耦合式三元催化轉化器設計研究

唐穎青

（精誠工科汽車系統有限公司，河北保定071000）

1 引言

隨著新能源汽車持續發展，新能源汽車（純電動汽車BEV+插電混合動力汽車PHEV）、節能汽車HEV、氫能源汽車將成為主要技術攻關方向。

與節能混合動力HEV及插電混合動力PHEV車型匹配的排氣系統，為達到國家第六階段機動車污染物排放標準，同時滿足緊湊型前艙布置，通常采用兩級封裝耦合型催化轉化器結構。其中，三元催化器TWC的主要作用是將汽車發動機排出的有害氣體（如NOx、CH、CO等）經過氧化還原反應轉化為二氧化碳（CO2）、氮氣（N2）和水（H2O），顆粒捕集器的主要作用是提升顆粒捕集效率，并進行再生燃燒，從而符合“國六”尾氣排放要求、顆粒物限值要求及緊湊型前艙布置要求。

2 術語定義

2.1 三元催化轉化器TWC(Three Way Catalyst，TWC)

是通過涂覆在載體上的貴金屬（Pt、Pd、Rh）的催化作用，可同時實現碳氫化合物（CH）、一氧化碳（CO）氧化和氮氧化物（NOx）還原，使其轉化為無污染的二氧化碳（CO2）、水（H2O）和氮氣（N2）的裝置。

2.2 汽油顆粒捕集器GPF（Gasoline Particulate Filter，GPF)

是安裝在汽油車排氣系統中，通過載體孔內壁（帶微氣孔）具有的過濾特性來降低排氣中顆粒物的捕集器。其工作原理是將排氣中的碳煙顆粒吸附在孔壁上，當微粒達到一定量后，信號傳遞，提高捕集器溫度，使微粒燃燒，變成對人體無害的物質排出。另可根據凈化策略在其表面進行催化劑涂覆，從而實現凈化特定排放物和顆粒物過濾的功能。

2.3 封裝密度GBD（Gap Bulk Density）

襯墊包裹載體，并封裝在殼體內后，其纖維的填充密度，是衡量包裹特性的指標，亦稱封裝密度。

2.4 縮徑量（Shrinkage）

縮徑前催化器殼體直徑與縮徑后催化器殼體直徑之差，用“ΔD”標識。

2.5 設計驗證計劃DVP（Design-Verification-Plan，DVP）

指設計零部件（耦合式三元催化轉化器）的試驗計劃書，包括臺架試驗和整車實驗。目的是保證設計產品符合功能需求。

2.6 載體目數（目）

一種計量單位，指每平方英寸篩網上的孔眼數。

2.7 密耳mil

一種長度/厚度單位，1 mil=0.0254 mm。

3 催化轉化器布置設計流程

3.1 布置空間設計

根據整車關聯邊界輸入，結合下車體、周邊件、保安防災要求進行催化轉化器尺寸設計及布置空間校核。其中，催化轉化器保安防災要求包括：催化轉化器與金屬件間隙≥30 mm；催化轉化器與橡膠件、油封等熱敏部件間隙≥50 mm；催化轉化器與電池包、高壓線束等部件間隙≥100 mm。

3.2 載體布置形式選擇

根據整車第六階段機動車污染物排放標準、排氣系統入口（發動機出口）質量流量、入口溫度及布置尺寸等，選擇催化器載體及顆粒捕集器載體規格及布置形式，本文主要研究耦合式縱向布置。

3.3 產品設計及分析驗證

結合發動機輸入信息，開展催化轉化器GBD封裝設計，包括襯墊選型、縮頸尺寸、GBD值等；最后進行封裝驗證及DVP試驗驗證，包括載體GBD封裝調試，軸向推力試驗、機械性能試驗等。

