汽车排气催化器的隔热方法研究

任慧文

摘要：催化转化器作为汽车的一个重要的环保部件，它在将发动机燃烧后的高温废气向外排出的过程中不断向外散热，特别是在发动机舱内，排气系统作为主要的热源对周围耐热性差的零件构成了极大的威胁，需要采取热保护措施。文章针对催化器内部隔热和外部隔热两种方式，制作了多种不同的方案，通过排气台架试验的手段研究了各种隔热方法的效果，最后给出了催化器最有效隔热方法的建议。

关键词：催化转化器;排气台架试验;隔热方法

1本次研究的目的

发动机上使用三元催化转化器的目的是为了满足日益严格的污染物排放限值的国家法规认证要求。提高排放控制的第一步是将催化转化器总容积中的一小部分放到发动机舱内，以便利用排气的高温来加热催化剂，使其尽早起燃。这种所谓的“热身系统”已经足够高效了，可以不必再使用其他外部的辅助加热系统。下一步是将放到发动机舱内的催化器直接焊接到排气歧管上。这种方法达到了最佳的效率和成本之比值。然而这种方法也同样存在许多的挑战。第一个挑战是催化器涂层中的贵金属抗老化能力和稳定性。催化器必须承受住850 ℃或者更高的持续加热，并且催化器在经过持续高温的老化试验后，整车的尾气排放数值依

然要保持在法规限制值之内。第二个挑战是催化器给发动机舱带来的热害问题。由于当代汽车上安装的设备越来越多，并且为了提高舒适性，驾驶室的空间需求也越来越大，以及为了提高空气动力学性能而缩减了发动机舱盖的形状，使得汽车发动机舱内的可用空间越来越小了，留给安装紧耦合排气歧管的空间更是非常的有限。然而表面温度高达400℃到500℃的催化器周同布满了耐温低于150℃的零件，例如塑料件、冷却液胶管和电了线束等。这对催化器的热保护没计带来了不小的挑战。另外一点，即使布置于车辆下方，催化转化器也要从热管理的角度仔细处理，因为在所有发动机T作模式下都会发生放热反应，未燃燃料的氧化会释放出大量的能量。即便发动机熄火后，未燃燃料依然会进行短暂的氧化反应并释放出大量的能量，要求布置在车身下的催化器表面温度不能超过干草的燃点，以避免车辆停放在干草坪上时引起火灾的危险。由此可见，我们需要花费大量的经历去研究催化器隔热的方法，使催化器在尽可能小的占用空间的情况下更少的向外传递热量，并且保证自身的耐久性和可靠性。通常，催化器的隔热依靠的是内部包裹载体所使用的衬垫以及外部安装的隔热罩。衬垫是陶瓷纤维和蛭石的混合物，在高温下膨胀，机械地包裹住陶瓷载体以补偿陶瓷载体和金属壳体之间的间隙。外部安装的隔热罩则是为了避免催化器直接向外辐射热量。本次研究，对催化器的传热方式进行分析，对比内部和外部隔热的效果，找到影响催化器向外热传递的主要因素，从而确定最有效的隔热方法。

2催化器的传热机理

排气歧管及催化器对周围的各种部件的加热主要通过催化器外壳直接热辐射和间接地通过空气的对流换热两种方式。热辐射换热取决于催化器的表面温度，也和材料的辐射率有关。自然对流换热主要与催化器表面温度有关。因此，控制催化器表面温度是关键，我们将详细分析一下影响催化器表面温度的因素。通过分析不难发现，催化器外壳主要被以下两种方式加热：

（1）軸向热传导。通过发动机台架试验测得排气歧管隔热后的温度在750-800℃，入口锥体在450-500℃，而催化器外壳将保持在350-450℃：。如果从排气歧管和催化器入口锥体到外壳的轴向热传导热量足够多，它们可以降低通过增加衬垫来实现的隔热效果。催化器两端的热传导会使催化器径向换热效果下降。此时增加更多的内部隔热措施也不会降低催化器外壳的温度。

（2）径向热传导。发动机排气气流和催化剂巾放热的化学反应使催化剂保持在800℃至1000℃之问，废气通过对流换热和通过载体的径向传导将热量传递到催化剂载体的壁面上。在载体的中心和外围之间，测量到的温度梯度高达100℃。如果催化器壳体与载体直接接触，没有任何隔热措施，那么催化器壳体表面温度可高达850至950℃。了解了催化器的主要传热机理之后，我们将通过试验来验证一下它们的影响效果。

