CFD modelling of a close-coupled catalytic convertor

Abstract

Gün geçtikçe sıkılaştırılan egzoz emisyon standartları ile ilgili kanunlar son yılların en önemli kavramlarından biri haline gelmiştir. Katalitik konvektördeki akış profilinin dönüştürücünün kimyasal aktivasyonu sağlayacak ısıya ve zamana ulaşması, kimyasal reaksiyonun verimi, basınç kaybı ve bütün egzoz emisyon sistemi üzerinde oldukça büyük bir etkisi vardır. Bu yüzden katalitik konvertörlerin girişindeki akış profilinin düzgün ve eşit dağılması taşıt emisyon değerleri açısından en temel gerekliliği oluşturmaktadır.Katalitik konvektörlerdeki 3 boyutlu akış analizi, sonuçların kabul edilebilir , zaman ve maliyet açısından deneysel yöntemlere göre daha avantajlı olması nedeni ile birçok araştırmaya konu olmuştur. Gelişen katalist teknolojisi ile kimyasal aktivasyon sıcaklığı düşürülmekte, reaksiyon verimi yükseltilmekte ve daha başarılı yaşlanma profili yakalanmaktadır. Motora daha yakın olmanın kimyasal aktivasyon zamanı açısından daha yüksek giriş sıcaklığı avantajını kullanan close coupled katalistler bugün birçok taşıt teknolojisinde kullanılmaktadır. Bununla birlikte close coupled katalistlerin akış profilindeki dağılım, motordan gelen titreşimli egzoz gazı akışına olan yakınlığından dolayı taşıt gövdesi altına yerleştirilen katalistlerin dağılımına göre daha kötü durumdadır.Bu çalışmada katalitik konvektörlerdeki akış dağılımı 3 boyutlu olarak incelenmiştir. 3 boyutlu akış analizleri STAR-CD program kodunun 3.26 ve FLUENT program kodunun 6.3 versiyonları kullanılmış sonuç değerleri karşılaştırılmıştır. Geometrinin belirlenmesi, sonlu elemanlar modelinin oluşturulması, kısıtların ve çözüm metotlarının belirlenmesi, programın çalıştırılması ve sonuçların görüntülenmesi bu çalışmanın temel adımlarıdır. Çalışma sonucunda her iki kod ile elde edilen akış dağılım değerleri birbirleri ile tatmin edici bir şekilde uyum göstermiştir

Emission legislation standard is one of the most important concepts of the recent years which is becoming more stringent day by day. A uniform flow distribution at converter inlet is one of the fundamental requirements to reduce motor vehicle emissions as the non-uniform flow in the catalytic converter affects catalyst warm-up, light-off time, conversion efficiency, pressure drop, and overall aftertreatment system.Over last decade most efforts have been directed to catalytic convertor CFD analyses as results are reasonable and experimental methods are time and money consuming. Improved catalyst technology helps to decrease light-off temperatures, increase conversion efficiency and make aging characteristics of the catalyst better. Close coupled catalysts are used in most of the vehicles today in order to take the advantage of being close to engine resulting in higher temperature values which is important for the light off time. However, close coupled catalyst?s flow uniformity performance is worse than the underbody catalytic convertors due to pulsating flow.In this study, 3D CFD simulations were performed in order to determine the gas flow distribution through the catalyst brick. 3-D CFD simulations were performed using STAR-CD Version 3.26 and FLUENT 6.3 solver to compare the results? accurance. Identifying geometry, generating the grid, setting up the model, computing and monitoring the solution process, postprocessing the results are the basic steps of this study. Through co-simulation velocity profiles of STAR-CD code and FLUENT code are correlated fairly well