某增壓型汽油機(jī)催化轉(zhuǎn)化器分析

穆芳影，張超，馬勇，常耀紅， 姚煒

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

某增壓型汽油機(jī)催化轉(zhuǎn)化器分析

穆芳影，張超，馬勇，常耀紅， 姚煒

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

在增壓型汽油機(jī)的開發(fā)過程中，需要評(píng)估其催化器入口處的氣流分布均勻性是否能夠滿足均勻性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。利用CFD軟件，通過對(duì)某增壓型汽油機(jī)催化器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，計(jì)算得到載體入口處的氣流速度均勻性系數(shù)、氧傳感器表面速度分布、總壓分布等。結(jié)果表明: 考慮渦輪機(jī)出口的旋流和廢氣旁通閥結(jié)構(gòu)，得到的結(jié)果更準(zhǔn)確；載體入口處的氣流速度均勻性系數(shù)滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；氧傳感器位于廢氣主流區(qū)，其布置位置合理；催化器的總壓分布合理，壓力損失在正常范圍內(nèi)。

增壓型汽油機(jī)；催化轉(zhuǎn)化器；旋流；速度均勻性系數(shù)；總壓

0 引言

近些年來，環(huán)境污染事故越來越多，汽車尾氣對(duì)環(huán)境造成的危害日益引起公眾的重視。并且，國家對(duì)汽車尾氣排放的標(biāo)準(zhǔn)越來越苛刻。為了滿足排放法規(guī)、減少尾氣排放對(duì)環(huán)境造成的危害，整車廠家普遍采用安裝催化轉(zhuǎn)化器來降低尾氣排放[1]。進(jìn)入到催化器的廢氣均勻性影響催化器的催化效率和使用壽命[2-3]。由于廢氣溫度很高，如果進(jìn)入載體的高溫廢氣不均勻，流速高的載體區(qū)域溫度高，易老化，使用壽命減短并且容易燒蝕；流速低的載體區(qū)域廢氣流量少，催化效率低，造成極大的浪費(fèi)[4-5]。

利用CFD軟件進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化器數(shù)值模擬是催化器優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方法[6-7]。目前針對(duì)渦輪增壓機(jī)型的催化轉(zhuǎn)化器的數(shù)值模擬較少，僅有的研究工作也只是假設(shè)催化器入口氣流為均勻速度分布，尚未考慮渦輪機(jī)出口旋流的影響[8]。實(shí)際上渦輪機(jī)的旋流是一個(gè)復(fù)雜的流動(dòng)，它不僅包括沿入口法向的流動(dòng)，還包括徑向、周向的流動(dòng)。所以只有考慮了渦輪機(jī)的旋流運(yùn)動(dòng)以及廢氣旁通閥的實(shí)際結(jié)構(gòu)，催化轉(zhuǎn)化器的數(shù)值模擬才更貼近實(shí)際工況，模擬結(jié)果才會(huì)更準(zhǔn)確。

文中利用AVL FIRE軟件，對(duì)某渦輪增壓型汽油機(jī)的催化器進(jìn)行分析。為了和實(shí)際模型更加接近，考慮了廢氣旁通閥入口和渦輪機(jī)入口，在渦輪機(jī)入口考慮氣流的旋流運(yùn)動(dòng)，在廢氣旁通入口考慮氣流經(jīng)過廢氣旁通閥的實(shí)際情況。計(jì)算結(jié)果包括載體入口處的氣流均勻性系數(shù)、在催化器內(nèi)部的氣流流動(dòng)跡線圖、催化器的總壓分布及壓力損失等。

1 模型

1.1 數(shù)模

為了更精確地模擬催化器入口的氣流運(yùn)動(dòng)軌跡，文中計(jì)算的模型包括增壓器蝸殼。模型有兩個(gè)入口，一個(gè)與廢氣旁通相連，一個(gè)與渦輪機(jī)相連，并且考慮了廢氣旁通閥的具體結(jié)構(gòu)，見圖1。在擴(kuò)張管中部區(qū)域安裝有氧傳感器。

