某型汽油機(jī)排氣后處理系統(tǒng)CFD分析

常耀紅，張超，馬勇，路明

(安徽江淮汽車股份有限公司,安徽合肥 230022)

?

某型汽油機(jī)排氣后處理系統(tǒng)CFD分析

常耀紅，張超，馬勇，路明

(安徽江淮汽車股份有限公司,安徽合肥 230022)

為了降低汽油機(jī)排放，需要提高三元催化器的催化效率。氣流均勻性和中心率影響催化器的催化效率和壽命。氧傳感器位置和壓力降影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。利用AVL-Fire軟件對(duì)某汽油機(jī)排氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行CFD分析：首先進(jìn)行了排氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析，隨后對(duì)載體壓力降進(jìn)行驗(yàn)證，最后進(jìn)行排氣系統(tǒng)瞬態(tài)分析。結(jié)果表明：排氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析得到的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求；壓力降計(jì)算結(jié)果和輸入壓力降偏差在4%左右，計(jì)算結(jié)果可靠；一個(gè)工作循環(huán)下不同曲軸轉(zhuǎn)角下的結(jié)果均滿足要求。CFD計(jì)算可以用來(lái)指導(dǎo)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

汽油機(jī)；排氣系統(tǒng)；CFD分析

0 引言

隨著環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，尤其機(jī)動(dòng)車排放是環(huán)境污染的一個(gè)重要原因，各國(guó)都對(duì)汽車排放提出了日益嚴(yán)格的要求[1-3]。汽油機(jī)排放污染物中主要有HC和CO等，為了降低汽油機(jī)排放污染物水平，目前主流汽車廠家和后處理供應(yīng)商均選用TWC(三元催化器)技術(shù)[4-5]。TWC是多孔結(jié)構(gòu)，在載體表面涂覆催化物質(zhì)。為了降低汽油機(jī)的排放，在催化器體積一定的前提下，主要是通過(guò)提高三元催化器的轉(zhuǎn)化效率和壽命的措施來(lái)達(dá)到目標(biāo)[6]。

在排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要重點(diǎn)關(guān)注4個(gè)方面的指標(biāo)。首先是氣體在載體內(nèi)部的流動(dòng)均勻性，其次是氣體在載體內(nèi)部的速度中心率。這兩個(gè)指標(biāo)直接影響催化劑的催化效率和壽命。如果氣流在載體內(nèi)部分布不均勻、中心率差，會(huì)導(dǎo)致催化效率低，氣流速度高的區(qū)域由于排溫高易老化，氣流速度低的區(qū)域催化效率低。第3個(gè)是氧傳感器位置，如果氧傳感器位置不好，就不能準(zhǔn)確檢測(cè)排氣中氧氣的含量，其傳回ECU的數(shù)據(jù)就不準(zhǔn)，會(huì)導(dǎo)致燃燒惡化，排放增加。第4個(gè)是排氣系統(tǒng)壓力降。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，需要將排氣背壓設(shè)計(jì)得盡可能地小，因此需要對(duì)排氣系統(tǒng)管路優(yōu)化。

1 模型建立

1.1 數(shù)模

該汽油機(jī)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。排氣系統(tǒng)有4個(gè)入口，分別為BC_1、BC_2、BC_3、BC_4，4個(gè)排氣支管匯集后進(jìn)入排氣管路，在催化劑前后分別布置有前氧傳感器和后氧傳感器，催化劑分為兩段，分別是TWC1和TWC2。圖中BC_OUT為出口位置。

圖1 排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 網(wǎng)格劃分

此次計(jì)算使用FAME生成以六面體為主的計(jì)算網(wǎng)格(如圖2所示)?？紤]到壁面附近的邊界層影響，在壁面上生成一層邊界層網(wǎng)格。整個(gè)排氣系統(tǒng)的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格圖

1.3 求解器參數(shù)

采用迎風(fēng)離散格式，一階隱式格式離散時(shí)間項(xiàng)，壓力與速度耦合算法選擇SIMPLE。設(shè)定管內(nèi)空氣流動(dòng)為可壓縮黏性流動(dòng)，空氣為理想氣體，湍流模型為k-￡-f方程。使用混合壁面描述壁面附近邊界層流體速度、壓力等的分布，且要求貼近壁面的網(wǎng)格的y+值在11～200之間，殘差小于0.000 1。

