某增壓型汽油機催化轉化器分析

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)

某增壓型汽油機催化轉化器分析

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)

在增壓型汽油機的開發過程中，需要評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價標準。利用CFD軟件，通過對某增壓型汽油機催化器進行穩態分析，計算得到載體入口處的氣流速度均勻性系數、氧傳感器表面速度分布、總壓分布等。結果表明: 考慮渦輪機出口的旋流和廢氣旁通閥結構，得到的結果更準確；載體入口處的氣流速度均勻性系數滿足評價標準；氧傳感器位于廢氣主流區，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。

增壓型汽油機；催化轉化器；旋流；速度均勻性系數；總壓

0 引言

近些年來，環境污染事故越來越多，汽車尾氣對環境造成的危害日益引起公眾的重視。并且，國家對汽車尾氣排放的標準越來越苛刻。為了滿足排放法規、減少尾氣排放對環境造成的危害，整車廠家普遍采用安裝催化轉化器來降低尾氣排放[1]。進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，如果進入載體的高溫廢氣不均勻，流速高的載體區域溫度高，易老化，使用壽命減短并且容易燒蝕；流速低的載體區域廢氣流量少，催化效率低，造成極大的浪費[4-5]。

利用CFD軟件進行催化轉化器數值模擬是催化器優化設計的一個重要方法[6-7]。目前針對渦輪增壓機型的催化轉化器的數值模擬較少，僅有的研究工作也只是假設催化器入口氣流為均勻速度分布，尚未考慮渦輪機出口旋流的影響[8]。實際上渦輪機的旋流是一個復雜的流動，它不僅包括沿入口法向的流動，還包括徑向、周向的流動。所以只有考慮了渦輪機的旋流運動以及廢氣旁通閥的實際結構，催化轉化器的數值模擬才更貼近實際工況，模擬結果才會更準確。

文中利用AVL FIRE軟件，對某渦輪增壓型汽油機的催化器進行分析。為了和實際模型更加接近，考慮了廢氣旁通閥入口和渦輪機入口，在渦輪機入口考慮氣流的旋流運動，在廢氣旁通入口考慮氣流經過廢氣旁通閥的實際情況。計算結果包括載體入口處的氣流均勻性系數、在催化器內部的氣流流動跡線圖、催化器的總壓分布及壓力損失等。

1 模型

1.1 數模

為了更精確地模擬催化器入口的氣流運動軌跡，文中計算的模型包括增壓器蝸殼。模型有兩個入口，一個與廢氣旁通相連，一個與渦輪機相連，并且考慮了廢氣旁通閥的具體結構，見圖1。在擴張管中部區域安裝有氧傳感器。

1.2 網格劃分

此次計算使用FAME生成以六面體為主的計算網格。考慮到壁面附近的邊界層影響，在壁面上生成兩層邊界層網格。為避免回流，在進出口各拉伸10層左右的網格。整個模型的體網格如圖2所示。

1.3 邊界條件

進口邊界：

入口_渦輪機:為了更加精確地模擬渦輪機氣流，在此處調用一個程序，它可以自動模擬渦輪機的旋流。在該程序中輸入該工況下渦輪機轉速、質量流量及溫度。

入口_廢氣旁通：輸入質量流量、溫度。

出口邊界：采用靜壓。

1.4 多孔介質設置

在三維軟件中，用多孔介質來模擬載體結構。在多孔介質中需要指定氣體在其中的流動矢量方向。

(1)多孔介質參數設置

催化劑是在白載體基礎上添加圖層，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)。在多孔介質參數設置中輸入催化劑目數、壁厚及涂層厚度。其中，目數為每平方英寸內所包含通道數目。

(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，μ為動力黏度，ε為慣性阻尼系數，ρ為密度，ω為速度。

文中通過輸入動力黏度、氣體密度及壓力降曲線來模擬氣體在DOC內的運動，其中壓力降曲線由載體供應商提供，見圖4。

2 分析結果

2.1 載體入口均勻性

計算得到的載體入口處速度均勻性系數為0.947，滿足該位置處的均勻性評價標準。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。可以看出：廢氣進入催化器時，絕大部分比較均勻。這樣有利于廢氣與載體涂層充分接觸，增加催化轉化效率，減小載體熱裂風險。

2.2 催化器流場分布

圖6為載體前端氣流流動跡線圖。可以看出：來自渦輪機的氣流由于添加了旋流模擬，所以氣流以旋流方式進入催化器；由于模擬工況下廢氣旁通閥是部分開啟狀態，來自廢氣旁通閥的氣流從廢氣旁通閥的周圍間隙處進入催化器；來自兩個不同入口的氣流在催化器前端混合，混合后的氣流進入載體。

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。安裝于此處的氧傳感器可以準確地采集廢氣中的氧含量，并傳回到ECU，從而達到精確和穩定的控制策略，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，催化器總壓逐漸減小；催化器結構中，總壓分布正常，沒有壓力損失較大的部位,催化器封裝結構合理。

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。可以看出：催化器的總壓損失主要集中在載體區域，這是由于載體目數多，氣流通道窄，氣流流動阻力大；載體前的擴張管與載體后的收縮管由于是空管，所以流動阻力小，總壓損失相對較小。這種催化器總壓分布情況是正常的。

3 結論

通過以上對催化器內部速度均勻性、流場、總壓等分析得到的結果，得出以下幾個結論：

(1)考慮渦輪機出口的旋流和廢氣旁通閥結構，建立的催化器分析模型更加貼近實際模型，結果更加準確；

(2)該催化器載體入口處的氣流流動均勻性滿足評價標準，保證了廢氣與涂層均勻接觸，提高催化器的催化轉化效率，降低了載體局部熱裂的風險；

(3)氧傳感器位于發動機廢氣集中流經的區域，能夠準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。

【1】龔金科，康紅艷，彭煒琳，等.汽油車三效催化轉化器反應流的數值模擬[J].內燃機學報，2006,24(1)：62-66.

【2】龔金科，蔡皓，耿玉鶴，等.改進型汽油機三效催化轉化器反應模型及試驗研究[J].內燃機學報，2009,27(5)：430-434.

【3】梁昱，周立迎，龔金科，等.車用催化轉化器入口管結構改進模擬與試驗[J].農業機械學報，2006,37(9)：53-57.

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

【5】龔金科，周立迎, 梁昱,等.三效催化轉化器壓力損失對發動機性能的影響[J].汽車工程，2004,26(4)：413-416.

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

【7】谷芳，劉伯潭，潘書杰.排氣系統的數值模擬及優化設計[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，學士，工程師，研究方向為發動機設計。E-mail：563420286@qq.com。