1.2 網(wǎng)格劃分

此次計(jì)算使用FAME生成以六面體為主的計(jì)算網(wǎng)格?？紤]到壁面附近的邊界層影響，在壁面上生成兩層邊界層網(wǎng)格。為避免回流，在進(jìn)出口各拉伸10層左右的網(wǎng)格。整個(gè)模型的體網(wǎng)格如圖2所示。

1.3 邊界條件

進(jìn)口邊界：

入口_渦輪機(jī):為了更加精確地模擬渦輪機(jī)氣流，在此處調(diào)用一個(gè)程序，它可以自動(dòng)模擬渦輪機(jī)的旋流。在該程序中輸入該工況下渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速、質(zhì)量流量及溫度。

入口_廢氣旁通：輸入質(zhì)量流量、溫度。

出口邊界：采用靜壓。

1.4 多孔介質(zhì)設(shè)置

在三維軟件中，用多孔介質(zhì)來模擬載體結(jié)構(gòu)。在多孔介質(zhì)中需要指定氣體在其中的流動(dòng)矢量方向。

(1)多孔介質(zhì)參數(shù)設(shè)置

催化劑是在白載體基礎(chǔ)上添加圖層，載體單通道示意圖見圖3。其中δwall為載體壁厚(單位mm)，δwc為涂層厚度(單位mm)。在多孔介質(zhì)參數(shù)設(shè)置中輸入催化劑目數(shù)、壁厚及涂層厚度。其中，目數(shù)為每平方英寸內(nèi)所包含通道數(shù)目。

(2)壓力降曲線

文中采用的壓力降模型為三維軟件自帶的Forchheimer。其公式為：

其中：dp/dx為壓力梯度，α為黏性阻尼系數(shù)，μ為動(dòng)力黏度，ε為慣性阻尼系數(shù)，ρ為密度，ω為速度。

文中通過輸入動(dòng)力黏度、氣體密度及壓力降曲線來模擬氣體在DOC內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，其中壓力降曲線由載體供應(yīng)商提供，見圖4。

2 分析結(jié)果

2.1 載體入口均勻性

計(jì)算得到的載體入口處速度均勻性系數(shù)為0.947，滿足該位置處的均勻性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。圖5為催化器入口處的速度分布，該截面處最大速度為68 m/s，最小速度為36 m/s?？梢钥闯觯簭U氣進(jìn)入催化器時(shí)，絕大部分比較均勻。這樣有利于廢氣與載體涂層充分接觸，增加催化轉(zhuǎn)化效率，減小載體熱裂風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 催化器流場分布

圖6為載體前端氣流流動(dòng)跡線圖?？梢钥闯觯簛碜詼u輪機(jī)的氣流由于添加了旋流模擬，所以氣流以旋流方式進(jìn)入催化器；由于模擬工況下廢氣旁通閥是部分開啟狀態(tài)，來自廢氣旁通閥的氣流從廢氣旁通閥的周圍間隙處進(jìn)入催化器；來自兩個(gè)不同入口的氣流在催化器前端混合，混合后的氣流進(jìn)入載體。

2.3 氧傳感器表面速度分布

圖7為氧傳感器表面速度分布。氧傳感器表面最大速度為343 m/s，氧傳感器位于廢氣主流區(qū)。安裝于此處的氧傳感器可以準(zhǔn)確地采集廢氣中的氧含量，并傳回到ECU，從而達(dá)到精確和穩(wěn)定的控制策略，氧傳感器布置位置合理。

