基于Fluent-Simulink協(xié)同仿真的EVAP系統(tǒng)泄漏監(jiān)測(cè)中壓力場(chǎng)分析*

何 仁，方妍月

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

前言

隨著汽車保有量的日益增長，汽車排放造成的環(huán)境污染也日益加重。針對(duì)汽車排放控制，國內(nèi)早已開展了研究［1-2］。而近年來，除了對(duì)汽車蒸發(fā)污染物的排放進(jìn)行限制外，我國也借鑒了On-Board Diagnostic II法規(guī)［3］，在最新的《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法第六階段》（GB 18352.6—2016）（以下簡(jiǎn)稱國VI）中，明確規(guī)定要對(duì)汽車燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)（evaporative system，EVAP）進(jìn)行1和0.5mm泄漏孔的實(shí)時(shí)泄漏監(jiān)測(cè)［4］。

在20世紀(jì)80-90年代，國外已開始研究燃油蒸發(fā)系統(tǒng)泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)：文獻(xiàn)［5］中開發(fā)出了一種名為壓力衰減方法（pressure decaymethod，PDM）的泄漏監(jiān)測(cè)算法；文獻(xiàn)［6］中開發(fā)出了一套停機(jī)自然真空（engine off natural vacuum，EONV）泄漏監(jiān)測(cè)算法?；谶@種算法，高流速正壓法監(jiān)測(cè)［5］等系統(tǒng)被開發(fā)出來；在系統(tǒng)部件上，文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［8］中分別開發(fā)出一種油氣壓力管理裝置。另外，文獻(xiàn)［9］中建立了應(yīng)用負(fù)壓衰減法（vacuum decay method，VDM）時(shí)的泄漏孔直徑評(píng)估模型；文獻(xiàn)［10］中建立了使用PDM時(shí)油箱內(nèi)氣體質(zhì)量守恒和能量守恒模型；文獻(xiàn)［11］中建立了EONV方法下的純蒸汽空間內(nèi)壓力與溫度的關(guān)系和監(jiān)測(cè)閾值的設(shè)置優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［12］中研究了如何減少泄漏監(jiān)測(cè)誤差。而在我國，文獻(xiàn)［13］中開發(fā)了一套防范失效措施且通過了實(shí)車驗(yàn)證；文獻(xiàn)［14］中對(duì)EONV方法進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)；文獻(xiàn)［15］中提供了一種依靠泵電流特性判斷EVAP系統(tǒng)是否泄漏的方法。

由于以前的研究較少涉及泄漏孔位置對(duì)EVAP系統(tǒng)內(nèi)負(fù)壓衰減行為、EVAP系統(tǒng)與管路內(nèi)部壓力和流場(chǎng)的影響，故本文中通過建立在負(fù)壓衰減階段中的EVAP系統(tǒng)氣相空間和管路的總壓模型，得到泄漏孔處流入油箱的空氣質(zhì)量流率和油箱內(nèi)油液揮發(fā)出的油氣質(zhì)量流率；將上述兩種質(zhì)量流率編譯成C函數(shù)，在設(shè)有1 mm泄漏孔的二維氣相空間瞬態(tài)模型中作為邊界條件調(diào)用；最后，使用了某款滿足國VI標(biāo)準(zhǔn)的EVAP系統(tǒng)進(jìn)行了1 mm泄漏實(shí)驗(yàn)。

1 總壓模型的建立

1.1 負(fù)壓衰減法泄漏監(jiān)測(cè)階段劃分

VDM泄漏監(jiān)測(cè)可分為泄漏孔監(jiān)測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)孔監(jiān)測(cè)和判斷3個(gè)階段。其中泄漏孔監(jiān)測(cè)階段又可分為泄漏監(jiān)測(cè)前的壓力處理階段和負(fù)壓衰減階段，如圖1所示。而本文的總壓模型主要描述的是負(fù)壓衰減階段中的EVAP系統(tǒng)氣相空間的衰減情況。

圖1 泄漏孔監(jiān)測(cè)階段示意圖

1.2 模型假設(shè)

總壓模型基于以下假設(shè)：

（1）模型處于恒溫狀態(tài)，忽略氣體對(duì)流換熱的影響和氣體對(duì)流對(duì)汽油揮發(fā)的影響；

（2）油氣和空氣的物性，如黏度等不變；

（3）空氣和油氣均視為理想氣體，且EVAP系統(tǒng)中空氣和油氣的混合物為二元混合物；

（4）忽略油箱晃動(dòng)對(duì)油液揮發(fā)的影響。

1.3 數(shù)值模型

根據(jù)理想氣體分壓定理，抽真空后的EVAP系統(tǒng)氣相空間內(nèi)的總壓變化由兩部分組成，包括油氣蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體壓力變化和空氣經(jīng)泄漏孔流入油箱產(chǎn)生的氣體壓力變化。

油氣蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體壓力變化率為

其中：

根據(jù)化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［18］對(duì)泄漏孔處質(zhì)量流率做出的規(guī)定，若滿足式（3），則泄漏孔處的氣體流動(dòng)為亞音速流動(dòng)。

