某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)CAE分析

張超，王宏大，馬勇，劉志

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽工程大學(xué)，安徽 蕪湖 241000）

某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)CAE分析

張超1，王宏大1，馬勇1，劉志2

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽工程大學(xué)，安徽 蕪湖 241000）

文章利用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。

均勻性系數(shù)；中心率；壓力降

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.061

CLC NO.:U467.3Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-182-03

前言

隨著環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，各國(guó)都對(duì)汽車排放提出了日益嚴(yán)重的要求[1～2]。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，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)[3]。為了降低汽油機(jī)的排放，在催化器體積一定的前提下，主要是通過提高三元催化器的轉(zhuǎn)化效率和壽命的措施來達(dá)到目標(biāo)[4]。

在排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要重點(diǎn)關(guān)注四個(gè)方面的指標(biāo)。分別是氣體在載體內(nèi)部的流動(dòng)均勻性、氣體在載體內(nèi)部的速度中心率、氧傳感器位置、排氣系統(tǒng)壓力降。

1、模型建立

1.1 數(shù)模

圖1 排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該汽油機(jī)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。排氣系統(tǒng)有四個(gè)入口，分別為BC_1、BC_2、BC_3、BC_4，四個(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。

1.2 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),因此本文分析采用發(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：1100K出口邊界：靜壓邊界：1.2942 bar

穩(wěn)態(tài)分析共進(jìn)行了四種工況的分析，分別為其中一個(gè)氣缸排氣，其它三個(gè)氣缸關(guān)閉的工況。

（2）瞬態(tài)分析邊界條件：

入口邊界采用一個(gè)工作循環(huán)下隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的質(zhì)量流量和溫度邊界條件，出口采用一個(gè)工作循環(huán)下隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的壓力和溫度邊界條件。

1.3 載體參數(shù)

兩段載體的參數(shù)由供應(yīng)商提供，兩段載體開孔率分別為TWC1=0.72和TWC2=0.7。其中開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下圖2。

圖2 兩段載體壓力降曲線

2、穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果及模型驗(yàn)證

2.1 壓力降驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，本文對(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。

通過對(duì)供應(yīng)商的不同質(zhì)量流量下壓力降曲線擬合，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321.1kg/h,計(jì)算得到的壓力降如下，TWC1壓力降數(shù)值約為11.03kPa, TWC2壓力降數(shù)值約為7.26 kPa。對(duì)于TWC1和TWC2來說，供應(yīng)商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，我們可以認(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。

2.2 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中可以看出，四個(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。四個(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。

圖5為載體TWC1和TWC2內(nèi)部橫截面的氣流速度分布。從圖5中可以看出，四個(gè)氣缸排氣時(shí)，TWC1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的氣流至載體TWC1時(shí)，氣流沿載體的多孔結(jié)構(gòu)流動(dòng)，氣流從載體TWC1流出后，其變得十分均勻。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。

表1 速度均勻性系數(shù)和氣流速度中心率

圖5 催化器內(nèi)部橫截面速度分布

2.3 氧傳感器位置

四個(gè)缸排氣時(shí)，前氧傳感器表面最大速度分別為325m/s、316 m/s、164 m/s及189m/s。后氧傳感器表面最大速度分別為173m/s、167 m/s、172 m/s及172m/s。

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。

2.4 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。從表2中可以看出，各缸排氣時(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2 排氣系統(tǒng)各部分壓力降

3、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)行了五個(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圖6。

從圖6(a)中可以看出，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)中可以看出，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。

圖6 一個(gè)工作循環(huán)下計(jì)算結(jié)果

4、結(jié)論

通過對(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)。本文中上述參數(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，本文中壓力降計(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。

[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．

[2]梁昱,周立迎，龔金科，羅福強(qiáng).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,(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,(8)：10-11.

[4]龔金科等.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.

[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)，2011,194(3)：20-24.

The Exhaust System CAE analysis of the Engine

Zhang Chao1, Wang Hongda1, Ma Yong1, Liu Zhi2

( 1.Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei230000; 2.Anhui Polytechnic University, Anhui Wuhu 241000 )

In this paper, we do the exhaust aftertreatment CFD analysis for a gasoline by FIRE. First, the exhaust aftertreatment steady analysis is done, and then the pressure drop of carrier is verified, at last, the exhaust aftertreatment transient analysis is done. The result shows that： each index of steady analysis meet 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.

uniformity coefficient; Centricity; The Pressure drop

U467.3

A

1671-7988 (2017)02-182-03

張超，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。