某汽油機催化器系統的CFD分析

王丹 劉雙喜 牟江峰 陳浩

（1-天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室天津300072 2-中國汽車技術研究中心汽車工程研究院）

·設計·計算·

某汽油機催化器系統的CFD分析

王丹1,2劉雙喜2牟江峰2陳浩2

（1-天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室天津300072 2-中國汽車技術研究中心汽車工程研究院）

利用三維流體分析軟件STAR-CCM+對某汽油機催化器系統進行了模擬分析，運用多孔介質模型模擬催化器內部的流動，重點考察了該催化器系統的壓力損失和氣流分布均勻性，并對氧傳感器的位置進行了評估。綜合各項分析評價指標，提出優化建議，為排氣系統的結構設計和性能改進提供理論依據。

催化器系統壓力損失均勻性氧傳感器CFD

引言

發動機排氣系統的設計，首先要根據發動機艙和底盤空間的布置要求，確定管路的基本走向和位置，確保不與其它部件發生干涉，且安裝方便。此外，考慮到排氣系統總成對發動機動力性、經濟性和排放性的直接影響，排氣系統應具有良好的空氣動力學性能，流通能力強，壓力損失小，氣流分布均勻[1，2]。三效催化器是汽油機上廣泛采用的排氣后處理設備。為了滿足日益嚴格的排放法規，有效控制汽車尾氣排放，三效催化器必須具有較高的轉化效率和良好的耐久性，因此在進行排氣系統設計時要保證三效催化器前端氣流分布的均勻性，并合理布置氧傳感器位置，從而提高載體的工作效率和使用壽命[3～5]。

隨著數值仿真技術和計算機水平的進步，催化器系統的CFD流體分析成為其開發過程的重要步驟之一。計算流體動力學CFD（Computational Fluid Dynamics）是進行汽車空氣動力學研究的有效方法。通過CFD計算得到排氣系統內部空氣流動的詳細信息，從而在產品開發初期預知產品的性能，為后期設計優化提供理論指導[6]。與試驗相比，CFD計算更直觀，信息全，且周期短，易操作，成本低。本文建立了某汽油機催化器系統三維模型，通過CFD計算分析了催化器系統內流場的壓力分布、速度分布、溫度分布，從而對該催化器系統的設計方案進行了綜合評價，并提出優化方向。

1 CFD模型及計算方法

1.1 幾何模型及網格劃分

采用有限元分析軟件HyperMesh進行前處理，抽取催化器系統的內腔幾何結構，進行幾何清理和面網格的劃分。圖1是催化器系統的內腔結構圖，主要有入口、出口、前錐、后錐以及催化器5個區域，為了準確測得排氣氧含量，從而精確控制排氣空燃比，在催化器的前后都有氧傳感器。

圖1 催化器系統的內腔結構圖

將HyperMesh處理好的網格模型導入到STARCCM+中，檢查面網格質量。網格是模擬與分析的載體，網格質量對CFD計算精度和計算效率有重要影響。STAR-CCM+提供了3種網格單元，即四面體、六面體以及多面體單元。根據三維模型的結構，采用六面體網格進行體網格劃分。圖2是催化器系統的網格結構圖，基本尺寸為2mm，體網格數量為32萬左右，檢查體網格質量。

圖2 催化器系統的網格結構圖

1.2 理論基礎

催化器系統的CFD計算采用不可壓縮流體的N-S方程進行迭代求解。其控制方程有：質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程。計算為穩態過程，采用SIMPLE算法進行壓力項和速度項之間的耦合，使用的湍流模型為RNG k-ε湍流模型。催化器殼體不設置壁面層，其它區域的壁面為無滑移速度條件，采用壁面函數法描述壁面附近的流動。計算流體為不可壓縮的理想氣體，考慮溫度變化對粘度的影響。

催化器載體按各向同性多孔介質處理，氣流在多孔介質區的流動為層流流動，流體流經載體時只有沿軸向方向的速度和壓力損失。根據Darcy定律，氣流流經催化器載體時產生的壓降可表示為：

