（动力机械及工程专业论文）发动机歧管式催化转化器热流耦合分析.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 期：兰塑：穸：! 墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文o ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 半 日期：兰旦! ! ：茎：i ； 摘要 随着现代化进程的加快以及汽车工业和交通运输业的发展，城市汽车的保 有量正在快速增长，由此而引发的空气污染也越来越受到人们的重视，机动车 排放标准也越来越严格。我国已于2 0 1 0 年7 月1 日开始实施了g b1 8 3 5 2 3 2 0 0 5 轻型车第阶段标准，新标准对汽车冷启动的排放进行了严格限制。为了满足 新法规，歧管式催化转化器应运产生。它安装更接近缸体，利用通过催化器的 高温尾气能够快速预催化剂使之达到起燃温度从而较大地提高转化效率，降低 排放。目前，歧管式催化转化器的流场、传热和热应力计算己成为催化转化器 设计中的一大研究课题。 本文通过对某歧管式催化转化器进行建模、计算，分析其内流场、温度场、 热应力场等的分布规律，在此基础上对歧管式催化转化器结构进行改型，并对 两者进行比较分析。 本文首先介绍了歧管式催化转化器的优势、设计方法和国内外的研究现状， 然后简述了计算流体力学( c f d ) 在歧管式催化转化器模拟仿真中所涉及的理论 基础，主要介绍数值计算的理论、计算流体力学的发展，描述了歧管式催化转 化器流场区中的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和流固体之间的 传热方程等基本控制方程，并着重叙述了催化器内载体简化成的多孔介质模型 和有限体积法求解应力部分的数学模型，推导出多孔介质粘性阻力和惯性阻力 的计算公式，比较了有限体积法与有限元法的差别，为歧管式催化转化器进行 热流耦合过程的模拟计算奠定了理论基础。 其次，应用s t a r - c c m + 流体计算软件模拟歧管式催化转化器的热流耦合稳 态情况，主要工作是将导入s t a r - c c m + 软件的三维模型对歧管式催化转化进行 网格划分和物理模型分析，研究在5 0 0 0 r m i n 时工况下热流耦合时歧管式催化转 化器内的压力场、速度场、温度场、热应力场的分布情况，分析了歧管式催化 转化器内部流场的流动特性和固体的热应力特性，研究了阻力损失、热应力集 中的原因。分析结果表明：歧管式催化转化器载体中间截面的速度匀系数平均 值为0 9 1 5 和7 删平均值为1 1 4 ，均落在理想区域内，背压值平均值为1 4 4 k p a ，传感器没有选择在涡流易形成的催化器前端盖区域，但各情况的背压浮动 率相对较大，整个排气歧管温度分布很不均匀，排气歧管区域的热应力较大， 可对其进行结构改型。 。 然后在原始模型基础上对歧管式催化转化器进行改进设计，对比分析两种 歧管式催化转化器压力场、速度场、温度场、热应力场的差别，然后对改进模 型进行瞬态模拟。计算结果表明，改进以后的歧管式催化转化器的综合性能得 到提升，改进后的结果基本令人满意。 最后对所开展研究的工作进行了总结，对后续的研究工作进行了展望。 关键词：汽油机，歧管式催化转化器，热流耦合，c f d a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fm o d e r n i z a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t a t i o n i n d u s t r y ，t h en u m b e ro f v e h i c l e sh a si n c r e a s e ds h a r p l yi nt h ec i t i e s p e o p l ep a ym o r e a t t e n t i o no na i rp o l l u t i o na n ds t r i n g e n tv e h i c l ed i s c h a r g es t a n d a r d sh a v eb e e nc a r r i e d o u t i nc h i n at h es e c t i o ni vs t a g eo fg b18 3 5 2 3 - 2 0 0 5l i g h tv e h i c l es t a n d a r dh a s c a h ei n t oe f f e c to nj u l yl ，2 0 1 0 ，w h i c hs t r i c t l yr e s t r i c t e dt h ea u t o m o t i v ec o l db o o t e m i s s i o n t om e e tt h en e ws t a n d a r d ，m a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e