4 耦合式催化轉化器結構及原理

4.1 耦合式催化轉化器結構

耦合式催化轉化器是將三元催化轉化器（TWC）與顆粒捕集器（GPF）進行一體封裝，主要結構包括以下幾部分。

4.1.1 催化器殼體

一般采用409L或441不銹鋼材質，不僅具備良好的耐蝕性及高溫性，且熱膨脹系數小。

主要作用：

1）防護，保證車輛在顛簸路、石子路等工況下，載體振動、磕碰時無破損、開裂。

2）物理支撐，為襯墊提供足夠的摩擦力，保證載體與襯墊的緊固力，防止車輛運行時載體脫落、竄動。

4.1.2 三元催化器載體

常用蜂窩陶瓷（堇青石）結構，薄壁600目，壁厚2.5 mil或3 mil。

主要作用：載體本身不具有活性，主要為催化劑涂覆提供足夠的表面積，同時滿足高溫≥950℃使用。為提升體積利用率，通常采用圓形結構設計。

4.1.3 顆粒捕集器載體

常用蜂窩陶瓷（堇青石）結構，300目，壁厚8 mil。

主要作用：提供足夠的過濾表面積（帶微氣孔的載體內壁），用以捕捉沉積顆粒物，同時保證捕集器入口溫度≥600℃，完成沉積顆粒物二次再生（燃燒），同時滿足高溫≥1 000℃使用。為提升表面利用率，通常采用圓形結構設計。

4.1.4 襯墊

一般采用陶瓷纖維（耐950℃高溫）、多晶纖維（耐1 100℃高溫）或二者復合材質，不僅具備良好的耐高溫性，且不易吹蝕、開裂。

主要作用：（1）保溫緩冷，防止載體中心與外表面溫差過大，造成載體碎裂、使用壽命衰減，滿足高寒、高原等環境使用；（2）物理防護及緊固，為載體提供保持力及物理防護，避免載體竄動及碎裂等。

4.1.5 涂層

載體孔道內壁上涂覆的活性貴金屬，如鉑（Pt）、鈀（Pd）、銠（Rh）及作為助催化劑的稀土材料，鈰（Ce）、鋇（Ba）、鑭（La）氧化物。

主要作用：提高催化劑活性和高溫穩定性。

通過GBD封裝，襯墊分別包裹三元催化器載體和顆粒捕集器載體，封裝入同一殼體內，如圖1所示。

圖1 耦合式催化轉化器結構及原理圖

4.2 三元催化轉化器（TWC）工作原理

發動機排出尾氣均勻進入三元催化轉化器載體孔道，尾氣中的NOx、CH、CO在涂覆于載體孔壁活性層（以Al2O3為主）的活性貴金屬材料及金屬氧化物催化下，發生氧化還原反應排出CO2、N2和H2O。

氧化反應：2CO+O2→2CO2

4.3 顆粒捕集器（GPF）工作原理

凈化后尾氣均勻流入顆粒捕集器載體孔道，經過過濾壁面（帶微氣孔的載體內壁）時，將尾氣中的碳煙顆粒吸附在孔壁上后流出；在捕集器載體前、后端布置壓差傳感器和溫度傳感器，方便監測沉積碳顆粒物二次再生時機，當微粒達到一定量后，捕集器載體前后端壓差將增加，壓差傳感器將監測壓差數據及信號傳遞反饋至控制程序，溫度傳感器監測入口溫度，當壓差和載體入口溫度達到再生條件時，碳微粒進行二次燃燒，沉積在載體過濾壁的碳顆粒物再生后轉化為對人體無害的物質排出。

