歧管式催化转化器尾气处理.doc

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置。随着排放法规的日趋严格，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,传统的设计思想已无法满足要求。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CFD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0-20s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2.0T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12小时耐久试验中载体脱落的问题。(3) 利用最新的1D-3D耦合技术对福田486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AbstractAbstractThree-way catalytic conversion of vehicle is the mainstream technology in exhaust emission control at present. Its a crucial matching product of the whole vehicle exhaust system. With increasingly strict emissions regulations, its performance is required more and more highly. The structure of the catalytic converter is also more complex, and effect performance clearly so that the traditional design concepts have been unable to meet this need. This subject is in this background, relying on domestic leading enterprises product catalytic converters - WUXI WEIFU LIDA CATALYTIC CONVERTER CO.,LTD to carry out the analysis of internal flow characteristics by advanced simulation to provide guidance to the structural design of catalytic converters work. Based on the fully understand of vehicle exhaust emission control and technology in after-treatment at home and abroad, combined with actual products development, the following aspects are conducted. (1) Studied on the catalytic converter flow characteristics, this paper simplified the theoretical of fluid dynamics reasonably and established the mathematical model and parameter calculation model for the specific problem. Provide theoretical support for use of CFD software reliability. The simulation results show that, calculation process has high convergence and accuracy. (2) Through the traditional three-way catalytic converter steady-analysis and 0-20s transient-analysis, this paper found out the main factors of the impacts on the flow characteristics and accumulated boundary conditions and parameter setting suited for catalytic converter. The results show that, the analysis result has high reliability and universality. Then for the catalytic converters assembly BrillianceAuto 2.0T engine, put forward three kinds of structures, and successfully resolved the problem of durability test caused by the unreasonable design.(3) Using the latest technology that coupled 1D-3D simulation, this paper carried out FOTON 486 manifold-type catalytic converter flow calculation, analyzed affect of manifold catalytic converter to the entire engine intake and exhaust system, modified the optimized model by the analysis results and design requirements, and carried out the experiment on engine test bench. The tests indicate that: Optimization model has greatly improved the flow characteristics of exhaust gas, transformation efficiency, velocity uniformity and shorten light-off time. Meanwhile, the performance of engine is also improved. Research results have been successfully applied in the actual production, provide basis and direction for the manifold catalytic converter design, and also provide reference for other similar products development.Keywords: Manifold catalytic converter, Flow characteristics, Structure