實現(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。以國內(nèi)某公司設(shè)計的歧管式催化轉(zhuǎn)化器為例說明這類轉(zhuǎn)化器的進(jìn)氣端管設(shè)計。

　　設(shè)計進(jìn)氣端管時應(yīng)重點考慮空間位置、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)部的流動特性遠(yuǎn)比其它形式的催化轉(zhuǎn)化器復(fù)雜，用計算流體力學(xué)(CFD)的方法可以計算該設(shè)計方案對氣體流動的影響，如催化劑載體內(nèi)氣體流動軸，向速率分布和催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)氣體流動的壓力損失。從而在設(shè)計中優(yōu)化其流動特性，使化學(xué)反應(yīng)均勻發(fā)生在整個載體內(nèi)。如對于一臺4缸發(fā)動機(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:將1號與2號歧管、3號與4號歧管部分結(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號缸和4號缸排出氣體的軸向速率等于平均速率的90%，2號缸和3號缸的情況更好。

　　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算得到。計算的邊界條件是進(jìn)氣端管出氣端為外流場人口，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。計算得出進(jìn)氣端管結(jié)構(gòu)的溫度場和熱一機(jī)械應(yīng)力云圖。以上優(yōu)化設(shè)計需以完整的試驗驗證來檢驗，包括冷態(tài)變矩試驗、加速結(jié)構(gòu)耐久性振動試驗、水淬外部熱沖擊試驗和內(nèi)部熱沖擊試驗。


　　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，得到進(jìn)氣端管內(nèi)壁的平均對流換熱系數(shù)，計算的邊界條件為進(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際排氣溫度。然后模擬實際車輛的外流場，得到進(jìn)氣端管外壁的對流換熱系數(shù)。由于歧管式催化轉(zhuǎn)化器安裝在車輛的前端，發(fā)動機(jī)在催化轉(zhuǎn)化器后端，外流場的空氣流動方向是車輛行駛方向的逆向，故計算的邊界條件為進(jìn)氣端管出氣端為外流場入口，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。上述的計算同時可以得到進(jìn)氣端管的內(nèi)、外壁面溫度。將CFD計算得出的傳熱系數(shù)和溫度場映射到三維模型上，作為FEA模擬計算的邊界條件，最后計算進(jìn)氣端管結(jié)構(gòu)的溫度場和熱-機(jī)械應(yīng)力。

　　催化轉(zhuǎn)化器歷經(jīng)冷態(tài)彎矩試驗、加速結(jié)構(gòu)耐久性振動試驗、熱振動試驗、水淬外部熱沖擊試驗、內(nèi)部熱沖擊試驗、耐腐蝕試驗后，如果沒有失效產(chǎn)生，便可認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計定型，進(jìn)入發(fā)動機(jī)或車輛的耐久性試驗階段。以上每個試驗都會提供有效的反饋來對現(xiàn)階段的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，這些驗證試驗與設(shè)計優(yōu)化反復(fù)進(jìn)行，最終確定了催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)。