顆粒物傳感器結(jié)合DPF的數(shù)值模擬研究*

湯 東， 王松華， 羅福強(qiáng)， 李 楠， 陳 烈

(1.江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.金壇鴻鑫電子科技有限公司，江蘇 金壇 213200)

顆粒物傳感器結(jié)合DPF的數(shù)值模擬研究*

湯 東1， 王松華1， 羅福強(qiáng)1， 李 楠1， 陳 烈2

(1.江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.金壇鴻鑫電子科技有限公司，江蘇 金壇 213200)

漏電流式顆粒物傳感器，在車(chē)載診斷(OBD)系統(tǒng)中被用于顆粒物捕集器(DPF)的失效監(jiān)測(cè)，將顆粒物傳感器和DPF結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究，更具實(shí)際意義。利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件Fluent分析了DPF和傳感器內(nèi)部的流場(chǎng)分布，以及傳感器內(nèi)部顆粒物的運(yùn)動(dòng)和分布情況，并對(duì)DPF入口排氣流速對(duì)傳感器內(nèi)流場(chǎng)分布的影響進(jìn)行了探究。模擬結(jié)果顯示:傳感器內(nèi)部流動(dòng)性較好，顆粒物分布較為均勻，但迷宮式設(shè)計(jì)內(nèi)仍然會(huì)有顆粒物沉積，需要定期進(jìn)行清理；DPF入口流速對(duì)傳感器內(nèi)流場(chǎng)分布情況影響較小，主要對(duì)傳感器內(nèi)排氣流速的大小影響較大。

顆粒物傳感器; 顆粒物捕集器; 漏電流; 車(chē)載診斷; 濃度

0 引 言

車(chē)用動(dòng)力尤其是柴油機(jī)顆粒物(particulate matter,PM)排放已經(jīng)成為空氣中懸浮顆粒物的重要來(lái)源[1]。當(dāng)前顆粒物捕集器(diesel particulate filter,DPF)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于去除柴油機(jī)排氣中絕大多數(shù)顆粒物排放[2，3]，但是如果DPF失效，PM排放將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)排放法規(guī)限值。為了對(duì)柴油機(jī)PM排放進(jìn)行實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)以滿足愈發(fā)嚴(yán)格的排放法規(guī)[4]，需要車(chē)載PM濃度精確測(cè)試技術(shù)。PM傳感器可以在惡劣的尾氣環(huán)境中實(shí)時(shí)而精確的監(jiān)測(cè)DPF下游PM濃度，目前歐美市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了一些基于不同測(cè)量原理的PM傳感器，博世、大陸聯(lián)合艾菲公司基于多層陶瓷測(cè)試技術(shù)設(shè)計(jì)出電阻型顆粒物傳感器[6]，芬蘭的畢加索公司設(shè)計(jì)的PM傳感器利用充電電流差對(duì)尾氣中PM的質(zhì)量和數(shù)量濃度進(jìn)行測(cè)量。國(guó)內(nèi)關(guān)于PM傳感器的研究較少，楊永杰等人基于光電傳感器測(cè)量原理，設(shè)計(jì)了一種PM2.5檢測(cè)傳感器[5]，王希凡等人對(duì)PM傳感器通信協(xié)議的設(shè)定進(jìn)行了研究[6]。對(duì)于傳感器的原型機(jī)理研究還不夠深入，因而有必要對(duì)車(chē)載PM傳感器開(kāi)展研究。

1 漏電流式PM傳感器

圖1是PM傳感器的三維結(jié)構(gòu)圖，傳感器直接安裝在DPF下游排氣管上，安裝方式和氧傳感器類似。杯狀的高壓電極和筒狀的導(dǎo)電外殼之間構(gòu)成濃度測(cè)試區(qū)，尾氣依靠壓差按圖中箭頭進(jìn)入傳感器內(nèi)部，當(dāng)對(duì)高壓電極施加800～1 500 V電壓時(shí)，尾氣中的PM會(huì)被極化或電離成導(dǎo)體，從而在高壓電極和導(dǎo)電外殼之間形成漏電流，高電壓對(duì)其他的物質(zhì)如CO2、水汽沒(méi)有很大的影響，即在該電壓范圍內(nèi)PM濃度是影響漏電流的主要因素。建立PM濃度和漏電流值之間的關(guān)聯(lián)性，便可以達(dá)到瞬態(tài)PM濃度測(cè)量的目的。為了防止PM隨尾氣進(jìn)入傳感器密封空間，對(duì)傳感器尾部的導(dǎo)線等部件造成腐蝕，在密封空間的前部采用了多道彎式的迷宮式設(shè)計(jì)。

