歧管式催化转化器结构设计及模态分析

孙鲁青

（滨州学院机电工程系，山东滨州256600）

歧管式催化转化器结构设计及模态分析

孙鲁青

（滨州学院机电工程系，山东滨州256600）

以某歧管式催化转化器为例，总结了其结构设计过程，利用CFD分析评价了内部速度流线、压力损失和载体端面气流均匀性等关键指标；在流场分布满足条件的情况下，通过模态分析验证了主支架结构的合理性。

歧管式催化转化器；结构设计；模态分析

0　引言

随着国家对汽车排放要求的不断提高，歧管式催化转化器的位置越来越靠近发动机，对其性能的要求也越来越高。

但受歧管式催化转化器内部复杂结构和恶劣工作环境的限制，完全真实地了解其流场和振动特性十分困难。因此，借助CAE手段评判流场、背压、强度等各项性能是较为快捷有效的方法，能够为产品的前期设计开发和结构优化提供较为详实的依据。

1　产品开发设计

以某歧管式催化转化器为例，其原始搭载为前级蚌壳式歧管、后级单催的结构，见图1。

主要设计步骤如下：

（1）确定前后法兰位置，并对进气法兰结构进行优化，增加凸台密封面，防止漏气；

（2）确定包体位置，并对进、出气端盖的形状、长度及锥度进行合理设计，使其能够起到良好的导流作用，增加气流与催化剂的接触面积，减少涡流的产生以降低背压；

（3）对歧管本体进行设计，主要考虑实车装配时是否干涉、焊接装夹是否合理、实车耐久性强度及性能是否满足、各导流腔气体流动是否均匀流畅；

（4）最后确定氧传感器接头位置及隔热罩、吊挂件位置，同样须考虑其工艺可行性。

2　CFD分析

2.1建立CFD模型

歧管式催化转化器内部流场分布非常复杂，有气体流动的湍流现象、与外部空气自然对流和内部强迫对流的综合传热现象、管道压力损失以及催化剂载体的结构特性，因此在建立CFD分析模型时，需要建立以下子模型。

（1）湍流模型

标准的k-ε模型假定的流场是完全湍流，分子之间的黏性可以忽略，因而标准k-ε模型适用于完全是湍流的流场计算。文中采用的是k-ξ-f模型，计算的湍流场更准确。

（2）传热模型

主要考虑催化转化器与外部空气的自然对流及内部的强迫对流，忽略内部辐射热的影响。

（3）压力损失模型

歧管式催化转化器内的压力损失也分为沿程损失和局部损失，沿程损失均可由Darcy公式计算：

式中：λ为沿程损失系数，对于不同管段其值不同；ρ为气体密度；μ为气体的动力黏度；l为管道长度；dH为孔道的水力直径；v为气体速度。

（4）多孔介质模型

由于催化剂载体结构大部分都是蜂窝状，具有较高的复杂性，单纯利用网格划分来实现载体的结构是不可能的，因此需要建立多孔介质模型。

2.2边界条件

给定恒定的进口流量0.05 kg/s，出口静压（1个大气压），壁面对流换热。

2.3流场分布云图

下面对各缸分别进气的稳态流场分布情况进行讨论，如图2所示。

从流速流线分布云图可知：1缸、2缸、4缸进气时，气流较为通畅，气流扰动小，压力损失较小；3缸进气时存在一定的串气现象，但对整体流场分布影响不大。

2.4出口端面流速均匀性分析

CFD分析能够较为准确地得到催化转化器的流场分布和压力损失、载体端面流速均匀性等指标，用于评价流场性能，大大节省了开发成本和开发时间。文中采用Weltens等人定义的均匀性系数来建立评价载体流动分布特性的准则：

式中：γ为流动均匀性系数；n为载体管道数，表示i管道上的速度；vmean表示载体横截面上的平均速度。

图3分别给出各缸进气的稳态计算出口端面的速度分布云图。

2.5结果数据

各缸进气的总体压力损失及载体前端面流速均匀性系数情况如表1所示。

表1　催化转化器各缸进气压力损失及载体前端面均匀性系数

3　支架模态分析

3.1边界条件

催化转化器主支架对结构模态影响较大，为防止结构模态较低而发生共振，需要进行模态分析得到其固有特性，从而确定主支架结构的合理性及约束设置的可靠性。有限元模型如图4所示。

对螺栓连接进行全约束，忽略螺纹预紧力的微小影响，采用Lanczos方法求解得到表2所示的前4阶固有频率和振型。

表2　净化器隔热罩前4阶振型说明

3.2模态分析各阶振型云图

催化转化器前4阶振型云图见图5。

4　结论

（1）通过对歧管式催化转化器进行流场稳态分析可以看出：4个气缸分别进气时气流通畅，气流扰动较小，无大的涡流现象；各缸分别进气的压力损失最大差异率为1.8%，载体前端流速均匀性均在0.8以上，是比较理想的结构。

（2）从结构固有频率值和振型云图可知：1阶振型为筒体XOZ平面内1阶弯曲，1阶固有频率658 Hz，远大于普通发动机的爆发频率，说明净化器隔热罩结构设计合理，固定约束可靠。

【1】帅石金，王建昕，庄人隽.车用催化转化器内气体的流动均匀性［J］.清华大学学报:自然科学版，2000，40（5）:99-102.

【2】王晓兰，王军，雷蕾.基于CAE仿真的某发动机排气歧管设计研究［J］.汽车零部件，2015（2）:26-28.

【3】徐献阳.车辆排气系统的振动模态分析及优化［D］.上海:上海交通大学，2007.

【4】邢素芳，王现荣，王超，等.发动机排气系统振动分析［J］.河北工业大学学报，2005，34（5）:109-111.

【5】孙鲁青，贾菲，张一平.基于一维、三维耦合分析的歧管式催化转化器结构优化［J］.汽车技术，2012（6）:40-43.

Structure Design and Modal Analysis for Manifold Catalytic Converter

SUN Luqing
（Electromechanical Engineering Department，Binzhou University，Binzhou Shandong 256600，China）

Taking a manifold catalytic converter as sample，the process of its structure design was summarized，some key indexes such as velocity streamline，pressure loss and flow uniformity of carrier section were evaluated through CFD analysis.In case of flow field distribution satisfied condition，the rationality of main support was verified by modal analysis.

Manifold catalytic converter；Structure design；Modal analysis

2015-05-13

滨州学院科研基金项目（BZXYG1013）

孙鲁青（1984—），男，硕士，讲师，研究方向为CAE分析及结构优化。E-mail:wfldsun@163.com。