式中，ΔP/L為單位長度催化器的壓力降，υ為排氣流速，Pi為粘性阻力系數，Pυ為慣性阻力系數。常用的確定多孔介質阻力系數的方法是根據實驗得到壓降與流速的曲線，通過曲線擬合，對應上述壓降公式確定的。

1.3 邊界條件

計算采用全速全負荷工況，只要在該工況點滿足性能要求，其它常用的行駛工況也會滿足要求。入口為質量進口邊界，其入口流量為0.152kg/s，溫度為1009K，湍流強度10%，水利直徑64mm。出口為壓力出口邊界，其出口靜壓為20kPa，溫度為700K，湍流強度10%，水利直徑52mm?？紤]到催化器內的化學反應，添加能量源，其數值是由經驗獲得的。催化器視為多孔介質，其它部分按流體區域計算，在催化器的前后與其它區域交界處設置交界面。

2 計算結果及分析

2.1 排氣背壓

排氣背壓是考察排氣系統優劣的一項重要指標。排氣系統的壓力損失直接影響發動機的換氣效率和燃油經濟性，決定發動機排氣效果[7]。圖3為催化器系統表面的壓力云圖。從圖中可以看出，在系統彎曲處或者收縮處，由于結構突變，壓力變化較大。表1列出了催化器系統各部分的壓降，可以看出，催化器的前錐區域的壓力損失很小，而催化器載體和后錐區域排氣壓降比較明顯。一般情況下，企業對催化器系統的背壓目標值為25kPa左右，該催化器系統的總壓力損失為22kPa，基本滿足設計要求。

表1 催化器系統各部分的壓降

圖3 催化器系統壓力分布圖

2.2 溫度分布

圖4為催化器系統表面的溫度分布云圖。圖5為催化器載體中心截面的溫度分布圖。從圖中可以看出，由于在催化器載體內部發生了化學反應放熱，載體溫度最高；載體內部溫度分布均勻，催化劑得到充分利用；靠近催化器殼體邊緣，由于與外界環境的對流換熱，溫度比芯體中心低一些。

圖4 排氣系統溫度分布圖

圖5 催化器載體中心截面溫度分布圖

2.3 速度跡線

若流場的流通性不好，會降低排氣速度，增加排氣阻力，從而降低發動機的有效功率[8]。圖6是催化器系統的速度跡線圖。圖7是后級氧傳感器附近的速度跡線圖。從圖中可以看出，整個催化器系統流通性能良好，前級和后級氧傳感器附近流速均勻，沒有產生渦流。由于催化器前錐轉彎角度較小，空氣流過前錐時，氣流主流因流向突變而脫離前錐管壁表面，氣流在局部區域產生漩渦，但空氣流速不大，對流場的流通性影響不大，對催化器入口的進氣均勻性會產生影響。

圖6 催化器系統速度跡線圖

圖7 后級氧傳感器附近的速度跡線圖

2.4 催化器載體均勻度分析

氣流在載體截面上的流動均勻性，決定了氣流在載體內的停留時間，從而影響催化器的轉化效率和溫度分布。催化器載體內氣流分布均勻，可加快載體的溫升速率，降低由于載體局部過熱而產生的溫度梯度，從而提高催化器的轉化效率和使用壽命[9]。為了考察催化器載體內的流動均勻性，應用載體入口截面的速度均勻度作為評價指標，其公式為：

式中，γ為均勻度指數；m為載體入口截面的網格總數；Ci為載體入口截面上網格單元i的速度，是整個載體截面上的平均速度。γ的范圍在0～1之間，越大表示氣流分布越均勻。γ=1表示流場分布完全均勻。

根據工程經驗，催化器載體入口截面均勻度大于0.85代表截面的均勻性良好。圖8為催化器入口截面速度分布圖，按照均勻度公式計算得到的均勻度為0.85，因此催化器載體入口截面的氣流均勻度基本滿足要求。

