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摩托车催化器性能考核台架试验中换热器的研究点击：1963 日期：[ 2014-04-26 22:06:20 ] |
| 摩托车催化器性能考核台架试验中换热器的研究 唐娟 程勇 纪少波 吴波 (山东大学能源与动力工程学院，山东济南250061) 摘要：催化器性能评价试验中，起燃特性和温度特性是两个重要性能，这两个特性的研究都需要对催化器入口温度进行稳定连续的调节。本文设计了冷轧翅片管、整体轧制式、u型管壳式换热器和单程管壳式换热器，通过比较，选定冷轧翅片管换热器进行温度特性和起燃特性试验，试验结果表明该换热器能够达到设计要求，对温度的控制也比较稳定。 关键词：摩托车换热器催化转化器 中图分类号：TK411．53 文献标示码：A 文章编号：167l一0630(2006)05—0036—05 前言 我国是摩托车第一生产大国，摩托车产业是我国的支柱产业之一，因此降低摩托车排放不仅关系到我国的环境问题，也关系到摩托车的发展。采用催化转化器是降低排放的一个较好的方法，也是未来摩托车发展的必然趋势，对催化转化器性能评价也成为必然。用台架试验评价催化转化器性能是一种可以节约试验经费、缩短试验周期的好方法。 评价催化转化器性能可以通过起燃特性、温度特性和空然比特性来实现，其中起燃特性和温度特性都和温度密切相关，而温度是影响催化转化器的性能一个重要因素。催化剂“活化中心”将HC、CO、NOx分解的过程是吸热过程，只有催化转化器载体和废气达到一定温度后，分解才能够顺利进行，用美国FTP一75测试循环进行测试时，HC和CO的50％～80％ 是在冷启动后1min内产生的，如果人口温度能够在很短的时间内达到起燃温度，也就是说起燃特性好，就会大大降低排放。因此，起燃特性和温度特性是评价催化转化器性能的重要指标。 要评价催化转化器的起燃特性和温度特性需要对催化转化器入口温度进行连续稳定调节，由于该换热器布置在尾气出口和催化转化器之间，这段距离较短，并且试验采用四冲程摩托车，其排气温度高达800℃，因此，所设计的换热器换热量要足够大、结构要紧凑，并且能够稳定连续调节，进出口布置和试验台架结构以及发动机的相对应置要匹配。 本文设计了四种换热器，最终采用加装水冷换热器的措施控制入口温度，进行了催化转化器的温度特性和起燃特性试验，试验结果表明，该换热器能够连续调节、稳定控制催化转化器入口温度，可以顺利的完成起燃特性和温度特性试验。 1 摩托车催化转化器性能台架试验温度、起燃特性温度特性试验可以考察催化转化器对尾气温度变化的适应能力，另外，可以通过温度特性试验确定起燃温度。在进行温度特性试验时，维持尾气的空燃比不变，改变催化转化器的入口温度，测量催化转化率的变化。 起燃温度特性：在城市道路条件下，摩托车长时间处于低速或怠速状态，此时排放性能较差，且排气温度低，在这种情况下，催化转换器能否快速起燃就成评价其性能的重要标准。文献 定义催化转化器转化率达到50％的入口气体温度为催化器起燃温度。该温度越低，表明催化转化器的起燃特性越好。 从起燃特性和温度特性可以看出，催化器入口温度调节在这两个特性中起到了重要作用，如何合理调节入口温度，是能否正确评价摩托车催化器起燃特性和温度特性的关键。 调节入口温度有几种方法：1)在排气管中加装一个可调式的换热器；2)向废气中加入二次空气，使废气中的HC、CO燃烧放热，来调节人口温度；3)改变发动机的排温，在管路中加旁通阀，保持催化转化器空速不变。其中第2种方法改变了发动机空燃比；第3种方法改变了排气流量，因此，加装可调式换热器是最好的调节温度的方法。 