某增压型汽油机催化转化器分析

穆芳影，张超，马勇，常耀红， 姚炜

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

某增压型汽油机催化转化器分析

穆芳影，张超，马勇，常耀红， 姚炜

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

在增压型汽油机的开发过程中，需要评估其催化器入口处的气流分布均匀性是否能够满足均匀性的评价标准。利用CFD软件，通过对某增压型汽油机催化器进行稳态分析，计算得到载体入口处的气流速度均匀性系数、氧传感器表面速度分布、总压分布等。结果表明: 考虑涡轮机出口的旋流和废气旁通阀结构，得到的结果更准确；载体入口处的气流速度均匀性系数满足评价标准；氧传感器位于废气主流区，其布置位置合理；催化器的总压分布合理，压力损失在正常范围内。

增压型汽油机；催化转化器；旋流；速度均匀性系数；总压

0 引言

近些年来，环境污染事故越来越多，汽车尾气对环境造成的危害日益引起公众的重视。并且，国家对汽车尾气排放的标准越来越苛刻。为了满足排放法规、减少尾气排放对环境造成的危害，整车厂家普遍采用安装催化转化器来降低尾气排放[1]。进入到催化器的废气均匀性影响催化器的催化效率和使用寿命[2-3]。由于废气温度很高，如果进入载体的高温废气不均匀，流速高的载体区域温度高，易老化，使用寿命减短并且容易烧蚀；流速低的载体区域废气流量少，催化效率低，造成极大的浪费[4-5]。

利用CFD软件进行催化转化器数值模拟是催化器优化设计的一个重要方法[6-7]。目前针对涡轮增压机型的催化转化器的数值模拟较少，仅有的研究工作也只是假设催化器入口气流为均匀速度分布，尚未考虑涡轮机出口旋流的影响[8]。实际上涡轮机的旋流是一个复杂的流动，它不仅包括沿入口法向的流动，还包括径向、周向的流动。所以只有考虑了涡轮机的旋流运动以及废气旁通阀的实际结构，催化转化器的数值模拟才更贴近实际工况，模拟结果才会更准确。

文中利用AVL FIRE软件，对某涡轮增压型汽油机的催化器进行分析。为了和实际模型更加接近，考虑了废气旁通阀入口和涡轮机入口，在涡轮机入口考虑气流的旋流运动，在废气旁通入口考虑气流经过废气旁通阀的实际情况。计算结果包括载体入口处的气流均匀性系数、在催化器内部的气流流动迹线图、催化器的总压分布及压力损失等。

1 模型

1.1 数模

为了更精确地模拟催化器入口的气流运动轨迹，文中计算的模型包括增压器蜗壳。模型有两个入口，一个与废气旁通相连，一个与涡轮机相连，并且考虑了废气旁通阀的具体结构，见图1。在扩张管中部区域安装有氧传感器。

1.2 网格划分

此次计算使用FAME生成以六面体为主的计算网格。考虑到壁面附近的边界层影响，在壁面上生成两层边界层网格。为避免回流，在进出口各拉伸10层左右的网格。整个模型的体网格如图2所示。

1.3 边界条件

进口边界：

入口_涡轮机:为了更加精确地模拟涡轮机气流，在此处调用一个程序，它可以自动模拟涡轮机的旋流。在该程序中输入该工况下涡轮机转速、质量流量及温度。

入口_废气旁通：输入质量流量、温度。

出口边界：采用静压。

1.4 多孔介质设置

在三维软件中，用多孔介质来模拟载体结构。在多孔介质中需要指定气体在其中的流动矢量方向。

(1)多孔介质参数设置

催化剂是在白载体基础上添加图层，载体单通道示意图见图3。其中δwall为载体壁厚(单位mm)，δwc为涂层厚度(单位mm)。在多孔介质参数设置中输入催化剂目数、壁厚及涂层厚度。其中，目数为每平方英寸内所包含通道数目。

