甲醇发动机催化器设计开发应用

沈彬 王勇

摘要：实现内燃机燃料多元化和低碳化发展，缓解我国碳排放的压力和石油对外依赖的现状，保障国家能源安全。由于醇醚代用燃料独特的排放、使用成本经济性等优势，推广应用醇醚代用燃料技术（乙醇、甲醇、二甲醚等）和生物燃料（生物柴油、生物乙醇），初步实现液体替代燃料与石化燃料掺混改应用，石化燃料替代意义重大。

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.

關键词：甲醇发动机;催化器;设计应用

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

中图分类号：TQ223.121                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0010-03

0  引言

甲醇催化器是甲醇发动机尾气后处理关键部件，催化器的可靠性[1]对甲醇发动机尾气达标以及消声作用[2]起到至关重要作用，另外，由于催化器中催化剂的价值量较大，对企业后期三包索赔损失也会大大的增加。

催化器的封装的重要性：一方面对催化剂保护作用，确保催化剂不损坏;另一方面要确保封装密封性，确保净化前尾气全部通过载体净化。所以封装质量是产品质量的保证的关键，也是保证发动机尾气排放是否合格的保障。另外过剩设计选型，对产品的成本竞争力起到负面作用。本文针对甲醇发动机催化器封装结构设计、分析、材料选型[3]、试验验证 ，最终选择性价比较高的封装材料、零部件，满足催化器总成的性能[4]、可靠性要求。

1  甲醇发动机开发的输入条件

1.1 甲醇发动机的开发输入条件见表1

1.2 甲醇发动机开发的技术要求

①满足<GB17691-2018 重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）>中天然气的排放标准，分别满足 6.3 发动机标准循环排放限制和 6.4 非标准循环排放要求。满足未燃甲醇和未燃甲醛≤20mg/（kW.h）的标准。

②非常规排放满足《八部委关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见（工信部联节〔2019〕61号）》中第十六条规定。

③振动耐久满足：试验完成后不得出现载体破碎、变形等失效模式;催化器不得出现破碎、脱焊、 变形等失效模式。试验方法参照：QC/T 631 4.8 条款。

④插入损失≥25dB。试验方法参照：QC/T 631 5.5 条款;排气背压≤20kPa。试验方法参照：QC/T 631 5.5 条款。

1.3 甲醇发动机催化器开发边界

根据整车排气空间结构，催化器本体空间需在：长×宽×高在510×320×485范围内布置。

2  催化器的方案设计、验证

2.1 催化器的载体、衬垫选型

①根据甲醇发动机的相关信息，确定催化器载体规格见表2。

②根据载体规格以及发动机输入信息，进行催化器衬垫选型，计算结果如图1所示。

衬垫选型说明：催化剂入口最高进气温度为582℃，TWC的背压为5kPa，TWC的载体涂覆后载体的质量为3kg，振动加速度为20g，根据计算所得衬垫保持力在最小的GBD值在0.37大于安全系数大于1.2，且最大GBD值在0.43时新鲜态的衬垫压强在609kPa，远小于载体的抗压强度3000kPa，所以这个情况下的GBD值是安全的。同时考虑到甲醇发动机不成熟性，会偶发产生后燃现象，所以在载体的进出气口位置增加了金属丝网与挡圈固定，从而保证催化剂在100kPa的背压下，载体不滑移。衬垫在选型的同时，也考虑内筒体的材质选择及热膨胀系数（因箱式结构，内筒体的内壁温度与外壁温度与进气温度接近，均很高）。

最后确定衬垫规格PC-max2000i-1688g/m2。

③根据发动机输入边界、流量等信息，进行催化器结构方案设计，并进行设计分析：

1）结构方案设计说明：由于整体设计空间所限，整个箱体只能布置在长×宽×高在510×320×485的空间内，经计算，整个箱体的体积约为75L，与发动机的排量比值为5.7倍。而查阅资料所得，一般消声器的体积与排量比为6～8倍。为了插入损失可以满足设计要求，所以尽可能充分的利用腔体，让气流在腔体中呈“U”型结构。所以进气腔体放在第一个消声腔处。考虑到气体在连接管进入到腔体后需要充分的分布，才可以满足均匀性的要求，所以第一腔体的长度不得设计的太短，根据分析所得，长度在100mm处可满足均匀性的设计要求。尾气流经催化剂后，催化反应后气体到达第三腔体，由于后隔板中开了6个孔，方便气体流经第二腔体。同时气体通过出气管排入到大气中。前连接管与增压器的连接管路相连。发动机在运行中会产生振动，同时车架在行驶过程中，受到路面的各种工况也会产生振动，振动产生的力全部传递到进气管与箱体相连的焊缝处，为了考量焊缝满足设计要求，在此处增加了一个加强套。