3两种传热方式的效果验证

3.1轴向热传导为了验证催化转化器轴向热传导效果，我们进行了以下试验：制作了一个特殊的催化器，使废气能够在相同的流动条件下分别从催化器前后两端吹人。在方向1中，气体通过非隔热端锥进入。在方向2中，气体通过有隔热保护的端锥进入。我们使用了容积为IL的网形陶瓷载体，4mm厚度的陶瓷纤维衬垫，在催化器外围安装了10个热电偶用于温度测量，试验在排气系统的专用测试台架上进行，将800℃的高温气体按照相同的条件分别从催化器两端吹人。如果催化器壳体中间的温度受锥体温度的影响，则靠近锥体的一侧温度会更高。为两次试验后各测试点的温度图，试验结果表明：气流从任何一端吹人，壳体的表面温度基本相同，说明催化器壳体受端部热传导的影响很小，轴向热传导对催化器的温度升高不起主要作用。

3.2径向热传导

如前所述，发动机排出的废气和化学反应会加热催化剂载体。载体外周温度将由载体前端面温度和流量分布以及由中心的径向导热决定。催化器壳体会被衬垫的导热而加热。为了评估径向热传导效果，我们使用了容积为IL的网形陶瓷载体，4mm、8mm和12mm三种不同厚度的陶瓷纤维衬垫。采用上述同样的台架试验方法，测量催化器壳体外围温度，选择所测温度最高点作为试验结果。从试验结果上不难看出，在同样的试验条件下，不同厚度的衬垫对催化器外壳温度影响很大，衬垫厚度越薄，外壳温度越高，说明径向热传导是导致催化器外壳温度高的主要原因，本文接下来的几个试验，更加证实这一点，这里只得出结论，不做详细介绍。

结论：汽车排气催化器是整车上最主要的热害源头，无论是在发动机舱内还是在车身下，都需要考虑到它对周同零件的热影响，并且只有系统的试验和考虑才能够达到保护的作用和最佳的效率。催化器布置在发动机上将会增加发动机舱的环境温度，特别是在空气循环较差的恶劣工况下，会使周同部件温度达到最高，因为较高的环境温度会减少它们表面通过自然对流的散热。因此在催化器热保护设计时，要求在无空气自然对流散热的极端恶劣情况下，催化器对外的辐射传热降到最小，保证周同零件表面温度低于极限使用温度。

通过本次研究，我们得出以下结论：

从催化器端部、排气歧管和出口锥体对中心壳的轴向热传导不显著。我们只能从降低催化器径向热传导的方面采取措施。

我们将试验结果进行了汇总。可以看到，衬垫对催化器的隔热起到的作用是最为显著的，增加衬垫的厚度可以有效的降低壳体和零件的温度，只是在布置空间和成本的考虑下，不能将其厚度增加太多。 使用较低导热率的衬垫材料，会降低催化器壳体和周围零件的表面温度，但是效果有限。由于这种低导热率的衬垫成本很高，只能在空间有限不能增加催化器厚度的情况下采用。

催化器外部安装隔热罩的效果也是非常显著的，它与增加衬垫厚度达到的效果相当，这也是被广泛采用的方法。在有限的空间限制下，采用内、外部隔热结合的方式，可以达到最佳的性价比。然而，增加隔热罩后会使催化器壳体温度以及催化器内部各组件的温度增加，这也是合情合理的。因此需要同时关注一下催化器各组件在高温下的耐久性和可靠性，特别是催化剂贵金属材料的高温老化问题，避免外部隔热罩的过热保护对催化器带来的危险。另外，令人意想不到的是，降低催化器壳体的辐射率比降低衬垫导热率更加有效，在综合考虑成本和可靠性等因素后，选用辐射率较低的奥氏体不锈钢也是一个不错的选择。使零件远离催化器等热源虽然可以降低它们的温度，但是效果并不显著，更何况在有限的发动机舱内，有时很难让怕热零件无限制的远离催化器，所以只能说尽量避而远之，增加热保护才是关键。

参考文献：

[l]杨世铭，陶文铨.传热学[第四版].北京：高等教育出版社，2006.8.