1.4 邊界條件

(1)穩(wěn)態(tài)分析邊界條件。對(duì)于催化器最重要的工況是最大體積流量工況點(diǎn)，因?yàn)樵摴r氣流分布較差。因此文中分析采用發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況點(diǎn)。

入口邊界: 質(zhì)量流量321.1 kg/h，進(jìn)口溫度1 100 K；

出口邊界：靜壓邊界1.294 2×105Pa。

穩(wěn)態(tài)分析共進(jìn)行了4種工況的分析，分別為其中一個(gè)氣缸排氣、其他3個(gè)氣缸關(guān)閉的工況。

(2)瞬態(tài)分析邊界條件。入口邊界采用質(zhì)量流量和溫度邊界條件，出口采用壓力和溫度邊界條件。一個(gè)工作循環(huán)下的入口和出口邊界條件見(jiàn)圖3。

圖3 瞬態(tài)分析邊界條件

1.5 載體參數(shù)

兩段載體的參數(shù)由供應(yīng)商提供，兩段載體開(kāi)孔率分別為αTWC1=0.72和αTWC2=0.7。其中開(kāi)孔率定義為載體中流通面積除以載體橫截面總面積。

載體供應(yīng)商提供的兩段載體的壓力降曲線見(jiàn)圖4。

圖4 兩段載體壓力降曲線

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)定義

2.1 速度均勻性系數(shù)

對(duì)于催化劑而言，進(jìn)入其中的氣流分布越均勻，則催化效率越高。而評(píng)價(jià)氣流分布均勻的指標(biāo)就是速度均勻性系數(shù)，公式如下：

(1)

通常γ值在0～1 之間，越大表示均勻性越好，一般要求其不小于0.85。

2.2 氣流速度中心率

氣流速度中心率用于評(píng)估氣體流動(dòng)中心偏離載體橫截面中心程度。

(2)

氣流速度中心率數(shù)值在0和1之間，數(shù)值越大，氣流速度中心距離載體橫截面中心越近。當(dāng)數(shù)值為1時(shí)，表示這是一個(gè)完全中心流動(dòng)。

2.3 最大平均流速和最大流速差異性系數(shù)

最大平均流速和最大流速差異性系數(shù)均是評(píng)價(jià)氧傳感器位置的指標(biāo)，其中最大平均流速(vAFV)的計(jì)算公式為：

(3)

其中:v1max、v2max、v3max、v4max分別是1缸、2缸、3缸、4缸排氣時(shí)，氧傳感器周圍的最大速度(單位：m/s)。

最大流速差異性系數(shù)(αFSD)的計(jì)算公式為：

(4)

只有vAFV≥100 m/s，同時(shí)αFSD≤1時(shí)，才能評(píng)判氧傳感器的位置滿足要求，否則氧傳感器的位置必須重新布置。另外氧傳感器需要位于廢氣集中流經(jīng)的部位。

3 穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果及模型驗(yàn)證

3.1 壓力降驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，作者對(duì)供應(yīng)商提供的壓力降與穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到的壓力降兩個(gè)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)供應(yīng)商提供的不同質(zhì)量流量下壓力降曲線進(jìn)行擬合，得到與穩(wěn)態(tài)分析相同質(zhì)量流量下的壓力降，TWC1壓力降數(shù)值約為10.62 kPa, TWC2壓力降數(shù)值約為6.98 kPa。穩(wěn)態(tài)計(jì)算的載體內(nèi)部質(zhì)量流量為321.1 kg/h,計(jì)算得到的壓力降如下：TWC1壓力降數(shù)值約為11.03 kPa, TWC2壓力降數(shù)值約為7.26 kPa。對(duì)于TWC1

和TWC2來(lái)說(shuō)，用供應(yīng)商提供的壓力降擬合得到的壓力降和穩(wěn)態(tài)分析得到的壓力降，兩者均相差4%左右。這主要是由于供應(yīng)商測(cè)試的工況是在載體入口提供均勻的氣流，而模擬計(jì)算的工況是載體置于排氣系統(tǒng)中，載體入口的氣流不是完全均勻的。綜合以上，作者認(rèn)為搭建的排氣系統(tǒng)后處理仿真模型是準(zhǔn)確的，使用該模型計(jì)算的結(jié)果是可靠的。

