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1、催化器催化器 催化剂的封装催化剂的封装二零零九年八月（提示：内部资料）一、机动车废气的产生与净化n可燃混合气：碳氢燃料（CmHn）与空气（O2，N2）形成的可燃混合物1.1、重要概念：空燃比n空燃比空燃比(A/F)：进入发动机气缸的燃油(Fuel)和空气(Air)的比例。n理论空燃比理论空燃比：14.7，混合气燃烧最完全；即当A/F=14.7时，即1份燃料与14.7份空气完全混合，此时，燃料中的碳和氢（C，H）与空气中的氧气（O2）完全发生反应，生成CO2和H2O。1.1、重要概念：空燃比n理论空燃比理论空燃比：14.7，化学计量比；n当A/F14.7时，混合气偏稀，混合气偏稀，为富氧燃烧为富
2、氧燃烧，此时CO，HC排放减少，但NOX增加。1.2、发动机的排气的主要有毒物质n产生原因产生原因：混合气物理形成过程瞬态燃烧的化学过程n燃烧产物：燃烧产物：二氧化碳（CO2）、水蒸气（H2O）、一氧化碳（CO）和小百分比的未燃烧的碳氢(HC)和氧化氮(NOx)，颗粒物等；n有毒物质：CO、HC和NOx，颗粒物等；汽油与柴油燃烧排放污染物对比1.3、机动车排放净化手段n机内净化（治本措施）：促进燃烧，降低污染物生成；如：改进发动机的燃烧室结构、改进点火系统、改进进气系统、采用电控汽油喷射、采用废气再循环技术等。n机外净化（补救措施）：简单讲，就是对发动机排气口的污染物进行进一步处理和净化；是现
3、行主流技术手段。n机内与机外净化技术结合起来，就能更好地解决汽车排放污染问题。催化器是减少汽车排放污染物的主要机外净化手段n当高温的汽车尾气通过净化装置时，催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。在催化剂的作用下，发动机的排气可能发生化学反应n氧化反应：CO+O2CO2；HC+O2CO2+H2On还原反应：NOX+CON2+CO2n水煤气反应：CO+H2OCO2+H2n烃-水蒸气重整反应：C+H2OCO+H21.4、欧盟机动车排放控制阶段中国机动车排放控制各个阶段二、催化器的一般结构n催化器（也称催化
4、转化催化器（也称催化转化器）：器）：经过封装的催化剂n一般是由壳体、减震层、催化剂三部分组成。n催化剂：载体和涂层合称。是整个催化转化器的核心部分，它决定了催化转化器的主要性能指标。2.12.1、催化转化器组件、催化转化器组件催化剂催化剂n载体载体：为涂层提供一个基体。n涂层涂层：为贵金属催化剂提供一个巨大的表面积和化学结构，将贵金属催化剂涂布其上，可防止催化剂发生热老化作用。n贵金属贵金属：铂（Pt）、钯（Pd）及铑（Rh），是三元催化剂的主要反应元素，是催化转化器中最昂贵的部分。载体载体:陶瓷或金属蜂窝陶瓷或金属蜂窝涂层涂层:活性组份：活性组份：Pt/Pd/Rh氧化铝材料氧化铝材料(Al2
5、O3）稀土储氧材料稀土储氧材料(Ce-Zr oxides)其它其它功能（三效反应）：功能（三效反应）：CO CO2HC CO2+H2ONOx N2+H2O2.12.1、催化转化器组件、催化转化器组件催化剂催化剂2.12.1、催化转化器组件、催化转化器组件催化剂催化剂n载体载体：陶瓷载体和金属载体n陶瓷载体陶瓷载体：主要材质是堇青石(cordierite)，组成为2MgO2Al2O35SiO2，烧成的温度为14001420。n堇青石陶瓷特点：堇青石陶瓷特点：热膨胀系数低（10nm/），由堇青石构成的支持体是汽车尾气催化剂较为理想的载体。2.12.1、催化转化器组件、催化转化器组件催化剂催化剂n金
