（机械电子工程专业论文）歧管式催化转化器流场分析及结构优化研究.pdf

摘要 摘要 目前，机动车三元催化转化是控制车辆排放污染的主流技术，催化转化器是车辆排 气系统中的一项关键配套装胃。随着排放法规的同趋严格，对其性能的要求越来越高， 结构设计也更复杂，结构对于催化转化器性能的影响也越来越明显，传统的设计思想己 无法满足要求。本课题的研究正是在这样的背景下，依托国内催化转化器生产的龙头企 业一无锡威孚力达催化净化器有限责任公司，开展利用先进模拟技术分析催化转化器的 内部流动特性，指导产品的结构设计。 本文在充分分析目前国内外机动车排放控制现状及后处理技术的基础上，结合实际 的产品研发，进行了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 研究了催化转化器的流动特性，对流体运动控制方程进行了合理的简化，建立 了针对特定问题的数学模型及参数计算模型，为c f d 软件应用的可靠性提供了理论支持。 仿真结果表明：过程收敛性较好，结果精度较高。 ( 2 ) 通过常规三元催化转化器的稳态流场分析及o - 2 0 s 的瞬态转化效果分析，找出 了影响流动特性的主要因素；同时积累了适用于催化转化器的边界条件和参数设置，试 验结果表明：本文建立的模拟分析方法具有很高的可靠性和普遍性。该分析方法在华晨 2 0 t 发动机催化转化器的实例中得到应用，通过提出的三种结构改进方案，成功解决了 由于结构不合理导致的国标1 2 小时耐久试验中载体脱落的问题。 ( 3 ) 利用最新的1 d - 3 d 耦合技术对福田4 8 6 歧管式催化转化器进行了流动仿真计 算，分析了歧管式催化转化器对整个发动机进排气系统的影响。根据分析结果及设计要 求对原模型进行了优化，并在发动机试验台架上进行了试验验证，试验结果表明：优化 后的模型可大大改善气体的流动特性，提高催化转化效率、缩短起燃时间，同时还提高 了发动机的性能。 论文的研究成果在实际生产中得到了成功应用，为歧管式催化转化器的设计和改进 提供了依据和方向，同时也可为其它同类产品的研发提供借鉴。 关键词：歧管式催化转化器，流动特性，结构改进，数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t t h r e e - w a yc a t a l y t i cc o n v e r s i o no fv e h i c l e i st h em a i n s t r e a mt e c h n o l o g yi ne x h a u s t e m i s s i o nc o n t r o la tp r e s e n t i t sac r u c i a lm a t c h i n gp r o d u c to ft h ew h o l ev e h i c l ee x h a u s t s y s t e m w i t hi n c r e a s i n g l ys t r i c te m i s s i o n sr e g u l a t i o n s i t sp e r f o r m a n c ei sr e q u i r e dm o r ea n d m o r eh i g h l y t h es t r u c t u r eo ft h ec a t a l y t i cc o n v e r t e ri sa l s om o r ec o m p l e x a n de f f e c t p e r f o r m a n c ec l e a r l ys ot h a tt h et r a d i t i o n a ld e s i g nc o n c e p t sh a v eb e e nu n a b l et om e e tt h i sn e e d 1 1 1 i ss u b j e c ti si nt h i sb a c k g r o u n d r e l y i n go nd o m e s t i cl e a d i n ge n t e r p r i s e sp r o d u c tc a t a l y t i c c o n v e r t e r s w u x iw e i f ul i d ac a t a l y t i cc o n v e r t e rc o i t dt oc a r r yo u tt h e a n a l y s i so fi n t e m a lf l o wc h a r a c t e r i s t i c sb ya d v a n c e ds i m u l a t i o nt op r o v i d eg u i d a n c et ot h e s t r u c t u r a ld e s i g no fc a t a l y t i cc o n v e r t e r sw o r k b a s e do nt h ef u l l yu n d e r s t a n do fv e h i c l ee x h a u s te m i s s i o nc o n t r o