发动机三元催化器数值分析

发动机三元催化器数值分析
张增光高波
（安徽江淮汽车股份有限公司）
摘要：为了分析某发动机三元催化器载体前端气流分布情况，文章对该催化器进行了CFD 数值分析。

计算模式采取稳态计算，计算时分别考虑每个气缸排气，当一个缸排气歧管设定为排气时，其他缸的排气歧管设定为关闭状态。

通过计算得到了载体前端的速度均匀性系数，由于4 个缸分别排气时，速度均匀性系数均大于0.85，满足评价指标，因此该催化器满足设计要求。

关键词：发动机；三元催化器；速度均匀性系数；多孔介质
Numerical Analysis on Three-way Catalyst of Eng in e
A bs t r ac t: In order to a na l y ze gas f l o w di s t ri but i o n in front end of thre e -w a y c a t a l y s t substrate, CFD nume ri c a l a na l y s i s w as
carried out in the paper. Steady mode was chosen as the c a l cul a t i o n mode. Each cy li nder exhaust i s c o ns i dered re s pect i v e l y in
c a l cul a t i o n.When a manif o l
d of on
e cy li nder i s set at exhaust, mani
f o l ds of other cy li nders are set at c l ose mode. By c a l cul a t i ng
the v e l o c i ty uniform i ndex of front end of substrate was ga i ned.All i ndex es was bigger than 0.85 when four cy li nders e xhaust e d re s pect i v e l y.The result met e v a l uat i o n i ndex,and this c a t a l y s t met de s i g n requirement s.
K e y wo r ds：Eng i n e; T h r ee-way ca t a l y s t; Velocity un i f o r m index; Po r ou s m e di um
为控制汽车有害排放物对大气环境的污染，使汽
车尾气排放物控制在一个较低的水平，来满足排放要
求，各国正致力于汽车排放污染控制技术的研究。

三元
催化器是一种机外净化装置，主要应用于汽油机，可同
时减少CO，HC和NO
x
的排放，它以排气中的CO 和
HC 作为还原剂，把NO x 还原成无害的N2 和O2，而CO
和HC 则被氧化成CO
2 和H
2
O，从而达到尾气净化的作
在分析时必须将排气歧管与催化器作为一个整体进行
研究，排气系统几何模型，如图1 所示。

排气歧管
用[1]。

文章通过大型CFD 软件AVL-FIRE 对某型汽油
机的三元催化器内流场进行数值模拟，分析催化器载
体前端的气流分布是否均匀。

催化器
1建立分析模型图1 排气系统几何模型示意图1.1 几何模型
该排气系统为紧耦合式，即排气歧管直接与催化器相连接，为了在催化器前端获得更准确的气流分布，1.2 多孔介质模型
文章中催化剂的参数分别为：蜂孔密度为0.93 个/mm2
式中： A i —单元面积，m 2；
A —整个出口面积，m 2； u i —单元的速度，m /s ； ū—平均速度，m /s 。

通常 γ 值为 0～1，越大表示均匀性越好，一般要求 γ＞0.85。

2.2 结果分析 当气缸 1～气缸 4 分别排气时，催化器载体前端的 气流分布及 γ 的计算结果，如图 2 所示。

230.620
214.930 199.240 （600 cps i ）； 壁 厚 为 0.109 2 mm （4.3 m il ）； 涂 层 厚 度 为 0.050 8 mm （2 m il ）；粘性阻尼系数（α）为 7.03×107 m -2；惯 性阻尼系数（ξ）为 18.46 m -1。

由于催化剂的本身几何结构（多孔的通道），因此
可 将 其 简 化 成 多 孔 介 质 。

流 过 载 体 的 压 力 降 通 过 Forchheimer friction 模型计算。

催化剂的相关流动参数 由用户定义， 压力降通过用户指定粘性损失系数和惯 性损失系数来确定， 而这 2 个系数是根据供应商提供 的流过载体的气流流量和压力降的数据来确定的。

压力降的计算公式为：
坠籽 =-αi μw i -ξ 籽w w i
坠x i
2 183.550 167.870 152.180 136.490 120.800 105.110 89.424 73.736 y 式中：
坠籽
———沿多孔介质方向的压力梯度，Pa/m ；
坠x i
αi —粘性阻尼系数，1/m 2
； μ—动力粘度，Pa ·s ； w i —局部速度分量，m /s ； ξ
—惯性阻尼系数，1/m ； 籽—流体体积质量，kg/m 3。