modification, Numerical simulationIII目 录目 录摘 要IAbstractII目 录I第一章 绪论11.1 论文研究的目的和意义11.2 催化转化器研究31.2.1 催化转化器的结构和位置31.2.2 三元催化剂结构及工作原理41.2.3 歧管式催化转化器51.2.4 催化转化器的研究现状51.3 论文的主要研究内容8第二章 催化转化器模拟计算的数学模型92.1 计算流体动力学基础92.1.1 流体动力学控制方程92.1.2 传统CFD数值方法简介112.1.3 时空守恒元与解元方法112.1.4 基于有限体积法控制方程的离散112.1.5 SIMPLE算法122.2 湍流计算模型132.3 管道压力损失计算模型152.4 后处理化学反应模型162.2 其它计算模型172.2 本章小结18第三章 常规催化转化器流场分析及试验验证193.1 AVL_FIRE软件193.2 常规催化转化器三维模型的建立203.2.1 网格生成技术203.2.2 计算网格分类203.2.3 FIRE网格生成模块213.2.4 常规催化转化器的网格划分213.2.5 边界条件的设置223.2.6 入口边界223.2.7 出口边界223.2.8 载体部分参数设置233.2.9 壁面边界233.2.10 后处理边界233.3 计算及结果分析233.3.1 气体流动性分析243.3.2 流动均匀性系数243.3.3 压力损失253.3.4 温度梯度253.3.5 废气转化分析263.4 气体稳态试验的验证273.5 模拟仿真的实际应用283.5.1 产品概况283.5.2 流场分析结果283.5.3 直径比对流场均匀性的影响293.5.4 扩张角对流场均匀性的影响303.5.5 出气口位置对流场均匀性的影响303.5.6 结构改进方案303.6 本章小结31第四章 歧管式催化转化器1D-3D耦合计算及结构改进324.1 歧管式催化转化器的一维和三维分析流程324.2 发动机进排气系统的一维BOOST模型的建立324.2.1 AVL_BOOST软件介绍324.2.2 一维BOOST模型的参数设置334.2.3 模型的描述及试验验证344.3 原模型及优化后模型344.4 边界条件与初始条件354.5 瞬态计算结果及分析364.5.1 流场总体分析364.5.2 流动均匀性分析374.5.3 压力分布384.5.4 壁面温度分布384.5.5 歧管式催化转化器设计流程394.6 本章小结40第五章 发动机台架评价试验415.1 试验评价台架的搭建415.2 废气转化效果试验415.2 排气背压试验425.3 三元催化转化器起燃特性试验435.4 发动机性能试验445.5 综合评价45第六章 论文总结和展望466.1 总结466.1.1 论文完成的主要工作466.1.2 论文的创新点466.1.3 论文的不足之处466.2 展望与思考47致 谢48参考文献49附录： 作者在攻读硕士学位期间发表的论文5353第二章 催化转化器模拟计算的数学模型第一章 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50%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0.3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100种左右，其中主要污染物为：CO、HC、NOx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1。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标准1-2，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，2008年中国汽车销售938万辆，2009年预计增长8.6%，达到1019万辆。预计2010年我国汽车市场规模有望达到1200万辆，汽车保有量将达4400万辆。这必将对环境污染和能源供给造成极大的压力。2008年7月1日，为迎接北京绿色奥运会的开幕，推迟一年的欧标准已经在全国范围内强制实施，2010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1983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。1999年3月1日，原国家质量技术监督局颁布了国家标准GB14761-1999汽车排放污染物限值及测试方法，并于2000年1月1日开始实施。2001年4月16日，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GB18352.1-2001轻型汽车污染物排放限值及测量方法(I)、GB18352.2-2001轻型汽车污染物排放限值及测量方法()，分别于2001年4月16日和2004年7月1日实施，相当于欧I、欧II标准。2005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GB18352.3-2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国、阶段)3，国标准从2008年7月1日实施，国标准将于2010年7月1日实施。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) 4。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(EFI)、缸内直喷(FSI)、可变气门正时(VVT)和废气再循环技术(EGR)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加OBD系统来降低CO、HC和NOx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。OBD2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(MIL)灯或检查发动机(Check Engine)警告灯亮，同时动力总成控制模块(PCM)将故障信息存入存储器，通过一定的程序可以将故障码从PCM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。OBD其实质性能就是监测汽车排放。当汽车排放的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)或燃油蒸发污染量超过设定的标准，故障灯就会点亮报警。 (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(TWC)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+OBD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排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CFD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CO、HC化合物、NOx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OBD配置要求的还要安装氧传感器，如图1-1所示。图1-1 典型催化转化器结构各种催化转化器在车辆中的安装位置如图1-2（a）和（b）所示。 （a） （b）图1-2 催化转化器的位置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5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 三元催化剂结构及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1-36。 图1-3 三元催化剂的结构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HC、CO和NOx 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HC和CO的氧化反应与NOx的还原反应两种。最终废气以、和排到大气中。在催化剂反应床上，HC、CO和NOx的转化需要在载体的温度达到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50%时的转化效率载体自身的温度称为催化转化器的起燃温度。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最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FTP275测试计算7，配有三元催化转化器的汽油机80%的HC、CO排放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HC排放式等，但这些方案都不同程度的存在成本增加以及寿命差的缺点。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1-4所示。 （a） （b）图1-4 两款歧管式催化转化器模型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500mm的催化器总成部件8。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间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1kg时，转化器反应温度的时间就缩短约30%。1.2.4催化转化器的研究现状国外从70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。1974年，Howitt用热线风速仪(HWA)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9，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，Lemme和Givens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10。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。1986年，wendinad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11。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20mm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。1995年，Wendinad还设计出增强型入口扩张管(EDH)。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。1991年，Lai等人应用PHOENCIS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12。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。1998年，Martin等人研究了流场分布对发动机性能的影响13。1999年，Wolhn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14。他们对载体前端采用锥角、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，中心区域载体的沿程阻力就要大于边缘部分，这也对流速分布有利。Weletns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15。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。Weltnes和Huabe等人还对载体之间的缝隙进行了研究16。2000年，Bruan等人用Fluent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17。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Engineering System International的工程师应用基于ALE方法的PAW-FLUID软件，对排气道进行了稳态和瞬态涡流的模拟计算；美国Caterpillar公司及Clemson大学的研究人员用稳流试验的结果作为边界条件，利用CFD软件预测了四气门排气系统的流动损失；Jesus Benajes等人利用Star-CD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LDA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80%左右。奥地利AVL公司专门致力于内燃机方面的模拟分析，已经开发了FIRE,BOOST,CRUISE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CFD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。20世纪末，随着人们对CFD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，2000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CFD软件对催化转化器的流场进行了稳态数值模拟18。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19。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。2001年，帅石金等人用STAR-CD软件对具有良好流动特性的斜扩张管催化器进行了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20。研究结果表明：扩张倾斜角在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21。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22。方瑞华等研究了载体蜂窝孔内的气流分布23，通过研究发现空速低时，在扩张段就出现气流分离现象，而在载体入口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24。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25。