la n dt e c h n o l o g yi n a f t e r - t r e a t m e n ta th o m ea n da b r o a d ，c o m b i n e dw i t ha c t u a l p r o d u c t sd e v e l o p m e n t ，t h e f o l l o w i n ga s p e c t sa r ec o n d u c t e d ( 1 ) s t u d i e do nt h ec a t a l y t i cc o n v e r t e rf l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sp a p e rs i m p l i f i e dt h e t h e o r e t i c a lo ff l u i dd y n a m i c sr e a s o n a b l ya n de s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e la n d p a r a m e t e rc a l c u l a t i o nm o d e lf o rt h es p e c i f i cp r o b l e m p r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r tf o ru s eo f c f ds o f t w a r er e l i a b i l i t y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t c a l c u l a t i o np r o c e s sh a sh i g h c o n v e r g e n c ea n da c c u r a c y ( 2 ) t h r o u g ht h et r a d i t i o n a lt h r e e - w a yc a t a l y t i cc o n v e r t e rs t e a d y - a n a l y s i sa n d0 - 2 0 s t r a n s i e n t - a n a l y s i s ，t h i sp a p e rf o u n d o u tt h em a i nf a c t o r so ft h ei m p a c t so nt h ef l o w c h a r a c t e r i s t i c sa n da c c u m u l a t e db o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dp a r a m e t e rs e t t i n gs u i t e df o rc a t a l y t i c c o n v e r t e r t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ea n a l y s i sr e s u l th a sh i g hr e l i a b i l i t ya n du n i v e r s a l i t y t h e n f o rt h ec a t a l y t i cc o n v e r t e r sa s s e m b l yb r i l l i a n c e a u t o2 0 te n g i n e p u tf o r w a r dt h r e ek i n d so f s t r u c t u r e s ，a n ds u c c e s s f u l l yr e s o l v e dt h ep r o b l e mo fd u r a b i l i t yt e s tc a u s e db yt h eu n r e a s o n a b l e d e s i g n ( 3 ) u s i n gt h el a t e s tt e c h n o l o g yt h a tc o u p l e d1d 一3 ds i m u l a t i o n ，t h i sp a p e rc a r r i e do u t f o t o n4 8 6m a n i f o l d t y p ec a t a l y t i cc o n v e r t e rf l o wc a l c u l a t i o n a n a l y z e da f f e c to fm a n i f o l d c a t a l y t i cc o n v e r t e rt ot h ee n t i r ee n g i n ei n t a k ea n de x h a u s ts y s t e m m o d i f i e dt h eo p t i m i z e d m o d e lb yt h ea n a l y s i sr e s u l t sa n dd