机动车尾气催化转换器封装设计

膨胀纤维衬垫的挤压密度决定其挤压力 的太小，常用目标挤压密度为１．０ ｇｋｍ３，图２ 为恒温条件下改变挤压密度对挤压力的影响。 挤压密度太大，载体装配时易发生破碎；挤压 密度太低，催化器工作时会产生松动。为使挤 压密度在合适范围内，除控制截体和衬垫公差 外，选择壳体形式和封装方法也十分有效。
荟
姜
嚣
＃Ⅲ镕度耐 Ｏ ７ ０ ９ ０ ｇ
与裁体间的挤压间隙，悍征膨胀衬垫的摒垭力，以提高催化器使用寿命。
关键词：封装设计分组互换挤压密度使用寿命
、
催化转换器在机动车尾气排放控制中得到 广泛使用，控制转换效率、化学老化祀机械老 化是保证催化器质量的关键技术。使用时有一 部分催化转化器远未到达化学老化之前，因载 体破碎发生机械老化而失效，载体的封装技术 是造成部分催化转化器提前失效的重要因素。
１
ｔ１ １ ２ １ ３ １．●’．５
图２衬垫挤压特性曲线
３．１．３壳体封装特性
．
常用壳体封装形式有蚌壳式和捆百度文库式。
蚌壳式和捆绑式封装村垫挤压密度分析如图３
所示。椭圆形载体捆绑式衬垫挤压密度在
１．１５～０．９９９／ｃｍ３，其误差０．１６９／ｃｍ３；蚌壳式
衬垫挤压密度在１．０２～Ｏ．６９９／ｃｍ３．其误差
作者： 作者单位：
张洪汛， 祁明晰， 勾频， 陈琪 武汉科技大学交通运输系
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（３）捆绑式封装技术，封装压力均匀可 调．封装质量较好，在制造技术允许的条件下， 应选择捆绑式封装。
参考文献
１
１Ａｌｆｅｒ Ｒｅｅｋ，Ｆｒｉｅｄｒｉｅｈ Ｗ Ｋａｉｓｅｒ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ
Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ａｎｄ Ｈｏｔ Ｔｕｂｅｓ ｆｏｒ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ ｉｎ
４ｍｍ，最小间隙为ｌｍ盛埘？Ｊ—ｌ：，’。ｋ．７·毒￣
（２）载体与锯壳之漪何豫的：Ⅱ；受俯差， 可以利用利垫波纹高度祷型产蛾佣村垫包装层 数调整，以达到最佳密封愫护效集ｉ。； 、
（３）一村塾在壳槔与囊棒圣嘲酣单边饲骧；
未受壳律压紧状态节，。《柑垫酌被绽禽度为 ６ｍｍ，＝＿受箍律侄紧撙｝ｊ村垫的渡皱甜型。为
‘０．１６
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盘■囊体
０．０４ ９１．４ ３．７ Ｏ５ ３０１
１４ 】００
在有限空间内增大表面积能提高催化效
率，载体多采用减薄管壁、增加蜂窝密度扩大
载体的表面积。薄管壁越蒋，蜂窝密度越大，
越对载体强度和压力差产生影响．故应优化选
择蜂窝密度和管壁厚度，以满足对机械性能和
产品设计与制造
７１９
机动车尾气催化转换器封装设计
张洪汛祁明晰勾频 陈琪
（武汉科技大学交通运输系）．
摘要：催化转换器巳成为机动车污染控制的重要技术，其封装技术直接影响催化转换器的使
