基于一維、三維耦合分析的歧管式催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

孫魯青 賈菲 張一平

（1．濱州學(xué)院；2．黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究院；3．無(wú)錫威孚力達(dá)催化凈化器有限責(zé)任公司）

1 前言

歧管式催化轉(zhuǎn)化器由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及所處位置的特殊性，其內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性直接影響催化轉(zhuǎn)化效果。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是通過(guò)試驗(yàn)或者設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)修改結(jié)構(gòu)，這樣既耗費(fèi)了大量人力、物力，增加了成本，同時(shí)還造成設(shè)計(jì)周期時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，甚至結(jié)構(gòu)存在隱患等問(wèn)題。本文以某型歧管式催化轉(zhuǎn)化器為例，采用1D-3D耦合理論分析了歧管內(nèi)部氣體流動(dòng)過(guò)程，并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2 歧管式催化轉(zhuǎn)化器1D-3D分析流程

1D發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)模型主要研究零部件等子系統(tǒng)對(duì)全局的影響，如發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管長(zhǎng)度、直徑、曲率等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響；3D發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管模型主要分析排氣歧管結(jié)構(gòu)對(duì)排氣流通性和均勻性的影響。本文對(duì)所研究歧管式催化轉(zhuǎn)化器采用的分析流程如圖1所示。

3 1D-3D耦合計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

3.1 湍流模型

傳統(tǒng)的k-ε模型忽略了氣體分子之間的粘性，只對(duì)完全湍流場(chǎng)有效。本文采用如下k-ζ-f四方程模型[1]，同時(shí)考慮了湍流和層流的影響。

其中，

3.2 傳熱模型

分析傳熱時(shí)主要考慮與外部空氣的自然對(duì)流及內(nèi)部的強(qiáng)迫對(duì)流，同時(shí)氣體流速、壓強(qiáng)與來(lái)流情況有很大關(guān)系，致使管道截面上各點(diǎn)換熱系數(shù)不同。根據(jù)牛頓冷卻公式，壁面平均傳熱系數(shù)為：

式中，tw為管壁平均溫度；tf為流體平均溫度；F為管壁換熱面積；Q為對(duì)流換熱量。

通過(guò)試驗(yàn)和查表得管道壁面平均傳熱系數(shù)為20 W/m2·K。

3.3 壓力損失模型

歧管式催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的壓力損失也分為沿程損失和局部損失，沿程損失均可由Darcy公式計(jì)算[2]：

式中，λ為沿程損失系數(shù)，對(duì)于不同管段其值不同；ρ為氣體密度；μ為氣體動(dòng)力粘度；l為管道長(zhǎng)度；dH為孔道的水力直徑；v為氣體速度；Re為雷諾數(shù)。

4 歧管式催化轉(zhuǎn)化器1D-3D耦合分析

4.1 1D-3D耦合模型的建立

汽油機(jī)技術(shù)參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表1所列。所建立的某四缸、四沖程、進(jìn)氣道電噴（PFI）汽油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)熱力學(xué)模型[3]如圖2所示。轉(zhuǎn)速在3 000 r/min時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比如圖3所示。從圖3中可以看出，所搭建的整機(jī)循環(huán)模型的模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況非常接近，最大誤差不超過(guò)2%，因此認(rèn)為搭建的1D進(jìn)、排氣系統(tǒng)可以比較準(zhǔn)確地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷工況下的工作過(guò)程。

圖4為某型號(hào)歧管式催化轉(zhuǎn)化器歧管部分的模型。圖4中，進(jìn)氣口1～進(jìn)氣口4通過(guò)法蘭與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門連接，出氣口與催化載體相連接。最后對(duì)1D發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)與3D排氣歧管進(jìn)行耦合計(jì)算。圖2中細(xì)實(shí)線框內(nèi)為耦合部分。

表1 汽油機(jī)技術(shù)參數(shù)設(shè)定

4.2 1D-3D耦合模型的邊界條件

通過(guò)對(duì)1D CFD模型計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min和6 000 r/min時(shí)瞬態(tài)曲軸轉(zhuǎn)角－排氣質(zhì)量流量數(shù)據(jù)如圖5所示，并以此作為歧管進(jìn)氣口的邊界條件。曲線上質(zhì)量流量出現(xiàn)負(fù)值的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)存在氣門間隙，在實(shí)際工作中產(chǎn)生了廢氣回流現(xiàn)象[4]。