e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n dc a r r i e do u tt h ee x p e r i m e n to n e n g i n et e s tb e n c h t h et e s t si n d i c a t et h a t ：o p t i m i z a t i o nm o d e lh a sg r e a t l yi m p r o v e dt h ef l o w c h a r a c t e r i s t i c so fe x h a u s tg a s ，t r a n s f o l r m a t i o ne f f i c i e n c y , v e l o c i t yu n i f o r m i t ya n ds h o r t e n l i g h t o f ft i m e m e a n w h i l e ，t h ep e r f o r m a n c eo fe n g i n ei sa l s oi m p r o v e d r e s e a r c hr e s u l t sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n ，p r o v i d eb a s i s a n dd i r e c t i o nf o r 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 rd e s i g n ，a n da l s op r o v i d er e f e r e n c ef o ro t h e r s i m i l a rp r o d u c t sd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：m a n i f o l dc a t a l y t i cc o n v e r t e r , f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，s t r u c t u r em o d i f i c a t i o n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含本人为获得江南 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谢意。 签名： 矛岛袁 日 期： 关于论文使用授权的说明 为p 多吕9 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：如乓名导师签名： 日期： & 严 7 沙口9 多，够 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 随着社会和经济的发展，汽车已经逐步成为人们生活中常用的交通工具。作为工业 化进程中的典型产品，汽车在给人类带来交通便利、社会繁荣的同时也给环境带来了很 大的危害。据统计：汽车排放的有害气体已占全球整个大气污染的5 0 以上，成为地球 的主要大气污染源之一，直接导致全球气候和生态环境发生改变，影响和威胁人类正常 的生活和生存。 汽车废气排放主要在离地o 3 至2 米之间，恰好是人体的呼吸范围，对人体的健康损 害非常严重。经研究表明汽车尾气的成分非常复杂，有1 0 0 种左右，其中主要污染物为： c o 、h c 、n o x 和颗粒物，这些物质对人体器官都具有很大的破坏作用，长期暴露在这 样的环境中容易使人产生头晕，恶心等中毒反应，极大危害人类的健康。尤其在人口 居住密集的大中城市，由于建筑物密集使得空气的流动性变差；同时汽车密度很大，而 且发动机大都在低速、频繁起动制动的高排放工况下运转，更加剧了尾气中有害物质的 排放，因此控制城市车辆的有害污染物排放十分迫切。目前欧美等发达国家和地区都已 经开始实施欧排放标准，有些地区已经采用欧v 标准n 吨1 ，这些措施都将大大减弱人们 对环境的破坏影响，对改善空气质量起到积极的作用。 随着改革开放，我国的汽车工业和交通运输业得到迅猛发展，汽车产量每年都保持 高速增长，2 0 0 8 年中国汽车销售9 3 8 万辆，2 0 0 9 年预计增长8 6 ，达到1 0 1 9 万辆。预计 2 0 1 0 年我国汽车市场规模有望达到1 2 0 0 万辆，汽车保有量将达4 4 0 0 万辆。这必将对环境 污染和能源供给造成极大的压力。2 0 0 8 年7 月1 日，为迎接北京绿色奥运会的开幕，推迟 一年的欧i i i 标准已经在全国范围内强制实施，2 0 1 0 年中国要执行欧排放标准，这些措 施无不透露出中国政府对待汽车污染的危机感和环境治理的决心。因此加快对汽车排放 的控制、燃油经济性的改善、新能源车型( 电动汽车、替代燃料汽车) 的开发、汽车电子 技术自动检测等方面的研发就成为未来汽车发展的方向。 目前，我国汽车油耗高，污染控制水平低，汽车污染物排放加重，许多地方都超过 国家排放标准。因此，降低汽车排放，控制尾气排放污染已势在必行。为了控制汽车排 放污染，保护人类赖以生存的自然环境，世界各国相继颁布了汽车排放标准体系。