插管式与蚌壳式排气歧管催化器的CFD对比分析

杨林强，钱德猛，张超

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

插管式与蚌壳式排气歧管催化器的CFD对比分析

杨林强，钱德猛，张超

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

在汽油发动机中，与催化器相连的排气歧管有插管式与蚌壳式两种。为了研究这两种耦合排气歧管的气体流动特性，分别对其进行CFD分析，计算得到催化器入口端气流速度均匀性系数、氧传感器表面速度相关参数。结果表明：各缸排气时，插管式排气歧管催化器入口端气流速度均匀性系数低，蚌壳式排气歧管催化器入口端气流速度均匀性系数高；插管式与蚌壳式排气歧管氧传感器位置布置均合理。模拟分析可以减小产品开发的周期、人工成本等。

排气歧管；速度均匀性系数；氧传感器位置

0 引言

随着环境压力的加大，各国都针对汽车提出了更严格的排放法规。要达到这些法规，排气系统中催化器必须有很高的转换效率[1-2]，同时还必须有足够的耐久性和低的成本[3-4]。三元催化器载体前端的气体分布对三元催化器的转化效率和老化有重要的影响[5-7]。

均匀的气流分布可以提高催化器的转化效率，而且可以避免局部气流速度过高，从而避免局部热负荷过高[8]。相反，气流分布不均匀，流速高区域的气流经过载体时间短，转化效率降低。流速低区域的气体流量很小，载体中的催化剂得不到充分利用。局部速度过高会带来很高的热负荷，造成热应力破坏。载体的阻力也会比较大，增加排气背压。所以好的排气歧管和三元催化器设计需要载体前端的速度分布非常均匀。同时要达到低的排放，还需要精确和稳定的控制策略[9]，这要求选择合适的氧传感器的位置，使氧传感器能准确地检测到飞起的成分并传回ECU。

文中对插管式和蚌壳式两种排气歧管催化器进行分析，分析的模型是包括氧传感器的催化转化器排气歧管三维模型。分析计算的评价指标有以下两点：催化器载体入口端的气流速度均匀性系数；氧传感器布置的位置。

1 计算模型

1.1 数学模型

此次分析的两种催化器排气歧管模型见图1。

1.2 网格模型

由于催化器中涂层的结构不规则，很难用真实的结构来模拟，一般用多孔介质来模拟催化器结构。通过拉伸来获得载体的体网格，保证高质量的结构化网格。

考虑到壁面附近的边界层影响，在壁面上生成一层边界层网格。为了避免在模型的进出口边界面出现回流情况，在进出口面处各拉伸20层左右的网格。此模型体网格总数约为45万。

1.3 边界条件

9月，应中共中央的邀请，在香港的民主人士分批离港，秘密前往东北解放区。沈钧儒、郭沫若、章伯钧等第一批离港，沙千里是第二批离开的。他到哈尔滨后，以民盟及救国会成员的身份和沈钧儒等一同参与民主党派的政治活动。

此次计算的工况为额定工况。采用一维性能软件BOOST提供的边界条件，具体边界条件如下：

进口条件：温度800 ℃,质量流量350 kg/h；

出口条件：压力0.125 MPa。

1.4 多孔介质

(1)催化器参数设置

催化器结构包括载体和涂层，见图3。其中δwall为载体壁厚，δwc为涂层厚度。在催化器参数设置中分别输入催化器目数、壁厚及涂层厚度。

(2)压力降曲线

文中采用的压力降模型为Forchheimer。其公式为：

2 计算结果

2.1 均匀性系数

对于催化剂而言，进入其中的气流分布越均匀，则催化效率越高，而评价气流分布均匀的指标就是速度均匀性系数，公式如下：

其中:Ai表示单元面积;

A表示整个出口的面积;

ui表示单元的速度;

通常γ值在0～1 之间，越大表示均匀性越好。

表1为插管式排气歧管与蚌壳式排气歧管各缸排气时，催化器入口端的气流速度均匀性系数。蚌壳式排气歧管第1～4缸排气时，催化器入口端的气流速度均匀性系数分别为0.932 2、0.883 1、0.899 7及0.896 4;插管式排气歧管第1～4缸排气时，催化器入口端的气流速度均匀性系数分别为0.727 9、0.838 5、0.831 7及0.725 9。

表1 速度均匀性系数

从表1中可以看出:插管式排气歧管各缸排气时，催化器入口端的气流速度均匀性系数均不满足评价标准。尤其是第1和第4缸排气时，催化器入口端的气流速度均匀性非常差；蚌壳式排气歧管各缸排气时，催化器入口端的气流速度均匀性系数均满足评价标准。

