緊耦合催化器耐久性研究

摘 要：緊耦合催化器耐久性試驗驗證有助于提高催化器結構設計水平，并且對于汽車發動機性能整體提升有極大助益。本文從闡述緊耦合催化器應用必要性入手，在對于緊耦合催化器熱沖擊耐久和機械性能進行試驗后，對于試驗結果和試驗的優化措施進行了探討。

關鍵詞：緊耦合；催化器；耐久性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.015

緊耦合催化器的耐久試驗應當從對于設備的歷史數據進行積累與分析開始。這主要是因為緊耦合催化轉化器的使用條件相比較底盤下催化轉化器具有更為苛刻的的使用條件。故在這一前提下技術人員需要制定并且執行更為嚴格的熱沖擊耐久和機械性能的試驗方法，最終才能夠在此基礎上更好的滿足日益嚴格的緊耦合催化器性能要求。

1 緊耦合催化器應用必要性

緊耦合催化器應用必要性體現在許多方面，以下從減少汽車污染物排放、增加汽車使用壽命、優化進氣管結構布置等方面出發，對于緊耦合催化器應用的必要性進行了分析。

1.1 減少汽車污染物排放

緊耦合催化器應用必要性首先體現在了能夠減少汽車污染物排放上。近年來隨著我國汽車保有量的持續增加在這一過程中大氣污染的情況變得更加嚴重了。故我國通過頒布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》來努力的降低汽車尾氣給環境帶來的污染和破壞。其次，為了能夠更好的達到汽車排放要求則催化轉化器的應用是必不可少的，這主要是因為其在減少汽車排氣污染物方面具有很高的效率，并且屬于必不可少的機外凈化措施。故在這一前提下進行緊耦合催化器試驗就具有了很高的必要性[1]。

1.2 增加汽車使用壽命

緊耦合催化器應用必要性還表現為能夠合理增加汽車使用壽命。眾所周知現階段應用最為廣泛的緊耦合催化轉化器的內部結構主要包括了膨脹陶瓷襯墊包裹以堇青石為載體的催化劑封裝模式。其次，緊耦合催化轉化器的應用能夠顯著增加汽車的使用壽命，降低其因為受熱性能不佳、機械性能不佳所導致的損耗過快問題。故在這一前提下進行冷態彎矩試驗、加速結構耐久性發動機臺架試驗、加速結構耐久性振動臺試驗、熱振動試驗、水淬外部熱沖擊試驗、內部熱沖擊試驗、冷態襯墊支撐試驗等項目的試驗就顯得極為必要了[2]。

1.3 優化進氣管結構布置

緊耦合催化器應用必要性對于優化進氣管結構布置有著很大的幫助。通常來說緊耦合催化器的主要結構包括了進氣管、催化劑及殼體、出氣端錐等部分在這一過程中催化轉化器的進氣管具有極為重要的意義，這主要是因為緊耦合催化轉化器的進氣管大多為連接在排氣歧管法蘭上的錐型管。其次，受到催化劑載體內的氣體流動情況的限制，這導致了部分情況下催化器內部的熱應力分布變得極為復雜，故技術人員除了需要不斷的優化氣體流動和熱應力分布外，還應當通過在襯墊前端放置阻氣鋼絲圈來有效的防止襯墊腐蝕和廢氣旁通[3]。

故對產品結構設計進行驗證的試驗大

2 緊耦合催化器熱沖擊耐久試驗

緊耦合催化器熱沖擊耐久試驗包括了多方面的內容，以下從合理選擇試驗方法、設置試驗循環模式、確定試驗最高溫度、預熱爬坡性能試驗等方面出發，對于緊耦合催化器熱沖擊耐久試驗進行了分析。

2.1 合理選擇試驗方法

緊耦合催化器熱沖擊耐久試驗的第一步是合理選擇試驗方法。技術人員在合理選擇試驗方法的過程中首先應當考察熱應力能否造成其結構損壞，從而能夠在此基礎上更好的判斷出其耐熱沖擊的能力。其次，技術人員在合理選擇試驗方法的過程中還應當認識到在試驗中載體的軸向斷裂是很常見的，并且這種情況實際上不會對于催化轉化器的排放及耐久性能造成致命的影響。與此同時，技術人員在合理選擇試驗方法的過程中還應當將試驗時間在控制在99h左右。并且還需要考慮到廢氣在同一催化轉化器內部的分布和流動特性不同所導致的催化轉化器溫度場分布的差異，最終能夠確保試驗的條件可以最大限度的接近車輛的實際狀況[4]。