世界 汽车排放标准分为欧洲、美国、日本标准体系。欧洲标准测试要求相对而言比较宽泛， 是发展中国家大都沿用的汽车尾气排放体系。并且，由于我国的轿车车型大多从欧洲引 进生产技术，中国大体上采用欧洲标准体系。 我国从1 9 8 3 年开始，对机动车排放进行严格控制，并结合国情相继颁布了一系列排 放法规。1 9 9 9 年3 月1 日，原国家质量技术监督局颁布了国家标准g b l 4 7 6 1 - 1 9 9 9 汽车排 放污染物限值及测试方法，并于2 0 0 0 年1 月1 日开始实施。2 0 0 1 年4 月1 6 同，国家环境保 护总局和国家质量监督检验检疫总局联合发布国家标准g b l 8 3 5 2 1 - 2 0 0 1 轻型汽车污染 物排放限值及测量方法( i ) 、g b l 8 3 5 2 2 - 2 0 0 1 轻型汽车污染物排放限值及测量方法 江南大学颂十学位论文 ( i i ) ，分别于2 0 0 1 年4 月1 6r 和2 0 0 4 年7 月1 日实施，相当于欧i 、欧i i 标准。2 0 0 5 年4 月， 国家环保总局颁布了5 项机动车排放新标准，其中包括g b l 8 3 5 2 3 - 2 0 0 5 轻型汽车污染 物排放限值及测量方法( 中国i i i 、阶段) b 1 ，国i i i 标准从2 0 0 8 年7 月l 目实施，国标 准将于2 0 1 0 年7 月l 同实施。 随着汽车排放法规日趋严格，各大汽车厂商都纷纷推出自己的节能环保型汽车，加 大在尾气排放污染控制技术上的研发投入。以汽油发动机起动后排气浓度的变化为例， 降低排放分为“冷机”和“热机”两种状态，排气净化方式有：降低发动机排气歧管排 放( 机内净化) 和后处理技术( 机外净化) n 3 。另外，代用燃料车、混合动力车、电动车和 太阳能车也在逐步开始使用。 ( 1 ) 机内净化技术 机内净化就是从有害排放物的生成机理及影响因素出发，以改进发动机燃烧过程为 核心，达到减少和抑制污染物生成的各种技术。简单说就是降低污染物生成量的技术， 主要是改善可燃混合气品质和燃烧状况、改进点火系统和进排气系统，采用电控汽油喷 射( e f i ) 、缸内直喷( f s i ) 、可变气门正时( v v t ) 和废气再循环技术( e g r ) 等。除上述这些 机内净化方法外，还可以通过涡轮增压技术和增) j 】o b d 系统来降低c o 、h c 和n o x 的排放量， 达到机内净化的目的。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。 0 b d 他1 为“车载自动诊断系统”。通过安装在排气歧管上的氧传感器，根据发 动机的运行状况随时监控汽车是否尾气超标，一旦超标，会马上发出警示。当系 统出现故障时，故障( m i l ) 灯或检查发动机( c h e c ke n g i n e ) 警告灯亮，同时动力总 成控制模块( p c m ) 将故障信息存入存储器，通过一定的程序可以将故障码从p c m 中 读出。根据故障码的提示，维修人员能迅速准确地确定故障的性质和部位。 0 b d 实质性能就是监测汽车排放。当汽车排放的一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物 ( h c ) 、氮氧化合物( n o x ) 或燃油蒸发污染量超过设定的标准，故障灯就会报警。 ( 2 ) 机外净化技术 在汽车发动机燃烧生成的废气排出发动机排气门后，但还未排入到大气环境之前， 进一步采取净化措施，以减少最终汽车污染物排放的技术，被称为机外净化技术。简单 地说就是在排气系统中安装附加装置，用化学或物理的方法对排出发动机排气口的污染 物进行进一步处理和净化，来减少尾气对环境的污染。如二次空气喷射技术、热反应器 技术、氧化催化转化技术、三元催化转化技术( t w c ) 和颗粒物捕集技术等。 目前，应用最多的机外净化技术是在汽油车上所采用的三元催化转化技术。 鉴于国家排放法规的要求及上述成熟的尾气净化技术，目前国内生产的新车一律采 用欧或欧i i i + o b d 的排放配置，以达到汽车自检和控制排放的要求。可以说，过去那 种片面追求发动机高油耗、高性能的时代已经过去，未来节能环保型汽车必然成为人们 的首选。 歧管式催化转化器虽然是近几年才出现的新型催化器，但已经得到了广泛的应用， 其在净化汽缸排出的废气方面发挥着巨大的作用。目前国内还主要集中在对常规催化转 化器的流场分析上，对歧管式催化器的流场分析并不深入。而事实上，歧管催化转化器 2 第一章绪论 由于其结构的复杂性以及所处位置的特殊性，它的内部流动特性对其性能有着更大的影 响，同时对于整个发动机进捧气系统也会产生制约。过去的传统的方式是不断的通过试 验或者设计者的经验来修改结构，这样既耗费了大量的人力物力，造成了成本的提高； 同时还造成设计周期时间过长，甚至结构存在隐患，这些都不利于新产品的开发。本论 文正是在这种背景下，开展利用c f d 技术对机动车催化转化器进行流场分析，优化设计 出满足实际排气系统需要的催化转化器结构。本课题的研究与企业的实际需要相结合， 具有较好的理论意义和重大的实际应用价值。 