ri su s e d ni s i n s t a l l e dc l o s e rt ot h ec y l i n d e ra n dm a k et h ec a t a l y t i cc o n v e r t e rq u i c k l yp r e c a t a l y s tt o r e a c ht h ei g n i t i o nt e m p e r a t u r eu s e dh i g h - t e m p e r a t u r ee x h a u s tg a s ，t h u si tc a l lg r e a t l y i m p r o v et h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c ee m i s s i o n s c u r r e n t l y ，t h em a n i f o l d c a t a l y t i cc o n v e r t e rf l o wf i e l dd i s t r i b u t i o n , h e a tt r a n s f e rd i s t r i b u t i o na n dh e a ts t r e s s d i s t r i b u t i o nc a l c u l a t i o nh a sb e c o m eam a j o rr e s e a r c ht o p i ci nt h ed e s i g no fc a t a l y t i c c o n v e r t e r i nt h i sp a p e rac e r t a i nm a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e rm o d e lw a sb u i l ta n d c a l c u l a t e d 1 1 1 ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o n , v e l o c i t yf i e l dd i s t r i b u t i o nt e m p e r a t u r ef i e l d d i s t r i b u t i o na n dh e a ts t r e s sd i s t r i b u t i o nw e r ea n a l y z e d a no p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rt h e m a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e rw a sp r o p o s e da n dt h et w om o d e l sw e r ec o m p a r e d f i r s lt h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ea d v a n t a g e so fm a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r s ， d e s i g nm e t h o da n dr e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d , a n dt h e no u t l i n e dt h eb a s i c t h e o r yi n v o l v e di n t h e s i m u l a t i o no ft h em a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e rb yt h e c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) m e t h o d ，w h i c hi n c l u d i n gt h em a s sc o n s e r v a t i o n e q u a t i o n , m o m e n t u me q u a t i o n , e n e r g yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o na n dh e a tw a n s f e r e q u a t i o n 们1 ef o c u sp u to np o r o u sm e d i am o d e lo ft h ec a r r i e rr e g i o na n dt h eh e a t s t r e s se q u a t i o ns o l v e db yt h ef i n i t ev o l u m ee q u a t i o na n dd e r i v e dp o r o u sm e