本文將DPF和PM傳感器結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究，考慮了DPF和傳感器之間的相互影響，使研究更加具有實(shí)際意義。利用Fluent軟件對(duì)DPF及PM傳感器內(nèi)的流場(chǎng)分布和傳感器內(nèi)的顆粒分布進(jìn)行了研究，以此來(lái)指導(dǎo)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

圖1 傳感器三維結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模型的建立

圖2是PM傳感器結(jié)合DPF的幾何模型的結(jié)構(gòu)示意圖，過(guò)濾體被當(dāng)作多孔介質(zhì)來(lái)處理。DPF的結(jié)構(gòu)基本參數(shù)如表1所示。由于該模型和尾氣的流動(dòng)具有對(duì)稱性，因而只建立了一半的模型。利用Hyper Mesh軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。由于傳感器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且為主要研究對(duì)象，因而對(duì)傳感器部分進(jìn)行了局部的加密處理，網(wǎng)格總數(shù)共計(jì)1 858 925，圖3為網(wǎng)格劃分的結(jié)果。

圖2 PM傳感器結(jié)合DPF的結(jié)構(gòu)示意圖

參數(shù)取值參數(shù)取值過(guò)濾體直徑/mm118孔道壁厚/mm0.5過(guò)濾體長(zhǎng)度/mm152孔道邊長(zhǎng)/mm2孔密度/cpsi100入口小管直徑/mm54孔隙率0.48入口擴(kuò)張管錐角/(°)90

DPF入口處采用速度入口邊界條件，顆粒相與氣相取相同的入口速度值，排氣流速基于新柴A498BPG柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)的排量為3.319 L;排氣管直徑為54 mm;選取怠速轉(zhuǎn)速792 r/min、最大扭矩轉(zhuǎn)速1 680 r/min和標(biāo)定轉(zhuǎn)速2 400 r/min為研究對(duì)象，經(jīng)計(jì)算，該發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流速大致在20～50 m/s之間。所有的壁面均采用無(wú)滑移邊界條件，即所有的速度分量均取為0 m/s。選擇壓力出口作為出口邊界條件，出口壓力值設(shè)置為0 MPa。氣相材料選擇為空氣，因此,氣相材料的密度及動(dòng)力粘度按不同溫度和壓力下空氣的密度和動(dòng)力粘度設(shè)置。

圖3 PM傳感器結(jié)合DPF網(wǎng)格劃分結(jié)果

PM利用Rosin-Ramler(R-R)模型按粒徑的大小進(jìn)行分組，最小的粒徑選用0.1 μm(Fluent軟件所能夠模擬的最小的粒徑)，并選用1 μm作為最大的粒徑。根據(jù)PM粒徑分布的情況進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合計(jì)算，所得的顆粒物平均直徑為0.52 μm，分布指數(shù)取2.44。

氣固兩相流模型選擇顆粒軌道模型，在Fluent中選用DPM模型。相關(guān)文獻(xiàn)[7]指出排氣在壁流式蜂窩陶瓷過(guò)濾體內(nèi)流動(dòng)時(shí)為層流運(yùn)動(dòng)，因此,過(guò)濾體內(nèi)選擇層流模型，而排氣在DPF過(guò)濾體外是湍流運(yùn)動(dòng)，故采用K-ε湍流模型來(lái)對(duì)其進(jìn)行描述?；谒x擇的氣固兩相流理論和多孔介質(zhì)理論建立了PM傳感器結(jié)合DPF的氣固兩相流數(shù)值模型，并利用Fluent軟件對(duì)其進(jìn)行求解。

