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1、太原理工大学 硕士学位论文 催化转化器声学性能和流动特性的研究 姓名：周凯 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：韩振南 20100401 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 催化转化器声学性能和流动特性的研究 摘 要 来自汽车发动机排气系统的污染和噪声已经成为一个严重的环境问 题，为了满足日益严格的排放法规，催化转化器的需求不断增大。因此， 必须对催化转化器的系统性能进行全面的研究，分析催化转化器的声学性 能和流动性能，考虑排气噪声在催化转化器内的传播规律，从而为合理设 计催化转化器以及整个排气系统提供依据。 本文采用传递矩阵法和三维有限元方法对催化转化器的声学性能进行 了细致的分析
2、。 首先应用四端网络法建立了催化转化器和载体的传递矩阵， 计算了传递损失，得到了影响催化转化器消声性能的因数。接着在 ANSYS 软件中建立了催化转化器的有限元模型， 导入 SYSNOISE 中进行了声学性能 的分析，用声压云图直观形象地描述了发动机排气噪声在催化转化器内的 传播规律。指出低、高频率不同噪声在催化转化器内的传播规律，以及声 波在通过催化转化器时产生的衰减，最后获得了转化器入口与出口声压级 差值的曲线。 本文对催化转化器的流动特性进行了有限元分析，应用 FLUENT 软件， 对比分析了不同扩张角度的催化转化器内部流动的速度场和压力场，得到 了扩张角度对催化转化器流场均匀性、压力损
3、失的影响规律。 本文的研究实现了对催化转化器声学性能和流动性能的预测，从而为 优化催化转化器和整个排气系统提供了必要的理论依据。 关键词：催化转化器,声学性能,传递损失，SYSNOISE，压力损失,流场分析 太原理工大学硕士研究生学位论文 III RESEARCH ON THE ACOUSTIC CHARACTER AND FLOW PROPERTY OF CATALYST CONVERTER ABSTRACT Exhaust pollution and noise from automotive engine is becoming a serious environment problem
4、 in our daily life. In order to satisfy the increasingly stringent emission regulation, the use of catalyst converter is a valid measure. Therefore, we should consider the system performance, the acoustic characteristics， flow property and the diffusing rule of the noise of exhaust. Then we can desi
5、gn the catalyst converter and entire exhaust system more exactly. The analysis of the catalyst converter is carried out by using four terminal networks method and three dimensional acoustic FEM. First of all, the transfer matrix is created by using four terminal networks and then we get the transmis
6、sion loss curve and impact factor of catalyst converter. The finite element model is constructed in ANSYS, and then imported into SYSNOISE to do the acoustic analysis. The analysis clearly depicts the diffusing process of the noise of exhaust in catalyst converter under the help of sound pressure gr
7、aph. Also the diffusing rule of low and high frequency sounds transmitting in catalyst converter is pointed out. Whats more, the paper discusses the attenuation that occurs in the time when sound passes the catalyst converter, in the end, the TL is get. In the end of 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV this paper, w
8、e consider the flow property of catalyst converter. By using FLUENT, the velocity and pressure distribution in the catalyst converter of different inlet cone angle is get, and we get the influence regulation of homogeneity and pressure loss by different inlet cone angle. The study of this paper set