d i u m v i s c o u sr e s i s t a n c ea n di n e r t i a lr e s i s t a n c ef o r m u l a s l a s t ，t h ef i n i t ev o l u m em e t h o da n d t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dw e r ec o m p a r e d a l lt h e s el a yat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r h e a t - f l u i dc o u p l i n gs i m u l a t i o no f t h em a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r n e x t ，u s e ds o f l 3 v a r es t a r - c c m + t os i m u l a t et h eh e a t - f l u i dc o u p l i n gs t e a d y s t a t eo ft h em a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r t h em a i nt a s kw a st h a tt h em a n i f o l d c a t a l y t i cc o n v e r t e rm e s h e da n da n a l y z e dt h ep h y s i c a lm o d e lw h i c ht h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e l w a sp u ti n t os t a r - c c m + s o f t w a r e t h ep r e s s u r ef i e l d , v e l o c i t yf i e l d , t e m p e r a t u r ef i e l d , t h e r m a ls t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h e5 0 0 0 r m i n c o n d i t i o n sw e r e r e s e a r c h e d ，n l ei n t e m a lf l o w 丘e l dc h a r a c t e r i s t i c sa n ds o l i dt h e r m a ls t r e s s c h a r a c t e r i s t i c so ft h em a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e rw e r ea n a l y z e da n dt h ep r e s s u r e d r o pa n dt h er e a s o n so fh e a ts t r e s sw e r es t u d i e d t h em e a no fs p e e dc o e f f i c i e n ta n d d m a x o m e a n o ft h em i d d l es e c d o no fm a n i f o l dc a ：t a l 砸cc o n v 耐e rc a r r i e r ，e r e0 915 a n d1 1 4 ，a l lf a l lw i t h i nt h ei d e a lr e g i o n t h em e a no fp r e s s u r el o s s e sw a s1 4 4k p a a n dt h es e n s o rw a sn o ti nt h ec a t a l y t i cc o n v e r t e rf r o n tc o v e ra r e a sw h i c ht h ee d d yi s e a s yt o f o r m b u tt h ef l o a t i n gr a t eo fp r e s s u r el o s s e sc h a r g e dr e l a t i v e l y ，t h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nw a sv e r yu n e v e nt h r o u g h o u tt h ee x h a u s tm a n i f o l da n d e x h a u s tm a n i f o l da r e al a r g e rt h e r m a ls t r e s s i t ss t r u c t u r ec a nb em o d i f i e d t h