新型三元催化器特性的試驗研究與數值仿真

韓建軍，蔣彥龍，王合旭，熊文倩

(南京航空航天大學 航空宇航學院，江蘇 南京 210016)

新型三元催化器特性的試驗研究與數值仿真

韓建軍，蔣彥龍，王合旭，熊文倩

(南京航空航天大學 航空宇航學院，江蘇 南京 210016)

摘要：三元催化器是汽車必不可少的設備之一，它將汽車排放的尾氣轉變為無毒無害的氣體，大大減少了尾氣對大氣的污染。在研究傳統直通型三元催化器流阻的基礎上，基于FLUENT仿真模擬對一種采用金屬載體的新型三元催化器結構(旁通型三元催化器)流阻進行研究，最后結合壓力損失試驗進行驗證，并和傳統直通型三元催化器對比分析后，得出如下結論：在相同進氣流量及排氣壓力下，新型催化器的整體壓降(流阻)要小于直通型三元催化器，同時新型三元催化器載體中的氣流均勻性好于直通型三元催化器，表明新型三元催化器的氣流特性優于直通型三元催化器，氣流均勻性更好，壓力損失更小，有利于提高催化器的催化效率，延長催化器的使用壽命。

關鍵詞：三元催化器；流阻特性；氣流均勻性

近年來，隨著汽車數量不斷增加，大量排放的尾氣對環境造成了極大的污染。為了減少汽車尾氣的污染，汽車排氣系統中安裝了三元催化器，作用是催化尾氣中的有害氣體，將其轉化為無害的CO2、N2和H2O[1]。由于汽車排氣系統中安裝了三元催化器，無形中增大了汽車排氣系統的流動阻力，發動機殘余氣壓將會隨之逐漸升高，減少了新鮮空氣的引入量，導致發動機的空燃比降低，影響了整個發動機的性能[2]。減小催化器流動阻力是改良三元催化器的一個重要方面。另外，催化轉化器內氣體的流動均勻性對其性能有很大的影響，速度分布不均勻會造成載體中心區域的速度和溫度過高，催化劑很容易老化，同時降低了催化劑轉化效率[3]。

本文對傳統的直通型三元催化裝置和一種新型的三元催化裝置分別進行了基于FLUENT的數值仿真，并搭建試驗臺進行了試驗驗證，對比了2種三元催化裝置得出的結果，對目前汽車三元催化裝置具有一定的指導意義。

1三元催化器流阻特性試驗

1.1試驗系統和裝置

三元催化器試驗臺主要由如下幾部分組成：風機變頻器、超高壓風機、渦街流量計、微壓差傳感器、三元催化器、消音器和溫度傳感器。汽車三元催化器流阻測試試驗原理如圖1所示。

圖1　三元催化器流阻測試試驗原理圖

本文的三元催化器試驗臺利用空氣模擬尾氣排放類比以測量三元催化器的壓降特性。高壓風機用于模擬汽車發動機尾氣排放，根據渦街流量計信號反饋調節風機變頻器實現流量控制，在催化器兩端連接微壓差傳感器測試壓損。

1.2試驗準備與數據采集

首先，將離心風機、變頻器、三元催化器及相關傳感器按照設計圖樣連接好，同時，檢查管道的氣密性，以及檢查傳感器數據采集是否正常；其次，分別對不同流量下的催化器進出口壓差進行采集。在各流量狀態點穩定的情況下，使用PCAuto6.1力控軟件進行數據采集。

1.3試驗步驟

在不同流量下分別對直通型和新型三元催化器進行流阻特性試驗，試驗步驟如下。

1)變頻器、離心風機、三元催化器及傳感器等設備接入電源；2)按下變頻器起動按鈕，通過變頻器調節離心風機轉速；3)開啟數據采集系統，記錄并觀察系統各參數運行情況；4)各系統正常后，通過調節變頻器，從而調節風機轉速控制催化器進口流量，并在各流量點保持風機轉速穩定不變；5)電腦數據采集系統實時采集；6)導出數據采集系統采集的數據，進行分析和處理；7)試驗結束后關閉各裝置，斷開系統電源。