2.2 設置試驗循環模式

緊耦合催化器熱沖擊耐久試驗的關鍵在于設置好試驗循環的模式。技術人員在設置試驗循環模式的過程中首先應當在發動機臺架上進行，然后將循環分兩部分，既首先在規定的加熱時間內促使發動機和催化轉化器升溫，然后在此基礎上通過一定的速度降溫，在這一過程中需要確保降溫的速度不應該超過加熱速度。其次，技術人員在設置試驗循環模式的過程中還應當確保試驗循環是模擬車輛處于最惡劣的情況下。例如風扇關閉的狀態、節氣門開度最大的狀態等等。與此同時，技術人員在設置試驗循環模式的過程中還應當將發動機在10s內加速到5000r/min，在這一過程中需要確保冷卻液僅能通過空調的加熱器循環，然后技術人員在10s內逐漸關閉節氣門并且將發動機減速到2000r/min同時保持5s，冷卻液小循環，從而能夠確保循環模式的合理性[5]。（如圖1）

2.3 確定試驗最高溫度

緊耦合催化器熱沖擊耐久試驗需要確定相應的最高溫度。技術人員在確定試驗最高溫度的過程中首先應當確保試驗循環最高溫度是在風洞中進行測量的。在這一過程中技術人員應當將熱電偶安放在催化轉化器的各個部位中去，從而能夠在此基礎上記錄好實際車輛行駛中各點的溫度曲線。其次，技術人員在確定試驗最高溫度的過程中還應當于節氣門最大開度下駕駛車輛，并且確保檔位是從最低檔逐漸的提升到最高檔，最終到溫度穩定時為止記錄好各點溫度隨時間的變化。與此同時，技術人員在確定試驗最高溫度的過程中還應當計算得出歧管與殼體間焊縫的名義最高溫度，可以判定出這是因為發動機各缸排溫不同加上歧管形狀設計不合理所導致的，故在這一前提下進行歧管的優化設計就顯得極為必要了[6]。

2.4 預熱爬坡性能試驗

緊耦合催化器熱沖擊耐久試驗離不開對于其預熱爬坡性能的試驗。技術人員在預熱爬坡性能試驗的過程中首先應當在無風的環境中停車10min，并且在風洞中此時將車速設為0然后才能夠停止風扇。其次，技術人員在預熱爬坡性能試驗的過程中還應當先預熱并且保持3檔和80km /h車速來使得試驗的溫度更加穩定。與此同時，技術人員在預熱爬坡性能試驗的過程中還應當確保轉速保持4500r/min同時變速器2檔位置行駛12km，同時在無風的環境中停車10min，最終可以記錄到各點溫度隨時間的實際變化情況。

3 緊耦合催化器機械性能試驗

緊耦合催化器機械性能試驗是一項系統性的工作，以下從確定試驗循環次數、加速性能試驗、快速起燃性能試驗等方面出發，對于緊耦合催化器機械性能試驗進行了分析。

3.1 確定試驗循環次數

緊耦合催化器機械性能試驗的第一步是確定試驗循環次數。根據車輛的加速度確定試驗周期數并且根據以上三個條件，分別在車輛加速試驗，車輛的加速時間從0km/h到100km/h，加權平均名義加速時間。除了移動熱侵蝕和墊載體催化轉化器失效模式，和殼之間的進氣歧管焊接裂紋的框架，和鉤，生活壓力線性載體催化劑的損傷和撕裂引起的催化性能和力學性能的主要因素，很少有研究關注的催化性能。但在機器上。事實上如果催化轉化器包裝設計和制造過程不適當，載體可能會導致老化，因為氣體的沖擊振動和破碎使催化劑轉換器的使用壽命不符合要求。

3.2 加速性能試驗

緊耦合催化器機械性能試驗還應當包括了加速性能的試驗。根據可靠性試驗計算周期價值目標的熱沖擊試驗是100000km目標壽命方程：n（測試= + 500 + 31）。25（tm-8）注：上述方程的經驗方程根據試驗和統計檢驗。TM = 18。2S在測試周期的目標值是818.75個周期，在反應器中的熱沖擊試驗的價值目標是820周期。目的評價催化轉化器在振動試驗中的振動加速度、振動頻率、高溫和高溫耐久性，燃氣發動機高溫振動氣體振動高頻振動加速度控制仿真。