2.4 壓力分布

圖8為催化器的總壓分布。

可以看出：從入口到出口，催化器總壓逐漸減??；催化器結(jié)構(gòu)中，總壓分布正常，沒有壓力損失較大的部位,催化器封裝結(jié)構(gòu)合理。

圖9為載體及催化器的總壓損失。其中，載體總壓損失為21.73 kPa，催化器總壓損失為24.85 kPa?？梢钥闯觯捍呋鞯目倝簱p失主要集中在載體區(qū)域，這是由于載體目數(shù)多，氣流通道窄，氣流流動(dòng)阻力大；載體前的擴(kuò)張管與載體后的收縮管由于是空管，所以流動(dòng)阻力小，總壓損失相對(duì)較小。這種催化器總壓分布情況是正常的。

3 結(jié)論

通過以上對(duì)催化器內(nèi)部速度均勻性、流場、總壓等分析得到的結(jié)果，得出以下幾個(gè)結(jié)論：

(1)考慮渦輪機(jī)出口的旋流和廢氣旁通閥結(jié)構(gòu)，建立的催化器分析模型更加貼近實(shí)際模型，結(jié)果更加準(zhǔn)確；

(2)該催化器載體入口處的氣流流動(dòng)均勻性滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，保證了廢氣與涂層均勻接觸，提高催化器的催化轉(zhuǎn)化效率，降低了載體局部熱裂的風(fēng)險(xiǎn)；

(3)氧傳感器位于發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣集中流經(jīng)的區(qū)域，能夠準(zhǔn)確地測量廢氣中氧氣的含量；

(4)催化器的總壓分布合理，總壓損失在合理范圍內(nèi)。

【1】龔金科，康紅艷，彭煒琳，等.汽油車三效催化轉(zhuǎn)化器反應(yīng)流的數(shù)值模擬[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2006,24(1)：62-66.

【2】龔金科，蔡皓，耿玉鶴，等.改進(jìn)型汽油機(jī)三效催化轉(zhuǎn)化器反應(yīng)模型及試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2009,27(5)：430-434.

【3】梁昱，周立迎，龔金科，等.車用催化轉(zhuǎn)化器入口管結(jié)構(gòu)改進(jìn)模擬與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006,37(9)：53-57.

【4】谷芳，劉伯潭，程魁玉，等.歧管式催化轉(zhuǎn)化器流場分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].汽車工程，2007,29(12)：1066-1069.

【5】龔金科，周立迎, 梁昱,等.三效催化轉(zhuǎn)化器壓力損失對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[J].汽車工程，2004,26(4)：413-416.

【6】金華玉，劉忠長, 沈照杰,等.三維模擬計(jì)算中的前后處理方法研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2010,31(5)：103-108.

【7】谷芳，劉伯潭，潘書杰.排氣系統(tǒng)的數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車工程，2007,29(11)：950-957.

【8】TSINOGLOU Dimitrios N,KOLTSAKIS Grigorios C.Oxygen Storage Modeling in Three-Way Catalyic Converters[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2002,41(5):1152-1165.

AnalysisofaTurbochargedTypeGasolineEngineCatalyticConverter

MU Fangying, ZHANG Chao, MA Yong, CHANG Yaohong, YAO Wei

(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

The uniformity of the air flow at the catalyst entrance needs to be evaluated whether it is satisfied the standard during the development process of the turbocharged gasoline engine. The steady state analysis for catalytic converter of the turbocharged gasoline engine was made by using CFD software. The coefficient of the air uniformity at the catalyst entrance and the surface velocity distribution of the oxygen sensor and the total pressure distribution were obtained by calculation. The results show that: the obtained results are more accurate when considering the swirl of the turbine at exit and the exhaust gas bypass valve structure; the coefficient of the air flow uniformity at the catalyst entrance meets the evaluation standard; the oxygen sensor is located at the mainstream area of exhaust, which layout is reasonable; the total pressure distribution of the catalytic converter is reasonable, and the pressure loss is within the normal range.

Turbocharged type gasoline engine; Catalytic converter；Swirl；Coefficient of flow uniformity; Total pressure

2014-12-31

穆芳影(1984—)，女，學(xué)士，工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。E-mail：563420286@qq.com。