1 2 催化转化器研究 1 2 1 催化转化器的结构和位置 催化转化器是安装在机动车排气系统中，通过催化剂进行氧化和( 或) 还原反应，降 低排气中c o 、h c 化合物、n o x 排放量的装置。 催化转化器是现代汽车发动机管理系统的排气再( 后) 处理子系统的主要零部件。其 构成主要由作为催化转化反应床的、涂敷有促进化学转化反应的催化剂特制配方之涂层 的金属薄板载体或陶瓷烧结载体、不锈钢制焊接结构的外壳和介于载体和壳体之间，起 耐热、隔热和减震作用的衬垫等元件构成，对于有0 b d 配置要求的还要安装氧传感器， 如图卜1 所示。 图卜l 典型催化转化器结构 f i g1 1t y p i c a ic a t a l y t icc o n v e r t e rs t t 各种催化转化器在车辆中的安装位置如图卜2 ( a ) 和( b ) 所示 江南入学硕 _ 学位沦文 三元催化嚣的位置 耦告式崔址g 眭蓐f 讹； 垦馑* g ( a 】( b ) 图卜2 催化转化器的住置 f i g1 2c a t a l y tl c c o f l v e r t er p o s t n 面对全球范围内持续的降低汽车排放标准，催化转化器的技术发展方向4 如下： ( 1 ) 载体向极薄壁和高孔密度方向发展； ( 2 ) 催化转化器越来越靠近发动机排气口； ( 3 ) 每辆车装配两个以上的催化转化器。 1 2 2 三元催化荆结构厦工作原理 常规的三元催化转化器的载体一般采用蜂窝结构，蜂窝表面有涂层和活性组分，常 用的催化剂是由铂、铑和钯等一些贵金属材料构成，通过特殊工艺方法浸镀在载体表面 的基体涂层上，结构如图卜3 ”3 。 奎焉( * 杷铑) 栽体 1 2 0 j 溶屠 冉t 斟悼 目卜二三凡。l 亿刑的结t f ig 卜3t h r e e - w 0 y c a t a l y s ts t r u c t u r e 三元催化转化反应法是目前汽油车上应用最多的废气后处理净化技术。当发动机工 作时，汽缸内燃烧排出的废气流经蜂窝状陶瓷载体表面，且载体表面的温度达到特定的 温度范围时，燃烧废气中的有害化学成分h c 、c o 和n o x 将会与载体壁面上的化学涂 层产生相应的化学反应，其过程分为h c 和c o 的氧化反应与n o x 的还原反应两种。最 第章绪论 终废气以c 0 2 、h 2 0 和n 2 排到大气中。 在催化剂反应床上，h c ，c o 和n o x 的转化需要在载体的温度达到3 0 0 。c 左右方 可达到较高的转化效率。通常我们将催化转化器开始达到5 0 时的转化效率载体自身的 温度称为催化转化嚣的起燃温度。 1 2 3 歧管式催化转化器 常规催化转化器在正常工作时，满足国排放要求不存在很大问题，但装配有三元 催化转化器的电子燃油喷射系统的汽油车所面临的蛀大问题是冷启动阶段排放控制，这 就要求催化转化器一定要有更快的起燃速度。 已经实施的国标准首先增加了对车辆冷启动时排放达标的要求。过程要求车辆在 零下摄氏7 度的低温条件下搁置六小时以上，点火启动之后，立刻测量车辆排放，并要 求达到排放标准。冷启动过程时间很短，启动过程中的各项指标，如混合气浓度及其温 度，燃烧反应完善程度等均无法达到要求，导致废气排放品质恶劣。按照美国联邦测试 规程f t p 2 7 5 测试计算”1 ，配有三元催化转化器的汽油机8 0 的c o 、h c 排故是在冷起 动阶段产生的。所以必须提出解决该问题的方法如：加热式催化转化器、两极式、吸附 h c 排放式等，但这些方案都不同程度的存在成本增加咀及寿命差的缺点。 歧管式催化转化器是在这样的背景下而产生的，它的结构如图卜4 所示。 ( a )( b ) 图14 两款歧管式催化转化器模型 f i g1 4t w ot p y e so fo x h a u s tm a n i f o l dc a t a l y t l cc o n v e r t e r 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， 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5 0 0 m m 的催化器总成 部件“1 。它与常规的催化转化器相比具有以下优势： 在没有额外加热装置时，催化转化器达到工作温度的时问很大程度上取决于催化转 化器距发动机排气门的距离，而从发动机排气门直接连接到排气歧管，使得第一级催化 转化装置能够充分利用发动机工作余热及较小的温度损失达到快速起燃的目的，极大的 解决了冷启动时转化效率低的问题。 同时歧管式催化转化器的自身材料决定了它的轻量化，使它的结构变紧凑，热容量 变小，从而加快起燃速度。试验表明在对于特定的发动机催化转化器质量减轻l k g 时， 转化器反应温度的时间就缩短约3 0 。 江南人学硕十学f 谚论文 1 2 4 催化转化器的研究现状 国外从7 0 年代初就开始催化转化装置工作过程数值模拟的研究，其早期主要是通 过试验研究催化转化器阻力和流速分布不均匀性。由于测量大都局限在催化转化器入口 处的某个点或某个面上，而无法深入到内部，因此能够提供的信息非常有限，不能满足 催化转化器结构设计的要求。 1 9 7 4 年，h o w i t t 用热线风速仪( h w a ) 对一个氧化型的催化转化器载体前端面的流速 分布进行了测量旧1 ，并研究了通过安装不同的导流装置来影响对入口速度的分布。