歧管式催化轉化器結構設計及模態分析

孫魯青

（濱州學院機電工程系，山東濱州256600）

歧管式催化轉化器結構設計及模態分析

孫魯青

（濱州學院機電工程系，山東濱州256600）

以某歧管式催化轉化器為例，總結了其結構設計過程，利用CFD分析評價了內部速度流線、壓力損失和載體端面氣流均勻性等關鍵指標；在流場分布滿足條件的情況下，通過模態分析驗證了主支架結構的合理性。

歧管式催化轉化器；結構設計；模態分析

0　引言

隨著國家對汽車排放要求的不斷提高，歧管式催化轉化器的位置越來越靠近發動機，對其性能的要求也越來越高。

但受歧管式催化轉化器內部復雜結構和惡劣工作環境的限制，完全真實地了解其流場和振動特性十分困難。因此，借助CAE手段評判流場、背壓、強度等各項性能是較為快捷有效的方法，能夠為產品的前期設計開發和結構優化提供較為詳實的依據。

1　產品開發設計

以某歧管式催化轉化器為例，其原始搭載為前級蚌殼式歧管、后級單催的結構，見圖1。

主要設計步驟如下：

（1）確定前后法蘭位置，并對進氣法蘭結構進行優化，增加凸臺密封面，防止漏氣；

（2）確定包體位置，并對進、出氣端蓋的形狀、長度及錐度進行合理設計，使其能夠起到良好的導流作用，增加氣流與催化劑的接觸面積，減少渦流的產生以降低背壓；

（3）對歧管本體進行設計，主要考慮實車裝配時是否干涉、焊接裝夾是否合理、實車耐久性強度及性能是否滿足、各導流腔氣體流動是否均勻流暢；

（4）最后確定氧傳感器接頭位置及隔熱罩、吊掛件位置，同樣須考慮其工藝可行性。

2　CFD分析

2.1建立CFD模型

歧管式催化轉化器內部流場分布非常復雜，有氣體流動的湍流現象、與外部空氣自然對流和內部強迫對流的綜合傳熱現象、管道壓力損失以及催化劑載體的結構特性，因此在建立CFD分析模型時，需要建立以下子模型。

（1）湍流模型

標準的k-ε模型假定的流場是完全湍流，分子之間的黏性可以忽略，因而標準k-ε模型適用于完全是湍流的流場計算。文中采用的是k-ξ-f模型，計算的湍流場更準確。

（2）傳熱模型

主要考慮催化轉化器與外部空氣的自然對流及內部的強迫對流，忽略內部輻射熱的影響。

（3）壓力損失模型

歧管式催化轉化器內的壓力損失也分為沿程損失和局部損失，沿程損失均可由Darcy公式計算：

式中：λ為沿程損失系數，對于不同管段其值不同；ρ為氣體密度；μ為氣體的動力黏度；l為管道長度；dH為孔道的水力直徑；v為氣體速度。

（4）多孔介質模型

由于催化劑載體結構大部分都是蜂窩狀，具有較高的復雜性，單純利用網格劃分來實現載體的結構是不可能的，因此需要建立多孔介質模型。

2.2邊界條件

給定恒定的進口流量0.05 kg/s，出口靜壓（1個大氣壓），壁面對流換熱。

2.3流場分布云圖

下面對各缸分別進氣的穩態流場分布情況進行討論，如圖2所示。

從流速流線分布云圖可知：1缸、2缸、4缸進氣時，氣流較為通暢，氣流擾動小，壓力損失較小；3缸進氣時存在一定的串氣現象，但對整體流場分布影響不大。

2.4出口端面流速均勻性分析

CFD分析能夠較為準確地得到催化轉化器的流場分布和壓力損失、載體端面流速均勻性等指標，用于評價流場性能，大大節省了開發成本和開發時間。文中采用Weltens等人定義的均勻性系數來建立評價載體流動分布特性的準則：

式中：γ為流動均勻性系數；n為載體管道數，表示i管道上的速度；vmean表示載體橫截面上的平均速度。

圖3分別給出各缸進氣的穩態計算出口端面的速度分布云圖。

2.5結果數據

各缸進氣的總體壓力損失及載體前端面流速均勻性系數情況如表1所示。

表1　催化轉化器各缸進氣壓力損失及載體前端面均勻性系數

3　支架模態分析

3.1邊界條件

催化轉化器主支架對結構模態影響較大，為防止結構模態較低而發生共振，需要進行模態分析得到其固有特性，從而確定主支架結構的合理性及約束設置的可靠性。有限元模型如圖4所示。

對螺栓連接進行全約束，忽略螺紋預緊力的微小影響，采用Lanczos方法求解得到表2所示的前4階固有頻率和振型。

表2　凈化器隔熱罩前4階振型說明

3.2模態分析各階振型云圖

催化轉化器前4階振型云圖見圖5。

4　結論

（1）通過對歧管式催化轉化器進行流場穩態分析可以看出：4個氣缸分別進氣時氣流通暢，氣流擾動較小，無大的渦流現象；各缸分別進氣的壓力損失最大差異率為1.8%，載體前端流速均勻性均在0.8以上，是比較理想的結構。

（2）從結構固有頻率值和振型云圖可知：1階振型為筒體XOZ平面內1階彎曲，1階固有頻率658 Hz，遠大于普通發動機的爆發頻率，說明凈化器隔熱罩結構設計合理，固定約束可靠。

【1】帥石金，王建昕，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:自然科學版，2000，40（5）:99-102.

【2】王曉蘭，王軍，雷蕾.基于CAE仿真的某發動機排氣歧管設計研究［J］.汽車零部件，2015（2）:26-28.

【3】徐獻陽.車輛排氣系統的振動模態分析及優化［D］.上海:上海交通大學，2007.

【4】邢素芳，王現榮，王超，等.發動機排氣系統振動分析［J］.河北工業大學學報，2005，34（5）:109-111.

【5】孫魯青，賈菲，張一平.基于一維、三維耦合分析的歧管式催化轉化器結構優化［J］.汽車技術，2012（6）:40-43.

Structure Design and Modal Analysis for Manifold Catalytic Converter

SUN Luqing
（Electromechanical Engineering Department，Binzhou University，Binzhou Shandong 256600，China）

Taking a manifold catalytic converter as sample，the process of its structure design was summarized，some key indexes such as velocity streamline，pressure loss and flow uniformity of carrier section were evaluated through CFD analysis.In case of flow field distribution satisfied condition，the rationality of main support was verified by modal analysis.

Manifold catalytic converter；Structure design；Modal analysis

2015-05-13

濱州學院科研基金項目（BZXYG1013）

孫魯青（1984—），男，碩士，講師，研究方向為CAE分析及結構優化。E-mail:wfldsun@163.com。