欧Ⅳ标准催化转化器的进气端管新技术

由于欧Ⅲ和欧Ⅳ标准的实施，为配合新型催化剂化学配方的使用，紧耦合式催化转换器、歧管式催化转化器和增压器耦合式催化转换器得到一定程度的应用。本文以为国内某发动机公司设计的歧管式催化转换器为例，说明这类催化转换器的结构设计。 　　实现欧Ⅳ标准的催化转化器布置方案分为3种：紧祸合式催化转化器、歧管式催化转化器、增压器祸合式催化转化器。以国内某公司设计的歧管式催化转化器为例说明这类转化器的进气端管设计。 　　设计进气端管时应重点考虑空间位置、结构强度、耐热性、热应力分布、气体流动特性优化等一。在满足空间位置的基础上，初步确定三维模型。焊接式进气端管广泛使用铁素体不锈钢SUS409L材料，铸造式进气端管可采用钥系球墨铸铁如RQT-S14Mo。 　　歧管式催化转化器内部的流动特性远比其它形式的催化转化器复杂，用计算流体力学(CFD)的方法可以计算该设计方案对气体流动的影响，如催化剂载体内气体流动轴，向速率分布和催化转化器内气体流动的压力损失。从而在设计中优化其流动特性，使化学反应均匀发生在整个载体内。如对于一台4缸发动机来说，可通过修改各歧管的轴线位置和管壁形状来优化设计:将1号与2号歧管、3号与4号歧管部分结构合并，将共用歧管截面修改为椭圆并设计了气流扩张角，增加了气体混合膨胀区的体积。歧管优化后新的速率分布图显示，1号缸和4号缸排出气体的轴向速率等于平均速率的90%，2号缸和3号缸的情况更好。 　　进气端管的温度、塑性应变分布用CFD和FEA相结合的方法可以精确计算得到。计算的边界条件是进气端管出气端为外流场人口，为风扇空气流量和空气温度;进气端管进气端为外流场出口，为空气的静压和温度;进气端管外表面为壁面边界条件。计算得出进气端管结构的温度场和热一机械应力云图。以上优化设计需以完整的试验验证来检验，包括冷态变矩试验、加速结构耐久性振动试验、水淬外部热冲击试验和内部热冲击试验。 目前，具有热-结构应力之间耦合分析能力的软件包较多，用CFD和FEA相结合的方法可以精确计算催化转换器的温度分布和塑性应变分布。以进气端管为例，首先计算某特定转速、节气门最大开度、若干曲轴转角下的进气端管内流场，得到进气端管内壁的平均对流换热系数，计算的边界条件为进气端管进气口为随曲轴转角变化的流量和温度，出气口为随曲轴转角变化的静压和温度，其余为壁面边界条件和实际排气温度。然后模拟实际车辆的外流场，得到进气端管外壁的对流换热系数。由于歧管式催化转化器安装在车辆的前端，发动机在催化转化器后端，外流场的空气流动方向是车辆行驶方向的逆向，故计算的边界条件为进气端管出气端为外流场入口，为风扇空气流量和空气温度，进气端管进气端为外流场出口，为空气的静压和温度，进气端管外表面为壁面边界条件。上述的计算同时可以得到进气端管的内、外壁面温度。将CFD计算得出的传热系数和温度场映射到三维模型上，作为FEA模拟计算的边界条件，最后计算进气端管结构的温度场和热-机械应力。 　　催化转化器历经冷态弯矩试验、加速结构耐久性振动试验、热振动试验、水淬外部热冲击试验、内部热冲击试验、耐腐蚀试验后，如果没有失效产生，便可认为结构设计定型，进入发动机或车辆的耐久性试验阶段。以上每个试验都会提供有效的反馈来对现阶段的设计进行优化，这些验证试验与设计优化反复进行，最终确定了催化转化器的结构。 信息来源于：造汽车网