插管式與蚌殼式排氣歧管催化器的CFD對(duì)比分析

楊林強(qiáng)，錢德猛，張超

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

插管式與蚌殼式排氣歧管催化器的CFD對(duì)比分析

楊林強(qiáng)，錢德猛，張超

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中，與催化器相連的排氣歧管有插管式與蚌殼式兩種。為了研究這兩種耦合排氣歧管的氣體流動(dòng)特性，分別對(duì)其進(jìn)行CFD分析，計(jì)算得到催化器入口端氣流速度均勻性系數(shù)、氧傳感器表面速度相關(guān)參數(shù)。結(jié)果表明：各缸排氣時(shí)，插管式排氣歧管催化器入口端氣流速度均勻性系數(shù)低，蚌殼式排氣歧管催化器入口端氣流速度均勻性系數(shù)高；插管式與蚌殼式排氣歧管氧傳感器位置布置均合理。模擬分析可以減小產(chǎn)品開發(fā)的周期、人工成本等。

排氣歧管；速度均勻性系數(shù)；氧傳感器位置

0 引言

隨著環(huán)境壓力的加大，各國都針對(duì)汽車提出了更嚴(yán)格的排放法規(guī)。要達(dá)到這些法規(guī)，排氣系統(tǒng)中催化器必須有很高的轉(zhuǎn)換效率[1-2]，同時(shí)還必須有足夠的耐久性和低的成本[3-4]。三元催化器載體前端的氣體分布對(duì)三元催化器的轉(zhuǎn)化效率和老化有重要的影響[5-7]。

均勻的氣流分布可以提高催化器的轉(zhuǎn)化效率，而且可以避免局部氣流速度過高，從而避免局部熱負(fù)荷過高[8]。相反，氣流分布不均勻，流速高區(qū)域的氣流經(jīng)過載體時(shí)間短，轉(zhuǎn)化效率降低。流速低區(qū)域的氣體流量很小，載體中的催化劑得不到充分利用。局部速度過高會(huì)帶來很高的熱負(fù)荷，造成熱應(yīng)力破壞。載體的阻力也會(huì)比較大，增加排氣背壓。所以好的排氣歧管和三元催化器設(shè)計(jì)需要載體前端的速度分布非常均勻。同時(shí)要達(dá)到低的排放，還需要精確和穩(wěn)定的控制策略[9]，這要求選擇合適的氧傳感器的位置，使氧傳感器能準(zhǔn)確地檢測到飛起的成分并傳回ECU。

文中對(duì)插管式和蚌殼式兩種排氣歧管催化器進(jìn)行分析，分析的模型是包括氧傳感器的催化轉(zhuǎn)化器排氣歧管三維模型。分析計(jì)算的評(píng)價(jià)指標(biāo)有以下兩點(diǎn)：催化器載體入口端的氣流速度均勻性系數(shù)；氧傳感器布置的位置。

1 計(jì)算模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

此次分析的兩種催化器排氣歧管模型見圖1。

1.2 網(wǎng)格模型

由于催化器中涂層的結(jié)構(gòu)不規(guī)則，很難用真實(shí)的結(jié)構(gòu)來模擬，一般用多孔介質(zhì)來模擬催化器結(jié)構(gòu)。通過拉伸來獲得載體的體網(wǎng)格，保證高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

考慮到壁面附近的邊界層影響，在壁面上生成一層邊界層網(wǎng)格。為了避免在模型的進(jìn)出口邊界面出現(xiàn)回流情況，在進(jìn)出口面處各拉伸20層左右的網(wǎng)格。此模型體網(wǎng)格總數(shù)約為45萬。

1.3 邊界條件

9月，應(yīng)中共中央的邀請，在香港的民主人士分批離港，秘密前往東北解放區(qū)。沈鈞儒、郭沫若、章伯鈞等第一批離港，沙千里是第二批離開的。他到哈爾濱后，以民盟及救國會(huì)成員的身份和沈鈞儒等一同參與民主黨派的政治活動(dòng)。

此次計(jì)算的工況為額定工況。采用一維性能軟件BOOST提供的邊界條件，具體邊界條件如下：

進(jìn)口條件：溫度800 ℃,質(zhì)量流量350 kg/h；

出口條件：壓力0.125 MPa。

1.4 多孔介質(zhì)

(1)催化器參數(shù)設(shè)置

催化器結(jié)構(gòu)包括載體和涂層，見圖3。其中δwall為載體壁厚，δwc為涂層厚度。在催化器參數(shù)設(shè)置中分別輸入催化器目數(shù)、壁厚及涂層厚度。

(2)壓力降曲線

文中采用的壓力降模型為Forchheimer。其公式為：

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 均勻性系數(shù)

對(duì)于催化劑而言，進(jìn)入其中的氣流分布越均勻，則催化效率越高，而評(píng)價(jià)氣流分布均勻的指標(biāo)就是速度均勻性系數(shù)，公式如下：

其中:Ai表示單元面積;

A表示整個(gè)出口的面積;

ui表示單元的速度;

通常γ值在0～1 之間，越大表示均勻性越好。

表1為插管式排氣歧管與蚌殼式排氣歧管各缸排氣時(shí)，催化器入口端的氣流速度均勻性系數(shù)。蚌殼式排氣歧管第1～4缸排氣時(shí)，催化器入口端的氣流速度均勻性系數(shù)分別為0.932 2、0.883 1、0.899 7及0.896 4;插管式排氣歧管第1～4缸排氣時(shí)，催化器入口端的氣流速度均勻性系數(shù)分別為0.727 9、0.838 5、0.831 7及0.725 9。

表1 速度均勻性系數(shù)