3 模型驗(yàn)證

柴油機(jī)實(shí)際工作時(shí)，排氣的溫度較高，且為間歇排氣，工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生劇烈的壓力波動(dòng)，因此較難在柴油機(jī)排氣系統(tǒng)中直接測(cè)量DPF的流動(dòng)特性，為此本研究在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上搭建穩(wěn)定、等溫、軸對(duì)稱的實(shí)驗(yàn)裝置，裝置示意圖如圖4所示。測(cè)量DPF載體出口端面氣流分布，并將測(cè)量值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，以對(duì)所建立的數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證。選擇空氣作為氣源，采用一個(gè)額定排氣壓力為1.8MPa的單級(jí)風(fēng)冷空氣壓縮機(jī)來(lái)提供，通過(guò)調(diào)節(jié)閥控制氣體的流速使其保持恒定。DPF載體出口直接暴露在空氣中，利用轉(zhuǎn)輪式風(fēng)速傳感器測(cè)量DPF載體出口端面軸向速度沿徑向的分布，沿直徑方向等間距測(cè)量13個(gè)點(diǎn)，載體出口端面的測(cè)點(diǎn)分布情況如圖5所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

從圖6中可以看出:測(cè)量值與計(jì)算值整體趨勢(shì)吻合較好，在數(shù)值上仍有一定的偏差。誤差可能主要來(lái)自于儀器的測(cè)量精度、測(cè)量誤差以及數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化等原因，表明所建立的數(shù)值模型是可靠的，對(duì)于研究DPF后傳感器內(nèi)的流場(chǎng)及PM分布是能夠滿足要求的。

圖5 載體出口端面測(cè)點(diǎn)分布

圖6 計(jì)算值與測(cè)量值對(duì)比圖

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 氣相模擬結(jié)果分析

本節(jié)對(duì)DPF入口排氣流速為30 m/s時(shí)，傳感器及DPF內(nèi)氣相的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和湍動(dòng)能分布進(jìn)行了分析。

4.1.1 壓力場(chǎng)分析

如圖7(a),(b)分別為DPF及傳感器對(duì)稱截面上靜壓分布圖和傳感器部分靜壓分布局部放大圖。從圖中可以看出，DPF內(nèi)最大靜壓出現(xiàn)在載體入口端面中心線處，壓力在DPF內(nèi)層層遞減，在入口和出口之間形成了一定的壓力損失。傳感器部分出現(xiàn)了較明顯的壓力梯度分布，壓力的變化會(huì)導(dǎo)致排氣流速發(fā)生變化。

傳感器部分迎風(fēng)側(cè)進(jìn)氣口的下方壓力較高，這是由于排氣流經(jīng)傳感器文丘里管頭部時(shí)氣流受到了傳感器壁面的阻擋，在迎風(fēng)側(cè)進(jìn)氣口的下方形成了一定的高壓區(qū)域，壓差使一部分排氣經(jīng)進(jìn)氣口流入傳感器內(nèi)部。較明顯的壓力梯度分布還出現(xiàn)在傳感器背風(fēng)側(cè)進(jìn)氣口下方和尾氣出口處，根據(jù)文丘里管原理傳感器文丘里管頭部背風(fēng)側(cè)上方壓力較低，即背風(fēng)側(cè)進(jìn)氣口上方壓力較低，壓差會(huì)產(chǎn)生一定的吸附作用，使尾氣經(jīng)此處流入傳感器內(nèi)部。而尾氣出口處，由于出口下方壓力較低，在壓差的作用下尾氣由傳感器內(nèi)部重新匯入排氣管中。

圖7 PM傳感器結(jié)合DPF的靜壓分布

4.1.2 速度場(chǎng)分布

圖8是DPF及傳感器對(duì)稱截面速度分布情況，從圖中可以看出，氣流在載體內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，流速分布較為均勻，速度方向沒(méi)有發(fā)生改變，為層流運(yùn)動(dòng)，即傳感器在該安裝位置處對(duì)DPF內(nèi)流場(chǎng)分布影響較小。