2三元催化裝置的數值模擬

2.1三元催化裝置物理結構

傳統的直通型三元催化器物理結構主要由進氣錐管(漸擴管)、載體和出氣錐管組成[4]，其結構如圖2所示。由于在三元催化器的長期使用過程中，催化器載體會發生堵塞現象，因此優化后的新型三元催化器中，設置了旁通孔和導流管，新型三元催化器物理結構主要由進氣錐管(漸擴管)、內腔進氣錐管(漸縮管)、內腔導流管、旁通孔、載體以及出氣錐管組成[5]，其結構如圖3所示。三元催化器正常工作時，氣流主要從載體中通過，只有很少一部分氣體會從旁通孔排出，但當載體發生堵塞時，大量尾氣則從新孔排出，使得汽車發動機能正常運行。

圖2　傳統三元催化器結構

圖3　新型三元催化器結構

2.2三元催化裝置建模和網格劃分

本文采用CFD軟件ANSYS ICEM對直通型和新型三元催化器進行建模和網格劃分，如圖4和圖5所示。利用FLUENT軟件進行計算，選用k-ε湍流模型，并做如下假設：1)三元催化器內的流動過程視為穩態過程；2)三元催化器中的空氣視為不可壓縮流；3)三元催化器壁面絕熱；4)載體部分設置為多孔介質，孔隙率取0.3，并設定多孔介質的粘性阻力系數。入口速度設為60 m/s(包括10、20、30、40和50 m/s)，選擇“二階迎風”格式，使用SIMPLE壓力速度耦合算法[6]。

圖4　直通型三元催化器　　圖5　新型三元催化器　網格　網格

2.3三元催化器數值模擬結果與試驗數據對比分析

對2種三元催化器(直通型和新型)的壓降進行對比，模擬數據對比如圖6所示，試驗數據對比如圖7所示。

圖6　2種三元催化器壓降模擬數據對比

圖7　2種三元催化器壓降試驗數據對比

從圖6和圖7可以看出，新型三元催化器與直通型三元催化器的進出口壓降隨進口流量變化趨勢是相似的；但是在流量較小的情況下，新型三元催化器的進出口壓降和直通型三元催化器基本相同，而隨著進口流量的不斷增加，導流孔起到顯著作用，新型三元催化器進出口壓降與直通型三元催化器進出口壓降相差越來越大。

新型三元催化器的整體流阻要小于直通型三元催化器的流阻，且進口流量越大效果越明顯。另外，直通型三元催化器與新型三元催化器整體試驗結果與仿真結果的相對誤差分別為12.05%和9.67%。依據圖形的分析以及相對誤差可知，試驗測得的數據與仿真模擬的結果基本吻合。

3直通型和新型三元催化裝置載體氣流均勻性

3.1氣流通過載體速度

直通型與新型三元催化器載體中氣流平均流速隨進口流量的變化趨勢如圖8所示。

圖8　直通型與新型三元催化器載體中氣　流平均流速隨進口流量的變化趨勢

新型三元催化器載體氣流的平均流速要小于直通型三元催化器載體氣流的平均流速，所以新型三元催化器氣流在單位厚度載體內滯留時間更長，有利于提高凈化效率。

3.2載體內氣流均勻性指數比較

氣流均勻性的提高有利于載體的催化效率的提升，研究各種因素對流動均勻性的影響，應對流動均勻性給出合理的評判準則[7]。Weltens等曾用均勻性指數來建立評價載體流速分布特性的準則：

(1)

式中，γm是均勻性指數，在0和1之間變化，γm越大說明流動越均勻，0表示氣流僅通過單個管道；n是測點數；wi、wmean分別是測點速度和截面上的平均速度。

選取進口流速為60 m/s的狀態進行分析，分別對新型和直通型三元催化器載體截取6個截面，并選取每個截面的最大流速和最小流速作為式1中的wi，將所得速度值代入式1中計算，共求得12組γm值，取其平均值。最終得到直通型三元催化器均勻性指數γm1=0.952，新型三元催化器均勻性指數γm2=0.979 88。