用寿命，本文通过对栽体衬垫材料特性和封装结构设计的研究，考虑罐装方法、部件公差以及累
积误差对衬垫密度的影畹，结合我国封装制遣工艺特点，采用分组互换法或大数互换法控制壳体
京：化学工业出版，２０００：２２０－～２４５
４ 忻良昌．公差配合与测量技术．北京：机械工业
出版杜，１９９１：２６５－－２７３
作者简介：张洪讯，男，１９５４年６月出生，武汉科技 大学城建学院交通运输系副教授。联系地址：武汉洪 山石牌岭，邮编：４３００７０。从事大气污染和机动车污 染控制研究。
机动车尾气催化转换器封装设计
创新设计的基础技术
唧半＝（半）３
４．３．４‘确定衬垫密度控制范围 根据累积误差分析，按概率法确定衬垫
密度控制范围。
５小结
（１）采用分组互换对控制挤压间隙，在 不改变设计精度条件下，提高封装精度，降低 制造成本；
（２）在大数互换设计中，按±２。设计为 一个较合理的范围，其挤压密度为１．１６～ Ｏ．８７９／ｃｎｌ３和压力为２＿３～１８．９ｋｇ／ｅｍ２。三部件 同时产生极值而失效的概率为１２ｐｐｍ。
４ｍｍ；
（４）在党体与裴体靖面馒置密封嚼，、以
减少气流泄露ｄ
ｕ一。
２．２催ｒ化蟾懊孺的壳俸嫒许ｔ．
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Ｉ
ｉ竞体作为催化裥载悻醋支撑ｊ“承型发专６；帆＝ｊ
捧力气强高，温工，艺要性求好热，膨壳膜素体癞材小料，碰禽柏溢树捌趱翦糖诺发蒯如’：。’
。
表２所示。
７‘ｊ．ｉ ４ＩＩ＿前
’
。
襄２·壳妊材ｊＩＩ性健与糟）室确定‘
２封装设计
２．１膨胀村垫封装设计
２．１．１膨胀村垫挤压间隙埘？
＿＿
（１）衬垫的目标挤压密度ｐ。
催化器载体在壳体中的固定取决于膨胀树
垫的挤压密度，合适的挤压密度直接影响催佬
器的使南寿命：根蛔膨脓衬垫生产Ｆ象３Ｍ公
司推荐的膨胀衬垫目标挤压密度ｐ。＝
１．ｏ母哮ｈ３；
二．ｒ．。。１
（２）目标挤压淘隙矗如ｍ）
废气转化的要璩。
催化器快速起燃对减少废气排放量十分重
要，起燃时间取决于催化剂的类型、封装技术、
发动机与转化器之间的间距、废气温度以及载
体的设计等因数，．借助载体材料的低密度、低
热窖量和保持高热能力可加快催化器起燃。
１．２．２衬垫材料
村垫环绕在载体上，具有固定载体、减振、
隔热和抵御机械撞击的作用，常用衬垫有高膨
Ｐａｓｓｅｎｇｅｒ Ｃｆｆｉｒｓ， ２－ａｎｄ２－Ｗｈｅｅｌｅｒｓ ＥＵ－Ｉｎｄｉａ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｆｏｒｔｍａ，１９９６（２）：２２也４
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析，中茸机械工程，２０００（１１）增：８９－９２
３ 王建新．汽车捧气污染治理及催化转化器．北
常用的载体按材料可分为陶瓷载体与金属
载体，比较其特性姗表１所示。载体按结构分
为蜂窝载体与颗粒载体，蜂窝载体由于比重
轻、气阻小、抗震性能好已取代颗粒载体得到
广泛应用。
寰ｌ陶瓷蛾体与盒一粒体比较Ⅲ’
壁厚
单衄位
孔睬串
％
几何衰面积 －ｍⅥ
质量比热容量 蜘，虹假
体积比热喜量瑚【
