耦合式三元催化转化器设计研究

唐颖青

（精诚工科汽车系统有限公司，河北保定071000）

1 引言

随着新能源汽车持续发展，新能源汽车（纯电动汽车BEV+插电混合动力汽车PHEV）、节能汽车HEV、氢能源汽车将成为主要技术攻关方向。

与节能混合动力HEV及插电混合动力PHEV车型匹配的排气系统，为达到国家第六阶段机动车污染物排放标准，同时满足紧凑型前舱布置，通常采用两级封装耦合型催化转化器结构。其中，三元催化器TWC的主要作用是将汽车发动机排出的有害气体（如NOx、CH、CO等）经过氧化还原反应转化为二氧化碳（CO2）、氮气（N2）和水（H2O），颗粒捕集器的主要作用是提升颗粒捕集效率，并进行再生燃烧，从而符合“国六”尾气排放要求、颗粒物限值要求及紧凑型前舱布置要求。

2 术语定义

2.1 三元催化转化器TWC(Three Way Catalyst，TWC)

是通过涂覆在载体上的贵金属（Pt、Pd、Rh）的催化作用，可同时实现碳氢化合物（CH）、一氧化碳（CO）氧化和氮氧化物（NOx）还原，使其转化为无污染的二氧化碳（CO2）、水（H2O）和氮气（N2）的装置。

2.2 汽油颗粒捕集器GPF（Gasoline Particulate Filter，GPF)

是安装在汽油车排气系统中，通过载体孔内壁（带微气孔）具有的过滤特性来降低排气中颗粒物的捕集器。其工作原理是将排气中的碳烟颗粒吸附在孔壁上，当微粒达到一定量后，信号传递，提高捕集器温度，使微粒燃烧，变成对人体无害的物质排出。另可根据净化策略在其表面进行催化剂涂覆，从而实现净化特定排放物和颗粒物过滤的功能。

2.3 封装密度GBD（Gap Bulk Density）

衬垫包裹载体，并封装在壳体内后，其纤维的填充密度，是衡量包裹特性的指标，亦称封装密度。

2.4 缩径量（Shrinkage）

缩径前催化器壳体直径与缩径后催化器壳体直径之差，用“ΔD”标识。

2.5 设计验证计划DVP（Design-Verification-Plan，DVP）

指设计零部件（耦合式三元催化转化器）的试验计划书，包括台架试验和整车实验。目的是保证设计产品符合功能需求。

2.6 载体目数（目）

一种计量单位，指每平方英寸筛网上的孔眼数。

2.7 密耳mil

一种长度/厚度单位，1 mil=0.0254 mm。

3 催化转化器布置设计流程

3.1 布置空间设计

根据整车关联边界输入，结合下车体、周边件、保安防灾要求进行催化转化器尺寸设计及布置空间校核。其中，催化转化器保安防灾要求包括：催化转化器与金属件间隙≥30 mm；催化转化器与橡胶件、油封等热敏部件间隙≥50 mm；催化转化器与电池包、高压线束等部件间隙≥100 mm。

3.2 载体布置形式选择

根据整车第六阶段机动车污染物排放标准、排气系统入口（发动机出口）质量流量、入口温度及布置尺寸等，选择催化器载体及颗粒捕集器载体规格及布置形式，本文主要研究耦合式纵向布置。

3.3 产品设计及分析验证

结合发动机输入信息，开展催化转化器GBD封装设计，包括衬垫选型、缩颈尺寸、GBD值等；最后进行封装验证及DVP试验验证，包括载体GBD封装调试，轴向推力试验、机械性能试验等。

4 耦合式催化转化器结构及原理

4.1 耦合式催化转化器结构

耦合式催化转化器是将三元催化转化器（TWC）与颗粒捕集器（GPF）进行一体封装，主要结构包括以下几部分。

4.1.1 催化器壳体

一般采用409L或441不锈钢材质，不仅具备良好的耐蚀性及高温性，且热膨胀系数小。

主要作用：

1）防护，保证车辆在颠簸路、石子路等工况下，载体振动、磕碰时无破损、开裂。

2）物理支撑，为衬垫提供足够的摩擦力，保证载体与衬垫的紧固力，防止车辆运行时载体脱落、窜动。

4.1.2 三元催化器载体

常用蜂窝陶瓷（堇青石）结构，薄壁600目，壁厚2.5 mil或3 mil。

主要作用：载体本身不具有活性，主要为催化剂涂覆提供足够的表面积，同时满足高温≥950℃使用。为提升体积利用率，通常采用圆形结构设计。

4.1.3 颗粒捕集器载体

常用蜂窝陶瓷（堇青石）结构，300目，壁厚8 mil。

主要作用：提供足够的过滤表面积（带微气孔的载体内壁），用以捕捉沉积颗粒物，同时保证捕集器入口温度≥600℃，完成沉积颗粒物二次再生（燃烧），同时满足高温≥1 000℃使用。为提升表面利用率，通常采用圆形结构设计。