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TWC后发动机的特性曲线进行了对比试验26。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27。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28。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CFD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CFD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一型号产品，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近40年来，随着计算机的飞速发展与广泛应用，CAD/CAE/CAM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CAE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CFD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29：（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，得到： (1.1)（2）动量守恒方程(NavierStokes方程)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由牛顿内摩擦定律决定： (1.2)其中，为沿法线方向的距离增量；为对应于的流体速度的增量。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，为常数，通常可以用密度和运动粘度来表示： (1.3)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： (1.4a) (1.4b) (1.4c)式中，是流体微元体上的压力；，符号、和是广义源项，、和是微元体上的体力，而其中的、和的表达式如下： (1.5a) (1.5b) (1.5c)其中是第二粘度，一般可取 。空气在、标准大气压下，=，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，大约在左右，查气体粘度表可知：。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，为常数，则 ，动量守恒方程可以得到适当的简化，因此，对于模型的假设与简化，分析的结果存在差异性。（3）能量守恒方程29-30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。流体的能量通常是内能、动能和势能三项之和，内能与温度之间存在一定关系，即，其中是比热容。这样我们可以得到牛顿流体的能量守恒方程： (1.6)其中，为温度，为流体的传热系数，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）、（1.4a）、（1.4b）、（1.4c）、（1.6），发现有、和六个未知量，而仅有五个基本方程，还需要补充一个联系和的状态方程。 (1.7)对于理想气体来说，该状态方程表示为： (1.8)其中是摩尔气体常数。这样，只需要联立六个方程组求解即可以得到计算结果。将六个控制方程建立通用形式，用表示通用变量。 (1.9)式中，为通用变量，可以代表、等求解变量；为广义扩散系数；为广义源项。对于特定的方程，、和具有特定的形式。2.1.2 传统CFD数值方法简介经过四十多年的发展，CFD出现了多种数值解法31。目前解决内燃机进排气系统气体流动模拟主要有三种传统计算方法：容积法、特征线法和有限体积法；此外还有这一领域的最新技术：时空守恒元和解元方法(CE-SE)。目前主流的CFD商用软件都是采用有限体积法来求解，这里重点介绍下有限体积法。进入90年代，有限体积法开始用于内燃机进排气系统的流动模拟计算。这种方法将计算域划分为一系列互不重复的控制体积，并使每个网格点周围都有一个控制体积，将待求的微分方程对每个控制体积积分，从而得到一系列离散方程组，然后求解。该方法系统边界处理比较简单，并且具有二阶精度，这是对特征线法的重要改进，对于绝大多数流动现象具有很高的适用性，但是它失掉了特征线法对不连续性问题的精确表述和处理方式。事实上有限体积法最大的问题在于处理不连续问题时(如存在相互干扰的流动)，局部会出现较大的非物理振荡。特别是在对结构比较复杂的流动系统进行模拟计算时，这种不足尤为明显。为了解决这一问题，出现了一些改进算法，这些算法或降低了计算的精度，或又引入了新的限制性条件，并无实质性的变化。目前，主流CFD软件均采用有限体积法，如WAVE、PRO-MO、BOOST、GT等。2.1.3 时空守恒元与解元方法时空守恒元和解元方法是一种全新的数值方法，这种方法不论从思路上还是从方法上都区别于传统的数值计算。首先该方法将时间和空间完全统一起来，并从守恒律积分型方程出发，通过设立守恒元和解元，使局部和全局范围内都严格保证其物理意义上的守恒律。其次该方法只采用简单的一阶Taylor展开式，无需其它数值逼近技术，也不需要应用任何单调性限制或特征计算技术。该方法使用简单，适应性强，计算精度和计算效率较高；对计算EGR系统多组分混合流动、处理激波振荡及其相互干扰等不连续等问题有明显的优势。但是目前该方法还没有应用在CFD软件中，因此并没有得到广泛的推广。2.1.4 基于有限体积法控制方程的离散建立好基本方程组后，还不能对实际问题进行求解，在进行CFD计算之前，首先要将计算区域离散化，即对空间上连续的计算区域进行划分，把它划分成许多个子区域，并确定每个区域中的节点，从而生成网格。然后，将控制方程在网格上离散，即将偏微分格式的控制方程转化为各个节点上的代数方程组。此外，对于瞬态问题，还需要涉及时间域离散。由于本论文研究所基于的AVL软件平台是采用的是有限体积法，因此重点说明了根据有限体积法建立离散方程，主要步骤如下：(1) 在计算域内生成计算网格，包括节点及其控制体积。(2) 将守恒型的控制方程在每个控制体积上作积分（积分时要用到界面处未知量及其导数的插值计算公式，即离散格式），得到离散格式后的关于节点未知量的代数方程组。(3) 求解代数方程组，得到各计算节点的值。作为离散很重要的一步是将控制体积界面上的物理量及其导数通过节点物理量插值求出，引入插值方式的目的就是为了建立离散方程，不同的插值方式对应于不同的离散结果，在这里重点介绍目前使用最广泛的二阶迎风格式，除了能够保证计算的稳定，且满足迁移性的要求外，还可以降低由于数值上的扩散而产生的误差，并且考虑了流动方向性的影响。二阶迎风格式的一个显著特点是单个方程不仅包含有相邻节点的未知量，还包括相邻节点旁边的其他节点的物理量，从而大大提高了计算的精度。2.1.5 SIMPLE算法联立好六大控制方程后，通过有限元思想将其离散化后，即得到了代数方程组，但是对于除了如已知速度场求温度分布这类简单的问题外，所生成的离散方程不能直接用来求解，还必须对离散方程进行某种调整，并且对各未知量（速度、压力、温度等）的求解顺序及方式进行特殊处理。目前SIMPLE算法是工程上应用最为广泛的一种流场计算方法，它的基本思想可描述如下：对于给定的压力场（它可以是假定的值，或是上一次迭代计算所得到的结果），求解离散形式的动量方程，得出速度场。因为压力场是假定的或是不精确的，这样，由此得到的速度场一般不满