导热率
Ｗ／ｍ／Ｋ
压力损失
‘％
陶瓷羹悻
鲞筮娄：釜鲨：辫碡』
２．３陶瓷载体制造公差
载体育盒属藏体却陶瓷载饿。为了增加催 化荆涂层昀奉面积！饕伟毒器用蠛巢结构。陶
产品设计与制造
７２ｌ
瓷载体为多孔堇青石粘土烧制而成，制造误差 较大，一般为直径尺寸的１％～２％，参选ｒｒｌ６ 精度。
３封装特性
３．１衬垫材料的封装特性 ３．１．１衬垫的温度特性
图ｌ为高温膨胀纤维衬垫和金属网衬垫 的热膨胀特性。高温膨胀纤维衬垫在第一次加 热时体积明显膨胀，冷却后有部分收缩口１。经 第一次加热循环后，衬垫的性能保持稳定，而 金属丝网衬垫受热后网丝变软，弹性下降，膨 胀率为负值。 ３．１．２衬垫的挤压特性
晶＝ｐ＾／ｐｏ
（Ｉ）
式中 ｐＪ—。衬垫材料规格值，加ｍ２
（３）挤压间隙公差ｄ死（ｃｍ）
ｄ晶＝±０．０８ｐ』／ｐｏ
（２）
２．１．２膨胀村垫挤压弹力卯旧由 “ 。々。
ｐ＝４７０ｄ‘＂ｐ＿１
（３）
式中。ｐ。——实际挤压密度，＃ｃｍ３’ ｊ 膨胀村垫产生的挤座弹力ｄ需滴足固定载
体的摩擦力条件和陶瓷载体承匿疆度条佯，：一
注：‘ｏ一工艺能力指数，印＝７７６口。
‰‰２＿（（卜１”棚脚叫岛岛币而面纛‰ ４．３．１ 累积公差对衬垫挤压密度的影响
式中ｎ ｏ营｜——载体的ｎ个标准偏差。
４．３．２挤压密度ｐ（ｋｇＪｃｍ２）与压力Ｐ的关系 Ｐ＝２．０ ｐ？＋１７．６ ｐ？一１５．６ ｐ。斗３．２
４．３．３各部件同时超差导致失效概率Ｑ（表４）
接变形，在一般工艺条件下制造公差较大，采 用定直径壳体封装时很难保证挤压间隙，故不 易选用完全互换法封装。 ４．２分组互换法
当∑ｄ一。≥５晶时，采用分组互换法，保 证分组后的￡８Ａ。≤８兀，从而保证挤压间隙
兀。
根据ｄ矗将８．４，分成Ⅳ组，Ⅳ≥∑“ｆ／
６Ｌ（取整数），按所分组确定各组件公差。 检查相应分组公差使其满足∑８．４ｈ≤
ｌ催化转换器
Ｊ．１催化转换器封装技术 催化转换器由载体、衬垫和壳体组成，载
体通过衬垫产生的摩擦力固定在壳体中。为了 减少气流泄漏或对衬垫的冲刷，在衬垫两端设
有密封圈。衬垫挤压力和侵蚀、载体的强度和
公差、壳体的类型和公差等，决窟了载体在壳 体中紧固的程度，是影响僵化器机械寿命的主
要因数。 壳体是催化转换器的支撑，其类型分为定
埘■吐３１００ ０榔
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斟 崔 盖
０ １＊２＊瑚４＂０潮湘瑚硼
村垫罐痿（℃）
图１村垫的媪度特性曲线
金属阿衬垫多为防锈镰铬高温氢气退火钢 丝编制而成，编制波型为兰丝ｓ、型，波高根 据载体与壳体之问间隙为ｌ一８ｍｍ，两丝径 ０．１９～０．２０ｍｍ，理论重量１．１８ｋｇ／ｍ２。 １．２．３壳体
壳体是催化剂载体的支撑，承受发动机捧 气高温，要求热膨胀系数小，高温抗氧化能力 强，加工工艺性好。蚌壳式和填充剥壳体材料 多选不锈钢冲压焊接而成。为了解决隔热、保 温和隔音，可在壳体上设有隔离层，其类型有 带外隔热罩的壳体、带有隔音保温层外罩的短 轴壳体和带有保温性能的双墙壳体。
膨胀纤维衬垫可提供几乎不泄漏的密封， 减少由气体泄漏导致的催化效率降低，同时屏 蔽声波可减少噪音。常用规格有＂２６００９／ｍ３、