圖8 PM傳感器結(jié)合DPF的速度場(chǎng)分布

圖9 傳感器內(nèi)速度和局部放大矢量分布圖

如圖9(a),(b),(c)分別是傳感器部分速度矢量分布圖，傳感器迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)進(jìn)氣口處速度矢量分布局部放大圖。圖9(a)中兩側(cè)進(jìn)氣口處速度沒(méi)有完全顯示出來(lái)，是由于該處流速高于所設(shè)置的0～2 m/s顯示范圍。從圖中可以看出：尾氣在傳感器內(nèi)部流動(dòng)，流速分布較為均勻，濃度測(cè)試區(qū)內(nèi)流動(dòng)平穩(wěn)；而傳感器兩側(cè)進(jìn)氣口和尾氣出口處出現(xiàn)了明顯的速度梯度分布，這是由于截面積的突然變化造成的。截面積的突然變化產(chǎn)生了很強(qiáng)的擾動(dòng)，造成了較大的局部損失，傳感器在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減小這些部位處造成的局部損失。

由于進(jìn)氣口處截面積的突然減小及傳感器壁面的剪切作用，迎風(fēng)側(cè)進(jìn)氣口內(nèi)出現(xiàn)了較強(qiáng)烈的渦流，產(chǎn)生了很強(qiáng)的擾動(dòng)，造成了較大的局部損失。背風(fēng)側(cè)進(jìn)氣口內(nèi)排氣出現(xiàn)了一定的逆向流動(dòng)，排氣由傳感器背風(fēng)側(cè)進(jìn)氣口流入排氣管內(nèi)，進(jìn)氣口處排氣的逆向流動(dòng)會(huì)使得所測(cè)的PM濃度產(chǎn)生較大的偏差。

從速度分布云圖中可以看出，基于文丘里管式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尾氣由進(jìn)氣口流入傳感器，經(jīng)濃度測(cè)試區(qū)、尾氣流動(dòng)空間，最終由尾氣出口重新匯入排氣管中，能夠?qū)崿F(xiàn)PM濃度的瞬態(tài)測(cè)量。

4.2 顆粒相模擬結(jié)果分析

傳感器是本文的主要研究對(duì)象，本節(jié)對(duì)DPF入口排氣流速為30 m/s時(shí)，傳感器內(nèi)部不同粒徑PM的運(yùn)動(dòng)及分布情況進(jìn)行了分析。

4.2.1 PM分布狀況

圖10是PM在傳感器及排氣管內(nèi)的分布情況，從圖中可以看出PM在傳感器內(nèi)部的分布較為均勻，迷宮式設(shè)計(jì)靠近濃度測(cè)試區(qū)的部分PM分布較多，這說(shuō)明迷宮式設(shè)計(jì)雖然起到了阻擋PM的效果，但傳感器工作一段時(shí)間后仍然會(huì)有PM在傳感器內(nèi)部沉積，因而需要定期對(duì)傳感器進(jìn)行清理，以完成傳感器的再生。

圖10 傳感器內(nèi)部PM分布圖

4.2.2 PM速度分布

圖11(a)是傳感器及排氣管內(nèi)PM的速度分布圖，從圖中可以看出PM在傳感器內(nèi)部的流動(dòng)較為均勻，PM在排氣管內(nèi)的流速要明顯高于傳感器內(nèi)PM的流速，這是由于傳感器內(nèi)排氣流速較低，而PM的運(yùn)動(dòng)情況主要是由排氣的運(yùn)動(dòng)情況來(lái)決定的。更低的流速發(fā)生在傳感器迷宮式設(shè)計(jì)處，由于多道彎迷宮式設(shè)計(jì)對(duì)排氣的阻擋，使得該處排氣流速較低。PM的流速較小，其停滯時(shí)間也會(huì)增長(zhǎng)，因而其發(fā)生沉積的可能性也會(huì)增大。