3.2 載體內(nèi)部氣流速度均勻性系數(shù)和氣流速度中心率

表1為載體內(nèi)部氣流速度均勻性系數(shù)和氣流速度中心率。從表1可以看出：4個(gè)氣缸排氣時(shí)，載體TWC1內(nèi)部的氣流速度均勻性系數(shù)均大于0.95，滿足大于0.9的要求；載體TWC2內(nèi)部的氣流速度均勻性系數(shù)均大于0.98，滿足大于0.9的要求；4個(gè)氣缸排氣時(shí)，載體TWC1內(nèi)部的氣流速度中心率均大于0.94，滿足大于0.9的要求；載體TWC2內(nèi)部的氣流速度中心率均大于0.98，滿足大于0.9的要求。

表1 速度均勻性系數(shù)和氣流速度中心率

圖5為載體TWC1和TWC2內(nèi)部橫截面的氣流速度分布。

圖5 催化器內(nèi)部橫截面速度分布

從圖5可以看出：4個(gè)氣缸排氣時(shí)，TWC2中各個(gè)截面氣流速度均勻性都很好，并且TWC2中各個(gè)截面氣流速度均勻性優(yōu)于TWC1中各個(gè)截面氣流速度均勻性，這也與表1相對(duì)應(yīng)。這是由于從各排氣支管至載體TWC1時(shí)，氣流沿載體的多孔結(jié)構(gòu)流動(dòng)，從載體TWC1流出后，變得十分均勻，均勻的氣流再次進(jìn)入載體TWC2時(shí)，在該載體的多孔結(jié)構(gòu)作用下，氣流流動(dòng)接近完全均勻。

3.3 氧傳感器位置

從表2可以看出：4個(gè)缸排氣時(shí)，前氧傳感器表面最大速度分別為325、316、164及189 m/s，前氧傳感器最大平均流速vAFV為248.5 m/s，前氧傳感器最大流速差異性系數(shù)αFSD為0.65，滿足“vAFV≥100 m/s，且αFSD≤1”的要求，前氧傳感器的位置滿足要求；后氧傳感器表面最大速度分別為173、167、172及172 m/s，后氧傳感器最大平均流速vAFV為171 m/s，后氧傳感器最大流速差異性系數(shù)αFSD為0.04，滿足“vAFV≥100 m/s，且αFSD≤1”的要求，后氧傳感器的位置滿足要求。

表2 氧傳感器表面參數(shù)

當(dāng)氧傳感器表面最大速度小于100 m/s時(shí)，會(huì)導(dǎo)致氧傳感器不能準(zhǔn)確地測(cè)量出發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中氧氣的含量，導(dǎo)致汽車油耗的惡化。當(dāng)氧傳感器表面最大速度大于100 m/s時(shí)，可以較準(zhǔn)確地測(cè)出廢氣中氧氣的含量，達(dá)到整車OBD的要求。

3.4 壓力損失

表3為各缸排氣時(shí)排氣系統(tǒng)各個(gè)部分的壓力降數(shù)值?？梢钥闯觯焊鞲着艢鈺r(shí)，排氣系統(tǒng)各個(gè)部分的壓力降數(shù)值幾乎相同；排氣系統(tǒng)中的壓力降主要集中在TWC1和TWC2，約占整個(gè)排氣系統(tǒng)壓力降的84%。

表3 排氣系統(tǒng)各部分壓力降 kPa

4 瞬態(tài)分析結(jié)果

在排氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)CFD分析基礎(chǔ)上，為了了解隨曲軸轉(zhuǎn)角變化下的兩段載體入口處的氣流速度均勻性和氣流速度中心率變化情況，進(jìn)行了排氣系統(tǒng)瞬態(tài)CFD分析。為了保證計(jì)算結(jié)果收斂，排氣系統(tǒng)瞬態(tài)CFD分析共進(jìn)行了5個(gè)工作循環(huán)的計(jì)算，取最后一個(gè)工作循環(huán)的數(shù)據(jù)作為輸出結(jié)果。最后一個(gè)工作循環(huán)下兩段載體的氣流速度均勻性系數(shù)和氣流速度中心率分別見(jiàn)圖6(a)、(b)。

圖6 一個(gè)工作循環(huán)下計(jì)算結(jié)果

從圖6(a)可以看出:此工作循環(huán)下各個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角下的氣流速度均勻性系數(shù)均大于0.96，滿足大于0.9的要求；從圖6(b)可以看出:此工作循環(huán)下各個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角下的氣流速度中心率均大于0.95，滿足大于0.9的要求。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某汽油機(jī)排氣系統(tǒng)后處理CFD計(jì)算，得到以下結(jié)論：

