对歧管式催化转化器流场的设计分析及结构优化研究

摘 要：紧耦合式歧管架构下的催化转化器，通常配有某规格下的氧传感器。经由三维态势的模拟运算，采纳常用的流体力学，解析了转化器固有的总体流场。拟定出来的运算模型，描画了周边范畴的涡流走向；依循计算得来的数值，对体系以内的歧管，妥善予以改造。经由改造得来的新传感器，改善了原初的周边流场，消除掉了偏多涡流。载体气流特有的不匀称系数，也随同下降；排气背压缩减，总体架构被变更及完善。

关键词：催化转化器；流场分析；结构优化

紧耦合式歧管普遍被应用于汽油机的排气歧管，从其制作材料和工艺上，可以分成铸铁歧管、薄壁管式、冲压薄板式三种类型。为满足汽车OBD系统的需要，在三元催化转化器的收缩管和扩张管上，分别添加了氧传感器。但是复杂特性的气流在排气时并不能与氧传感器直接接触，进而导致各个时段的信号检测更加困难。而且构件以内的气流，对三元催化特有的反应、温度状态和体系以内的排气背压都有着重要影响。

1 方案设计

对于歧管特有的部分，做好详细的方案设计是首要工作。首先，设计的管径应考量歧管特有的自然吸气、车体以内的蜗轮增压和排量相互之间的联系。同时细分出来的四个支管，能够做到妥善搭配并设定适宜的比值关系。通常催化器载体的制备材料有两种，分别是金属载体及陶瓷载体。主要以紧耦合式特性的排气歧管、三角平面架构的法兰连接模式、圆形锁紧特性的法兰连接模式为主。

排气歧管特有的性能指标，包含热应力态势下的疲劳状态、温度场的解析、振动情形下的模态、歧管架构以内的压力场、液体流动特有的均匀属性。具体而言，细分出来的第三支管，应消除惯常见到的回流；体系架构内的排气压力均衡；氧传感器安设的位置、关联着的流速，都应均衡。除此以外，催化器特有的载体截面，也应带有均质的特性。

2 建构精准模型

2.1 概要的模型构架

歧管与催化器之间特有的分开式衔接方式，可以形成紧耦合成效排气歧管。歧管的独立式，采用了法兰连接模式的排气系统，使其具有圆形锁紧特性，从而化解了装配空间偏窄的疑难。与此同时采用了某规格下的混合网格，制备了物理模型。复杂特性的歧管，在体系以内的交叉部位，安置了对应规格的收缩管和扩张管。这种布设方式，无疑是在确保运算精度较高的前提下，有效增加了运算成效。而拟定好的网格数目和与之关联的网格体积，都不会干扰运算得来的数值。由此可见，排气歧管的改进，应该从以下几方面进行：一是歧管及附带着的扩张腔，必须明确详细的交接位置；二是优化歧管特有的转折走向和其布设方式。

2.2 拟定的前提

歧管架构以内的催化转化器，排放出来的废气，包含混合特性的氮气、数目偏少的二氧化碳、夹带着的水分。废气之中，包含了偏少的一氧化碳，可以予以忽视。为了明晰废气特有的物性，拟定了统一情形下的体积分率：二氧化碳及特有的水分，分别占到10%的比值；装置以内的氮气，应能占到80%。歧管衔接的转化器，气流流动这一状态，被拟定成不可压缩。

实验流程内，应侧重查验扩张腔特有的流场属性；在这时，可忽略掉载体范畴中的催化反应。催化转化器及安设的发动机，距离还是偏近的。为此，拟定转化器范畴之中的流体温度，恒定成这一时段的排气温度。

3 歧管架构中的流场

歧管及衔接的转化器，在固有的扩张腔部位，应能予以汇合。这一部位拟定的流场，带有最复杂的总架构。与此同时，OBD架构之中的前氧传感器，也被安设在这一区段。不同特性的发动机，运转时段中的转速不同；流场模拟得来的数值，应能比较近似。为此，给出来的发动机转速，被设定成5000r/min；缸排气特有的扩张腔，也应解析这一流场布设。