e n , i m p r o v e dt h ed e s i g nb a s e do nt h eo r i g i n a lm a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r m o d e l ，c o m p a r e dt h ed i f f e r e n c eo fp r e s s u r ef i e l d , v e l o c i t yf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ， t h e r m a ls t r e s so ft h et w o - t y p ec a t a l y t i cc o n v e r t e rm a n i f o l d ，a n dt h e nm a d eu n s t e a d y s i m u l a t i o nf o rt h em o d i f l e dm o d e l ，玎1 cr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o d i f i e dm o d e l p e r f o r m a n c eh a db e e ni m p r o v e da n dt h er e s u l t sw e r es a t i s f a c t o r y t h ee n d ，s u m m a r i z e dt h ew o r ki nt h i sp a p e ra n dd i s c u s s e dt h ef o l l o w - u pw o r k o u t l o o k k e y w o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ，m a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r ，h e a t - f l u i dc o u p l i n g i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景和意义1 1 2 歧管式催化转化器5 1 3 国内外研究现状j 9 1 4s t a r - c c m + 软件介绍1 2 1 5 本文主要工作内容1 5 第2 章理论基础及数学模型1 6 2 1 前言1 6 2 2 基本控制方程1 8 2 3 多孔介质模型2 1 2 4 有限体积法求解应力模型2 3 2 5 本章小结2 7 第3 章模型的建立与数值模拟2 8 3 1 模型的建立2 8 3 2 计算结果分析3 2 3 3 本章小结4 2 第4 章歧管式催化转化器改进设计4 3 4 1 改进的目的4 3 4 2 改进模型4 3 4 3 计算结果对比4 4 4 4 瞬态计算5 3 4 5 本章小结5 6 第5 章全文总结与展望5 8 5 1 全文总结5 8 5 2 展望5 8 参考文献6 0 v 致谢6 3 硕士期间发表的论文6 4 v i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 汽车是现代社会人类发展必不可少的交通工具。汽车产业的快速发展推动 了社会经济各方面的全面进步，也改善了人民的生活质量。有关研究显示，2 0 0 9 年，中国汽车产销量分别大幅增长4 8 3 和4 6 2 ，已经超越美国成为第一大汽 车生产国和第一大新车消费市场【l 】。2 0 1 0 年全国汽车产销1 8 2 6 4 7 万辆和1 8 0 6 1 9 万辆，同比分别增长3 2 4 4 和3 2 3 7 ，产销再创新高，刷新全球历史记录【2 】。 全国汽车保有量呈现出快速发展的态势，中国的汽车市场需求完全可能保持2 0 年甚至更长时间的稳定快速增长。但随着我国汽车产业的快速发展汽车拥有 量迅猛增加，据估计现在和上世纪8 0 年代相比，机动车保有量增加2 4 倍，而 排放总量则增加1 2 倍。目前，全国约1 5 的城市大气污染严重，其中1 1 3 个重 点城市中l 3 以上空气质量达不到国家二级标准，一些区域出现与机动车排放的 氮氧化物和碳氢化合物存在明显关系的灰煤现象，能见度明显下降；一些城市 臭氧浓度逐步增高，个别城市发生光化学污染的可能性不断增加，这些都与机 动车排放的氮氧化物和碳氢化合物有密切的关系，它们都表明机动车排放成为 部分大中城市大气污染的主要来源e l 。 为了保护人类赖以生存的地球和人类的健康，世界各国政府对汽车尾气排 放问题日益重视，制定了严格的尾气排放标准。我国目前的机动车排放标准是 参照欧洲标准体系制定。国家环保总局在2 0 0 5 年4 月1 5 日公布了五项机动车 污染物排放新标准g b1 8 3 5 2 3 。2 0 0 5 ，它是我国目前最新的排放限制法规，其中 轻型车第阶段标准( 简称国i v ) 于2 0 1 0 年7 月1 日开始实施【4 】。