5 耦合式催化轉化器GBD封裝設計及驗證

5.1 GBD封裝理論設計

5.1.1 載體受力及襯墊設計原則

行車過程中，催化器需要承受排氣背壓施加的軸向氣流沖擊力f和徑向振動剪切力τ，如圖2所示。

圖2 耦合式催化轉化器受力分析

當襯墊設計壓強P＞載體抗壓強度P1時，載體側壁受壓過大，載體開裂、破損。

當襯墊設計壓力F=（f+τ）＞襯墊最小保持力f1，載體受力竄動，無法滿足耐久使用。

綜上所述，襯墊設計壓力需同時滿足：“P＜P1”和“F＜f1”。

5.1.2 襯墊設計計算

軸向氣流沖擊力=載體背壓差×載體截面面積，即：

徑向振動剪切力=催化器重量×振動加速度，即：

載體承受外力=軸向氣流沖擊力+徑向振動剪切力，即：

式中，ΔP為載體進氣端與出氣端壓力差，kPa；S為載體截面積，m2；g為重力加速度，g/cm2；M為涂覆后載體質量，kg。

載體移動，需克服襯墊摩擦力，即襯墊最小保持力f1：

式中，μ為襯墊與載體摩擦系數；S1為襯墊面積，m2。

為保證載體無竄動F＜f1即：襯墊設計壓強

5.2 三元催化器載體TWC封裝設計及校核

5.2.1 GBD封裝設計

以某項目耦合式催化轉化器總成封裝設計為例，已知:渦輪增壓器后入口溫度824.7℃，殼體內徑D=(141.5±0.3）mm；三元催化器載體TWC，耐900℃高溫，載體直徑d=(132.1±2)mm，載體長度L=(70±0.9)mm；載體最大質量Mmax=0.583 kg；載體抗壓強度P1=1 030 kPa；ΔP=10.5 kPa。

設計推薦襯墊型號1 850HT：襯墊理論面密度ρ=1 600×（1±10%）g/m2、襯墊厚度t=10.7 mm、襯墊寬度W=（載體長度L-8）mm、冷態摩擦系數：μ1=0.35，熱態摩擦系數：μ2=0.85，襯墊材質為陶瓷纖維。

理論GBD值=ρ/（D-d）×103=1 600/(141.5-132.1)/2×103=0.34 g/m2。

最大GBD值=ρ1/（D2-d1）×103=（1 600+1 600×10%）/[（141.5-0.3）-（132.1+2)]/2×103=0.49 g/m2。

最小GBD值=ρ2/（D1-d2）×103=（1 600-1 600×10%）/[（141.5+0.3）-（132.1-2)]/2×103=0.24 g/m2。

式中，ρ1為襯墊最大面密度，g/m2；ρ2為襯墊最小面密度，g/m2；D1為殼體最大內徑，mm；D2為殼體最小內徑，mm；d1為載體最大外徑，mm；d2為載體最小外徑，mm。

經計算，GBD在.24～0.49 g/m2區間，理論GBD為0.34 g/m2。

封裝過程中，P與GBD成正比，GBD越大，P越大，過大的GBD將導致載體壓碎、襯墊纖維受損；GBD越小，P越小，過小的GBD易導致載體脫落、竄動，故需進行分組匹配，縮小GBD區間，保證載體無壓損、脫落，襯墊老化后無竄動。

5.2.2 GBD設計校核匹配

1）軸向壓力校核

載體最小軸向推力=1 500 N，即襯墊最小保持力f1＞1 500 N。

依據公式（4）及5.2.1已知條件計算：

襯墊最小軸向保持力f1=μ1PS1＞1 500 N。

襯墊承受冷態軸向壓強Pl＞1 500/μ1/S1=1 500/0.35/[3.14×（132.1+2）×（70-8）]×103=164.16 kPa。

根據GBD與襯墊壓強分析結果（見圖3），可知：

當GBD=0.40 g/m2，襯墊設計最小壓強Pmin=145 kPa＜164.16 kPa，不滿足最小保持壓強要求，存在載體脫落風險；當GBD=0.42 g/m2時，襯墊設計最小壓強Pmin=165 kPa＞164.16 kPa，滿足最小保持力要求，即GBD≥0.42 g/m2。

2）封裝校核

襯墊封裝過程中GBD對應峰值壓強＜載體的機械強度1 030 kPa。

根據GBD與襯墊壓強分析結果（見圖3），可知：

當GBD=0.58 g/m2時，襯墊設計峰值壓強Pf=1 100 kPa＞1 030 kPa，不滿足載體防護要求，存在載體碎裂風險；當GBD=0.55 g/m2時，襯墊設計峰值壓強Pf=900 kPa＜1 030 kPa，滿足載體防護要求，即GBD≤0.55 g/m2。

綜合GBD理論計算（最大GBD=0.49 g/m2）、軸向壓力校核（GBD≥0.42 g/m2）及封裝校核（GBD≤0.55 g/m2），得GBD匹配設計區間為：0.42～0.49 g/m2。

3）襯墊老化壓強校核

根據GBD與襯墊壓強分析結果，如圖3所示：當GBD=0.42 g/m2時，襯墊老化壓強最??；試驗測得襯墊老化壓強=42 kPa。

圖3 催化轉化器襯墊壓強與GBD關系

依據公式（5）及5.2.1已知條件計算：

襯墊承受熱態老化壓強Pr＞（ΔP S1+35 gM）/（μ2S1）=[10.5×103×3.14×((132.1+2）/2）2×10-6+35×9.8×0.583]/[0.85/(3.14×（132.1+2）×（70-8）]×10-3=15.69 kPa。