4.1.4 衬垫

一般采用陶瓷纤维（耐950℃高温）、多晶纤维（耐1 100℃高温）或二者复合材质，不仅具备良好的耐高温性，且不易吹蚀、开裂。

主要作用：（1）保温缓冷，防止载体中心与外表面温差过大，造成载体碎裂、使用寿命衰减，满足高寒、高原等环境使用；（2）物理防护及紧固，为载体提供保持力及物理防护，避免载体窜动及碎裂等。

4.1.5 涂层

载体孔道内壁上涂覆的活性贵金属，如铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rh）及作为助催化剂的稀土材料，铈（Ce）、钡（Ba）、镧（La）氧化物。

主要作用：提高催化剂活性和高温稳定性。

通过GBD封装，衬垫分别包裹三元催化器载体和颗粒捕集器载体，封装入同一壳体内，如图1所示。

图1 耦合式催化转化器结构及原理图

4.2 三元催化转化器（TWC）工作原理

发动机排出尾气均匀进入三元催化转化器载体孔道，尾气中的NOx、CH、CO在涂覆于载体孔壁活性层（以Al2O3为主）的活性贵金属材料及金属氧化物催化下，发生氧化还原反应排出CO2、N2和H2O。

氧化反应：2CO+O2→2CO2

4.3 颗粒捕集器（GPF）工作原理

净化后尾气均匀流入颗粒捕集器载体孔道，经过过滤壁面（带微气孔的载体内壁）时，将尾气中的碳烟颗粒吸附在孔壁上后流出；在捕集器载体前、后端布置压差传感器和温度传感器，方便监测沉积碳颗粒物二次再生时机，当微粒达到一定量后，捕集器载体前后端压差将增加，压差传感器将监测压差数据及信号传递反馈至控制程序，温度传感器监测入口温度，当压差和载体入口温度达到再生条件时，碳微粒进行二次燃烧，沉积在载体过滤壁的碳颗粒物再生后转化为对人体无害的物质排出。

5 耦合式催化转化器GBD封装设计及验证

5.1 GBD封装理论设计

5.1.1 载体受力及衬垫设计原则

行车过程中，催化器需要承受排气背压施加的轴向气流冲击力f和径向振动剪切力τ，如图2所示。

图2 耦合式催化转化器受力分析

当衬垫设计压强P＞载体抗压强度P1时，载体侧壁受压过大，载体开裂、破损。

当衬垫设计压力F=（f+τ）＞衬垫最小保持力f1，载体受力窜动，无法满足耐久使用。

综上所述，衬垫设计压力需同时满足：“P＜P1”和“F＜f1”。

5.1.2 衬垫设计计算

轴向气流冲击力=载体背压差×载体截面面积，即：

径向振动剪切力=催化器重量×振动加速度，即：

载体承受外力=轴向气流冲击力+径向振动剪切力，即：

式中，ΔP为载体进气端与出气端压力差，kPa；S为载体截面积，m2；g为重力加速度，g/cm2；M为涂覆后载体质量，kg。

载体移动，需克服衬垫摩擦力，即衬垫最小保持力f1：

式中，μ为衬垫与载体摩擦系数；S1为衬垫面积，m2。

为保证载体无窜动F＜f1即：衬垫设计压强

5.2 三元催化器载体TWC封装设计及校核

5.2.1 GBD封装设计

以某项目耦合式催化转化器总成封装设计为例，已知:涡轮增压器后入口温度824.7℃，壳体内径D=(141.5±0.3）mm；三元催化器载体TWC，耐900℃高温，载体直径d=(132.1±2)mm，载体长度L=(70±0.9)mm；载体最大质量Mmax=0.583 kg；载体抗压强度P1=1 030 kPa；ΔP=10.5 kPa。

设计推荐衬垫型号1 850HT：衬垫理论面密度ρ=1 600×（1±10%）g/m2、衬垫厚度t=10.7 mm、衬垫宽度W=（载体长度L-8）mm、冷态摩擦系数：μ1=0.35，热态摩擦系数：μ2=0.85，衬垫材质为陶瓷纤维。

理论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为衬垫最大面密度，g/m2；ρ2为衬垫最小面密度，g/m2；D1为壳体最大内径，mm；D2为壳体最小内径，mm；d1为载体最大外径，mm；d2为载体最小外径，mm。