6、属载体金属载体：主要是将铁素体不锈钢薄带加工成各种波纹形，再将其卷绕成所需形状，经过特殊的焊接加工处理后，就可得到金属蜂窝载体的成品。n现行材质：现行材质：目前采用的FeCrAi合金，可以保证涂覆层的牢固附着。2.22.2、催、催化转化器组件化转化器组件衬垫衬垫n衬垫（衬垫（Mat）：）：属抗高温的毯状物，由陶瓷纤维、蛭石颗粒和连接材料组成。2.22.2、催、催化转化器组件化转化器组件衬垫衬垫n作用作用：它支撑住催化反应器，起密封、抗震作用，加热时补偿体积的膨胀，并对催化反应器隔热。2.22.2、催化转化器、催化转化器组件组件衬垫衬垫n垫层有两种：一种是3M类型材料，一种是双“S”型耐热不锈钢
7、垫层。n3M类垫层：在达到1000后冷却到室温保持50变形，保证高温时有张紧力，低温时不松动。2.32.3、催化转、催化转化器组件化器组件壳体壳体n外壳：外壳：由不锈钢冲压而成，或管状壳体。n作用：作用：支撑，保护n形式：形式：催化器采用两个壳体形成“蛤壳”体设计，或采用一段钢管同外锥管相接形成“填充”式设计。2.42.4、催化转化器组件、催化转化器组件壳体壳体n锥管：锥管：不锈钢冲压件，n作用：作用：引导排气从前端排气管进入催化床和引导排气从催化床后段进入后端排气管。n特殊设计：特殊设计：内部隔热设计还采用附加内层锥管，防止高温排气接触到外层锥管或壳体，保护绝缘层和衬垫层边缘以及降低噪音。2
8、.52.5、催、催化转化器组件化转化器组件隔热层隔热层n隔热层：隔热层：用于控制热量散发。n隔热层作用：隔热层作用：使散发到车底盘和发动机仓的热量减到最小，降低催化转化器外表面的温度，并帮助降低排气噪声。n外部隔热层：外部隔热层：对于外部隔热设计，隔热层是位于壳体和反应器外表面之间的毯状催化陶瓷纤维层。n内部隔热层：内部隔热层：对于内部隔热设计，还在壳体与支撑衬垫之间，以及内外两层锥管之间，附加一层隔热材料。2.6、封装材料n壳体材料：壳体材料：一般选用0Cr11Ti(409)、00Cr11Ti(409L)、0Cr18Ni9（304）、1Cr18Ni9（302）。前两种属于耐热钢，后两种属于不
9、锈钢。前者价格低、冲压性能好，后者耐腐蚀性能好，无磁性。板厚一般为1.2毫米、1.5毫米或2.0毫米。n隔热罩：隔热罩：一般选用0.6或0.8毫米的镀铝钢板。n法兰：法兰：一般选用铸钢（ZG25）或锻钢（20）。n螺栓：螺栓：一般由耐高温材料SNB16、1Cr13等制造。n膨胀垫层：膨胀垫层：由硅酸铝纤维、蛭石和有机粘合剂加工而成。金属垫层由1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti等制造。n2.1一般概念n2.2封装材料n2.3封装工艺三、催化剂的封装2.1、一般概念n封装过程封装过程是决定催化器制造质量的关键阶段，包括催化器的化学反应能力、耐久性和机械性能。n封装方式：封装方式：n
10、捆绑式(Tourniquet)n蚌壳式(Clamshell)n塞入式(stuffing)2.1、一般概念n封装目的封装目的主要是解决陶瓷载体和外壳膨胀系数不能统一的问题。通常采用封装外壳和载体之间加缓冲垫层；n封装时必须选择适当的封装压力，根据载体性能、缓冲材质、外壳材料等，通过实验选择适宜配合，找到最佳封装压力参数。2.2、封装主要设备n生产设备生产设备n剪板设备；n冲压设备；（模具）n焊接设备；（工装）n检验设备检验设备n轴向推力检测设备；n气密性检查设备；n纵置热振动试验试验检测设备；n热寿命试验检测设备；n水急冷试验检测设备；2.3 焊接工艺n焊接：焊接：是常用工艺手段。n为了保证其耐