测量 结果表明：导流装置可以改变催化转化器载体截面的流速分布，减弱载体截面中心区域 的气流，增强载体周边的气流，提高了载体的利用率，减小了催化剂的老化率，使催化 剂的寿命得到提高；但是增加这种装置的同时，延长了催化剂的起燃时间，增大了发动 机的排气背压。由于汽缸排出的废气温度高、流速大，气体直接冲击导流装置，易使其 变形甚至损坏，因而并没有在实际中得到广泛应用。 同年，l e m m e 和g i v e n s 研究了不同形状的扩张管和收缩管对催化转化器速度均匀 性的影响n0 | 。在室温条件下，测量了圆锥形、椭圆形和方形截面的扩张管和收缩管的速 度分布。结果表明：扩张管和收缩管的形状对速度分布的影响不明显，而增加载体的长 度，可使载体截面的流速分布均匀，这主要是由于气体流动阻力增加所致；增加入口管 和载体直径的比率也可以改善载体内流速分布。 1 9 8 6 年，w e n d i n a d 对安装了双块蜂窝载体的催化转化器进行了可视化试验研究n 。 试验是在装有完全透明的聚丙烯催化转化器模型的稳态水流试验台上进行的。试验发 现：催化转化器入口处的水流在流经扩张管壁面时开始分离，并以直径不变的射流撞击 到第一块载体的前端面，在距载体表面2 0 r a m 左右的地方射流开始扩展，其流动形态在 一定的流量范围内不随流量变化。该试验还发现：若把催化转化器入口扩张管的形状做 成与射流的形状一致，虽然载体内的流动与原扩张管的流动形态区别不大，但可以减小 气流的扰动，降低气流的局部流动损失。1 9 9 5 年，w e n d i n a d 还设计出增强型入口扩张 管( e d h ) 。该结构的特点是：气流首先经过一个小角度的圆锥过渡管，在接近载体时再 大角度扩张至整个载体表面。增强型扩张管可以起到明显的导流作用，有效减小扩张管 的局部压力损失。1 9 9 1 年，l a i 等人应用p h o e n c i s 软件建立了一个无化学反应、绝热 的三维模型，进行了催化转化器稳态流场数值计算n 引。结果表明：入口扩张管对载体内 的流速分布有很大的影响。气流在载体孔道中流动的雷诺数、载体阻力、入口管长度和 弯管角度对载体各通道的气流分布均匀性都有影响。 1 9 9 8 年，m a r t i n 等人研究了流场分布对发动机性能的影响n 副。1 9 9 9 年，w o l h n 等 人对催化转化器进行试验研究和理论计算后发现：不同的载体形状对气流的速度分布和 造成的压力损失是不同的n 制。他们对载体前端采用4 5 。锥角、6 0 。锥角、圆顶型和传统型 结构比较后发现：采用带有锥角的载体可以部分利用入口端的圆锥空间，使得扩张管内 气流的流动分离区减小，这增大了催化剂利用体积而并不改变整个催化转化器的包装体 积，并且它的迎风面圆滑过渡，中间部分的气流由于端面的导流作用而流向边缘，使流 速分布更加均匀；由于载体中心区域比边缘部分长，中一t l , 区域载体的沿程阻力就要大于 6 第一章绪论 边缘部分，这也对流速分布有利。w e l e m s 曾对四缸发动机催化转化器入口管的5 种不 同结构形状进行了试验研究n 引。研究结构表明：入口管过短时，由于气流的惯性作用， 使气流分布不均匀，在入口处安装锥形导流器或缩口喷嘴以及延长入口管长度后，气流 分布要均匀一些。w e l t n e s 和h u a b e 等人还对载体之间的缝隙进行了研究n 副。2 0 0 0 年， b m a n 等人用f l u e n t 软件模拟了催化转化器在稀混合气、理论配比和浓混合气的条件下 的起燃特性n7 1 。该模型和以往最大的区别是考虑了催化转化器载体内发生的化学反应， 它采用的是基元反应机制，预测和试验结果能够很好吻合。 通过上面介绍可以看出，国外对于催化转化器的结构很早就重视起来，并且对于常 规的产品结构研究比较细致，结合目前调研的国外企业中的实际应用案例，如法国 e n g i n e e r i n gs y s t e mi n t e m a t i o n a l 的工程师应用基于a l e 方法的p a w f l u i d 软件，对排气 道进行了稳态和瞬态涡流的模拟计算；美国c a t e r p i l l a r 公司及c l e m s o n 大学的研究人员 用稳流试验的结果作为边界条件，利用c f d 软件预测了四气门排气系统的流动损失； j e s u sb e n a j e s 等人利用s t a r - c d 软件计算了四气门、串联、可变涡流排气系统瞬态和稳 态的流动特性，并进行了l d a 稳流试验的验证。此外，日本丰田汽车公司、美国福特汽 车公司等对汽车排气净化系统也开展了较深入的研究。如丰田公司对排气系统的气流分 布、催化转化装置内部的催化反应通过有限元计算，可获得催化转化装置内部的气流场、 温度场、各气体成分的浓度场，并可获得整车工况法排放量的仿真结果，通过仿真系统 对排气系统、催化转化装置内部结构、催化剂的涂覆分布等进行优化。法国弗吉亚公司 的排气系统目前在全球做的已相当成熟，他们从理论分析到试验论证都达到了相当高的 水平，指导性可达到8 0 左右。