(2)压力降曲线

文中采用的压力降模型为三维软件自带的Forchheimer。其公式为：

其中：dp/dx为压力梯度，α为黏性阻尼系数，μ为动力黏度，ε为惯性阻尼系数，ρ为密度，ω为速度。

文中通过输入动力黏度、气体密度及压力降曲线来模拟气体在DOC内的运动，其中压力降曲线由载体供应商提供，见图4。

2 分析结果

2.1 载体入口均匀性

计算得到的载体入口处速度均匀性系数为0.947，满足该位置处的均匀性评价标准。图5为催化器入口处的速度分布，该截面处最大速度为68 m/s，最小速度为36 m/s。可以看出：废气进入催化器时，绝大部分比较均匀。这样有利于废气与载体涂层充分接触，增加催化转化效率，减小载体热裂风险。

2.2 催化器流场分布

图6为载体前端气流流动迹线图。可以看出：来自涡轮机的气流由于添加了旋流模拟，所以气流以旋流方式进入催化器；由于模拟工况下废气旁通阀是部分开启状态，来自废气旁通阀的气流从废气旁通阀的周围间隙处进入催化器；来自两个不同入口的气流在催化器前端混合，混合后的气流进入载体。

2.3 氧传感器表面速度分布

图7为氧传感器表面速度分布。氧传感器表面最大速度为343 m/s，氧传感器位于废气主流区。安装于此处的氧传感器可以准确地采集废气中的氧含量，并传回到ECU，从而达到精确和稳定的控制策略，氧传感器布置位置合理。

2.4 压力分布

图8为催化器的总压分布。

可以看出：从入口到出口，催化器总压逐渐减小；催化器结构中，总压分布正常，没有压力损失较大的部位,催化器封装结构合理。

图9为载体及催化器的总压损失。其中，载体总压损失为21.73 kPa，催化器总压损失为24.85 kPa。可以看出：催化器的总压损失主要集中在载体区域，这是由于载体目数多，气流通道窄，气流流动阻力大；载体前的扩张管与载体后的收缩管由于是空管，所以流动阻力小，总压损失相对较小。这种催化器总压分布情况是正常的。

3 结论

通过以上对催化器内部速度均匀性、流场、总压等分析得到的结果，得出以下几个结论：

(1)考虑涡轮机出口的旋流和废气旁通阀结构，建立的催化器分析模型更加贴近实际模型，结果更加准确；

(2)该催化器载体入口处的气流流动均匀性满足评价标准，保证了废气与涂层均匀接触，提高催化器的催化转化效率，降低了载体局部热裂的风险；

(3)氧传感器位于发动机废气集中流经的区域，能够准确地测量废气中氧气的含量；

(4)催化器的总压分布合理，总压损失在合理范围内。

【1】龚金科，康红艳，彭炜琳，等.汽油车三效催化转化器反应流的数值模拟[J].内燃机学报，2006,24(1)：62-66.

【2】龚金科，蔡皓，耿玉鹤，等.改进型汽油机三效催化转化器反应模型及试验研究[J].内燃机学报，2009,27(5)：430-434.

【3】梁昱，周立迎，龚金科，等.车用催化转化器入口管结构改进模拟与试验[J].农业机械学报，2006,37(9)：53-57.

【4】谷芳，刘伯潭，程魁玉，等.歧管式催化转化器流场分析与结构改进[J].汽车工程，2007,29(12)：1066-1069.

【5】龚金科，周立迎, 梁昱,等.三效催化转化器压力损失对发动机性能的影响[J].汽车工程，2004,26(4)：413-416.

【6】金华玉，刘忠长, 沈照杰,等.三维模拟计算中的前后处理方法研究[J].内燃机工程，2010,31(5)：103-108.

【7】谷芳，刘伯潭，潘书杰.排气系统的数值模拟及优化设计[J].汽车工程，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，学士，工程师，研究方向为发动机设计。E-mail：563420286@qq.com。