图4为插管式排气歧管和蚌壳式排气歧管各缸分别排气时，催化器入口端面的气流速度分布图。可以看出：蚌壳式排气歧管各缸排气时，催化器入口气流速度均匀性好；插管式排气歧管各缸排气时，催化器入口气流速度均匀性差，尤其是第1和第4缸排气时。这也与表1中速度均匀性系数相对应。

2.2 最大平均流速(AFV)和最大流速差异性系数(FSD)

最大平均流速和最大流速差异性系数均是评价氧传感器位置的指标，其中最大平均流速(AFV)的计算公式为：

其中：v1max、v2max、v3max、v4max分别是缸1、缸2、缸3、缸4排气时，氧传感器周围的最大速度。

最大流速差异性系数(FSD)的计算公式为：

只有AFV≥100 m/s，同时FSD≤1时，才能评判氧传感器的位置满足要求，否则氧传感器的位置必须重新布置。

表2和表3分别为蚌壳式排气歧管和插管式排气歧管各缸排气时，氧传感器相关参数。

表2 蚌壳式排气歧管氧传感器相关参数

表3 插管式排气歧管氧传感器相关参数

其中，蚌壳式排气歧管第1～4缸排气时，氧传感器表面最大速度分别为216、270、259及230 m/s，最大流速差异性系数为0.222；插管式排气歧管第1～4缸排气时，氧传感器表面最大速度分别为403、412、392、399 m/s，最大流速差异性系数为0.05。

从表2可以看出：蚌壳式排气歧管各缸排气时，氧传感器表面最大速度均大于100 m/s，最大流速差异性系数小于1，两项指标均满足评价标准。插管式排气歧管各缸排气时，氧传感器表面最大速度均大于100 m/s，最大流速差异性系数小于1，两项指标均满足评价标准。

图5为插管式排气歧管和蚌壳式排气歧管各缸分别排气时，氧传感器表面速度分布图。可以看出：插管式排气歧管各缸排气时，气流集中流经的部位经过氧传感器表面；蚌壳式排气歧管各缸排气时，气流集中流经的部位经过氧传感器表面。

3 结论

通过对插管式排气歧管和蚌壳式排气歧管的催化器进行CFD分析，得出以下结论：

(1)各缸分别排气时，插管式排气歧管催化器催化器入口端的气流速度均匀性差，不满足评价标准。蚌壳式排气歧管催化器催化器入口端的气流速度均匀性好，满足评价标准。

(2)各缸分别排气时，插管式和蚌壳式排气歧管的废气均流经氧传感器表面，从而氧传感器位置布置合理，氧传感器可以准确测量出废气中氧气的含量。

(3)对不同类型排气歧管催化器进行模拟分析，可以减小产品开发的周期，节省人力、物力。

【1】 邹凯，张超，王宏大，等.某发动机催化转化器的CFD分析[J].内燃机，2013(2)：5-7.

【2】 刘彪，梁昱，周立迎，等.催化转化器载体对流场及压力损失的影响 [J].湖南大学学报：自然科学版，2004,31(1)：17-20.

【3】 高巧，许涛.某汽油发动机三元催化器内流场分析[J].内燃机,2011(8):10-11.

【4】 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.

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

【6】 张力,闫云飞，冉景煜,等.天然气汽车三效催化器流场均匀性数值模拟及催化剂优化[J].化工学报，2005,56(9)：1679-1684.

【7】 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.

【8】 郭威，钱德猛.某柴油机催化器性能的CFD模拟分析[J].客车技术，2012(5):19-21.

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

CFD Contrast Analysis of the Exhaust Manifold with Catalyst for the Intubatton Type and Mussel Type

YANG Linqiang,QIAN Demeng,ZHANG Chao

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei Anhui 230601,China)

The exhaust manifold with catalysts in gasoline engine has two kinds,the intubatton type and mussel type. CFD analyses for these coupled exhaust manifolds were done,in order to study flow characteristics of gas in them. The gas velocity uniformity coefficient at the catalyst inlet and the related parameters of the oxygen sensor were gotten. The results show that the gas velocity uniformity coefficient of the intubatton type is low,and the mussel type is high when the engine enter the exhaust phase. The places of the oxygen sensor are reasonable for the two exhaust manifold. The simulation can reduce the cycle of the product development and labour cost.

Exhaust manifold;Velocity uniformity coefficient;Place of oxygen sensor

2014-10-31

杨林强(1976—)，学士，高级工程师，从事发动机设计工作。E-mail：563420286@qq.com。