圖8 催化器入口截面速度分布

2.5 氧傳感器位置

三效催化器在理論空燃比時轉化效率最高，為了精確控制空燃比，汽車OBD系統要求在催化器前后加裝氧傳感器。前氧傳感器為主氧傳感器，后氧傳感器的主要作用是協助主氧傳感器進行空燃比控制修正和監視催化劑是否失效。為了準確地監測排氣氧含量，氧傳感器的布置位置要求處于主流區、氣流垂直沖擊且具有較好的流動均勻性[10]。圖9為前級氧傳感器截面的速度分布圖。圖10為后級氧傳感器截面的速度分布圖。從圖中可以看出，后氧傳感器與氣體主流接觸，能夠及時地監測排氣成分的變化，不會造成信號誤判。但前氧傳感器沒有明顯位于主流區，周圍流速較低，無法滿足氧傳感器對氣流速度的要求，容易造成監測不靈敏，信號延誤。底盤空間允許的話，建議對前氧傳感器的位置進行優化，改進氧傳感器周圍的流場結構。

圖9 前級氧傳感器截面的速度分布

圖10 后級氧傳感器截面的速度分布

3 結論

利用CFD軟件對某汽油機催化器系統的內部流動特征進行了分析，計算結果表明：

1）該催化器系統流通性能良好、壓力損失和流場均勻性滿足設計要求。

2）由于催化反應放熱，催化器載體溫度最高，且載體內部溫度分布均勻，能夠保證催化器較高的工作效率和使用壽命。

3）前級和后級氧傳感器附近流速均勻性良好，沒有產生渦流。后級氧傳感器的位置滿足設計要求，但前氧傳感器沒有位于主流區，不滿足氧傳感器對氣流速度的要求，建議進一步優化。

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2UgurKesgin.Study on the design of inlet and exhaust system of a stationary internal combustion engine[J].Energy Conversion and Management，2005，46：2258～2287

3賈友昌，趙蕾，魯建立.基于STAR～CCM+的排氣歧管分析及優化[C].CDAJ～China中國用戶大會，上海，2011

4錢多德，姚煒.汽油機排氣歧管內流場CFD模擬[J].內燃機與動力裝置，2010（5）：30～32

5張沛毅，王超，楊陳，等.某汽油機歧管式催化轉化器結構設計與分析[J].小型內燃機與摩托車，2013，42（6）：59～64

6丁柏群，李明楊．車用歧管式催化器內部流速及壓力分析[J]．車用發動機，2011，194（3）：20～24

7王素梅，董沛存.柴油機排氣歧管的CFD數值模擬分析[J].沈陽理工大學學報，2012，13（8）：90～94

8李紅慶，楊萬里.內燃機排氣歧管熱應力分析[J].內燃機工程，2005，26（5）：81～84.

9孫魯青，賈菲，張一平.基于一維、三維耦合分析的歧管化轉化器結構優化[J].汽車技術，2012（6）：40～43

10趙鳳啟，李守成，時巖.基于CFD數值模擬的氧傳感器位置研究[J].計算機應用技術，2013，40（1）：41～44

CFD Analysis on Catalytic Converter System of Gasoline Engine

Wang Dan1，2，Liu Shuangxi2，Mou Jiangfeng2，Chen Hao2
1-State Key Laboratory of Engine Combustion，Tianjin University(Tianjin，300072，China) 2-China Automotive Technology and Research Center，Automotive Engineering Research Institute

Numerical simulation of catalytic converter system for certain gasoline engine was conducted by CFD software of STAR-CCM+.By using porous media modal to simulate the internal flow of the catalyst，the pressure drop and uniformity of the flow filed were discussed，and the positions of oxygen sensors were evaluated.Based on the calculated results，optimization recommendations were pointed out.The research will provide theoretical basis for structure design and performance improvement of exhaust system.

Catalytic converter system，Pressure drop，Uniformity，Oxygen sensor，CFD

TK421.8

A

2095-8234（2014）04-0040-04

2014-06-06）

王丹(1983-)，女，工程師，主要研究方向為整車熱管理，發動機進排氣系統設計。