2 换热器设计 从换热器的温度连续可调节性考虑，有两种方案可供选择：1)在换热器的入口处安装一个高温旁通阀，可以手动调节进入换热器的废气量，通过冷却通道的废气降温后与未降温的废气混合，这样就可以通过调节进入冷却通道的废气量控制催化转化器入口温度；2)在排气出口处安装一个简单的阀门，需要降温时，将废气引入冷却通道，通过调节冷却介质的参数来改变换热量，以达到改变人口温度的目的。 两种调节方案的温度调节方法不同，采用的冷却介质也就不同，第一种方案可以采用风冷也可以采用水冷，但是风冷的换热能力不及水冷，因此对温度调节的动态响应差，如果要达到相同的温降就要有较大的换热器面积，因此，第一种方案采用水冷比较合适。第二种方案废气全部通过换热器，换热量大小由冷却介质和它的流量决定，如果采用水冷，由于水的换热系数较大，总的换热系数对废气一侧的换热系数比较敏感，因此，改变冷却水的流量或流速对换热系数影响不大，对温度调节不敏感。风冷则可以通过调节风量，控制总的换热系数，所以第二种方案采用风冷比较合适。 根据不同的冷却介质，可以选择两种结构方案： 1)由于水的换热能力与废气换热能力相比较高，因此，为了达到有效的换热效果，可以采用翅片式换热器，让废气走换热面积较大的一侧，水走管路。本文设计了两种翅片式换热器，一种是整体轧制式翅片管，一种是冷轧翅片管，这两种都是效率较高的换热器。 2)由于风冷侧和废气侧换热能力相当，因此，采用管壳式换热器就能达到要求的效果，本文设计了单程管壳式和U型管壳式。 3 四种换热器的比较 本文设计的四种换热器分别为：整体轧制式、俄罗斯冷轧翅片管、U形管壳式换热器和单程管壳式，为了保证换热器能够满足特殊要求，设计时都是以最大换热量为基础，尾气温度调节范围为200℃ ～650℃，采用对数平均温差法 。 设计四种换热器的结构参数如表1、表2所示： 本文设计的整体轧制式换热器采用又排布置方式，横向间距为18ram，纵向间距为12mm。它是一种高效换热器，换热效果比较好，但是加工工艺比较特殊，分为单金属轧制和双金属轧制两种，一般使用铝和铜作材料，该换热器采用内铜外铝的结构，不过这两种材料和熔点较低，不适于在高温环境下长期运行： 本文设计的冷轧翅片管式换热器，采用叉排布置方式，横向间距为28mm，纵向间距为19mm，是从俄罗斯引进的一种高效换热器，得到了广泛的应用，其工艺过程是利用成型模具在铜或铝制圆管的外壁上挤轧而产生翅片，被轧制的圆管也可以是单金属或双金属的，本文设计采用内铜外铝的结构，由于肋片和衬管之间 无接触热阻，因此，换热效果好，它的加工工艺和整体轧制式基本相同，整体轧制式是采用热轧，而冷轧翅片管式采用冷轧，加工工艺更简单，不过也存在管材熔点较低不宜在高温下长期运行的缺点。 u型管壳式换热器是传统的换热器，应用很广泛，工作可靠性较强，设计已达到标准化，产品已实现系列化，另外，材料采用不锈耐酸钢管，加工工艺比较简单，费用低。u型管壳式换热器的总体长度比单程换热器的短，而且是立式的，不用调整换热器的高度便可以运用，但不如单程管壳式换热器安装稳定，需要对换热器增加稳定装置，同时尺寸与翅片管式换热器相比较大，安装不方便。 单程管壳式换热器除具有一般的管壳式换热器的优点外，还具有安装稳定的优点，该换热器也是采用耐酸钢管，但是，总长较长，保温比较困难，要采用旁通阀，使废气直接进入催化转化器中，它的尺寸太大，对于小型的试验台，安装也不方便。为了减小散热损失，应该尽量减小排气管的长度，管壳式换热器体积太大，受到试验台尺寸大小、安装空间的限制，不能满足设计的特殊要求。翅片管换热器尽管加工工艺比管壳式换热器复杂，采用熔点较低的铜、铝材料，熔点较低，但是其尺寸较小，便于安装，又考虑到试验时间较短，翅片管换热器应该可以满足试验需要。