3.3 快速起燃性能試驗

緊耦合催化器機械性能試驗需要包括快速起燃性能的試驗。大多數企業的催化轉化器包裝工藝可以滿足上述2種對催化轉化器機械性能的要求。為了實現更嚴格的汽車排放法規，緊密耦合催化轉化器經常使用，接近排氣歧管，催化轉化器使用催化轉化器底盤條件比在更嚴格的條件。因此，對于緊耦合催化轉化器是機械性質的嚴格標準的實施必須超過新標準，按照企業標準，對緊耦合催化轉化器性能進行詳細的檢查，并為企業標準的實施提供了實驗依據。緊耦合催化轉化器生產的冷啟動排放車輛減少污染，通常采用緊耦合催化轉化器載體通常是微孔密度較高，壁厚更薄的催化轉化器快速點火，靠近排氣管的安裝位置，比較能夠承受汽車排氣溫度和速度，底盤的情況下在催化轉化器的使用。

4 試驗結果分析

試驗結果分析具有重要的意義，以下從現行耐久標準對比、機械性能試驗結果、熱沖擊耐久試驗結果等方面出發，對于試驗結果進行了分析。

4.1 現行耐久標準對比

試驗結果分析的主要目標在于將試驗結果和現行的耐久標準進行對比。技術人員在與現行耐久標準對比的過程中首先應當深刻的理解《汽油車用催化轉化器的技術要求和試驗方法》中的有關規定和《環境保護產品技術要求汽油車用催化轉化器》的實際內容，從而能夠在此基礎上讓試驗結果的分析可以具有更強的針對性。其次，技術人員在與現行耐久標準對比的過程中還應當設置更加嚴格的試驗條件分析，并且還應當增加所有試驗完畢后要求解剖檢查載體和襯墊的內容，最終能夠在此基礎上確保試驗結果分析具有更強的精確性。

4.2 機械性能試驗結果

試驗結果分析需要對于機械性能的試驗結果進行合理的判定。技術人員在分析機械性能試驗結果時首先應當對于前述制造的緊耦合催化轉化器文本模式有著透徹的了解，并且以此為基礎來判定外觀表面無壓坑和碰傷，并且檢查其焊縫是否均勻、規整，并且有無夾渣、裂縫、燒裂等情況。其次，技術人員在分析機械性能試驗結果時還應當判定出催化器的載體無破碎等缺陷，并且還應當采用固定頻率以及固定加速度的振動方式來獲得更加精確的試驗結果。

4.3 熱沖擊耐久試驗結果

試驗結果分析的關鍵是熱沖擊耐久試驗結果的分析。技術人員在熱沖擊耐久試驗結果的過程中首先應當通過熱壽命和水急冷試驗照片的阜南縣來對于試驗后催化器的外觀是否有損壞進行去全面的檢查。其次，技術人員在熱沖擊耐久試驗結果的過程中還應當做好氣體泄漏量的記錄和 載體相對于原始位置的軸向的情況進行判定，在這一過程中當解剖檢查當所有試驗結束后，技術人員還需要對于催化轉化器進行解剖檢查。，與此同時，技術人員在熱沖擊耐久試驗結果的過程中如果發現載體沒有破碎并且襯墊也沒有被吹掉則介意判定出緊耦合催化轉化器的機械性能試驗結果滿足試驗要求，試驗具有良好結果。

5 緊耦合催化器耐久性研究優化措施

緊耦合催化器耐久性研究優化措施應當具有多樣性，以下從提升測量精確性、合理選擇試驗設備、明確試驗評估標準、做好試驗參數記錄等方面出發，對于緊耦合催化器耐久性研究優化措施進行了分析。

5.1 提升測量精確性

緊耦合催化器耐久性研究優化的第一步是提升測量的精確性。技術人員在提升測量精確性的過程中首先應當考慮到發動機的振動曲線可以分解為正弦曲線和隨機振動的組合，因此這意味著實車記錄的發動機轉速和振動頻率設定需要進一步的優化。其次，技術人員在提升測量精確性的過程中還應當將傳感器安放在發動機和催化轉化器的表面，從而能夠在此基礎上更加便利的測量出振動頻譜。與此同時，技術人員在提升測量精確性的過程中如果催化轉化器上安裝有法蘭或其他附件同時法蘭或該附件上有固定于車身的支架或懸臂，則技術人員可以選擇在催化轉化器法蘭或該附件上放置加速計，從而能夠在此基礎上顯著的提升測量的精確性。