從表1中可以看出:插管式排氣歧管各缸排氣時(shí)，催化器入口端的氣流速度均勻性系數(shù)均不滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。尤其是第1和第4缸排氣時(shí)，催化器入口端的氣流速度均勻性非常差；蚌殼式排氣歧管各缸排氣時(shí)，催化器入口端的氣流速度均勻性系數(shù)均滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4為插管式排氣歧管和蚌殼式排氣歧管各缸分別排氣時(shí)，催化器入口端面的氣流速度分布圖?？梢钥闯觯喊鰵な脚艢馄绻芨鞲着艢鈺r(shí)，催化器入口氣流速度均勻性好；插管式排氣歧管各缸排氣時(shí)，催化器入口氣流速度均勻性差，尤其是第1和第4缸排氣時(shí)。這也與表1中速度均勻性系數(shù)相對(duì)應(yīng)。

2.2 最大平均流速(AFV)和最大流速差異性系數(shù)(FSD)

最大平均流速和最大流速差異性系數(shù)均是評(píng)價(jià)氧傳感器位置的指標(biāo)，其中最大平均流速(AFV)的計(jì)算公式為：

其中：v1max、v2max、v3max、v4max分別是缸1、缸2、缸3、缸4排氣時(shí)，氧傳感器周圍的最大速度。

最大流速差異性系數(shù)(FSD)的計(jì)算公式為：

只有AFV≥100 m/s，同時(shí)FSD≤1時(shí)，才能評(píng)判氧傳感器的位置滿足要求，否則氧傳感器的位置必須重新布置。

表2和表3分別為蚌殼式排氣歧管和插管式排氣歧管各缸排氣時(shí)，氧傳感器相關(guān)參數(shù)。

表2 蚌殼式排氣歧管氧傳感器相關(guān)參數(shù)

表3 插管式排氣歧管氧傳感器相關(guān)參數(shù)

其中，蚌殼式排氣歧管第1～4缸排氣時(shí)，氧傳感器表面最大速度分別為216、270、259及230 m/s，最大流速差異性系數(shù)為0.222；插管式排氣歧管第1～4缸排氣時(shí)，氧傳感器表面最大速度分別為403、412、392、399 m/s，最大流速差異性系數(shù)為0.05。

從表2可以看出：蚌殼式排氣歧管各缸排氣時(shí)，氧傳感器表面最大速度均大于100 m/s，最大流速差異性系數(shù)小于1，兩項(xiàng)指標(biāo)均滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。插管式排氣歧管各缸排氣時(shí)，氧傳感器表面最大速度均大于100 m/s，最大流速差異性系數(shù)小于1，兩項(xiàng)指標(biāo)均滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5為插管式排氣歧管和蚌殼式排氣歧管各缸分別排氣時(shí)，氧傳感器表面速度分布圖?？梢钥闯觯翰骞苁脚艢馄绻芨鞲着艢鈺r(shí)，氣流集中流經(jīng)的部位經(jīng)過氧傳感器表面；蚌殼式排氣歧管各缸排氣時(shí)，氣流集中流經(jīng)的部位經(jīng)過氧傳感器表面。

3 結(jié)論

通過對(duì)插管式排氣歧管和蚌殼式排氣歧管的催化器進(jìn)行CFD分析，得出以下結(jié)論：

(1)各缸分別排氣時(shí)，插管式排氣歧管催化器催化器入口端的氣流速度均勻性差，不滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。蚌殼式排氣歧管催化器催化器入口端的氣流速度均勻性好，滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)各缸分別排氣時(shí)，插管式和蚌殼式排氣歧管的廢氣均流經(jīng)氧傳感器表面，從而氧傳感器位置布置合理，氧傳感器可以準(zhǔn)確測量出廢氣中氧氣的含量。

(3)對(duì)不同類型排氣歧管催化器進(jìn)行模擬分析，可以減小產(chǎn)品開發(fā)的周期，節(jié)省人力、物力。

【1】 鄒凱，張超，王宏大，等.某發(fā)動(dòng)機(jī)催化轉(zhuǎn)化器的CFD分析[J].內(nèi)燃機(jī)，2013(2)：5-7.

【2】 劉彪，梁昱，周立迎，等.催化轉(zhuǎn)化器載體對(duì)流場及壓力損失的影響 [J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004,31(1)：17-20.

【3】 高巧，許濤.某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)三元催化器內(nèi)流場分析[J].內(nèi)燃機(jī),2011(8):10-11.

【4】 龔金科,康紅艷,彭煒琳,等.汽油車三效催化轉(zhuǎn)化器反應(yīng)流的數(shù)值模擬[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2006,24(1)：62-66.

【5】 龔金科,蔡皓,耿玉鶴,等.改進(jìn)型汽油機(jī)三效催化轉(zhuǎn)換器反應(yīng)模型及試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2009,27(5)：430-434.

【6】 張力,閆云飛，冉景煜,等.天然氣汽車三效催化器流場均勻性數(shù)值模擬及催化劑優(yōu)化[J].化工學(xué)報(bào)，2005,56(9)：1679-1684.

【7】 梁昱，周立迎，龔金科，等.車用催化轉(zhuǎn)化器入口管結(jié)構(gòu)改進(jìn)模擬與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006,37(9)：53-57.

【8】 郭威，錢德猛.某柴油機(jī)催化器性能的CFD模擬分析[J].客車技術(shù)，2012(5):19-21.

【9】 谷芳,劉伯潭，程魁玉,等.歧管式催化轉(zhuǎn)化器流場分析于結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].汽車工程，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

楊林強(qiáng)(1976—)，學(xué)士，高級(jí)工程師，從事發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作。E-mail：563420286@qq.com。