實(shí)現(xiàn)歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的催化轉(zhuǎn)化器布置方案分為3種：緊禍合式催化轉(zhuǎn)化器、歧管式催化轉(zhuǎn)化器、增壓器禍合式催化轉(zhuǎn)化器。以國(guó)內(nèi)某公司設(shè)計(jì)的歧管式催化轉(zhuǎn)化器為例說明這類轉(zhuǎn)化器的進(jìn)氣端管設(shè)計(jì)。

　　設(shè)計(jì)進(jìn)氣端管時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮空間位置、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐熱性、熱應(yīng)力分布、氣體流動(dòng)特性優(yōu)化等一。在滿足空間位置的基礎(chǔ)上，初步確定三維模型。焊接式進(jìn)氣端管廣泛使用鐵素體不銹鋼SUS409L材料，鑄造式進(jìn)氣端管可采用鑰系球墨鑄鐵如RQT-S14Mo。

　　歧管式催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部的流動(dòng)特性遠(yuǎn)比其它形式的催化轉(zhuǎn)化器復(fù)雜，用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法可以計(jì)算該設(shè)計(jì)方案對(duì)氣體流動(dòng)的影響，如催化劑載體內(nèi)氣體流動(dòng)軸，向速率分布和催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)氣體流動(dòng)的壓力損失。從而在設(shè)計(jì)中優(yōu)化其流動(dòng)特性，使化學(xué)反應(yīng)均勻發(fā)生在整個(gè)載體內(nèi)。如對(duì)于一臺(tái)4缸發(fā)動(dòng)機(jī)來說，可通過修改各歧管的軸線位置和管壁形狀來優(yōu)化設(shè)計(jì):將1號(hào)與2號(hào)歧管、3號(hào)與4號(hào)歧管部分結(jié)構(gòu)合并，將共用歧管截面修改為橢圓并設(shè)計(jì)了氣流擴(kuò)張角，增加了氣體混合膨脹區(qū)的體積。歧管優(yōu)化后新的速率分布圖顯示，1號(hào)缸和4號(hào)缸排出氣體的軸向速率等于平均速率的90%，2號(hào)缸和3號(hào)缸的情況更好。

　　進(jìn)氣端管的溫度、塑性應(yīng)變分布用CFD和FEA相結(jié)合的方法可以精確計(jì)算得到。計(jì)算的邊界條件是進(jìn)氣端管出氣端為外流場(chǎng)人口，為風(fēng)扇空氣流量和空氣溫度;進(jìn)氣端管進(jìn)氣端為外流場(chǎng)出口，為空氣的靜壓和溫度;進(jìn)氣端管外表面為壁面邊界條件。計(jì)算得出進(jìn)氣端管結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)和熱一機(jī)械應(yīng)力云圖。以上優(yōu)化設(shè)計(jì)需以完整的試驗(yàn)驗(yàn)證來檢驗(yàn)，包括冷態(tài)變矩試驗(yàn)、加速結(jié)構(gòu)耐久性振動(dòng)試驗(yàn)、水淬外部熱沖擊試驗(yàn)和內(nèi)部熱沖擊試驗(yàn)。


　　目前，具有熱-結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間耦合分析能力的軟件包較多，用CFD和FEA相結(jié)合的方法可以精確計(jì)算催化轉(zhuǎn)換器的溫度分布和塑性應(yīng)變分布。以進(jìn)氣端管為例，首先計(jì)算某特定轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門最大開度、若干曲軸轉(zhuǎn)角下的進(jìn)氣端管內(nèi)流場(chǎng)，得到進(jìn)氣端管內(nèi)壁的平均對(duì)流換熱系數(shù)，計(jì)算的邊界條件為進(jìn)氣端管進(jìn)氣口為隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的流量和溫度，出氣口為隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的靜壓和溫度，其余為壁面邊界條件和實(shí)際排氣溫度。然后模擬實(shí)際車輛的外流場(chǎng)，得到進(jìn)氣端管外壁的對(duì)流換熱系數(shù)。由于歧管式催化轉(zhuǎn)化器安裝在車輛的前端，發(fā)動(dòng)機(jī)在催化轉(zhuǎn)化器后端，外流場(chǎng)的空氣流動(dòng)方向是車輛行駛方向的逆向，故計(jì)算的邊界條件為進(jìn)氣端管出氣端為外流場(chǎng)入口，為風(fēng)扇空氣流量和空氣溫度，進(jìn)氣端管進(jìn)氣端為外流場(chǎng)出口，為空氣的靜壓和溫度，進(jìn)氣端管外表面為壁面邊界條件。上述的計(jì)算同時(shí)可以得到進(jìn)氣端管的內(nèi)、外壁面溫度。將CFD計(jì)算得出的傳熱系數(shù)和溫度場(chǎng)映射到三維模型上，作為FEA模擬計(jì)算的邊界條件，最后計(jì)算進(jìn)氣端管結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)和熱-機(jī)械應(yīng)力。

　　催化轉(zhuǎn)化器歷經(jīng)冷態(tài)彎矩試驗(yàn)、加速結(jié)構(gòu)耐久性振動(dòng)試驗(yàn)、熱振動(dòng)試驗(yàn)、水淬外部熱沖擊試驗(yàn)、內(nèi)部熱沖擊試驗(yàn)、耐腐蝕試驗(yàn)后，如果沒有失效產(chǎn)生，便可認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定型，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)或車輛的耐久性試驗(yàn)階段。以上每個(gè)試驗(yàn)都會(huì)提供有效的反饋來對(duì)現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，這些驗(yàn)證試驗(yàn)與設(shè)計(jì)優(yōu)化反復(fù)進(jìn)行，最終確定了催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)。