式中：p為油箱內(nèi)部壓力，Pa；p0為環(huán)境壓力，Pa；γ為比熱比。

經(jīng)計(jì)算，油箱內(nèi)最大壓力和環(huán)境壓力p0滿足式（3）關(guān)系，因此泄漏孔處的氣體流動(dòng)為亞音速流動(dòng)，空氣質(zhì)量流率 m·lh為

式中：m·lh為空氣質(zhì)量流率，g／s；Y為流出系數(shù)；Aleak為泄漏孔面積，m2；Cd為氣體泄漏系數(shù)。

式中：p·lh為空氣經(jīng)泄漏孔進(jìn)入油箱產(chǎn)生的壓力變化，Pa／s；Vair為空氣氣體體積，L。

因此，EVAP系統(tǒng)氣相空間內(nèi)總壓p為

式中：p為氣相空間內(nèi)總壓，Pa；t為衰減時(shí)間，s。

1.4 質(zhì)量流率

使用Simulink建立上述總壓的數(shù)學(xué)模型，模型的輸入為衰減時(shí)間t＝0時(shí)的總壓4.1×103Pa，模型的輸出分別為負(fù)壓衰減階段內(nèi)油氣質(zhì)量流率m·evap和泄漏孔處的空氣質(zhì)量流率m·lh，如圖2所示。

圖2 油氣質(zhì)量流率和空氣質(zhì)量流率

通過Matlab曲線擬合，得到上述兩種質(zhì)量流率曲線的多項(xiàng)式函數(shù)，使用Visual Studio分別對(duì)多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行C編譯，之后作為瞬態(tài)模型的邊界條件在Fluent中調(diào)用。

2 瞬態(tài)模型的建立

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

油箱氣相空間二維模型長 1 050 mm，高100 mm，循環(huán)管和閥上的管路直徑都為8 mm，泄漏孔直徑為1 mm。以油箱氣相空間左下角為原點(diǎn)，上方泄漏時(shí)泄漏孔位置為（600，100），側(cè)向泄漏時(shí)泄漏孔位置為（1，89）。

以側(cè)向泄漏的網(wǎng)格劃分為例，如圖3所示，泄漏孔附近，管路與油箱連接處附近都進(jìn)行了局部加密處理。

圖3 側(cè)向泄漏時(shí)氣相空間網(wǎng)格劃分圖

2.2 瞬態(tài)模型設(shè)置

控制方程采用能量方程，控制模型采用組分傳輸和層流模型。邊界條件的設(shè)置如圖4所示，泄漏孔入口處和氣相空間底邊皆為質(zhì)量流率入口，其余為壁面。

圖4 邊界條件設(shè)置示意圖

采用PISO分離算法，使用壓力基求解器進(jìn)行求解?？臻g離散化方法中，壓力采用PRESTO算法，梯度設(shè)置為Least Squares Cell Based，能量設(shè)置為2階迎風(fēng)格式。收斂臨界值取默認(rèn)值。操作壓力設(shè)置為97 325 Pa。計(jì)算時(shí)間步長為0.001 s，每步迭代次數(shù)設(shè)為100次，計(jì)算3×105步。

3 協(xié)同仿真結(jié)果分析

為分別分析氣相空間與管路內(nèi)的壓力和流場(chǎng)情況，引入了4個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)：泄漏孔入口處最大壓力與氣相空間內(nèi)最小壓力之差Δplt，氣相空間內(nèi)除泄漏孔外的最大壓力pftmax，管路入口與管內(nèi)部的壓力差Δpvr和管路中最大壓力ptmax。另外，為方便說明，選取3個(gè)時(shí)段分別進(jìn)行分析。

3.1 氣相空間

3.1.1 時(shí)段1

負(fù)壓衰減的0-25.08 s內(nèi)為時(shí)段1。在此時(shí)段中，兩種泄漏情況下的氣相空間內(nèi)都形成了層流，且Δplt逐漸增大。

圖5（a）和圖5（b）為側(cè)向和上方泄漏氣相空間壓力云圖，可見側(cè)向泄漏時(shí)的pftmax小于上方泄漏時(shí)的pftmax。這是因?yàn)槭苤亓τ绊懀戏叫孤r(shí)，最大空氣速率Vlh大于側(cè)向泄漏時(shí)的Vlh，如圖5（c）和圖5（d）所示。

3.1.2 時(shí)段2

上方泄漏時(shí)，時(shí)段2出現(xiàn)在29.12-39.2 s內(nèi)；而側(cè)向泄漏時(shí)，出現(xiàn)在31.90-53.56 s內(nèi)。如圖6所示，此時(shí)段Δplt最大，且氣相空間內(nèi)除泄漏孔與管路附近外，其余各處壓力基本相等，也即等于pftmax。因此時(shí)段內(nèi)壓力變化不易受氣相空間位置的影響，綜合兩種泄漏情況，30-39 s為較佳的監(jiān)測(cè)時(shí)段。

