三元催化器设计

电喷车加装三元催化转化器是国际公认的有效的汽车尾气净化技术措施。文中分析了三元催化器设计中的流场、温度、压力损失等影响因素。运用ANSYS/Flotran 软件进行了二维流场的动态模拟分析。

式中：为沿程损失系数；ρ为气流密度；μ为空气粘性系数；L为载体长度；Dh为孔道的水力半径；V为载体内气流的速度；Re为雷诺数；Reλ对于规则通道内的层流为常量，圆形孔的理论值是64,正方形孔的理论值为54.908。由于一般三元催化器的孔道为正方形，涂上涂层后，涂层材料堆积在通道的拐角处，通道变圆了，且由于工艺方面的限制，实际孔道不可能完全是正方形，Reλ取值为56.908~64。

随着载体技术的发展，蜂窝孔的密度可达800~1000孔/in2，壁厚也已降至0.025mm这样的薄壁能减少热容量，避免压力损失(增加压力损失的补偿)。

局部损失，即涡流损失、转向损失和撞击损失。对催化器来说，局部损失主要出现在扩张管、收缩管和载体前后端面等。扩张管损失

式中：f1为突扩损失系数;f2为逐渐扩大损失系数;v为逐渐扩大前的平均流速;ρ为流体密度。

扩张管角度对压力损失的影响如图4所示。从图4可见，采用40°扩张管角较为理想。这是因为40°扩张管角较小，气流扩散良好，沿壁面气流分离小，因而催化器局部损失小。

从图4可看出，压力损失并非随锥角增大而一直增大。这是因为当锥角超过一定值(如90°)后，气流在扩张管入口处开始分离，并呈射流状态，流动对轮廓线不敏感，压力损失主要与涡流区的大小有关。由于90°扩张管比120°扩张管的体积大，相应的涡流区及流动损失也大，导致压力损失大。

收缩管损失

式中：f1和f2分别为突缩和逐渐收缩损失系数。

载体引起的突扩和突缩损失

式中：f12是突扩混合系数。

出口锥角在载体后面，气流在其中存在顺压梯度，不会产生分离现象，对流动分布基本没有影响，对压力损失的影响也较小。因此，可取出口锥角与扩张管相同，即40°。

沿程损失主要包括入口管、出口管和中间管道(不包括载体损失)的压力损失。为了计算方便，将入口管和出口管称为小管，中间管道称为大管。由于低

速时沿程损失很小，主要考虑高速时的情况。小管内Re为

沿程损失系数

大管内Re为，沿程损失系数

在催化转化器的设计中，尽可能减少这些压力损失，能保证催化转化器系统具有良好的空气动力学性能，使安装催化转化器导致的插入损失最低、两端的压力差最小（低背压），将对汽车发动机的动力性、经济性的影响程度降至最低。

3 结语

控制并降低汽车尾气污染已成为世界性课题。发达国家的汽车工业总体技术较先进，在尾气控制技术方面已取得重要成绩，正在向超低污染排放和零污染排放迈进。汽油机用三元催化转化器作为降低废气排放的有效装置，在国外已得到很好的应用。如在电控发动机上，匹配良好的催化器的稳态转化效率可达90%，实际装车的运行寿命在8万KM以上。在我国，汽车排放导致的污染问题已引起政府部门的极大重视，严格的排放标准相继出台，人们已经从汽车使用的角

度来关注催化转化器技术的发展，相信我国的催化转化器技术会有实质性突破。