4.3 瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果及分析

在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min且發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門最大升程時(shí)刻氣缸1和氣缸4流場(chǎng)分布如圖6、圖7所示。

從圖6可以看出，氣體在后段與管道發(fā)生了碰撞，呈現(xiàn)螺旋式運(yùn)動(dòng)軌跡，這將導(dǎo)致氣體流動(dòng)方向上阻力加大，從而產(chǎn)生較大壓力損失。從圖7可以看出，氣體產(chǎn)生了明顯分離；同時(shí)流入2、3歧管的氣體比較多，也損失了一部分能量。

5 排氣歧管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及試驗(yàn)對(duì)比

排氣歧管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要參考下面幾個(gè)方面[5]：

a. 盡量減小歧管長(zhǎng)度，以縮短工作起燃時(shí)間，提高催化轉(zhuǎn)化效果。

b.歧管形狀的設(shè)計(jì)要考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)實(shí)際空間及底盤結(jié)構(gòu)。

c. 保證氣體流動(dòng)順暢并提高催化載體前端面速度的均勻性。

d. 減小排氣沿程阻力、流動(dòng)損失及系統(tǒng)噪聲，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

調(diào)整歧管的長(zhǎng)度、直徑、曲率及形狀后，得到如圖8所示的優(yōu)化后歧管結(jié)構(gòu)。

圖8 中，區(qū)域1管道曲率做了調(diào)整，區(qū)域2去掉原有筋板，改為直接連接。優(yōu)化前、后歧管模型參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2所列。采用1D-3D耦合模型對(duì)優(yōu)化后歧管模型進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖9和圖10所示。

表2 優(yōu)化前、后歧管模型參數(shù)對(duì)比

從圖8可以看出，氣體在管道中流動(dòng)比較順暢，渦流現(xiàn)象不明顯，減小了壓力損失。從圖9可以看出，氣體分離情況得到抑制，雖然仍有部分氣體流入2、3歧管，但整體流場(chǎng)情況得到明顯改善。計(jì)算得出排氣的均勻性系數(shù)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3所列。

表3 兩種結(jié)構(gòu)各歧管速度均勻性對(duì)比

從表3中可以看出，優(yōu)化后模型的速度均勻性明顯優(yōu)于優(yōu)化前模型，分布也更加合理。

參照汽車催化轉(zhuǎn)化器臺(tái)架評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法，利用歧管式催化轉(zhuǎn)化器的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置，對(duì)優(yōu)化前、后模型進(jìn)行了背壓評(píng)價(jià)、發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試等試驗(yàn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4 500 r/min時(shí)，優(yōu)化前、后模型壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化分別如圖11和圖12所示。

從圖10和圖11中可以看到，在180°時(shí)，原模型的背壓為260 kPa，優(yōu)化后模型最大背壓為240 kPa。

6 結(jié)束語(yǔ)

建立了1D發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)模型，得到不同工況下氣缸排氣門處的瞬態(tài)曲軸轉(zhuǎn)角—質(zhì)量流量數(shù)據(jù)。通過(guò)3D模型，得到排氣歧管的瞬態(tài)流場(chǎng)分布等數(shù)據(jù)，較好地評(píng)價(jià)了排氣歧管內(nèi)氣體的均勻性和流通性?；?D－3D耦合模型，對(duì)原排氣歧管進(jìn)行優(yōu)化。計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后歧管模型可改善排氣歧管內(nèi)部流場(chǎng)情況。

1 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

2 Wendland D W，et al.Reducing Catalytic Converter Pressure Loss with Enhanced Inlet－h(huán)eader Diffusion.SAE Paper 952398.

3 李洪亮，王海洋，王務(wù)林.汽車排氣系統(tǒng)的流場(chǎng)分析與優(yōu)化.汽車技術(shù)， 2010（1）：14～17.

4 葉明輝，黃露，帥石金，等.基于一維三維及耦合模型的汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2007（3）:44～49.

5 張旭升，顏伏伍，袁偉，等.汽油機(jī)歧管式催化轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)研究.汽車工程，2008，30（3）:264～267.