两种翅片管式换热器相比较，整体轧制式比冷轧翅片管式工艺复杂，因此，本试验选用冷轧翅片管式换热器作为温度调节的设备。 4 试验结果 本试验目的是为了通过冷轧翅片管换热器的连续稳定调节进入催化转化器之前的人口温度，测得催化转化器的温度特性和起燃特性，改善催化转化器的性能，实验设备如图5所示：实验采用K系列镍铬一镍硅热电偶测量排气温度、催化器人口温度、载体温度和催化器出口温度，并利用上位机采集和保存数据；采用废气分析仪分析废气成分，采用空燃比控制系统调节空燃比。温度测点和排放测点见图5。 4．1 温度特性 保持发动机节气门开度、空燃比和发动机转速不变，测量催化转化器转化率随催化转化器人口温度的变化，通过试验取定催化器的起燃温度。在试验过程中，发动机的转速维持在50OOr／min。节气门开度处于50％处，过量空气系数控制在1左右。载体的人口温度从200℃调整到650℃。试验结果见表3和图6。 从试验数据可以看出，发动机废气出口温度高达800℃ ，通过改变进入换热器的废气量，可以使温度调节范围从200cc连续调节到650℃，温度波动在±2~E之间。在实验过程中，可以稳定的调节人口温度，这表明换热器的设计比较成功。从试验曲线可以看出，试验开始直到人口温度达到300℃ ，这一段时间内HCCO的转化率都偏低，在300℃和350℃之间，转化率有了较大的提高，可以认为，在这段时间内催化转换器起燃。另外，从图中可以看出随着人口温度的提高，催化器的转化效率也相应提高。 4．2 起燃特性 发动机起动后，迅速将转速提高至5000r／rain，节气门开度调至50％ ，采集从发动机起动开始的排气温度、人口温度、载体温度及出口温度的变化，出口温度比人口温度的温度急剧升高的点，认为是催化器的起燃点。在试验中通过调节空燃比，获得两组不同空燃比的数据，图7为Φat=0．720的情况，图8为Φat=0．983的情况。 从上面的两图可以看出，当混合气较浓时，缸内混合气不均匀，火焰传播速度慢，因此燃烧氧化反应不充分，导致生成大量HC、CO。这样，在排气管中大量的HC和CO，与气缸中没有参加反应的O 在载体处发生剧烈的反应，放出大量的热量，使载体处的温度快速升高。这又促进了后续废气在载体处的反应。这就加快了催化转化器起燃的速度，可看到明显的起燃过程。 当混合气变稀时，缸内混合气比较均匀，燃烧比较充分，排气温度较高，排放性能改善，导致载体处参加反应的成分减少。因此，看不出明显的起燃点，而且出口温度也始终没有超过排气温度。不过从图8可以看出，在温度高于300'E时，载体温度升高速率较大，说明催化器在这个温度下起燃，这个结果和温度特性所得起燃温度结果接近，说明试验结果比较准确。 5 结论 为了评价催化转化器性能，换热器的作用是不可忽视的，通过实验结果可以看出，本文设计的冷轧翅片管换热器，可以达到连续稳定调节温度的目的，温度调节范围能够达到要求，能够对催化转化器性能进行评价。 参考文献 1.周龙保，内燃机学[Mj，北京：机械工业出版社，1996 2.Juan R．Gonxalez—Velasco，Juan A．Botas，Raquel Ferretetc．ThermM aging of Pd／Pt／Rh automotive catalysts under acycled oxidizing—reducing environment．Catalysis Today 59(2000) 3.杨世铭，陶文铨．传热学[M]．北京：高等教育出版社，1998 |
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