基于一維、三維耦合分析的歧管式催化轉化器結構優化

孫魯青 賈菲 張一平

（1．濱州學院；2．黃河三角洲高效生態經濟發展研究院；3．無錫威孚力達催化凈化器有限責任公司）

1 前言

歧管式催化轉化器由于結構的復雜性以及所處位置的特殊性，其內部流場的均勻性直接影響催化轉化效果。傳統的設計方法是通過試驗或者設計者的經驗來修改結構，這樣既耗費了大量人力、物力，增加了成本，同時還造成設計周期時間過長，甚至結構存在隱患等問題。本文以某型歧管式催化轉化器為例，采用1D-3D耦合理論分析了歧管內部氣體流動過程，并對其進行了結構優化。

2 歧管式催化轉化器1D-3D分析流程

1D發動機進、排氣系統模型主要研究零部件等子系統對全局的影響，如發動機排氣歧管長度、直徑、曲率等對發動機性能的影響；3D發動機排氣歧管模型主要分析排氣歧管結構對排氣流通性和均勻性的影響。本文對所研究歧管式催化轉化器采用的分析流程如圖1所示。

3 1D-3D耦合計算的數學模型

3.1 湍流模型

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

其中，

3.2 傳熱模型

分析傳熱時主要考慮與外部空氣的自然對流及內部的強迫對流，同時氣體流速、壓強與來流情況有很大關系，致使管道截面上各點換熱系數不同。根據牛頓冷卻公式，壁面平均傳熱系數為：

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為對流換熱量。

通過試驗和查表得管道壁面平均傳熱系數為20 W/m2·K。

3.3 壓力損失模型

歧管式催化轉化器內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公式計算[2]：

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

4 歧管式催化轉化器1D-3D耦合分析

4.1 1D-3D耦合模型的建立

汽油機技術參數設定見表1所列。所建立的某四缸、四沖程、進氣道電噴（PFI）汽油機進排氣系統熱力學模型[3]如圖2所示。轉速在3 000 r/min時的發動機缸壓計算值與試驗值的對比如圖3所示。從圖3中可以看出，所搭建的整機循環模型的模擬計算結果與實際工況非常接近，最大誤差不超過2%，因此認為搭建的1D進、排氣系統可以比較準確地模擬發動機在全負荷工況下的工作過程。

圖4為某型號歧管式催化轉化器歧管部分的模型。圖4中，進氣口1～進氣口4通過法蘭與發動機排氣門連接，出氣口與催化載體相連接。最后對1D發動機進排氣系統與3D排氣歧管進行耦合計算。圖2中細實線框內為耦合部分。

表1 汽油機技術參數設定

4.2 1D-3D耦合模型的邊界條件

通過對1D CFD模型計算得到的發動機在轉速為2 000 r/min和6 000 r/min時瞬態曲軸轉角－排氣質量流量數據如圖5所示，并以此作為歧管進氣口的邊界條件。曲線上質量流量出現負值的原因是發動機存在氣門間隙，在實際工作中產生了廢氣回流現象[4]。

4.3 瞬態計算結果及分析

在轉速為2 000 r/min且發動機排氣門最大升程時刻氣缸1和氣缸4流場分布如圖6、圖7所示。

從圖6可以看出，氣體在后段與管道發生了碰撞，呈現螺旋式運動軌跡，這將導致氣體流動方向上阻力加大，從而產生較大壓力損失。從圖7可以看出，氣體產生了明顯分離；同時流入2、3歧管的氣體比較多，也損失了一部分能量。

5 排氣歧管的結構優化及試驗對比

排氣歧管的結構優化主要參考下面幾個方面[5]：

a. 盡量減小歧管長度，以縮短工作起燃時間，提高催化轉化效果。

b.歧管形狀的設計要考慮到發動機艙內實際空間及底盤結構。

c. 保證氣體流動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、流動損失及系統噪聲，以提高發動機性能。

調整歧管的長度、直徑、曲率及形狀后，得到如圖8所示的優化后歧管結構。

圖8 中，區域1管道曲率做了調整，區域2去掉原有筋板，改為直接連接。優化前、后歧管模型參數對比見表2所列。采用1D-3D耦合模型對優化后歧管模型進行了計算，結果如圖9和圖10所示。

表2 優化前、后歧管模型參數對比

從圖8可以看出，氣體在管道中流動比較順暢，渦流現象不明顯，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，但整體流場情況得到明顯改善。計算得出排氣的均勻性系數對比結果見表3所列。

表3 兩種結構各歧管速度均勻性對比

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

參照汽車催化轉化器臺架評價試驗方法，利用歧管式催化轉化器的性能評價試驗裝置，對優化前、后模型進行了背壓評價、發動機性能測試等試驗。

發動機轉速為4 500 r/min時，優化前、后模型壓力隨曲軸轉角變化分別如圖11和圖12所示。

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

6 結束語

建立了1D發動機進排氣系統模型，得到不同工況下氣缸排氣門處的瞬態曲軸轉角—質量流量數據。通過3D模型，得到排氣歧管的瞬態流場分布等數據，較好地評價了排氣歧管內氣體的均勻性和流通性。基于1D－3D耦合模型，對原排氣歧管進行優化。計算結果表明，優化后歧管模型可改善排氣歧管內部流場情況。

1 王福軍.計算流體動力學分析.北京:清華大學出版社，2004.

2 Wendland D W，et al.Reducing Catalytic Converter Pressure Loss with Enhanced Inlet－header Diffusion.SAE Paper 952398.

3 李洪亮，王海洋，王務林.汽車排氣系統的流場分析與優化.汽車技術， 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進氣系統優化.車用發動機，2007（3）:44～49.

5 張旭升，顏伏伍，袁偉，等.汽油機歧管式催化轉化器的設計研究.汽車工程，2008，30（3）:264～267.