2）材料的选择：其中与甲醇气体直接接触的材料，考虑到甲醇气体反应后会生产甲酸，甲酸会腐蚀金属。经验证，甲酸在高温下腐蚀SUS304、与441等材质较慢。所以进气管、出气消声管、进气法兰、氧传感器座质等材料选择SUS304，筒体、端盖、隔板、箱体、材料选择441，隔热罩支架、催化器支架、脖套等不与甲醇气体接解的材料选择SUH409L。

3）CFD、FEA的分析：分析参数：进气流量18.9kg/min，进气温度585℃，增压器出口处背压设定为18kPa。分析工具：前处理：CATIA，ANSA 15.1.0;求解器：Fluent 14.5;后处理：Fluent 14.5。

CFD分析流线图：载体1流线图见图2，载体2流线图见图3。

均匀性分析结果：载体1均匀性系数0.984;载体2均匀性系数0.986。满足均匀性设计目标要求：UI≥0.95。

FEA分析结果示意图（因篇幅问题，不详细表达）及結论：LCF分析结果示意见图4，HCF分析结果示意见图5，温度分布见图6，材料分布见图7。

分析结论：从路面载荷g-load分析结果可看出，各方向在HCF、LCF载荷下的疲劳系数满足设计要求。

从热力耦合分析结果显示，结构最高温度607℃，在进气口区域;最大等效塑性应变增量为0.8%，满足设计要求（<1%）。

根据分析结果初步确定催化器结构方案。

2.2 样件的制作以及性能、进行相关验证

根据催化器的结构方案进行样件的制作，完成样品样件的制作，进行下一步相关验证。催化器总成主要完成的试验：

①催化器总成的背压试验——结果18kPa，满足要求。

②催化器总成的插入损失试验——结果23dB，满足要求。

③催化器总成的盐雾试验、压力脉冲试验、冷热冲击试验、弯矩试验等，结果均满足试验要求。

④催化器总成的发动机台架性能试验——结果满足满足：<GB17691-2018重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）>中天然气的排放标准（因主机客户基于数据保密，具体试验数据未提供）。

⑤催化器总成的试验台热振动耐久试验，具体如下：振动台试验条件：进气温度700℃，流量420kg/h。进行阶梯振动，1）第一阶段，10g@100Hz振动3h;2）第二阶段，15g@100Hz振动3h;3）第三阶段，16g@100Hz振动3h;4）第四阶段，18g@100Hz振动3h;5）第五阶段，20g@100Hz振动3h。

试验照片及结论：图8为催化器在振动台振动试验，图9为载体封装后推力试验。

振动台热振动实验结论：试验后，经检查、分析催化器封装结构无开裂、脱焊、变形等问题;催化剂载体无脱落、破碎等问题，满足可靠性试验要求。

⑥整车道路试验除了常规的一般公路路面，同时还增加强化路的试验。

2.3 甲醇发动机评价的标准

①以整机性能指标、可靠性等指标为导向;②整车道路试验、市场整车运行情况;③借鉴传统燃料试验方法;④不断积累数据作为甲醇发动机试验开发的评价标准。

3  实验结论

①综合催化器总成相关试验、发动机台架试验以及整车道路试验等结果，确定催化器总成的设计满足要求，可以进行小批量生产。②在甲醇催化器结构设计过程中，把筒体材质选择（重点考虑热膨胀、腐蚀等问题）、衬垫的选择（筒体热膨胀系数要考虑进去）作为重点。其它结构强度、均匀性也是非常重要。③目前产品已进入批量生产供货状态，社会反馈良好。

参考文献：

[1]热振动试验参考FOSO企业标准ES-W19001催化转化器消声器相关技术条件和试验方法.

[2]排气背压、插入损失：QC/T 631-2009汽车排气消声器总成技术条件和试验方法.

[3]不锈钢和耐热钢牌号及化学成分GB/T20878-2007中S11873.

[4]性能试验：GB17691-2018重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）.