綜上，GBD=0.42 g/m2時，襯墊老化壓強42 kPa＞襯墊承受熱態老化壓強Pr=15.69 kPa；襯墊老化安全系數=42 kPa/15.69 kPa=2.6＞1.2，滿足設計要求。

5.3 顆粒捕集器載體GPF封裝設計及校核

5.3.1 GBD封裝設計

顆粒捕集器載體GPF，已知，殼體直徑D=(132.1±1.6)mm，載體長度L=（101.6±1)mm；載體重量M=0.638 kg；載體抗壓強度P1=1 030 kPa；ΔP=70 kPa。

設計推薦襯墊型號1 850HT：襯墊面密度ρ=1474×（1±10%）g/m2、襯墊厚度t=10.7 mm、襯墊寬度W=（載體長度L-8）mm、冷態摩擦系數：μ1=0.325，熱態摩擦系數：μ2=0.54，襯墊材質為陶瓷纖維。

理論GBD值=ρ/（D-d）×103=1 474/(141.5-132.1)/2×103=0.31 g/m2。

最大GBD值=ρ1/（D2-d1）×103=（1 474+1 474×10%）/[（141.5-0.3）-（132.1+1.6)]/2×103=0.43 g/m2。

最小GBD值=ρ2/（D1-d2）×103=（1 474-1 474×10%）/[（141.5+0.3）-（132.1-1.6)]/2×103=0.23 g/m2。

經計算，GBD在0.23～0.43 g/m2區間，理論GBD為0.31 g/m2。5.3.2 GBD設計校核

1）軸向壓力校核

載體軸向推力=1 500 N，即襯墊最小保持力f1＞1 500 N。

依據公式（4）及5.3.1已知條件計算：襯墊最小軸向保持力f1=μ1×P×S1＞1 500 N。

襯墊承受冷態軸向壓強Pl＞1500/μ1/S1=1 500/0.325/[3.14×（132.1+1.6）×（101.6-8）]×103=118.5 kPa。

根據GBD與襯墊壓強分析結果（見圖4），可知：

圖4 顆粒捕集器襯墊壓強與GBD關系

當GBD=0.33 g/m2，襯墊設計最小壓強Pmin=110 kPa＜118.5 kPa，不滿足。

當GBD=0.34 g/m2，襯墊設計最小壓強Pmin=140 kPa＞118.5 kPa，滿足，即GBD≥0.34 g/m2。

2）封裝校核

襯墊封裝過程中GBD對應峰值壓強Pf＜載體抗壓強度P1=1 030 kPa。

根據GBD與襯墊壓強分析結果（見圖4），可知：當GBD=0.49 g/m2時，襯墊抗壓強度最大；襯墊抗壓強度最大=700 kPa＜1 030 kPa，滿足設計要求。

綜合理論計算，最大GBD=0.43 g/m2、軸向壓力校核（GBD≥0.34 g/m2）及封裝校核，得出GBD設計區間為：0.34～0.43 g/m2。

3）襯墊老化壓強校核

根據GBD與襯墊壓強分析結果（見圖4）：最小GBD=0.34 g/m2時，襯墊老化壓強最??；試驗測得襯墊老化壓強=73.07kPa。

依據公式（5）及5.3.1已知條件計算：

襯墊承受熱態老化壓強Pr＞（ΔPS1+35gM）（/μ2S1）=[70×103×3.14×((132.1+1.6）/2）2×10-6+35×9.8×0.583]/[0.85/(3.14×（132.1+2）×（101.6-8）]×10-3=53.46 kPa。

當GBD=0.34 g/m2時，襯墊老化壓強=73.07 kPa＞襯墊老化峰值壓強Pr=53.46 kPa；襯墊老化安全系數=73.07 kPa/53.46 kPa=1.3＞1.2，滿足設計要求。