5.2 合理選擇試驗設備

緊耦合催化器耐久性研究優化還需要更加合理的選擇試驗設備。技術人員在合理選擇試驗設備的過程中首先應當清晰的認識到測量試驗的設備風洞可以提供良好的環境條件，故應當多選擇試驗在風洞或排放試驗室內進行。其次，技術人員在合理選擇試驗設備的過程中還應當在室內進行測量，這可以有效的提供加速計的冷卻并且能夠在此基礎上精確控制節氣門開度，最終可以有效的避免道路對發動機振動數據采集的影響。與此同時，技術人員在合理選擇試驗設備的過程中還應當確保加速計必須能耐一定高溫，這主要是考慮到了帶冷卻系統的三軸加速計雖然使用起來相對簡單，并且還能夠能耐受更高的溫度，同時也可以多出水冷卻系統，具有良好的使用性能

5.3 明確試驗評估標準

緊耦合催化器耐久性研究優化離不開對于試驗評估標準的明確。技術人員在明確試驗評估標準的過程中為了能夠使試驗設備能夠模擬車輛振動來重現上述催化轉化器振動頻譜，則應當確保試驗位置需要接近發動機排氣側。其次，技術人員在明確試驗評估標準的過程中還應當使用一只三軸加速計用來評價試驗的重復性，并且需要確保每次試驗之間不能拆除或移動這只加速計，在這一過程中如果試驗全部用的是單軸加速計，則代表著發動機振動的主方向可以用來評價試驗的重復性。與此同時，技術人員在明確試驗評估標準的過程中還應當確保試驗中變速器始終置于2檔，從而能夠有效的規避最高轉速時發動機損壞的情況，最終能夠較為穩定的取得50個左右的樣本點。

5.4 做好試驗參數記錄

緊耦合催化器耐久性研究優化的關鍵在于做好試驗參數的記錄工作。技術人員在做好試驗參數記錄的過程中為了能夠更好的監視車輛的運行狀況，則應當在整個試驗中要記錄各種參數，并且記錄好發動機機油溫度。其次，技術人員在做好試驗參數記錄的過程中還應當確保熱振動試驗中振動參數可以建立在實車發動機轉速和振動頻譜關系的基礎上（如圖2），并且在這一過程中還可以通過數據采集器來采集出的數據供分析使用。與此同時，技術人員在做好試驗參數記錄的過程中還需要確保數據分析的方法基本與內部熱沖擊試驗類似，并且以數理統計的同時來確定熱振動試驗循環的循環次數，最終可以做到更加快速的驗證出催化轉化器能否保證目標壽命內的產品耐久性能。

6 結束語

在緊耦合催化器耐久性研究的過程中技術人員可以通過試驗得到數據，然后將數據作為進一步研究和制定緊耦合催化轉化器機械性能試驗的重要前提，最終能夠在此基礎上顯著的提升在緊耦合催化器的整體耐久性能。

參考文獻：

[1]帥石金，王建昕，莊人雋等.車用催化器結構對流速分布的影響[J].汽車工程，2015，22（01）：29-32.

[2]陶明濤，馮長根，王麗瓊.車用催化器非穩態性能的數值模擬[J].

內燃機，2014（06）：12-15.

[3]張逸，凌振國.歐Ⅳ標準催化轉化器的進氣端管設計[J].汽車工

程，2016，28（11）：997-1000.

[4]龔金科，尤麗，王曙輝等.三效催化轉化器老化過程預測及數值仿真[J].環境工程學報，2017，1（12）：100-104.

[5]李孟良.催化轉化器機械性能評價標準及其裝置的研究[J].世界汽車，2015（09）：13-15.

[6]顏伏伍，董力平，侯獻軍等.催化轉化器總成機械性能評價方法的研究及應用[J].汽車工程，2015，23（02），121-123.

作者簡介：劉法永（1980-），男，山東萊蕪人，本科，工程師，研究方向：汽車發動機排氣系統、催化器轉換器和排氣消聲器。