奥地利a v l 公司专门致力于内燃机方面的模拟分析，已 经开发了f i r e ，b o o s t ，c r u i s e 等系列软件，用于汽车内燃机及进排气系统的模拟仿真， 在全球的汽车行业中应用相当广泛。 国外企业在该领域的成功实例，表明利用c f d 技术对催化转化器进行结构设计是完 全可行的。它可以弥补实验研究的不足之处，可以对催化转化器内的流场和温度场进行 全面分析，对于提高设计水平和产品质量具有很大的作用。 受各方面条件的限制，国内在这方面的研究起步较晚，最初也主要集中在催化剂的 配方和工艺上，对其内部的流动特性研究不全面。2 0 世纪末，随着人们对c f d 仿真软件 的了解和使用，我国逐步开始了对催化转化器流场及压力损失方面的研究。 基于国外进行试验工作和研究基础上，2 0 0 0 年，清华大学的帅石金等人建立了蜂窝 载体的流体力学模型，并用c f d 软件对催化转化器的流场进行了稳态数值模拟n 剐。结果 显示：气流在圆锥管壁面附近出现了分离并产生了较强的扰动，造成气流局部压力损失 及载体前端面气流速度分布不均匀；此外还发现，扩张角越大，其内部速度分布不均匀 性和压力损失越大，但当扩张角增大到一定程度后，流速分布和压力损失的影响变小。 同年，宋金欧等人针对当前催化转化器的数学模型进行了改进，考虑了工作过程的瞬态 基本特征，提出了改进模型n 引。计算结果表明，模型能更准确地预测催化转化器的实际 工作过程及各参数变化规律。 2 0 0 1 年，帅石金等人用s t a r - c d 软件对具有良好流动特性的斜扩张管催化器进行了 7 江南人学硕十学位论文 三维稳态流动数值模拟，并研究了扩张管倾斜角和入口管布置对流动特性的影响晗引。研 究结果表明：扩张倾斜角在6 0 。附近可使催化器获得较好的流速分布和较小的压力损失。 同年刘军对催化转化器进行了稳态研究心。通过对四种不同引流区结构的速度场、 压力场的计算，证明引流区的结构对催化转化器的气流分布影响很大，应尽量避免采用 直壁无引流过渡的结构，采用平滑过渡的引流区，不仅可减少涡流产生，而且压力损失 大大小于其它结构；并对实际汽车用催化转化器在不同排气流量下的速度场和压力损失 进行了计算和对比。其计算结果与实验结果吻合较好，证明了采用的方法是可靠的。 赵继业同样对催化转化器内部温度场和流场进行综合分析，并通过对一种新型的以 催化改性碳纤维为载体的催化器为实例乜2 1 。方瑞华等研究了载体蜂窝孔内的气流分布 幢3 1 ，通过研究发现空速低时，在扩张段就出现气流分离现象，而在载体入1 ：3 段流速分布 比较均匀；在载体蜂窝孔内随着空速的增加气流状态由层流向紊流转变，因此不能简单 地将其气流简化为不可压层流。 上海交通大学的黄震等，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比引。湖南大学的刘彪等，建立了催化转换 器流场的二维模型，对催化转换器的稳态流动进行了数值模拟，分析了不同载体参数对 催化器的流动分布和压力损失的影响幢5 | 。湖南大学的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t w c 后发动机的特性曲线进行了对比试验瞳6 1 。江苏大学的杨 成等，对催化转化器的不同扩张角结构和不同流速进行了三维模拟乜7 1 。安徽农业大学的 黄莉莉在建模过程中考虑了化学反应放热对载体升温过程的影响，使得所建立的数学模 型更接近实际情况比引。 总之，国内对催化转化器流场的数值模拟有了较大的进展，数学模型也开始复杂起 来，但是与国外相比，还是有较大的差距，能利用c f d 进行实际产品研发并得到可靠验 证的比较少，过多考虑催化转化器本身的性能，而对整个进排气系统的考虑较少。 1 3 论文的主要研究内容 本论文的内容将按照“常规一特殊”的思路进行研究： ( 1 ) 在充分分析催化转化器结构的基础上，建立针对其流动特点的数学模型，利用 c f d 软件平台，对其内部流场进行分析，找出影响其性能的因素，并通过试验进行验证。 同时结合目前对于常规催化转化器扩张管结构特点的研究提出自己的设想。 ( 2 ) 将常规催化转化器模拟分析成果具体应用于企业生产的某型号产品，提出结 构改进方案，并进行实际验证。 ( 3 ) 建立整个发动机进排气系统，对歧管部分的原模型进行优化，利用国内先进的 发动机尾气检测台架进行试验检测。 ( 4 ) 建立催化转化器分析过程的通用方法，使模拟分析结果最大程度的吻合于试验 数据，确保分析结果的可靠性，并使之推广到不同的产品开发中。 第二章催化转化器模拟计算的数! 学模型 第二章催化转化器模拟计算的数学模型 近4 0 年来，随着计算机的飞速发展与广泛应用，c a d c a e c a m 这三大板块在当 今制造业中起到了不可替代的巨大作用，不仅大大缩短了实际生产中的工作时间，更重 要的是完成了很多以前做不到的事情。利用c a e 软件进行模拟分析，基本的前提是必 须清楚的理解软件计算所遵循的数学模型，这对于正确使用分析软件，并且保证分析结 果的可靠性是非常关键的。