1.3 边界条件
对于催化剂而言， 最关键的工况是最大体积流量 工况点，这是由于在这个工况点流动分离现象最明显， 气流分布不均匀性更差，内部气流速度更高。

因此分析 采用额定工况点。

计算模式采取稳态计算， 计算时分别考虑每个气 缸排气，当一个缸排气歧管设定为排气时，其他缸的排 气歧管设定为关闭状态。

入口边界条件采用 4 个排气歧管流量峰值的平均
值；出口采用静压边界，该边界由一整个工作循环的各 个瞬态出口压强进行算术平均值计算得到。

具体边界 条件为：入口边界设为质量流量边界，流量为 550 kg/h ， 温度 855 ℃；出口边界设为静压边界，压力为 100 kPa 。

x
z
a 1 缸
（γ=0.886） 227.930 211.960 196.000 180.030 164.070 148.110 132.140 116.180 100.220 84.252 68.288 y x
z
b 2 缸
（γ=0.897） 233.060 215.130 197.200 179.260 161.330 143.400 125.470 107.530 89.602 71.670 53.738 y x
z
2 分析结果
2.1 评价指标
对于催化剂而言，如果载体前端气流分布不均匀，
则导致载体某些区域气流速度过高， 而另一些区域速
度过低。

速度过高的区域会加剧催化剂的裂化速度，缩 短其使用寿命；而速度过低的区域，催化剂的利用率必 然较低。

因此，必须保证载体前端的流动均匀性[2]。

通常利用速度均匀性系数（γ）来评价载体前端的 流动均匀性。

γ 的计算公式为：
移A i
姨（u i
-ū）2
c 3 缸
（γ=0.889） 232.130 215.240 198.340 181.450 164.560 147.660 130.770 113.870 96.979 80.085 63.191
y
x
z
d 4 缸
（γ=0.890） γ
=1-
2A ū
图 2 4 个缸体载体前端气流速度分布云图
- 44 -
气流速度（/ m /s ）
气流速度（/ m /s ）
气流速度（/ m /s ）
气流速度（/ m /s ）
车门内板后部冲压工艺优化（续 2）
邓劲松 蔡孝 回金楷 赵福全
（吉利汽车研究院）
3 工艺性分析
对于同步工程而言， 需要解决的不仅仅是产品成 定位孔最重要，冲孔方向即由此制定，冲压方向与 孔所在平面法向角度一般不允许超过 2°； 安装孔次 之，可根据其孔径确定最大倾斜角度；φ10 以内的孔， 一般直径为多大则最大倾斜角度为多大；超过 φ10 的 孔，一般倾斜角度不允许超过 15°。

螺钉过孔冲孔方 向更灵活一些，一般 φ10 以下的孔最大倾斜角度可按
10°
安排；超过 φ10 的孔，最大倾斜角度为 15°。

工 艺过孔或减轻孔多为异形孔，其冲孔条件最为宽松，一
般情况下可依据修边条件而定（如为圆孔，可按过孔的 条件处理）。

3.2.2 孔轴线方向分类
按照初始冲压方向 （一般初始冲压方向以定位孔
冲压方向为准），分析各孔对冲压方向的角度，如图 12
所示。

对于侧冲孔，由于很多孔都可由斜楔单独冲制，
较为灵活； 对于相同方向的孔， 也可自制斜楔统一冲 型性问题，还要考虑产品生产过程中的工艺性问题。

对 于前门内板后部，根据其产品特征，主要从如下方面考 虑其工艺性。

3.1 修边工艺性判定
判断修边性是否满足条件， 主要是根据产品冲压 方向， 判别产品修边时是否存在修边凸模或凹模强度 不足及刃口过尖或过钝。

当前门内板后部形状平整，修 边线平直时，修边不存在问题。

3.2 冲孔工艺性判定过程
3.2.1 孔的定义
孔分为定位孔、安装孔、过孔及工艺孔等，各种孔 有不同的精度要求， 冲孔时需要根据孔的重要性确定 冲孔方向。

从图 2 可以看出，无论哪缸排气时，载体前端的气流
分布都较为均匀。

其中 1 缸排气时，γ 最小（γ=0.886），但 是也超过 γ>0.85 的评价标准。

因此，目前的状态下，催化 剂前端的气流分布均匀性满足要求。

的水平，最小的 γ=0.886，明显大于 0.85 的评价标准， 因此说明载体前端的流动均匀性较好， 这将极大地提 高催化剂的利用率，延缓催化剂的老化。

参考文献
[1] 陈家瑞. 汽车构造：上册[M]. 北京：人民交通出版社，2003：234-235. [2] 朱文军， 赵文仲. 某国 IV 柴油机催化器流场分析 [J]. 汽车工程师，
2012（1）：45-46.
（收稿日期：2012-04-16）
3 结论
通过对三元催化器内流场进行仿真分析， 得到了 内流场的气流分布以及速度均匀性系数。

仿真结果表 明， 催化剂载体前端的速度均匀性均保持在一个较高
- 45 -。