王丹 劉雙喜 牟江峰 陳浩

（1-天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300072 2-中國(guó)汽車技術(shù)研究中心汽車工程研究院）

·設(shè)計(jì)·計(jì)算·

某汽油機(jī)催化器系統(tǒng)的CFD分析

王丹1,2劉雙喜2牟江峰2陳浩2

（1-天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300072 2-中國(guó)汽車技術(shù)研究中心汽車工程研究院）

利用三維流體分析軟件STAR-CCM+對(duì)某汽油機(jī)催化器系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析，運(yùn)用多孔介質(zhì)模型模擬催化器內(nèi)部的流動(dòng)，重點(diǎn)考察了該催化器系統(tǒng)的壓力損失和氣流分布均勻性，并對(duì)氧傳感器的位置進(jìn)行了評(píng)估。綜合各項(xiàng)分析評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出優(yōu)化建議，為排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能改進(jìn)提供理論依據(jù)。

催化器系統(tǒng)壓力損失均勻性氧傳感器CFD

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)生干涉，且安裝方便。此外，考慮到排氣系統(tǒng)總成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的直接影響，排氣系統(tǒng)應(yīng)具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能，流通能力強(qiáng)，壓力損失小，氣流分布均勻[1，2]。三效催化器是汽油機(jī)上廣泛采用的排氣后處理設(shè)備。為了滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，有效控制汽車尾氣排放，三效催化器必須具有較高的轉(zhuǎn)化效率和良好的耐久性，因此在進(jìn)行排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(shù)值仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)水平的進(jìn)步，催化器系統(tǒng)的CFD流體分析成為其開發(fā)過程的重要步驟之一。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD（Computational Fluid Dynamics）是進(jìn)行汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究的有效方法。通過CFD計(jì)算得到排氣系統(tǒng)內(nèi)部空氣流動(dòng)的詳細(xì)信息，從而在產(chǎn)品開發(fā)初期預(yù)知產(chǎn)品的性能，為后期設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論指導(dǎo)[6]。與試驗(yàn)相比，CFD計(jì)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(jī)催化器系統(tǒng)三維模型，通過CFD計(jì)算分析了催化器系統(tǒng)內(nèi)流場(chǎng)的壓力分布、速度分布、溫度分布，從而對(duì)該催化器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，并提出優(yōu)化方向。

1 CFD模型及計(jì)算方法

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

采用有限元分析軟件HyperMesh進(jìn)行前處理，抽取催化器系統(tǒng)的內(nèi)腔幾何結(jié)構(gòu)，進(jìn)行幾何清理和面網(wǎng)格的劃分。圖1是催化器系統(tǒng)的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)圖，主要有入口、出口、前錐、后錐以及催化器5個(gè)區(qū)域，為了準(zhǔn)確測(cè)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(tǒng)的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)圖

將HyperMesh處理好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到STARCCM+中，檢查面網(wǎng)格質(zhì)量。網(wǎng)格是模擬與分析的載體，網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)CFD計(jì)算精度和計(jì)算效率有重要影響。STAR-CCM+提供了3種網(wǎng)格單元，即四面體、六面體以及多面體單元。根據(jù)三維模型的結(jié)構(gòu)，采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行體網(wǎng)格劃分。圖2是催化器系統(tǒng)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖，基本尺寸為2mm，體網(wǎng)格數(shù)量為32萬左右，檢查體網(wǎng)格質(zhì)量。

圖2 催化器系統(tǒng)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖

1.2 理論基礎(chǔ)

催化器系統(tǒng)的CFD計(jì)算采用不可壓縮流體的N-S方程進(jìn)行迭代求解。其控制方程有：質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程。計(jì)算為穩(wěn)態(tài)過程，采用SIMPLE算法進(jìn)行壓力項(xiàng)和速度項(xiàng)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(shè)置壁面層，其它區(qū)域的壁面為無滑移速度條件，采用壁面函數(shù)法描述壁面附近的流動(dòng)。計(jì)算流體為不可壓縮的理想氣體，考慮溫度變化對(duì)粘度的影響。

催化器載體按各向同性多孔介質(zhì)處理，氣流在多孔介質(zhì)區(qū)的流動(dòng)為層流流動(dòng)，流體流經(jīng)載體時(shí)只有沿軸向方向的速度和壓力損失。根據(jù)Darcy定律，氣流流經(jīng)催化器載體時(shí)產(chǎn)生的壓降可表示為：

式中，ΔP/L為單位長(zhǎng)度催化器的壓力降，υ為排氣流速，Pi為粘性阻力系數(shù)，Pυ為慣性阻力系數(shù)。常用的確定多孔介質(zhì)阻力系數(shù)的方法是根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到壓降與流速的曲線，通過曲線擬合，對(duì)應(yīng)上述壓降公式確定的。

1.3 邊界條件

計(jì)算采用全速全負(fù)荷工況，只要在該工況點(diǎn)滿足性能要求，其它常用的行駛工況也會(huì)滿足要求。入口為質(zhì)量進(jìn)口邊界，其入口流量為0.152kg/s，溫度為1009K，湍流強(qiáng)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(qiáng)度10%，水利直徑52mm?？紤]到催化器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，添加能量源，其數(shù)值是由經(jīng)驗(yàn)獲得的。催化器視為多孔介質(zhì)，其它部分按流體區(qū)域計(jì)算，在催化器的前后與其它區(qū)域交界處設(shè)置交界面。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 排氣背壓