其实从国i 标准开始污染物排放法规就已经增加了车辆冷机状态启动时的排放指标，标准 要求实验的测试车辆需在一7 的低温条件下搁置6 小时以上才能开始测量排放， 从发动机点火后立刻开始测量废气的排放量，要求车辆排放物达到法规规定要 求以下【4 】。以前的法规测量排放物是在发动机点火后4 0s ，新法规相对于之前的 法规更加严格。表1 1 为我国第1 i i 、阶段驾驶员座位在内，座位数不超过6 座，且最大总质量不超过2 5 0 0k g 的载客汽车( 表1 1 中简称第一类车) 的排 放限值。 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1 我国第1 、阶段第一类车排放限值 限值( g k m ) 一氧化碳碳氢化合物氮氧化物碳氢化物和氮氧化物颗粒物 ( c o )0 t c )( n o x )( h c + n o x )( p m ) 汽油柴油汽油柴油汽油柴油汽油柴油柴油 i i i 阶段2 3 00 6 40 2 0o 1 50 5 0o 5 6 0 0 5 0 阶段 1 0 0o 5 0o 1 0 0 0 80 2 5o 3 00 0 2 5 在常温冷起动排气污染物排放试验中，虽然冷启动过程时间很短，但该工 况是最为复杂特殊的瞬态过程。在冷启动阶段，发动机处于低温状态，缸内壁 面温度也较低，燃油在此环境中蒸发性差，喷射进入气道内的燃油有很大一部 分以油膜的形式附着在壁面上。为了使发动机可靠着火，通常采用启动时多喷 燃油的方式，从而导致发动机本身的c o 排放量要远远大于热机状态。首循环喷 入的燃料约7 5 仍然滞留在气道和缸内，在后续循环逐步释放到混合气中，使 混合气过浓，由此产生的不完全火焰传播现象，是该阶段的h c 排放升高的原因 之一。同时，冷启动阶段气道内气体流动较慢，混合气不均匀的，缸体温较低， 发动机转速的瞬态变化，容易导致失火而排放出大量的未燃h c t 5 1 。因此，在发 动机点火的试验初期，评价发动机工作状态的各项指标，如缸内混合气浓度及 其温度，缸内压力，火焰传播速度，燃烧反应完善程度，输出功率等，均无法 达到理想工作状态，从而导致污染物排放剧增。 随着国家制定的汽车排放法规日趋严格，对汽车尾气净化器的要求也就越 来越高，汽车产业迈入了节能环保型汽车的新时代，各大汽车厂商都开始研制 新型汽车，如电动车、混合动力车、代用燃料车和太阳能车等。对传统汽车也 加大在尾气排放污染控制技术上的研发投入。以汽油机的尾气排气污染净化措 施的控制方式来分，有机内净化和机外净化两大类：机内净化技术是降低污染 物生成量的技术，它是一种通过改进发动机汽缸内的燃烧过程，直接减少或阻 断缸内燃烧时燃料化学反应生成污染物的途径，从有害排放物的生成机理及影 响因素出发，通过各种手段组织和改进发动机燃烧过程，利用各种方式减少和 抑制污染物生成，从而降低发动机的排放的各种技术，机内净化被公认为是治 理车用汽油机排气污染的治本措施；机外净化技术是治理车用汽油机排气污染 的防治措施，它是在发动机燃料经化学反应已经生成了有害废气的一种补救措 旌，废气在排出发动机汽缸，尚未进入到自然环境之前，通过采取相关措施防 2 武汉理工大学硕士学位论文 止污染物进入大气，以使排放物低于法规限制要求的净化汽车污染物排放技术， 简单地说机外净化技术就是在排气系统中安装附加装置，如颗粒物捕集器，氧 化催化转化器，三元催化转化器等，用物理或化学的方法进行进一步净化和处 理从发动机汽缸内排出的污染物，防止有害气体和颗粒进入大气来减少环境的 污染，满足排放法规要求 0 3 。 车辆尾气排气污染净化具体净化措施如表l - 2 所示。 表1 2 车辆尾气排气污染净化措施 改进发动机的燃烧室结构，改善可燃混合气品质和 燃烧状况，采用缸内直喷、电控汽油喷射、废气再 改进策略循环技术、可变气门正时技术，降低摩擦损失、改 机内进化善传动系效率，空调用新型制冷剂，制冷剂的循环 技术利用，天然气汽车，改进点火系统和进排气系统等 代替策略二次电池电动汽车、燃料电池汽车等 合理使用自动停止怠速和启动法、合理驾驶等 改良策略混合动力车 二次空气喷射技术，热反应器技术，颗粒物捕集技 机外进化技术术，氧化催化转化技术，三元催化转化器和吸附还 原转化器等 将机内与机外净化技术有效的结合起来，能更好地解决汽车排放污染问题。 目前，国内大部分企业的汽油机都可以经过改造升级满足国排放标准，技术 上不存在困难，主要问题是改造生产成本上升而影响企业利润。机外净化技术 的使用能在提高( 至少不损害) 发动机性能的前提下，有效降低汽车排放物， 而采用机内净化技术会大大提高汽车制造的成本，因此机外净化技术得到了广 泛的应用，其中在汽油车上所安装三元催化转化器是我国目前应用最广泛和最 有效的机外净化技术。当可燃混合气的混合比保持在接近理论空燃比的一个狭 小的范围内f 1 4 7 ：1 4 - 1 ) 时，三元催化转换器功能良好，可以发生完全的催化反 应，同时去除9 0 以上的三种主要污染物( h c 、c o 和n o x ) 。 三元催化器安装在汽车排气系统中，当高温的汽车尾气通过催化器时，催 化器内的净化剂将增强c o 、h c 和n o x 的活性，从而进行一系列的氧化还原化 学反应，其中c o 在高温下被氧化成为无毒的c 0 2 ；h c 化合物在高温下被氧化 成h 2 0 和c 0 2 ；n o x 被还原成n 2 和0 2 ，从而达到净化汽车尾气的目的。