3.1.3 時(shí)段3

負(fù)壓衰減從52.26 s開始直到衰減結(jié)束為階段3。如圖7所示，此時(shí)段中兩種泄漏情況下的Δplt都小于時(shí)段2。

圖5 t＝1 s上方泄漏和側(cè)向泄漏氣相空間壓力圖和泄漏孔處速度矢量圖

圖6 衰減時(shí)間t＝33.82 s上方泄漏和側(cè)向泄漏氣相空間壓力云圖

圖7 衰減時(shí)間t＝115.88 s上方泄漏和側(cè)向泄漏氣相空間壓力云圖

綜合時(shí)段1～時(shí)段3可知，在整個(gè)負(fù)壓衰減過程中，上方泄漏的氣相空間內(nèi)pftmax始終大于側(cè)向泄漏的pftmax，也即上方泄漏時(shí)的壓力衰減速率高于側(cè)向泄漏時(shí)的壓力衰減速率。

3.2 管路

為分析管路中壓力變化，進(jìn)行壓力采樣。在閥管路和循環(huán)管路上的壓力采樣點(diǎn)分別為D（650，112），F(xiàn)（554，98），G（854，100）和 I（1054，204），如圖8所示。

圖8 管路上壓力采樣點(diǎn)示意圖

經(jīng)分析，無論是上方泄漏還是側(cè)向泄漏，閥管路中的ptmax都大于循環(huán)管中的ptmax，且閥管路中的Δpvr都大于循環(huán)管路中的Δpvr。圖9為上方泄漏時(shí)，兩處管路入口點(diǎn)F與G和管路內(nèi)部點(diǎn)D與I在衰減時(shí)間38.5-38.51 s內(nèi)的負(fù)壓衰減情況，驗(yàn)證了上述分析的結(jié)論。

圖 9 t＝38.50-38.51 s時(shí) F，D，G和 I點(diǎn)處壓力

4 靜態(tài)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)裝置

本文中依據(jù)國VI標(biāo)準(zhǔn)搭建了模擬EVAP系統(tǒng)泄漏的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。EVAP系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)前已加油42 L，占油箱容積的50%。燃油的RVP為6.1×104Pa。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為30℃。

實(shí)驗(yàn)中使用標(biāo)準(zhǔn)孔模擬油箱上的泄漏孔，標(biāo)準(zhǔn)孔為O'Keefe Controls Co公司制造的1mm精密金屬B型孔。真空泵為整個(gè)系統(tǒng)抽取的真空壓力為4.1×103Pa。壓力采集點(diǎn)距離油箱側(cè)面 170 mm。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架和裝置細(xì)節(jié)分別如圖10和圖11所示。

圖10 國VI燃油蒸發(fā)系統(tǒng)的泄漏實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

為驗(yàn)證仿真結(jié)果，仿真后處理時(shí)在二維模型中選擇點(diǎn)（170，99），得到該點(diǎn)處的壓力曲線，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，如圖12所示。

圖12 實(shí)驗(yàn)壓力采集點(diǎn)與Fluent仿真結(jié)果對(duì)比

由圖12可知，仿真結(jié)果的負(fù)壓衰減速率稍高于實(shí)驗(yàn)的負(fù)壓衰減速率，這是因?yàn)樗矐B(tài)模型為二維模型，且氣相空間模型和管路較為規(guī)整，從而減少了實(shí)際氣體的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

同時(shí)，表1給出了上方泄漏時(shí)實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的相對(duì)誤差。由表可見，誤差在可接受范圍內(nèi)，因此本文中所建立的協(xié)同仿真模型可用來模擬負(fù)壓衰減階段中氣相空間內(nèi)的壓力和流場(chǎng)情況。

表1 上方泄漏時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真的誤差

5 結(jié)論

（1）應(yīng)用VDM進(jìn)行EVAP系統(tǒng)泄漏監(jiān)測(cè)時(shí)，負(fù)壓衰減階段中EVAP系統(tǒng)壓力變化可使用總壓模型進(jìn)行模擬，最大誤差為7.14%。

（2）泄漏孔位置對(duì)氣相空間內(nèi)的負(fù)壓衰減行為有影響：上方泄漏時(shí)氣相空間內(nèi)負(fù)壓衰減速率快于側(cè)向泄漏時(shí)的速率。兩種泄漏情況下，閥管路中最大壓力都大于循環(huán)管中壓力。

（3）衰減時(shí)間在30-39 s范圍內(nèi)時(shí)，氣相空間內(nèi)除泄漏孔與管路附近外各處壓力基本相等，因此衰減時(shí)間30-39 s為較佳的監(jiān)測(cè)時(shí)段。

（4）泄漏孔入口處最大壓力與氣相空間內(nèi)最小壓力之差從負(fù)壓衰減開始至25.08 s的時(shí)段逐漸增大，在30-39 s時(shí)段內(nèi)維持在最大值，從52.26 s開始直到衰減結(jié)束逐漸減小。