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辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2023年第3期42卷 330-338页

作者：苗家庚王磊磊李延昭河北工程大学机械与装备工程学院河北邯郸056000 康跃科技股份有限公司山东潍坊262711

针对汽油机冷启动期间排气污染问题,提出利用催化陶瓷涡轮技术处理汽车尾气的新方案,建立催化涡轮有限元模型并利用Fluent软件对其进行CFD分析,得到催化涡轮内部温度场、压力场及物质的质量分数分布。计算结果表明:废气得到有效处理,催... 详细信息

针对汽油机冷启动期间排气污染问题,提出利用催化陶瓷涡轮技术处理汽车尾气的新方案,建立催化涡轮有限元模型并利用Fluent软件对其进行CFD分析,得到催化涡轮内部温度场、压力场及物质的质量分数分布。计算结果表明:废气得到有效处理,催化反应的剧烈区间在叶片前缘到20%弦长位置处,在10%弦长位置处反应最为剧烈,化学反应速率最大;通过凯策试验台对比10%、50%、90%不同叶高三种物质的质量分布,发现催化反应主要发生在叶片表面的低叶高位置处。综合分析表明催化涡轮可有效减少汽车冷启动产生的废气。研究结论可为催化涡轮优化设计提供参考。

关键词：催化涡轮汽车尾气排气处理冷启动

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汽油机催化陶瓷涡轮内部流场特性研究分析

汽油机催化陶瓷涡轮内部流场特性研究分析

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作者：苗家庚河北工程大学

学位级别：硕士

排气污染的处理是汽车科技发展的研究热点和难点。随着环保标准的不断提升,需要研发高效的尾气回收与处理系统。三元催化转化器（Three-Way Catalyst,TWC）对于主要污染物CO、NO、HC等尾气成分均具有较高的转化效率,被认为是控制排放、... 详细信息

排气污染的处理是汽车科技发展的研究热点和难点。随着环保标准的不断提升,需要研发高效的尾气回收与处理系统。三元催化转化器（Three-Way Catalyst,TWC）对于主要污染物CO、NO、HC等尾气成分均具有较高的转化效率,被认为是控制排放、解决尾气污染的重要装置之一。研究表明三元催化转化器的使用寿命和转化效能在很大程度上受限于催化器内部的流场,主要包括流动均匀性和流阻特性;而且催化器只有在内部达到催化剂的起燃温度后才能获得较高的转化效率。因此,在发动机冷起动期间（1-2min内）,有害气体组分几乎得不到处理。同时,在汽车实际使用中,发动机频繁起停也造成排气温度和三元催化器蜂窝层温度下降,会更进一步地降低三元催化转化器的转化效率。所以,寻找一种更合适且经济的手段优化三元催化转化器的转化效率,有效控制机动车排放污染显得尤为重要。催化陶瓷涡轮技术（CCT）可通过在发动机冷起动的全程快速提高排气温度来增加催化器的转化效率。因此,探讨催化陶瓷涡轮在催化反应发生时的内部流动特性,对于优化涡轮本体和催化涂层的设计有重要意义,在发动机冷起动阶段有害气体排放的综合控制也将发挥积极作用。基于此,本文开展催化陶瓷涡轮流场特性的研究。首先使用NUMECA软件进行涡轮转子模型网格处理,在ICEM中进行网格调整,最后通过FLUENT进行数值计算,得到催化涡轮与普通涡轮不同状况下全通道和单通道压力场、温度场及物质的量分布情况,以及两种涡轮边界层的演化状况。通过对比涡轮单通道和全通道在不同进气温度下（600K和700K）对有害气体的转化效率及进出口温差,可以发现当涡轮进气温度从600K升高到700K时,CCT对于CH、CO、NO的催化效率提高约21.95%、19.73%和11.67%,而涡轮出口温度较出口温度增加28K。这表明,进气温度的增加对于迅速提高发动机冷启动期间CCT的转化效率,也会对下游TWC的使用效果产生促进作用。无论是有害气体的最小浓度值还是其催化反应距离,随着进气温度的增加,均发较明显的改变。这表明,涡轮进气温度不同使内部气体及载体产生的温度差异发生变化,催化反应速率与温度呈正比,且主要集中在叶片前缘和尾缘,集中剧烈反应区域对应了叶片中低叶高吸力面前缘20%弦长位置。本文研究湍流与催化反应相互作用机理,探究了湍动度对催化反应的影响,发现湍流在1%-3%湍动度范围内对催化反应影响明显,超过该区间转化效率反而下降。并且发现在催化涡轮内部,湍流流动过程和化学反应过程有存在双向影响,湍流流体强化涡轮叶片表面的催化反应速率,催化反应放热过程同时又影响着层流到湍流的演化,两者之间存在互利共生关系。

关键词：催化涡轮尾气处理湍流冷启动催化反应

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