三元 催化器的工作效率不仅跟发动机可燃混合气的空燃比有关，而且还跟温度有关， 其内部的催化剂只有达到一定温度以上才开始工作。图1 1 为某催化转化器温度 3 武汉理工大学硕士学位论文 特性图。 、 零 、- 褥 较 甚 辩 图1 1 某催化转化器温度特性图 催化器转化效率达到5 0 时对应的排气入口温度t i 称为起燃温度t 5 0 。由图 1 1 可以看出，催化剂越快达到起燃温度，催化转化器达到正常工作所需时间就 越短。常规催化转化器正常工作可以满足国i i i 排放要求，但随着新法规排放控 制的严格，就要求有更高性能的催化器来适应。根据外国相关测试规程测试研 究表明，安装三元催化转化器的汽油机排放有害废气中的c o 、h c 有8 0 是在 汽车冷起动阶段产生的，要想减少冷启动时的排放就要求催化转化器能迅速达 到起燃温度，发挥其催化效掣。 这种情况下，满足更快的起燃温度的催化器一歧管式催化转化器应运而生。 发动机排气歧管与三元催化净化器之间通过焊接连接，这样通过催化器的高温 尾气能够快速预催化剂使之达到起燃温度从而较大地提高催化器的转化效率， 使尾气排放能较好地满足国排放标准，甚至更高标准的环保要求。 歧管式催化转化器安装在发动机排气系统中，其所处位置的特殊性要求其 具有更高的机械强度和热强度。由于比传统催化转化器更靠近发动机，使得歧 管式催化转化器受热负荷更加严重，特别是在发动机大负荷运行时，这种情况 更为突出；此外，由于发动机在常温到高温、高温到常温的激热、激冷交变状 态下长期使用，使得这种催化器长期受到具有一定角度剧烈的热冲击，这就要 求在催化转化器设计时，不仅要考虑交变机械冲击的振动载荷，还要考虑高温 和交变热载荷对歧管式催化转化器的影响。因此，解决歧管式催化转化器的热 负荷和热强度问题是提高整个排气系统技术水平的关键。目前，排气歧管内的 传热和热应力计算己成为催化转化器设计中的一大研究课题。 4 武汉理工大学硕士学位论文 另外，由于废气在排气系统内高速流动，歧管式催化器内的流动特性不但 会影响发动机的动力性能，还会对催化器的性能产生很大的影响。如果催化器 与排气歧管连接不合理，会导致催化器前端面流动的不均匀和温度分布的不均 匀，影响催化转化的效果，引起排放过高，同时引起流动阻力增加，使发动机 背压过高，功率下降；如果排气流量分配不均匀，将会导致催化剂的利用不充 分，对催化器转化效率有很大的影响；温度分布的不均匀同时也会造成载体径 向温度梯度增大，容易产生热应力从而造成载体热变形和损坏。因此，对发动 机动力性和尾气排放特性两方面考虑，要求催化转化器的设计中考虑其内流场 的流动特性，研究其内部流动规律，使其满足发动机的动力性要求和排放特性 要求。 本文正是在这种背景下开展的，以企业提供的机动车歧管式催化转化器为 分析对象，利用c f d 技术对催化转化器进行热流耦合分析，采用有限体积法计 算歧管式催化转化器的流固耦合和共轭换热问题，分析排气歧管热负荷状态， 提出改进模型并对改进模型进行验算。本课题的研究是在工程实际需要的基础 上提出的，理论意义和实际应用价值都非常高，同时也为今后汽油机歧管式催 化转化器的设计制造提供参考和研究方向。 1 2 歧管式催化转化器 在欧洲国家实施欧i 排放标准时，催化转化器就成了汽车达到尾气排放标准 必不可少的配置。随着全球范围内持续的降低汽车排放标准，催化转化器也在 不断完善，其最终都是以低耗、高效、低噪、安全、低成本、轻量化以及长使 用寿命为终目标。目前，催化转化器的技术发展方向有以下三个方面【8 】： ( 1 ) 载体向极薄壁和高孔密度方向发展 ( 2 ) 每辆车装配两个以上的催化转化器 ( 3 ) 催化器越来越靠近发动机排气口 其中，催化器越来越靠近发动机排气口方向就是为了解决发动机在一7 的低 温条件下搁置6 小时以上，启动后立刻测量车辆排放的法规要求。通常情况的 冷启动过程时间很短，但废气排放品质恶劣，在试验过程中的各项指标，均无 法达到新法规规定的限值的要求。歧管式催化转化器很好的解决了催化剂起燃 温度的问题。同时，它相对于两极式、加热式、吸附h c 排放式等其他解决催化 5 武汉理工大学硕士学位论文 剂起燃温度的催化器方案，有不同程度的降低制造成本，增加使用寿命的优点。 国家标准化管理委员会定义歧管式催化转化器是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的总成部件，它还规定歧管各支管交汇处到 催化器入口端的连续连接长度，歧管式催化转化器要求排气歧管的这个长度不 能大于o 5 米，图l - 2 为歧管式催化转化器在发动机上的实际装配位置图，两种 典型结构的歧管式催化转化器如图1 3 所示【9 j 。 图1 2 歧管式催化转化器在发动机上的装机位置 a 冲压式b 管道式 图1 3 两款歧管式催化转化器模型 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 歧管式催化转化器的优势 歧管式催化转化器与常规的催化转化器相比具明显的优势，主要表现在： 1 结构简单，初期投入小 不需增加其他二次空气喷射装置及加热装置，批量生产设备要求较低，模 具费用低，具备相当的短期效益潜力值。 