11、腐蚀性和焊缝质量，不锈钢材料的焊接多采用气体保护焊气体保护焊。n不锈钢气体保护焊接方法：不锈钢气体保护焊接方法：nTIG焊：非熔化极气体保护电弧焊即包括钨极惰性气体保护焊；nMAG焊：熔化极气体保护电弧焊，它包括熔化极非惰性气体保护电弧焊（CO2焊）及熔化极活性气体保护电弧焊；nMIG焊：熔化极惰性气体保护电弧焊。2.3 焊接工艺nTIG焊：焊：分填丝和不填丝两种。其特点是电弧稳定，飞溅小，焊缝致密，成型美观。焊接速度稍慢。不填丝时，对零件尺寸精度要求很高。nMAG焊也称为焊也称为MIG焊：焊：对于熔化极气体保护电弧焊，在惰性气体中加入1%5%氧气的目的是在基本不改变惰性气体电弧基本特性的条件
12、下，进一步提高电弧稳定性，增强液态金属的流动性，改善焊缝成形，降低电弧辐射强度。n二氧化碳气体保护焊：二氧化碳气体保护焊：优点是成本低，缺点是飞溅大。n缝焊和点焊：缝焊和点焊：属于电阻焊，由于熔池与空气极少接触，一般不用保护气。n等离子弧焊、电子束焊、激光焊：等离子弧焊、电子束焊、激光焊：都是高质量不锈钢焊接的方法，但设备复杂，成本很高。焊接缺陷：n形状尺寸缺陷：形状尺寸缺陷：有焊接变形，尺寸偏差（包括错边、角度偏筹、焊缝尺寸过大或过小等），外形不良（包括焊缝高低不平、波纹粗劣、宽窄不齐等），飞溅和电弧擦伤。焊接缺陷：n结构缺陷：结构缺陷：有焊缝表面气孔和内部气孔、夹渣、未熔合、未焊透、焊瘤、
13、凹坑、咬边和焊接裂纹。焊接缺陷：n性能缺陷：性能缺陷：焊接接头力学性能（抗拉强度、屈服点、冲击韧性及冷弯角度）、化学成分等性能不符合技术要求。2.4捆绑式封装n是控制封装力的一种最理想的方式，它受力最均匀，能够保证较长的使用寿命。适用于圆柱形载体。2.4捆绑式封装n是控制封装力的一种最理想的方式，它受力最均匀，能够保证较长的使用寿命。适用于圆柱形载体。n一般用MIG焊，点焊固定时可采用TIG焊。n主要设备：卷筒机、包裹工作台、捆绑机、推力检测机、总成焊机、水密检测机等。2.4捆绑式封装工艺步骤n卷筒：卷筒：将直板卷成催化器外壳；n装载：装载：将载体用膨胀衬垫包扎放入催化器外壳；n捆绑：捆绑：将
14、装好衬垫及载体的催化器外壳在捆绑带的作用下进行收紧，然后进行高频振动，使捆绑产生的力分布均匀，用点焊将催化器外壳接口固定；n缩口并做轴向推力试验：缩口并做轴向推力试验：对催化器外壳两端进行缩口处理，并做轴向位移试验，检查载体的松动情况；n焊接：焊接：将锥体焊接在催化器外壳两端缩口面上，并对催化器外壳接口直焊，成为汽车三元净化器成品；n气密性试验：气密性试验：对汽车三元净化器成品做气密性试验，对合格品标识。2.5 蚌壳式封装n是最简单、最常用的一种封装方式；n适用于各种形状的载体。2.5 蚌壳式封装n蚌壳式封装大多属于定型腔封装，封装后催化器尺寸固定，封装力的大小与分布靠各零件的尺寸精度来保证。
15、n可采用TIG焊、MIG焊或缝焊，必要时增加点焊工序。n插入蚌壳式是尺寸控制和力控制相结合的一种方式，其受力状况好于普通蚌壳式封装。一般采用MIG焊。2.5 蚌壳式封装n蚌壳式催化器：Shell-shaped catalytic converter2.5 蚌壳式封装n基本工艺n冲压蚌型壳体；n催化剂包覆；n合模点焊固定，并焊接；n检验2.6 塞入式封装（压入式，旋压式）n先把筒体焊好再将载体塞入，也属于定型腔封装，但它的型腔尺寸容易控制得很精确，受力状况比蚌壳式好，采取一些辅助措施后也能达到相当长的使用寿命。n圆柱形载体最适合，配合适当的工装，其它形状载体也能封装。n一般筒体用TIG焊，其它部