排气歧管固有的构造特性，对催化转化范畴以内的气流走向，带有侧重的影响。若要缩减腔体之中原有的涡流，便利接续的信号辨识，就应改进设定好的歧管框架。歧管及扩张特性的腔体中间，带有潜藏着的某种倾斜。改进得来的新颖方案，把两种配件固有的交汇端点，安设在扩张腔这一范畴的中心。保障顺畅通气，把体系架构之中的排气歧管，变更了拟定好的走向、布设的规律。改进得来的新歧管，预设了圆滑态势的转向，规避了偏大范畴的转弯。

车体配有的缸排气，凸显了明晰的气流分布。运算得来的数值显示：氧传感器固有的周边流场，得到偏大规模的改进。扩张腔特有的左边涡流，缩减了原有尺寸；传感器前侧衔接的气流，能随时折射出缸体的运行态势，缩减了误判概率。

4 载体特有的属性改进

4.1 气流匀称特性

耦合式及特有的分离式歧管，在前两阶特有的模态频率，大体上相似。而模态振型特有的前四阶，很大程度上凸显了一致的倾向性。相比而言，耦合式比分离式的设计方式，拥有更高层级的刚度。但应注意的是，安装催化器支架后，模态频率需避开发动机的激励频率，同时留有一定的频率裕度防止共振。使得改进以后的新方式，比以往常用的歧管框架，平均态势的系数缩减了39%。这就表明，改进得来的新构架，提升了气流布设特有的均匀状态。这样做，不仅能促动催化剂原有的利用频率升高并缩减局部方位的过热倾向，还能顺带缩减体系以内的温度梯度，进而延展了配件寿命。

相关人员可以把计算得来的多重数值，带入设定出来的歧管架构，从而计算出截面范畴的气流系数。与载体范畴之中的不均匀度进行对比，并衡量运算得来的两种系数。其中不均匀度特有的表征系数，包含横截面架构之内的网格气流、单元网格承载着的气相流量、拟定好的单元数目。因此，与不均匀度进行比对使得结果就更具全面性。也就是说运算得来的数值越小，表征着气流特有的布设倾向，就越是均匀。

4.2 体系以内的背压

歧管式框架以内的排气背压，能辨识歧管特有的优劣状态，是拟定好的侧重指标。经由模型模拟，能得到精准情形下的这种背压。调研得来的结果明晰：体系以内的一个气缸，比对原有的排气背压，略微有升高；其他范畴中的气缸，都缩减了原有的背压。改进得来的新颖方式，变更了氧传感器布设的流场框架，也促动了气流流动这一时段的均匀状态。部分区段之内的排气状态，凸显了偏小态势的这种背压。

5 拟定的可行算法

5.1 选出来的算法类别

问题辨识必备的模型，包含质量及特有的动量守恒、标准态势的湍流模型。采纳惯用的有限体积法，把标识出来的运算区域，分成离散架构之中的控制体；在细分得来的网格上，拟定变量特有的代数方程。通用特性的控制方程，密切关联着设定好的介质密度、查验得来的流速、其他范畴的变量。除此以外，还涵盖广义范畴中的扩散系数、带有通用特性的源项。

采纳建构好的连续方程，可以表征动量守恒这一模型、对应情形下的湍流模型。运算之中，应侧重辨识压力项、体系架构中的速度项。建构出来的这种模型，适宜湍流主体。为此，采纳特有的壁函数法，描画出壁面方位的流动倾向。

5.2 明晰边界条件

发动机特有的排气流程内，歧管安设的入口方位，气相流量会随同安设的排气门，随时予以变更。为缩减这一运算，拟定歧管对应着的排气门，在打开态势下，气流量不会更替。歧管配有的转化器，串联着体系架构之中的排气总管；因此，可以依循布设的流场，审慎处理拟定好的条件。壁面预设的条件，是载体不会滑脱。转化器布设的空间，被拟定成多孔特性的介质区段。

6 结束语

歧管式特性的转化器，经由结构改造，缩减了架构原有的排气背压；对于安设的发动机，缩减耗费掉的燃油量，提升经济特性。数值模拟特有的这种改进，缩减了拟定好的样件加工、接续的测验耗费。在偏短时段中，完成初始时段的构架设计，缩减开发耗费。流场分析特有的开发，是车体配件的新颖开发路径。

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