以c f d 分析为例，它的基本思想可以归结为：把原来在时 间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变 量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的 代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 2 1 计算流体动力学基础 2 1 1 流体动力学控制方程 流体流动要受物理守恒定律的支配，任何流动问题都必须满足质量守恒定律和动量 守恒定律，同时对于包含热交换的流动系统也必须满足能量守恒定律。对于瞬态可压流 体而言，控制方程如下： ( 1 ) 质量守恒方程( 连续性方程) 该定律可表述为：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入 该微元体的净质量，引入矢量符号d i v ( a ) = 甄舐+ 抛，砂+ d a ：c 拿z ，得到： 墨+ d i v ( p “) ：o ( 1 1 ) d f ( 2 ) 动量守恒方程( n a v i e r - - s t o k e s 方程) 瞳朝 该定律可表述为：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上 的各种力之和，实质上是牛顿第二定律。 由于本论文研究的对象为三元催化转化器，不考虑废气中的颗粒物影响，可近似的 认为气体为牛顿流体，流体的内摩擦剪切力r 由牛顿内摩擦定律决定： 仁“l i r a 坐：1 2 坐( 1 2 )f = “= l 1 么， 。幽一oa n锄 其中，行为沿法线方向的距离增量；甜为对应于刀的流体速度的增量。“行为 法向距离上的速度变化率。所以，牛顿内摩擦定律表示：流体内摩擦应力和单位距离上 的两层流体间的相对速度成比例。比例系数成为粘度，它的值取决于流体的性质、温 度和压力大小。 对于牛顿流体，p 为常数，通常可以用密度p 和运动粘度v 来表示： v = 竺 ( 1 3 ) p 通过上面的公式就可以得到牛顿流体在x 、y 和z 三个方向的动量守恒方程： 了o ( p u ) + d i v ( p “五) ：d i v ( 1 2 9 r a d u ) 一害+ 瓯 ( 1 4 a ) 9 江南人学硕+ 学位论文 _ a ( p _ v ) + 优v ( p 1 ，二) ：讲v ( p g r a d v ) 一害+ s v d t卯 _ a ( p _ w ) + 讲v ( p w 二) ：坊1 ，( g r a d w ) 害+ & d t必 ( 1 - 4 b ) ( 1 4 c ) 式中，p 是流体微元体上的压力；g r a d ( ) = a o a x + a o 砂+ a o a z ，符号瓯、鼠和 & 是广义源项，瓯= c + s x ，s v = + s ，s w = c + s ：，e 、e 和只是微元体上的体 力，而其中的s x 、s ，和s ，的表达式瞳鲫如下： ：昙( p 宴) + 昙( p 宴) + 昙( p 罢) + 昙 一)( 1 5 a ( 2 d i v u 5 a ) = i ( p i ) + i ( p _ ) + i ( p i ) + i ) ( 1 ) 僦o x跚d xo z呶a ) c ：昙( p 罢) + 晏( “宴) + 昙( 肛娑) + 昙( 允旃v 二)(15b)sy 2 瓦( p 瓦) + 瓦【“瓦) + 夏( 肛瓦) + 瓦【兄硪v 甜) ( 1 ：昙( p 妾) + 拿( p 宴) + 昙( p 娑) + 昙- ( 1 5 c s ( z d i v u ) b c ) 、 ：= i ( p i ) + _ ( p _ ) + i ( p i ) + i ( 就( 圮 o y d z o z o z d z 其中九是第二粘度，一般可取a = 一2 3 。空气在2 0 。c 、标准大气压下， “= 1 8 1 0 p a s ，而随着温度上升，气体的粘度也变大。由于废气在催化转化器内的 温度很高，大约在6 0 0 。c 左右，查气体粘度表可知：“= 4 x 1 0 一p a s 。对于考虑瞬态温 度的变化影响，“是时刻变化的一个函数，因此分析的结果更加准确。 而对于不可压气体在稳定状态下的计算情况，认为基本不变，p 为常数，则 翌! 旦坐：0 ，& d i v u = 0 ，动量守恒方程可以得到适当的简化，因此，对于模型的假设与 d f 简化，分析的结果存在差异性。 ( 3 ) 能量守恒方程乜9 。驯 该定律可表述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面 力对微元体所做的功，实质上是热力学第一定律。 流体的能量e 通常是内能f 、动能k = = 1 ( “2 + v 2 + w 2 ) 和势能尸三项之和，内能f 与 温度丁之间存在一定关系，即f c 。丁，其中c 。是比热容。这样我们可以得到牛顿流体的 能量守恒方程： 丝旦+ d i v ( p u 丁) ：d i v 上鲫d t + s r ( 1 6 ) o t c p 其中，丁为温度，k 为流体的传热系数，墨，为流体的内热源及由于粘性作用流体机 械能转换为热能的部分，简称研为粘性耗散项。 在催化转化器模拟计算时，由于温度的影响直接关系到将来的设计需要，因此必须 加入能量守恒方程，且粘性耗散项不能省略。 综合基本方程( 1 1 ) 、( 1 4 a ) 、( 1 4 b ) 、( 1 4 c ) 、( 1 6 )