4.2.3 PM直徑分布

圖11(b)是不同直徑的PM在傳感器及排氣管內(nèi)的分布情況，從圖中可以看出不同粒徑的PM在傳感器內(nèi)部均勻并無(wú)序的分布著。傳感器內(nèi)PM的直徑要小于排氣管內(nèi)PM的直徑，這是由于顆粒相的運(yùn)動(dòng)情況主要由氣相的運(yùn)動(dòng)情況來(lái)決定的，顆粒隨氣體流動(dòng)的過(guò)程中，直徑較大的顆粒質(zhì)量也大，所受的慣性力也大，當(dāng)氣流方向發(fā)生變化時(shí)，直徑較大的顆粒往往會(huì)因?yàn)閼T性力的作用而來(lái)不及變換方向，從而脫離氣體的運(yùn)動(dòng)軌跡，而粒徑較小的顆粒則跟隨性較好。所以,當(dāng)尾氣流經(jīng)傳感器頭部時(shí)，在壓差的作用下部分排氣從進(jìn)氣口流入傳感器內(nèi)部，而粒徑較大的顆?？赡茉趹T性力的作用下繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，而不進(jìn)入傳感器。

圖11 傳感器內(nèi)部PM速度和直徑分布圖

4.3 流速對(duì)傳感器內(nèi)流場(chǎng)分布的影響

圖12是DPF入口排氣速度分別為15,30,50 m/s時(shí)，傳感器對(duì)稱截面上速度矢量分布情況。從圖中可以看出:當(dāng)DPF入口排氣流速發(fā)生改變時(shí)，傳感器對(duì)稱截面上的速度矢量分布情況基本相同，主要是流速發(fā)生了變化，隨著入口排氣流速的增加，傳感器內(nèi)排氣的流速也呈上升趨勢(shì)。這說(shuō)明DPF入口流速對(duì)傳感器內(nèi)流場(chǎng)分布情況影響較小，主要是對(duì)傳感器內(nèi)排氣流速影響較大。

圖12 不同入口流速傳感器內(nèi)速度矢量分布

5 結(jié) 論

1)基于文丘里管式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尾氣在傳感器內(nèi)流動(dòng)性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)PM濃度的瞬態(tài)測(cè)量。兩側(cè)進(jìn)氣口出現(xiàn)了較強(qiáng)的擾動(dòng)和逆向流動(dòng)，應(yīng)通過(guò)傳感器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)減小局部損失、避免異常流動(dòng)現(xiàn)象。

2)傳感器內(nèi)PM分布較為均勻，迷宮式設(shè)計(jì)起到了阻擋PM的效果，但仍然有PM發(fā)生沉積，需要定期清理以完成傳感器再生。

3)DPF入口流速對(duì)傳感器內(nèi)流場(chǎng)分布情況影響較小，對(duì)傳感器內(nèi)排氣流速影響較大，隨著入口排氣流速的增加，傳感器內(nèi)排氣的流速也呈上升趨勢(shì)。

[1] 呂 田.壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放理化特性及其對(duì)大氣環(huán)境的影響[D].上海：上海交通大學(xué),2013.

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Research on numerical simulation of particulate matter sensor combined with DPF*

TANG Dong1, WANG Song-hua1, LUO Fu-qiang1, LI Nan1, CHEN Lie2

(1.School of Automotive Traffic Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China;2.Jintan Jonssen Electronic Technology Corporation,Jintan 213200,China)

The leakage current particulate matter(PM)sensor is used to detect malfunctions of diesel particulate filter(DPF)in on-board diagnostics(OBD)system.PM sensor and DPF are studied together by computational fluid dynamics(CFD)software Fluent, which has more practical significance.Flow field distribution inside DPF and PM sensor is analyzed,and movement and distribution condition inside PM sensor are studied.Research on the influence of exhaust flow rate of DPF inlet on flowfield distribution inside PM sensor is performed.The results of simulation reveal good flowability inside the sensor，distribution of PM is uniform but there is still PM deposited in the maze structure design,which need to be cleared up regularly.Velocity of DPF inlet has little influence on flow-field distribution inside the sensor while it has great influence on exhaust velocity magnitude inside the sensor.

particulate matter(PM)sensor; diesel particulate filter(DPF); leakage current; on-board diagnostics(OBD); concentration

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0036—04

2016—05—22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51176068)；內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題項(xiàng)目 (K2014—9)

TP 212

A

1000—9787(2017)05—0036—04

湯 東(1969-)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事內(nèi)燃機(jī)測(cè)試方面研究工作,E—mail: Ujssonghua@163.com。