排氣背壓是考察排氣系統(tǒng)優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。排氣系統(tǒng)的壓力損失直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣效率和燃油經(jīng)濟(jì)性，決定發(fā)動(dòng)機(jī)排氣效果[7]。圖3為催化器系統(tǒng)表面的壓力云圖。從圖中可以看出，在系統(tǒng)彎曲處或者收縮處，由于結(jié)構(gòu)突變，壓力變化較大。表1列出了催化器系統(tǒng)各部分的壓降，可以看出，催化器的前錐區(qū)域的壓力損失很小，而催化器載體和后錐區(qū)域排氣壓降比較明顯。一般情況下，企業(yè)對(duì)催化器系統(tǒng)的背壓目標(biāo)值為25kPa左右，該催化器系統(tǒng)的總壓力損失為22kPa，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 催化器系統(tǒng)各部分的壓降

圖3 催化器系統(tǒng)壓力分布圖

2.2 溫度分布

圖4為催化器系統(tǒng)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(nèi)部發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)放熱，載體溫度最高；載體內(nèi)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(huán)境的對(duì)流換熱，溫度比芯體中心低一些。

圖4 排氣系統(tǒng)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(chǎng)的流通性不好，會(huì)降低排氣速度，增加排氣阻力，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率[8]。圖6是催化器系統(tǒng)的速度跡線圖。圖7是后級(jí)氧傳感器附近的速度跡線圖。從圖中可以看出，整個(gè)催化器系統(tǒng)流通性能良好，前級(jí)和后級(jí)氧傳感器附近流速均勻，沒有產(chǎn)生渦流。由于催化器前錐轉(zhuǎn)彎角度較小，空氣流過前錐時(shí)，氣流主流因流向突變而脫離前錐管壁表面，氣流在局部區(qū)域產(chǎn)生漩渦，但空氣流速不大，對(duì)流場(chǎng)的流通性影響不大，對(duì)催化器入口的進(jìn)氣均勻性會(huì)產(chǎn)生影響。

圖6 催化器系統(tǒng)速度跡線圖

圖7 后級(jí)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(dòng)均勻性，決定了氣流在載體內(nèi)的停留時(shí)間，從而影響催化器的轉(zhuǎn)化效率和溫度分布。催化器載體內(nèi)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(chǎn)生的溫度梯度，從而提高催化器的轉(zhuǎn)化效率和使用壽命[9]。為了考察催化器載體內(nèi)的流動(dòng)均勻性，應(yīng)用載體入口截面的速度均勻度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其公式為：

式中，γ為均勻度指數(shù)；m為載體入口截面的網(wǎng)格總數(shù)；Ci為載體入口截面上網(wǎng)格單元i的速度，是整個(gè)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(chǎng)分布完全均勻。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，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(jì)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(shí)轉(zhuǎn)化效率最高，為了精確控制空燃比，汽車OBD系統(tǒng)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(xié)助主氧傳感器進(jìn)行空燃比控制修正和監(jiān)視催化劑是否失效。為了準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)排氣氧含量，氧傳感器的布置位置要求處于主流區(qū)、氣流垂直沖擊且具有較好的流動(dòng)均勻性[10]。圖9為前級(jí)氧傳感器截面的速度分布圖。圖10為后級(jí)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(shí)地監(jiān)測(cè)排氣成分的變化，不會(huì)造成信號(hào)誤判。但前氧傳感器沒有明顯位于主流區(qū)，周圍流速較低，無法滿足氧傳感器對(duì)氣流速度的要求，容易造成監(jiān)測(cè)不靈敏，信號(hào)延誤。底盤空間允許的話，建議對(duì)前氧傳感器的位置進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)氧傳感器周圍的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

圖9 前級(jí)氧傳感器截面的速度分布

圖10 后級(jí)氧傳感器截面的速度分布

3 結(jié)論

利用CFD軟件對(duì)某汽油機(jī)催化器系統(tǒng)的內(nèi)部流動(dòng)特征進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果表明：

1）該催化器系統(tǒng)流通性能良好、壓力損失和流場(chǎng)均勻性滿足設(shè)計(jì)要求。

2）由于催化反應(yīng)放熱，催化器載體溫度最高，且載體內(nèi)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(jí)和后級(jí)氧傳感器附近流速均勻性良好，沒有產(chǎn)生渦流。后級(jí)氧傳感器的位置滿足設(shè)計(jì)要求，但前氧傳感器沒有位于主流區(qū)，不滿足氧傳感器對(duì)氣流速度的要求，建議進(jìn)一步優(yōu)化。

1劉軍.汽車排氣催化轉(zhuǎn)化裝置氣流特性分析[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2001（4）：25～28.

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

4錢多德，姚煒.汽油機(jī)排氣歧管內(nèi)流場(chǎng)CFD模擬[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2010（5）：30～32

5張沛毅，王超，楊陳，等.某汽油機(jī)歧管式催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2013，42（6）：59～64

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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?yàn)檎嚐峁芾?，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。