對歧管式催化轉化器流場的設計分析及結構優化研究

摘 要：緊耦合式歧管架構下的催化轉化器，通常配有某規格下的氧傳感器。經由三維態勢的模擬運算，采納常用的流體力學，解析了轉化器固有的總體流場。擬定出來的運算模型，描畫了周邊范疇的渦流走向；依循計算得來的數值，對體系以內的歧管，妥善予以改造。經由改造得來的新傳感器，改善了原初的周邊流場，消除掉了偏多渦流。載體氣流特有的不勻稱系數，也隨同下降；排氣背壓縮減，總體架構被變更及完善。

關鍵詞：催化轉化器；流場分析；結構優化

緊耦合式歧管普遍被應用于汽油機的排氣歧管，從其制作材料和工藝上，可以分成鑄鐵歧管、薄壁管式、沖壓薄板式三種類型。為滿足汽車OBD系統的需要，在三元催化轉化器的收縮管和擴張管上，分別添加了氧傳感器。但是復雜特性的氣流在排氣時并不能與氧傳感器直接接觸，進而導致各個時段的信號檢測更加困難。而且構件以內的氣流，對三元催化特有的反應、溫度狀態和體系以內的排氣背壓都有著重要影響。

1 方案設計

對于歧管特有的部分，做好詳細的方案設計是首要工作。首先，設計的管徑應考量歧管特有的自然吸氣、車體以內的蝸輪增壓和排量相互之間的聯系。同時細分出來的四個支管，能夠做到妥善搭配并設定適宜的比值關系。通常催化器載體的制備材料有兩種，分別是金屬載體及陶瓷載體。主要以緊耦合式特性的排氣歧管、三角平面架構的法蘭連接模式、圓形鎖緊特性的法蘭連接模式為主。

排氣歧管特有的性能指標，包含熱應力態勢下的疲勞狀態、溫度場的解析、振動情形下的模態、歧管架構以內的壓力場、液體流動特有的均勻屬性。具體而言，細分出來的第三支管，應消除慣常見到的回流；體系架構內的排氣壓力均衡；氧傳感器安設的位置、關聯著的流速，都應均衡。除此以外，催化器特有的載體截面，也應帶有均質的特性。

2 建構精準模型

2.1 概要的模型構架

歧管與催化器之間特有的分開式銜接方式，可以形成緊耦合成效排氣歧管。歧管的獨立式，采用了法蘭連接模式的排氣系統，使其具有圓形鎖緊特性，從而化解了裝配空間偏窄的疑難。與此同時采用了某規格下的混合網格，制備了物理模型。復雜特性的歧管，在體系以內的交叉部位，安置了對應規格的收縮管和擴張管。這種布設方式，無疑是在確保運算精度較高的前提下，有效增加了運算成效。而擬定好的網格數目和與之關聯的網格體積，都不會干擾運算得來的數值。由此可見，排氣歧管的改進，應該從以下幾方面進行：一是歧管及附帶著的擴張腔，必須明確詳細的交接位置；二是優化歧管特有的轉折走向和其布設方式。

2.2 擬定的前提

歧管架構以內的催化轉化器，排放出來的廢氣，包含混合特性的氮氣、數目偏少的二氧化碳、夾帶著的水分。廢氣之中，包含了偏少的一氧化碳，可以予以忽視。為了明晰廢氣特有的物性，擬定了統一情形下的體積分率：二氧化碳及特有的水分，分別占到10%的比值；裝置以內的氮氣，應能占到80%。歧管銜接的轉化器，氣流流動這一狀態，被擬定成不可壓縮。

實驗流程內，應側重查驗擴張腔特有的流場屬性；在這時，可忽略掉載體范疇中的催化反應。催化轉化器及安設的發動機，距離還是偏近的。為此，擬定轉化器范疇之中的流體溫度，恒定成這一時段的排氣溫度。

3 歧管架構中的流場

歧管及銜接的轉化器，在固有的擴張腔部位，應能予以匯合。這一部位擬定的流場，帶有最復雜的總架構。與此同時，OBD架構之中的前氧傳感器，也被安設在這一區段。不同特性的發動機，運轉時段中的轉速不同；流場模擬得來的數值，應能比較近似。為此，給出來的發動機轉速，被設定成5000r/min；缸排氣特有的擴張腔，也應解析這一流場布設。