16、分用MIG焊。有些催化器塞入后采用旋压成型。2.6 塞入式封装（压入式，旋压式）n压入式封装：压入式封装：使用专用设备将包裹衬垫的催化剂压入筒体，然后在进行其它程序工作。n使用不方便，有一定难度。2.6 塞入式封装（压入式，旋压式）n旋压式催化器：旋压式催化器：使用专用设备将筒体两端通过旋压工艺收缩成锥管结构。n目前使用较多。2.6 塞入式封装（压入式，旋压式）n基本工艺：基本工艺：n卷筒；n催化剂包覆；n装载；n焊接端盖或旋压；n检验。四、催化器封装技术标准n行业标准：行业标准：环境保护产品技术要求汽油车用催化转化器(HJ/T 331-2006)n国家推荐性标准：国家推荐性标准：GB/T18
17、377-2001汽油车催化转化器的技术要求和试验方法u征求意见稿：征求意见稿：歧管式催化转化器的技术要求和试验方法n本标准规定了汽油车用催化转化器的分类和命名、要求、试验程序和方法、标志、包装运输和贮存等项内容。n本标准适用于汽油车用原装催化转化器和配件用催化转化器。n本标准也适用于燃用CNG和LPG汽车用催化转化器。4.1、催化器封装技术标准：HJ/T331-20064.2、法规对催化器的市场定位与分类OEM：Original Equipment Manufacture(原始设备制造商)的缩写 AFM:二级市场,售后市场,修配用零部件市场;4.3、催化器一般要求4.3、催化器一般要求4.44
18、.4、催化器的性能检验、催化器的性能检验u通过轴向推力实验、纵置热振动试验和热寿命与水急冷试验检验催化转化器的机械性能；u通过实车试验或快速老化试验检验催化剂的化学性能和寿命。u气密性试验检验封装质量。4.5、催化器试验程序4.6、机械性能试验（）n轴向推力实验n纵置热振动试验n热寿命与水急冷试验n性能要求、轴向推力试验n试验方法：、热寿命和水急冷试验热寿命和水急冷试验装置、纵置热振动试验纵置热振动试验设备4.7、起燃温度和空燃比特性试验n起燃温度n起燃温度试验起燃温度和空燃比特性试验n空燃比特性试验4.8、快速老化试验14.8、快速老化试验24.9、排放性能要求-14.9、排放性能要求-24
19、.9、排放性能要求-34.10、气密性试验与要求n试验方法：n达标要求：4.11、其它试验及要求n其他试验4.11、其它试验及要求n试验要求4.12、检验规则4.12、征求意见稿：歧管式催化转化器的技术要求和试验方法n歧管式催化转化器：歧管式催化转化器：指安装在发动机舱内，由发动机排气歧管与催化转化器组成，且发动机歧管各支管交汇处到催化器入口端的连续连接长度不大于500mm的催化器总成部件。n原因：原因：催化器距离发动机很近，其高温和交变载荷(包括热载荷和机械冲击振动载荷)对催化器影响巨大；发动机排气歧管歧管式催化器集管式结构歧管式催化器蚌壳式结构强化耐久性试验试验方法：关于耐久性试验1试验方
20、法：关于耐久性试验2五、催化器封装注意事项n5.1催化器失效原因n5.2催化器封装注意事项5.1、催化器的失效n失效原因之一n机械损伤n受到路面的限制，产生拖底或强烈振动，造成催化转化器的碰撞，致使催化转化器载体破碎，容易阻塞排气通道，造成动力性能下降、燃油消耗增加、排放恶化等。5.1、催化器的失效n失效原因之二n热冲击n由于供油系统、点火系统等的故障，发动机过热、回火，造成催化转化器载体烧结、催化剂剥落，排气阻力增大等5.1、催化器的失效n失效原因之三n催化剂中毒n由于燃油或润滑油使用不当，造成催化剂中毒、活性下降，催化转化效率受到影响，进而使汽车排放性能恶化。5.2 催化器封装注意事项n禁止禁止用力敲打；n禁止禁止不平衡用力；n防止防止杂物堵塞催化剂孔道；n防止防止焊接过程对催化剂载体烧伤；n要求要求焊缝饱满、均匀、连续；具有足够机械强度和密封性。结束：n已知事项：n产品方向正确和明确；n产品利润有空间；n技术工艺有基础；n未知事项：n产品市场需要开发；n生产管理需要磨练。提示：内部资料，不宜公开