(1)排氣后處理穩(wěn)態(tài)分析可以得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，這些指標(biāo)包括氣流速度均勻性系數(shù)、氣流速度中心率、壓力降及氧傳感器位置參數(shù)。文中上述參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)對(duì)排氣系統(tǒng)分析模型進(jìn)行驗(yàn)證，可以確保建立的模型準(zhǔn)確，文中壓力降計(jì)算結(jié)果和輸入壓力降偏差在4%左右，計(jì)算結(jié)果可靠。

(3)對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)分析，得到一個(gè)工作循環(huán)下不同曲軸轉(zhuǎn)角下的結(jié)果均滿足要求。

(4)在排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)分析關(guān)鍵指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，CFD計(jì)算可以用來(lái)指導(dǎo)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

【1】孫魯青，賈菲，張一平．基于一維、三維耦合分析的歧管式催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]．汽車技術(shù)，2012(6)：40-43． SUN L Q,JIA F,ZHANG Y P.Optimization Structure of Manifold Catalytic Converter Based on 1D and 3D Coupled Analysis[J].Automobile Technology,2012(6)：40-43．

【2】梁昱,周立迎，龔金科，等.車用催化轉(zhuǎn)化器入口管結(jié)構(gòu)改進(jìn)模擬與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37(9):51-57. LIANG Y,ZHOU L Y,GONG J K,et al.Experimental and Modeling Investigation of New Structure on Automobile Catalytic Converter Inlet Header[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2006，37(9):51-57.

【3】高巧，許濤.某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)三元催化器內(nèi)流場(chǎng)分析[J].內(nèi)燃機(jī),2011(4):10-11. GAO Q,XU T.Analysis on the Internal Flow Field of Three Way Catalyst of a Certain Gasoline Engine[J].Internal Combustion Engines,2011(4):10-11.

【4】龔金科,康紅艷,彭煒琳,等.汽油機(jī)三效催化轉(zhuǎn)化器反應(yīng)流的數(shù)值模擬[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2006,24(1)：62-66. GONG J K,KANG H Y,PENG W L,et al.Numerical Simulation of Reacting Flow in Automobile Three-Way Catalytic Converter[J].Transactions of CSICE,2006,24(1)：62-66.

【5】丁柏群，李明揚(yáng).車用歧管式催化器內(nèi)部流速及壓力分析[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2011(3):20-24. DING B Q,LI M Y.Internal Flow Velocity and Pressure Analysis of Vehicle Manifold Catalyst Converter[J].Vehicle Engine,2011(3):20-24.

【6】張力,閆云飛,冉景煜,等.天然氣汽車三效催化器流場(chǎng)均勻性數(shù)值模擬及催化劑優(yōu)化[J].化工學(xué)報(bào)，2005,56(9)：1679-1684. ZHANG L,YAN Y F,RAN J Y,et al.Numerical Simulation of Flow Distribution Uniformity in TWC and Optimal Design of Catalyst in CNG Vehicle[J].Journal of Chemical Industry and Engineering(China),2005,56(9)：1679-1684.

CFD Analysis for the Exhaust Aftertreatment System of the Gasoline

CHANG Yaohong, ZHANG Chao, MA Yong, LU Ming

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230022,China)

In order to reduce emission of gasoline, the efficiency of TWC is needed to increase. The airflow uniformity and centricity of TWC affect the efficiency and life of catalyst. The location of O2sensor and the pressure drop affect the performance of engine. CFD analysis for the exhaust aftertreatment system of a gasoline was made by AVL-Fire software. Steady analysis for the exhaust aftertreatment system was done, then the pressure drop of the carrier was verified, at last the exhaust aftertreatment system transient analysis was done. The results show that: each index of the steady analysis meets the standard; the deviation of the pressure drop from simulation and supplier is about 4%,the simulation result is reliable; the result of different crank angle in one cycle meet standard. CFD simulation can be used to optimize the design of the exhaust system.

Gasoline; Exhaust system; CFD analysis

2016-08-19

常耀紅(1983—)，男，碩士，研究方向?yàn)閯?dòng)力機(jī)械及工程。E-mail:563420286@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.006

U461.8

A

1674-1986(2016)11-026-05