３ ｌＯＯｇ／ｍ３、３６６０９／ｍ３、４０７０９／ｍ３和６２００９／ｍ。
金属网衬垫依靠金属网丝的弹性力固定载 体，减少振动和壳体热变形等对载体的影响。 由于金属网丝的隔热性差，当工作温度较低时 需加保温层以改普催化器的起燃性能；当工作 温度较高时需加辅助隔热屏蔽。钢丝网垫抗气 流侵蚀能力强．但密封性差，为了减少气体泄 漏，在衬垫两端需要密封圈。高温会使金属网 衬垫弹性降低，故适用于较低温度工件环境， 载体工作温度一般＜８００℃。图１为不同材料 衬垫的温度特性曲线。
直径的蚌壳式和填充式，定压力的捆绑式。蚌
壳式制造工艺简单，捆绑袁载体受力均匀。ｔ壳
体采用不锈钢材料，其热膨胀系数和高温抗腐 蚀性能也影响催化转携器的封装与使用性能。 １．２俄化转换器设计 ·
催化转换器性能受载体、涂层、催化剂、 衬垫、壳体技术、出入口锥管和隔热罩等因素 的影响。设计对最高转化效率：抗老化性能、 衬垫挤压力均匀、良好的隔热性、最小村垫侵 蚀、最小外壳变形、最小排气阻力和最短起燃 时间都有要求。。 １．２．１催化器载体
胀纤维衬垫、低膨胀陶瓷纤维衬垫和无膨胀金
属丝网村垫。
高温膨胀衬垫由陶瓷纤维硅酸铝和具有高
温膨胀性能的蛭石加粘接剂组成，可在载体工
作达到ｌＯＯＯ℃时提供可靠的固定力。膨胀纤
维衬垫与金属网村垫相比有良好的隔热性，保
持载体温度可缩短起燃时伺，降低壳体温度可
省去辅助暖热屏蔽，提高转换器的耐久性。
创新设计的基础技术
０，３３９／ｃｍ３。捆绑式挤压密度比蚌壳式紧密、
均匀，挤压封装力稳定可靠，封装质量较好。
Ｉ．０１
０．？３５
ａ１捆绑式
ｂ１蚌壳式
图３封装村垫的挤压密度分析
４封装累积误差分析
４．１完全互换法 为了满足载体在壳体中固定的摩擦条件和
强度条件，保证挤压间隙，要求∑６Ａ；≤８Ｔｏ。 由于陶瓷载体烧结变形和装壳体的冲压焊
ｄ晶，满足后确定各互换组尺寸公差。 ４．３大数互换法
当部件尺寸和重量公差为正态分布时，确 定各部件公差对挤压密度和挤压力的影响及发 生的概率，如表３所示。
衰３部件公差及分甫概率［４】
壳件∞魁０４ １ ６８ ０．０２５＋０．０５±０ ０７５蝴１
衬垫％ｗｔ ±８
１ ３３
２
±４
蝴６
＋８
堡皇
！：！！翌！：！：芏！：竺：：！：竺
般，考虑安全系数后要求
”Ｏ：１４ＭＰａ＜ｐ之＇１．ＩＭＰａ‘‘：
２．１．３盒蔫阿村垫．·
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金属衬垫的渡发高度，‘自由状蒂产－般每
一层为５ｍ矗，催化祷壤椿柱证帮佃隐情碗卞，
必须包装两层金属村垄睁第二鏖村型渡纹庄皆
在第一层村垫波致里面ｊ’域尧降低柑垫雄性．’
影响保护载体的效果。封装设计器凄；。，
（１）载体与铜壳之间的间隙一股为
堑咝墨查！咝塑！ 衰４发生的概率 望！竺！ ！。。；！￡。，： ！些！型 ！！竺壁 ！兰唑竺 ！苎塑！
燮２唑！型熊！壁 ！。竺。！墨苎！！！！里！型：！ 些竺
塑茎互苎丝￡ ！！塑！！！堕 璺！些望垡
（２）合格的概率 尸ｉ中（兀』Ｊ＝兀Ｐ口Ｊ＝＿Ｐ即鬟）Ｐ似衬）Ｐ口壳）
（２）出现极大或极小值发生失效的概率