9、up an effective method to predict the acoustic characters and flow property of catalyst converter and provides a theory to optimize the catalyst converter and entire exhaust system design. KEY WORDS: catalyst converter, acoustic characters, transmission loss, SYSNOISE, pressure loss, analysis of flo
10、w property. 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景 汽车自 19 世纪末诞生至今 100 余年期间，汽车工业从无到有，以惊人的速度发展， 写下了人类近代文明史的重要篇章。世界汽车保有量的增加大大超过了人口增长的速 度，在 1950 年，全世界有 5000 万辆汽车，大约每 100 人仅有 2 辆汽车；到 1995 年， 全球已经拥有 6.5 亿辆汽车，平均 100 人拥有 10 辆汽车；根据目前的估计，2010 年之 前全世界机动车的数量可能达到 8.16 亿辆（不包括两轮和三轮机动车） ；到 2050 年全 球将拥有 30 亿辆汽车。 进入 21 世纪
11、以来，中国汽车需求量和保有量也出现了加速增 长的趋势。20002002 年实际汽车保有量分别为 1608.91 万、1802.04 万和 2053.17 万 辆，年平均增长速度分别达到了 10.73%、12%和 13.94%。截止到 2008 年 6 月底，中国 机动车保有量已超过 1.6 亿辆，而且随着居民收入的提高，汽车价格的下降和消费环境 的改善，中国汽车市场的规模将持续扩大。 表 1-1 各类发动机有害物比较 1 Tab.1- 1 Contrast of injurant by all kinds of engine 微粒 排放物 机型 CO HC NOX SO2 铅化物 碳烟 油雾
12、臭气 四冲程 多 中 多 很少 多 少 少 中 汽油机 二冲程 多 多 少 很少 多 少 多 多 柴油机 少 少 中 少 无 多 少 多 LPG、CNG 发动机 少 中 中 无 无 少 无 少 氢发动机 无 无 多 无 无 无 无 无 旋转活塞汽油机 多 多 少 很少 中 少 中 中 甲醇发动机 少 少 少 无 无 无 少 少 在使用含铅汽油及中国的燃油含量较低的条件下做的比较。 液化石油气（LPG）燃料本无臭味，为了安全的考虑，常掺入微量臭气，以引起使用者对漏气的 注意。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 汽车的普及在给人们的生活带来极大方便的同时， 汽车的尾气噪声已经成为城市中 最主要的
13、污染源。 随着机动车保有量的持续增加， 我国机动车污染物排放总量持续攀升。 2003年全国机动车碳氢化合物（HC） 、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOX）排放量是1995 年相应污染物排放总量的2.51、2.05 和3.01倍。事实上，汽车所产生的空气污染量比 任何其他单一的人类活动产生的空气污染量都多。 全球因燃烧矿物燃料而产生的一氧化 碳（CO） 、碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOX）的排放量，几乎50%来自于汽油机和柴油 机，在表1-1中介绍了各种发动机排放量的情况 1。 我国交通事业的快速发展，使城市汽车、摩托车的行驶密度迅速增加，车辆的年递 增率是10%-15%，致使城市交通噪声逐
14、年增加，噪声污染越来越严重。目前已发展到80% 噪声来源于机动车辆。机动车辆噪声对人们的生活、工作及身心健康也产生了日益严重 的影响，噪声污染已经构成了一个社会问题，因此，各国都把噪声污染列为现代社会的 三大公害之首。机动车辆噪声在对环境污染的同时，对驾乘人员有直接的危害，因此国 外工业发达国家早在60年代起就对车辆噪声有了足够的重视并制定了相关的标准和法 规来控制。如联合国欧洲经济委员会(ECE)、欧盟(EU)、日本、美国等主要国家和地区， 从70年代起每3-5年就修订一次相关的法规或标准来控制车辆噪声，各种车辆噪声的限 值有了大幅度的下降。加入WTO后各汽车制造厂将面临着更加激烈的国际竞争
15、，那么必 须以低噪声汽车迎接外国产品的竞争。我国于1979年第一次颁布的国家标准 (GB-1495-79)，制订了机动车辆、内燃机、消声器等的噪声测试标准与规范。国家环保 总局制定的最新的噪声限值法规汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法即 GB/T1495-2002于2002年10月1日起实施。 应当大大地促进了汽车噪声控制技术和测量分 析技术不断深入研究和应用，力求减轻噪声的危害性。 汽车噪声源是一个包括发动机、进排气系统、风扇冷却系统、传动系统、车体振动、 轮胎-路面作用等多种声源的综合声源系统。因而将整车噪声降低在一定程度上比排放 控制难度更大，整车噪声降低需要一定的技术攻关。内燃机排气噪
16、声是汽车的最主要的 噪声源，随着内燃机转速和强化程度的提高，排气系统内气流速度加大，排气噪声也日 益增大，从而使整车噪声有增大的趋势，必须给予足够的重视。对内燃机排气噪声的控 制，仅靠从噪声源本身采取措施，其降噪量是很有限的，最有效最简单的降噪措施是采 用排气消声器。由此可见，内燃机排气消声器性能预测和优化设计对降低汽车噪声，减 轻城市交通噪声污染至关重要。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 为了应对日渐严格的排放法规，解决日渐严重的汽车尾气污染问题，人们采取了多 种方法，其中最普遍的就是在排气管中安装催化转化器，用催化器来净化发动机排出的 尾气，然后在其后安装消音器来降低整车的排气噪声，在柴油车上还安装微粒捕捉器来 降低烟度。长久以来的研究都把催化转化器和消音器看作是两个独立的部分，认为催化 器就是用来净化尾气有害物