经计算，GBD在.24～0.49 g/m2区间，理论GBD为0.34 g/m2。

封装过程中，P与GBD成正比，GBD越大，P越大，过大的GBD将导致载体压碎、衬垫纤维受损；GBD越小，P越小，过小的GBD易导致载体脱落、窜动，故需进行分组匹配，缩小GBD区间，保证载体无压损、脱落，衬垫老化后无窜动。

5.2.2 GBD设计校核匹配

1）轴向压力校核

载体最小轴向推力=1 500 N，即衬垫最小保持力f1＞1 500 N。

依据公式（4）及5.2.1已知条件计算：

衬垫最小轴向保持力f1=μ1PS1＞1 500 N。

衬垫承受冷态轴向压强Pl＞1 500/μ1/S1=1 500/0.35/[3.14×（132.1+2）×（70-8）]×103=164.16 kPa。

根据GBD与衬垫压强分析结果（见图3），可知：

当GBD=0.40 g/m2，衬垫设计最小压强Pmin=145 kPa＜164.16 kPa，不满足最小保持压强要求，存在载体脱落风险；当GBD=0.42 g/m2时，衬垫设计最小压强Pmin=165 kPa＞164.16 kPa，满足最小保持力要求，即GBD≥0.42 g/m2。

2）封装校核

衬垫封装过程中GBD对应峰值压强＜载体的机械强度1 030 kPa。

根据GBD与衬垫压强分析结果（见图3），可知：

当GBD=0.58 g/m2时，衬垫设计峰值压强Pf=1 100 kPa＞1 030 kPa，不满足载体防护要求，存在载体碎裂风险；当GBD=0.55 g/m2时，衬垫设计峰值压强Pf=900 kPa＜1 030 kPa，满足载体防护要求，即GBD≤0.55 g/m2。

综合GBD理论计算（最大GBD=0.49 g/m2）、轴向压力校核（GBD≥0.42 g/m2）及封装校核（GBD≤0.55 g/m2），得GBD匹配设计区间为：0.42～0.49 g/m2。

3）衬垫老化压强校核

根据GBD与衬垫压强分析结果，如图3所示：当GBD=0.42 g/m2时，衬垫老化压强最小；试验测得衬垫老化压强=42 kPa。

图3 催化转化器衬垫压强与GBD关系

依据公式（5）及5.2.1已知条件计算：

衬垫承受热态老化压强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。

综上，GBD=0.42 g/m2时，衬垫老化压强42 kPa＞衬垫承受热态老化压强Pr=15.69 kPa；衬垫老化安全系数=42 kPa/15.69 kPa=2.6＞1.2，满足设计要求。

5.3 颗粒捕集器载体GPF封装设计及校核

5.3.1 GBD封装设计

颗粒捕集器载体GPF，已知，壳体直径D=(132.1±1.6)mm，载体长度L=（101.6±1)mm；载体重量M=0.638 kg；载体抗压强度P1=1 030 kPa；ΔP=70 kPa。

设计推荐衬垫型号1 850HT：衬垫面密度ρ=1474×（1±10%）g/m2、衬垫厚度t=10.7 mm、衬垫宽度W=（载体长度L-8）mm、冷态摩擦系数：μ1=0.325，热态摩擦系数：μ2=0.54，衬垫材质为陶瓷纤维。

理论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。

经计算，GBD在0.23～0.43 g/m2区间，理论GBD为0.31 g/m2。5.3.2 GBD设计校核

1）轴向压力校核

载体轴向推力=1 500 N，即衬垫最小保持力f1＞1 500 N。

依据公式（4）及5.3.1已知条件计算：衬垫最小轴向保持力f1=μ1×P×S1＞1 500 N。

衬垫承受冷态轴向压强Pl＞1500/μ1/S1=1 500/0.325/[3.14×（132.1+1.6）×（101.6-8）]×103=118.5 kPa。

根据GBD与衬垫压强分析结果（见图4），可知：

图4 颗粒捕集器衬垫压强与GBD关系

当GBD=0.33 g/m2，衬垫设计最小压强Pmin=110 kPa＜118.5 kPa，不满足。

当GBD=0.34 g/m2，衬垫设计最小压强Pmin=140 kPa＞118.5 kPa，满足，即GBD≥0.34 g/m2。

2）封装校核

衬垫封装过程中GBD对应峰值压强Pf＜载体抗压强度P1=1 030 kPa。

根据GBD与衬垫压强分析结果（见图4），可知：当GBD=0.49 g/m2时，衬垫抗压强度最大；衬垫抗压强度最大=700 kPa＜1 030 kPa，满足设计要求。