2 位置靠前，布局紧凑 在没有额外安装加热装置时，催化转化器距发动机排气门的距离在很大程 度上决定了催化转化器达到正常工作温度的时间。歧管式催化转化器的排气歧 管直接连接到发动机排气门上，使得废气在进入到催化转化装置过程中的温度 损失较小，载体中的催化剂能充分利用发动机工作余热( 包括废气余热和机体 辐射热量) 达到快速起燃的目的，有效的解决了催化转化器冷启动阶段转化效 率低的问题，图1 - 4 是几种不同类型催化转化器累积h c 排放效果比较图【1 o 】。 1 5 1 2 - 、 b 0 、- ， 辎0 9 j 工l 骣 g0 6 山 娶 氍0 3 0 f 原始排放 标准催化转化器 u l e v 户_ _ _ _ 。一 ， r s u l e v 紧耦式、歧管式催化转化 j - _ i _ _ _ _ ，- f y 。 e 1 i 一1 士i ，一鼍 r 电川1 4 豫“l 隹m 千m 酋订 图l - 4 不同类型催化转化器累积h c 排放效果比较 3 轻量化 歧管式催化转化器的结构紧凑，热容量小，起燃速度快。分别采用采用螺 栓和垫片的催化转化器与焊接不锈钢催化转化器在同样发动机及排气系统的条 件下进行试验，研究结果显示对于特定的催化转化器其质量减轻近l k g 时，催化 剂达到起燃温度的时间就能缩短约3 0 ；国外利用金属载体较易加工的特性， 制成梯形在内的多种形状的载体孔道及不同的孔道排列方式的催化器，不仅增 加实际催化反应面积，也降低了催化器的热容量和质量，从提高了催化转化器 的反应效率【1 1 1 1 1 2 1 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 4 使用寿命长 歧管式催化转化器与传统的铸铁催化转化器相比，选用制造的材料较好， 存在明显的使用寿命长的优势。如临海市邦得利汽车环保技术有限公司开发的 符合中国阶段排放标准的歧管式催化转化器，进气部分采用不等长多支歧管 交联结构，催化剂陶瓷载体端面设置保护金属垫，外罩隔热消声屏蔽层，不仅 使催化转化器可安装在发动机本体上，而且显著地提高了有害尾气的催化转化 效率，延长了催化转化器使用寿命，降低了噪声和催化器外围环境温度；高精 度不锈钢弯管和封接新技术，催化剂载体精确压充技术，实现歧管加工曲率半 径小于1 o d ( d 为歧管直径) ，催化剂载体充填密度精确地控制在1 1 - 4 - 0 5 9 9 c m 3 ，也显著地提高了催化剂载体使用寿命。 1 2 2 歧管式催化转化器排气歧管的设计 歧管式催化转化器排气系统的结构和性能的优劣将直接影响发动机的动力 性、经济性和排放性。而歧管催化转化器由于歧管和催化转化器之间距离很近， 歧管的曲线结构，对催化转化器的性能有很大影响，考虑n - - 者之间结构位置 相邻，并且又相互影响，因此在歧管式催化转化器的设计时，常常将排气歧管 和催化转化器视为整体进行设计，以求在满足发动机动力性要求基础上，设计 引导排气高效流动从而提高催化转化器的起燃速度，提高发动机的排放性能的 歧管成为歧管式催化转化器设计的关键l l 引。 排气歧管的作用是将发动机汽缸内燃烧后的气体引向排气总管。因为它所 处的空间位置受汽车内部其他零件布局多方面因素制约，所以排气歧管在设计 上晟重要的是要避免各气缸间排气的相互干扰，不出现排气倒流现象，充分地 利用排气惯性尽可能地把燃烧废气完全排出管外。此外，优秀的排气歧管设计 还应要求其形状适当复杂，这样才能使废气在管道内能产生涡流，提高了排气 速度，从而进一步提高消声效果。 由于发动机的动态运行，排气门依次开启关闭进行工作，废气以脉冲的形 式进入排气歧管，歧管内存在谐振现象，使得各缸之间的排气过程会相互影响， 造成排气不畅，而影响发动机的动力性，因此在排气歧管设计时，应当尽量避 免各缸排气过程间的相互干扰，排气歧管所连各缸内的排气不能重叠或尽可能 的减少重叠，歧管内进气顺序应与发动机的点火顺序一致，使排气更加顺畅； 同时，这也对排气歧管的长度、弧度和口径提出了一系列要求，如各缸歧管都 8 武汉理工大学硕士学位论文 做得长度尽量相等，内表面尽量光滑；此外，限于汽车内部歧管处的空间布置， 排气歧管一般都设计成复杂的弯曲状，复杂弯曲的歧管也可以在一定程度上减 少发动机失火时燃油直接喷入载体从而避免载体过热而失效【1 4 j 。设计时还要考 虑材料的物质属性，如不锈钢材料的塑性，一般不锈钢管弯曲半径r 要控制在 一定范围内( 一般为r 1 2 xd ，d 为歧管截面直径，r 为歧管弯曲半径) ，否则 会使材料出现较大损伤甚至断裂【l 们。 在歧管式催化转化器的设计时，歧管结合部的设计对整个催化转化器的性 能有很大影响。常用的排气歧管结合部设计方法有多合一和多分二合一两种， 前者注重在高转速时具有更高的功率，后者则注重在低转速大负荷时扭矩输出， 以典型的四缸发动机为例，多合一式排气歧管是将四根排气歧管汇总成一条排 气管的管，这种设计较适合高转速时的废气波排出速率，有助于提升功率，较 适合跑车和赛车上使用；而多分二合一式排气歧管是将两根排气歧管汇总成一 管，再与另两歧管汇总成的一管汇总成最终排气管，这种设计较有利于低转速 时的扭力输出，较适合普通轿车使用【1 5 ，1 6 】。