綜合5.2、5.3校核結果：三元催化器載體TWC最佳GBD范圍0.42～0.49 g/m2；顆粒捕集器載體GPF最佳GBD范圍0.34～0.43 g/m2。

6 催化器殼體縮徑量計算

縮徑后催化器殼體內徑：

式中，φA為縮徑后催化器殼體內徑，mm。

為保證封裝要求，殼體原材內徑最小值D3應≥縮徑后殼體最大內徑φA1。

殼體原材外徑：

式中，φF為殼體原材外徑，mm；T為原材直徑公差，mm；t為原材壁厚，mm；φh為設計余量，φh≈0.1 mm。

6.1 三元催化轉化器TWC縮徑量計算

依據式（6）及5.2.1已知條件計算：

縮徑后最大催化器殼體內徑：φA1=2×ρ1/（最大GBD×1 000）+d1=2×（1 600+1 600×10%）/（0.49×1 000）+（132.1+2）=φ141.28 mm。

縮徑后最小催化器殼體內徑：φA2=2×ρ2/（最小GBD×1 000）+d2=2×（1 600-1 600×10%）/（0.42×1 000）+（132.1-2）=136.96 mm。

依據式（7）及5.2.1已知條件計算：

殼體原材外徑：φF=φA1+φh+T+2t=141.28+0.1+0.3+2×1.5=144.68 mm≈144.6 mm。

縮徑后殼體內徑：136.96～141.28 mm。

縮徑量極限值ΔD=（φF+T）-（φA2+2t）=(144.6+0.3)-(136.96+2×1.5)=4.94 mm。

6.2 顆粒捕集器GPF縮徑量計算

依據式（6）及5.3.1已知條件計算：

縮徑后最大顆粒捕集器殼體內徑：φA1=2×ρ1（/最大GBD×1 000）+d1=2×（1 474+1 474×10%）（/0.43×1 000）+（132.1+1.6）=141.24 mm。

縮徑后最小顆粒捕集器殼體內徑：φA2=2×ρ2（/最小GBD×1 000）+d2=2×（1474-1474×10%）/（0.34×1 000）+（132.1-1.6）=138.3 mm。

依據公式（7）及5.3.1已知條件計算：

殼 體 原 材 外 徑：φF=φA1+φh+T+2t=141.24+0.1+0.3+2×1.5=144.64 mm≈144.6 mm。

縮徑后殼體內徑：138.3～141.24 mm。

縮徑量極限值ΔD=（φF+T）-（φA2+2t）=(144.6+0.3)-(138.3+2×1.5)=3.6 mm。

綜上所述，三元催化器載體TWC的縮徑量極限為4.94 mm；顆粒捕集器載體GPF的極限縮徑量為3.6 mm；可選擇φ144.6 mm×1.5 mm規格直管原材，縮進設備行程≥5 mm。

7 催化器GBD封裝及驗證

載體封裝包括蚌殼式、綁帶式和壓入式。本項目采用GBD壓入式封裝，通過GBD核算殼體縮徑量，保證封裝后GBD滿足設計要求，封裝工藝流程如圖5所示：“襯墊稱重”+“載體測徑”→“載體+襯墊自動包裹”→“封裝塞入”→“GBD縮徑”→“管端成型”→“GBD校驗”→“GBD激光刻字”。

圖5 GBD封裝工藝過程圖

依據上述工藝過程，分別對TWC和GPF進行封裝，其中TWC縮進量4.94 mm；GPF縮進量3.6 mm，且封裝后TWC與GPF間距≥30 mm。

封裝驗證時，應完成一個最大GBD封裝樣件和一個最小GBD封裝樣件，封裝完成后分別進行1 500 N軸向推力試驗、熱振動、水急冷等試驗后，載體累計位移量應≤6 mm，且載體無破損、裂紋等缺陷。

8 結語

耦合式三元催化轉化器是一種布置于整車前艙，將三元催化轉化器TWC與顆粒捕集器GPF封裝在同一殼體內的組合封裝結構，主要作用是凈化發動機排出尾氣中有毒有害物質及顆粒物，使車輛行駛過程中排放的尾氣符合“國六排放標準”。GBD封裝作為催化轉化器的核心技術，主要保證載體防護及緊固，規避車輛運行過程中載體碎裂及竄動，從而保證其有效凈化尾氣及顆粒物。本文對耦合式催化轉化器GBD封裝設計流程、GBD范圍的計算及校核方法進行闡述，以期為設備選擇提供技術支持。