综合理论计算，最大GBD=0.43 g/m2、轴向压力校核（GBD≥0.34 g/m2）及封装校核，得出GBD设计区间为：0.34～0.43 g/m2。

3）衬垫老化压强校核

根据GBD与衬垫压强分析结果（见图4）：最小GBD=0.34 g/m2时，衬垫老化压强最小；试验测得衬垫老化压强=73.07kPa。

依据公式（5）及5.3.1已知条件计算：

衬垫承受热态老化压强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。

当GBD=0.34 g/m2时，衬垫老化压强=73.07 kPa＞衬垫老化峰值压强Pr=53.46 kPa；衬垫老化安全系数=73.07 kPa/53.46 kPa=1.3＞1.2，满足设计要求。

综合5.2、5.3校核结果：三元催化器载体TWC最佳GBD范围0.42～0.49 g/m2；颗粒捕集器载体GPF最佳GBD范围0.34～0.43 g/m2。

6 催化器壳体缩径量计算

缩径后催化器壳体内径：

式中，φA为缩径后催化器壳体内径，mm。

为保证封装要求，壳体原材内径最小值D3应≥缩径后壳体最大内径φA1。

壳体原材外径：

式中，φF为壳体原材外径，mm；T为原材直径公差，mm；t为原材壁厚，mm；φh为设计余量，φh≈0.1 mm。

6.1 三元催化转化器TWC缩径量计算

依据式（6）及5.2.1已知条件计算：

缩径后最大催化器壳体内径：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。

缩径后最小催化器壳体内径：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。

依据式（7）及5.2.1已知条件计算：

壳体原材外径：φF=φA1+φh+T+2t=141.28+0.1+0.3+2×1.5=144.68 mm≈144.6 mm。

缩径后壳体内径：136.96～141.28 mm。

缩径量极限值ΔD=（φF+T）-（φA2+2t）=(144.6+0.3)-(136.96+2×1.5)=4.94 mm。

6.2 颗粒捕集器GPF缩径量计算

依据式（6）及5.3.1已知条件计算：

缩径后最大颗粒捕集器壳体内径：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。

缩径后最小颗粒捕集器壳体内径：φA2=2×ρ2（/最小GBD×1 000）+d2=2×（1474-1474×10%）/（0.34×1 000）+（132.1-1.6）=138.3 mm。

依据公式（7）及5.3.1已知条件计算：

壳 体 原 材 外 径：φF=φA1+φh+T+2t=141.24+0.1+0.3+2×1.5=144.64 mm≈144.6 mm。

缩径后壳体内径：138.3～141.24 mm。

缩径量极限值ΔD=（φF+T）-（φA2+2t）=(144.6+0.3)-(138.3+2×1.5)=3.6 mm。

综上所述，三元催化器载体TWC的缩径量极限为4.94 mm；颗粒捕集器载体GPF的极限缩径量为3.6 mm；可选择φ144.6 mm×1.5 mm规格直管原材，缩进设备行程≥5 mm。

7 催化器GBD封装及验证

载体封装包括蚌壳式、绑带式和压入式。本项目采用GBD压入式封装，通过GBD核算壳体缩径量，保证封装后GBD满足设计要求，封装工艺流程如图5所示：“衬垫称重”+“载体测径”→“载体+衬垫自动包裹”→“封装塞入”→“GBD缩径”→“管端成型”→“GBD校验”→“GBD激光刻字”。

图5 GBD封装工艺过程图

依据上述工艺过程，分别对TWC和GPF进行封装，其中TWC缩进量4.94 mm；GPF缩进量3.6 mm，且封装后TWC与GPF间距≥30 mm。

封装验证时，应完成一个最大GBD封装样件和一个最小GBD封装样件，封装完成后分别进行1 500 N轴向推力试验、热振动、水急冷等试验后，载体累计位移量应≤6 mm，且载体无破损、裂纹等缺陷。

8 结语

耦合式三元催化转化器是一种布置于整车前舱，将三元催化转化器TWC与颗粒捕集器GPF封装在同一壳体内的组合封装结构，主要作用是净化发动机排出尾气中有毒有害物质及颗粒物，使车辆行驶过程中排放的尾气符合“国六排放标准”。GBD封装作为催化转化器的核心技术，主要保证载体防护及紧固，规避车辆运行过程中载体碎裂及窜动，从而保证其有效净化尾气及颗粒物。本文对耦合式催化转化器GBD封装设计流程、GBD范围的计算及校核方法进行阐述，以期为设备选择提供技术支持。