綜上可得，新型三元催化器載體的速度場均勻性指數大于直通型三元催化器載體的速度場均勻性指數，同時，對2種三元催化器載體中的氣流流度的研究結果表明，在氣流流動方面，新型三元催化器的載體速度場分布更加均勻，氣流流速緩慢，對催化效率更有益。

4結語

本文基于FLUENT軟件對傳統的直通型三元催化裝置和新型三元催化裝置進行了模擬仿真，并搭建三元催化裝置試驗臺進行了試驗，對比分析以后得出如下結論。

1)不同流量下，無論是傳統直通型三元催化器還是新型三元催化器，整體壓降均隨著進口流量增加而不斷增大。

2)在進口流量一定的條件下，新型三元催化器的壓降小于直通型三元催化器的壓降，新型三元催化器的設計有利于減小流阻。

3)新型三元催化器的載體速度場氣流流速較直通型三元催化器的載體速度場氣流流速緩慢，均勻性指數高，有利于提高催化效率。

參考文獻

[1] 孔祥華. 汽車尾氣三元催化器數值模擬[D]. 昆明：昆明理工大學, 2005.

[2] 龔金科, 周立迎, 梁昱, 等. 三效催化轉化器壓力損失對發動機性能的影響[J]. 汽車工程, 2004, 26(4): 413-416.

[3] 帥石金, 王建聽, 莊人雋. 車用催化轉化器內氣體的流動均勻性[J]. 清華大學學報, 2000,40(5): 99-102.

[4] 修恒旭. 天然氣汽車催化凈化裝置流動數值模擬及優化設計[D]. 重慶：重慶大學, 2004.

[5] 帥石金, 王建聽, 莊人雋. CFD在車用催化器結構優化設計中的應用[J]. 汽車工程, 2000, 22(2)：129-133.

[6] Tsinoglou D N, Koltsakis G C, Missirlis D K, et al. Transient modelling of flow distribution in automotive catalytic converters[J]. Applied Mathematical Modelling, 2004, 28(9): 775-794.

[7] Weltens H, Bressler H, Terres F, et al. Optimisation of catalytic converter gas flow distribution by CFD perdiction[R]. USA：SAE Paper, 1993.

責任編輯鄭練

Experiment and Numerical Simulation on the Characteristics of the New Type of Three Way Catalytic Device

HAN Jianjun, JIANG Yanlong, WANG Hexu, XIONG Wenqian

(College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016，China)

Abstract：Three way catalytic converter is the necessary part of automobile.It will make the exhaust emitted by the cars become harmless, and it greatly reduces exhaust pollution. Based on the flow resistance study of the traditional straight-through type of three catalytic converter, the method that combined with FLUENT numerical simulation is proposed, and we study the flow resistance of a new type of three way catalytic converter structure using metal carrier (bypass type of three way catalytic converter). Finally, it is verified by the pressure lose experiment that after the comparative analysis with the traditional straight-through type of three way catalytic converter,we can get some conclusion: under the same inlet air flow and exhaust pressure, the pressure drop (flow resistance) of the new type three way catalytic converter is smaller than the straight-through type three way catalytic converter′s. In addition, the airflow uniformity of the new type of three way catalytic converter is much better. In general, the new type of three way catalyticair flow characteristics is better than traditional type of three way catalytic converter, and its airflow uniformity is better and pressure lose is smaller, so it is conducive to improve the catalytic efficiency and prolong the service life.

Key words:three way catalytic converter, flow resistance characteristics, air flow uniformity

收稿日期：2015-01-21

作者簡介：韓建軍(1987-)，男，碩士研究生，主要從事人機與環境等方面的研究。

中圖分類號：U 270.38+9

文獻標志碼:A