排氣歧管固有的構造特性，對催化轉化范疇以內的氣流走向，帶有側重的影響。若要縮減腔體之中原有的渦流，便利接續的信號辨識，就應改進設定好的歧管框架。歧管及擴張特性的腔體中間，帶有潛藏著的某種傾斜。改進得來的新穎方案，把兩種配件固有的交匯端點，安設在擴張腔這一范疇的中心。保障順暢通氣，把體系架構之中的排氣歧管，變更了擬定好的走向、布設的規律。改進得來的新歧管，預設了圓滑態勢的轉向，規避了偏大范疇的轉彎。

車體配有的缸排氣，凸顯了明晰的氣流分布。運算得來的數值顯示：氧傳感器固有的周邊流場，得到偏大規模的改進。擴張腔特有的左邊渦流，縮減了原有尺寸；傳感器前側銜接的氣流，能隨時折射出缸體的運行態勢，縮減了誤判概率。

4 載體特有的屬性改進

4.1 氣流勻稱特性

耦合式及特有的分離式歧管，在前兩階特有的模態頻率，大體上相似。而模態振型特有的前四階，很大程度上凸顯了一致的傾向性。相比而言，耦合式比分離式的設計方式，擁有更高層級的剛度。但應注意的是，安裝催化器支架后，模態頻率需避開發動機的激勵頻率，同時留有一定的頻率裕度防止共振。使得改進以后的新方式，比以往常用的歧管框架，平均態勢的系數縮減了39%。這就表明，改進得來的新構架，提升了氣流布設特有的均勻狀態。這樣做，不僅能促動催化劑原有的利用頻率升高并縮減局部方位的過熱傾向，還能順帶縮減體系以內的溫度梯度，進而延展了配件壽命。

相關人員可以把計算得來的多重數值，帶入設定出來的歧管架構，從而計算出截面范疇的氣流系數。與載體范疇之中的不均勻度進行對比，并衡量運算得來的兩種系數。其中不均勻度特有的表征系數，包含橫截面架構之內的網格氣流、單元網格承載著的氣相流量、擬定好的單元數目。因此，與不均勻度進行比對使得結果就更具全面性。也就是說運算得來的數值越小，表征著氣流特有的布設傾向，就越是均勻。

4.2 體系以內的背壓

歧管式框架以內的排氣背壓，能辨識歧管特有的優劣狀態，是擬定好的側重指標。經由模型模擬，能得到精準情形下的這種背壓。調研得來的結果明晰：體系以內的一個氣缸，比對原有的排氣背壓，略微有升高；其他范疇中的氣缸，都縮減了原有的背壓。改進得來的新穎方式，變更了氧傳感器布設的流場框架，也促動了氣流流動這一時段的均勻狀態。部分區段之內的排氣狀態，凸顯了偏小態勢的這種背壓。

5 擬定的可行算法

5.1 選出來的算法類別

問題辨識必備的模型，包含質量及特有的動量守恒、標準態勢的湍流模型。采納慣用的有限體積法，把標識出來的運算區域，分成離散架構之中的控制體；在細分得來的網格上，擬定變量特有的代數方程。通用特性的控制方程，密切關聯著設定好的介質密度、查驗得來的流速、其他范疇的變量。除此以外，還涵蓋廣義范疇中的擴散系數、帶有通用特性的源項。

采納建構好的連續方程，可以表征動量守恒這一模型、對應情形下的湍流模型。運算之中，應側重辨識壓力項、體系架構中的速度項。建構出來的這種模型，適宜湍流主體。為此，采納特有的壁函數法，描畫出壁面方位的流動傾向。

5.2 明晰邊界條件

發動機特有的排氣流程內，歧管安設的入口方位，氣相流量會隨同安設的排氣門，隨時予以變更。為縮減這一運算，擬定歧管對應著的排氣門，在打開態勢下，氣流量不會更替。歧管配有的轉化器，串聯著體系架構之中的排氣總管；因此，可以依循布設的流場，審慎處理擬定好的條件。壁面預設的條件，是載體不會滑脫。轉化器布設的空間，被擬定成多孔特性的介質區段。

6 結束語

歧管式特性的轉化器，經由結構改造，縮減了架構原有的排氣背壓；對于安設的發動機，縮減耗費掉的燃油量，提升經濟特性。數值模擬特有的這種改進，縮減了擬定好的樣件加工、接續的測驗耗費。在偏短時段中，完成初始時段的構架設計，縮減開發耗費。流場分析特有的開發，是車體配件的新穎開發路徑。