行階梯振動，1）第一階段，10g@100Hz振動3h;2）第二階段，15g@100Hz振動3h;3）第三階段，16g@100Hz振動3h;4）第四階段，18g@100Hz振動3h;5）第五階段，20g@100Hz振動3h。

試驗照片及結論：圖8為催化器在振動臺振動試驗，圖9為載體封裝后推力試驗。

振動臺熱振動實驗結論：試驗后，經檢查、分析催化器封裝結構無開裂、脫焊、變形等問題;催化劑載體無脫落、破碎等問題，滿足可靠性試驗要求。

⑥整車道路試驗除了常規的一般公路路面，同時還增加強化路的試驗。

2.3 甲醇發動機評價的標準

①以整機性能指標、可靠性等指標為導向;②整車道路試驗、市場整車運行情況;③借鑒傳統燃料試驗方法;④不斷積累數據作為甲醇發動機試驗開發的評價標準。

3? 實驗結論

①綜合催化器總成相關試驗、發動機臺架試驗以及整車道路試驗等結果，確定催化器總成的設計滿足要求，可以進行小批量生產。②在甲醇催化器結構設計過程中，把筒體材質選擇（重點考慮熱膨脹、腐蝕等問題）、襯墊的選擇（筒體熱膨脹系數要考慮進去）作為重點。其它結構強度、均勻性也是非常重要。③目前產品已進入批量生產供貨狀態，社會反饋良好。

參考文獻：

[1]熱振動試驗參考FOSO企業標準ES-W19001催化轉化器消聲器相關技術條件和試驗方法.

[2]排氣背壓、插入損失：QC/T 631-2009汽車排氣消聲器總成技術條件和試驗方法.

[3]不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分GB/T20878-2007中S11873.

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