在两种常用歧管结合部的设计中， 多合一设计排气效率相对较高，这主要是由于多合一设计产品接合部一般为较 简单的漏斗形，更利于废气的排出；但其缺点是各歧管排出的废气不能均匀混 合后再排出，容易发生排气干涉现象，目前对这种问题的主要解决办法是将结 合部设计成为球状膨胀室结构，这一方面可以弥补各歧管排出的废气不能均匀 混合排出的不足，另一方面也防止了排气干涉现象的发生，提高了发动机的排 气效率 1 5 ，1 6 。 1 3 国内外研究现状 对歧管式催化转化器的数值模拟研究，目前国内外主要是从流动，热应力 和振动特性三个方面展开的。 1 3 1 流动计算现状 在歧管式催化转化器流场模拟研究领域，已经有几十年的历史，国外对于 催化转化器的结构很早就重视起来，其研究可以追溯到1 9 7 4 年。当时，美国人 h o w i t t 用热线风速仪对氧化型催化转化器载体前端面的流速分布进行测量，研 究通过安装不同的导流装置对入口速度的分布的影响【1 3 7 1 。此后，很多人对无 反应流场的数值模拟进行深入探讨1 3 - 2 2 ，研究催化器的结构参数，如催化转化 9 武汉理工大学硕士学位论文 器与其排气系统的布局、进气歧管的连接形状、载体的横截面积、扩压管锥角、 载体前端造型以及催化转化器的安装位置等对流动性能的影响因素。为了满足 日益严格的排放法规，国外研究人员针对工作过程中的催化转化器化学反应模 型进行了大量的研究，如2 0 0 9 年d i m i t r i o sn t s i n o g l o u 与m a r t i nw e i l e n m a n n 公布了一种简化的三元催化转化器瞬态热模式循环模型【2 3 1 。研究采用c h l 8 5 表 示排气中的h c 混合物，7 个储放氧总反应，采用实验与模拟相结合的方法对4 种车型进行了研究。该模型基于载体的一维热传导、排气与催化剂表面的质量 对流传递以及储放氧总反应。该模拟值与实验值趋势一致，能很好的预测实际 行驶过程中车辆的实时排放。从上面介绍可以看出，国外对歧管式催化转化器 流场模拟的研究比较细致，在汽车领域也有很多成功的实例，如日本丰田汽车 公司对排气系统的气流分布和催化转化装置内部的催化反应进行研究，使用有 限元方法计算获得了装置内部的气流场、温度场、压力场、各气体成分的浓度 场的分布情况，并得到了整车工况法排放量的仿真结果【1 3 1 。 我国国内在歧管式催化转化器流体分析方面的研究起步较晚，最初主要集 中在催化剂的工艺和配方上。2 0 世纪末，随着电脑硬件的发展和对c f d 仿真软 件的发展和普及，高等院校和汽车相关企业逐步开始对催化转化器内部流场及 压力损失方面的模拟仿真研究，并逐步深入到其内部的流动特性的仿真研究。 2 0 0 0 年，帅石金等人建立了蜂窝载体的流体力学模型，通过对载体多孔介 质的简化，完成了c f d 软件对催化转化器的流场进行了稳态数值模拟研究；同 年，宋金欧等人针对当前催化转化器的数学模型，考虑了工作过程的瞬态基本 特征，提出了改进模型；之后国内对催化器的研究越来越深入和全面，黄震等 总结出几种流动数学模型和试验方法，归纳了催化转化器中气体流动的机理和 影响流速分布的一些因素；龚金科等对流场和压力损失进行了数值模拟，并对 原机与安装三元催化转化器后发动机的特性曲线进行了对比试验；黄莉莉在建 模过程中考虑化学反应放热对载体升温的影响，使得所建立的数学模型更接近 实际情况 2 4 - 2 引。 国内外学者和相关企业人员对歧管式催化转化器流场模拟的这些成功经验 表明使用计算流体技术对催化转化器进行结构设计和优化是完全可行和可靠 的。仿真计算可以弥补实验研究的不足之处，准备工作和操作简单，能够快速 得到结果并对结构进行改进，对催化转化器内部流场和温度场进行全面分析， 大大缩短了工作周期，对于提高产品设计水平和质量具有很大的作用，也对三 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 元催化转化器的排放控制起指导作用。但目前歧管式催化转化器的研究要么只 通过优化排气歧管某一局部结构来实现对排气歧管流场性能的改进，忽略了对 催化器转化效率的影响，要么多考虑催化转化器本身的性能，忽略了排气流动 的流畅，现在还没有一种完善的方法能够同时有机的结合两者，对歧管式催化 转化器整体的流场性能进行全面、系统的设计优化分析。 1 3 2 振动计算现状 歧管式催化转化器的振动特性研究是基于工程振动理论基础，运用有限元 法方法对排气歧管进行动态特性分析，仿真计算出排气歧管各阶固有频率，探 明各阶固有频率是否落在发动机正常工作范围内，避免发动机工作时与排气歧 管发生共振现象，对振动特性的研究优化可以有效地解决由于发动机激励而造 成的排气歧管断裂、破坏等现象，防止这种共振现象的发生可以从歧管式催化 转化器的制造材料和结构造型两方面进行优化【2 9 】。 2 0 0 0 年，吴永桥等采用有限元法，在三维流场分析的基础上，把排气压力 传递到排气管管壁上，分析压力作用的结果，通过模态分析，能有效地了解