cng发动机排气系统中排气流动及温度分布特性的数值模拟

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1、第一章绪论应用。Borland等人[20】以及Kollmann等人[21】对排气二次空气喷射技术的研究表明，浓混合气燃烧结合排气道二次空气喷射会使发动机排气在未达到催化器之前就能在排气道和排气管中发生放热反应，可以有效地降低发动机排气中的HC，同时加速了催化器的起燃。此外，使用高孔隙密度薄壁载体[8】、双层排气歧管[22】也能加快催化器的升温过程。薄壁载体有更小的孔隙和更大的载体比表面积，因此提高了排气污染物分子到涂层的质量输运，同时薄壁载体的热惯性小，这两方面的作用都有利于催化器快速起燃。双层排气歧管能减小排气能量向外传导，将发动机排气的能量最大程度地传输

2、到催化器，可以缩短催化剂起燃时间。HC捕集器也是降低冷起动时HC排放的有效手段【81。它的工作原理是在低温时吸附排气中的HC，而在高温条件下脱附已吸附的HC，并将脱附出的HC在催化器起燃后氧化掉。除了以上的技术措施，还有一些加快催化器起燃的技术手段，如用优化排气系统结构来优化催化器入口排气分布特性[1123,24,251。其中催化器入口处排气流场、温度场的分布优劣通常用数值模拟的方法进行评价，这将在下‘一节中介绍。1A排气系统数值模拟研究进展由于排放法规的不断严格，冈此，针对催化转化器的设计和性能优化的研究在过去十年里一直没有间断过。然而，发动机后处理系统内

3、部物理特性及化学反应机理的复杂性给催化器的性能评估和优化工作带来了很大的难度。由于排气系统中流动极其复杂，因此，计算机数值模拟被认为是一种支持后处理系统优化设计的有效方法之一，并成为在发动机排气系统优化设计斗t普遍应用的方法。除了需要考虑载体的结构参数，如孔密度、长度、材料、直径、壁厚等等，催化转化器的设计还要涉及很多细节问题，如贵金属的种类，涂覆方式和封装。另外，还要考虑排气系统内部的气体流动和温度分布以及载体内部发生的化学反应等等。过去十多年里国内外针对点燃式发动机排气系统的数值模拟研究主要可以分为以下几个方面：(1)催化转化器数学模型的研究(2)催化转

4、化器起燃特性的研究(3)排气流动特性的研究第一章绪论1．4．1催化转化器数学模型的研究催化器的数学建模分析已经有30年的历史了，期问出现了用不同的模拟方法分析排气系统内的相关现象。Moore等川26]建立排气系统中排气温度分布的瞬态传热模型，通过优化排气系统尺寸、材料和绝热性能来获得可运行的系统。Baxendaletz7】建立了排气流动分布模型，并研究了催化器入口处的排气流动分布不均匀特性以及排气系统中的压力损失情况。湖南大学龚金科等人【28】对催化器内的单个孔道建立数学模型，并详细地描述了管道内的流场分布情况，并加入了化学反应机理，包括8种气体组分、23利

5、-表面物质和61个基元反应。利用该模型能更真实地模拟三元催化器内部的化学反应。Silva等人【29J建立了催化器内部的数学模型，用来研究催化器对HC、CO、NO。等的转化效率随发动机转速和负荷的变化规律。结果表明，随着发动机负荷的增加催化器载体的温度以及催化器出口的排气温度会增加；催化器对HC的转化效率随负荷的增加呈现先增大后降低的趋势：CO的转化效率随负荷的增加而增加；NO。的转化效率与负荷的关系不大。1．4．2催化转化器起燃特性的研究催化器的起燃时间直接影响冷起动阶段发动机的排放水平。近年来，己发表了大量的针对催化器起燃特性数值模拟研究的论文【11,12

6、,2223】。催化器在起燃之前主要靠高温排气来加热，降低冷起动时发动机HC及CO排放最有效的措施之一是将催化器前移，以减少排气能量的损失。排气管路内的气体流动对于发动机起动阶段的排气热损失有重要的影响，通过优化设计排气歧管的结构来改善排气的流动特性可以有效降低催化器的起燃时间【221。Jeong等人【12J开发了一个数学模型来分析紧凑耦合催化器容积以及催化剂的涂覆方式对催化器的温度场分布特性及起燃特性的影响。在紧凑耦合催化器的优化设计中，需要考虑的两个最重要的参数是催化器入口的流动分布特性，以及排气系统内的压降隋况。催化器入口流动分布均匀可以提高催化剂的整体

7、转化效率，减少紧凑耦合催化剂的起燃时间。但是，由于紧凑耦合催化转化器的位置距离发动机比较近。因此，很难保证催化器入口排气流速分布的均匀。催化器入口排气流速分布不均匀虽然会使一小部分催化剂快速起燃，但是催化剂整体的起燃时间会增长，整体转化效率会降低[11，12，23241。Joachim等人[25]通过数学模型的建立研究了催化剂起燃过程中的载体温度场分布和转化效率的变第一章绪论化规律，以及催化器内部气体温度场的分布特性。结果表明，所建立的模型与实验测的结果一致，能够很好的模拟催化剂的起燃过程。1．4．3排气系统内部排气流动特性的研究排气系统内排气流动特性对催化

8、器性能有着重要的影响。它直接影响催化器内部的传质、传