某型汽油機排氣后處理系統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)

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某型汽油機排氣后處理系統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動機的性能。利用AVL-Fire軟件對某汽油機排氣后處理系統進行CFD分析：首先進行了排氣系統穩態分析，隨后對載體壓力降進行驗證，最后進行排氣系統瞬態分析。結果表明：排氣系統穩態分析得到的各項指標均滿足設計要求；壓力降計算結果和輸入壓力降偏差在4%左右，計算結果可靠；一個工作循環下不同曲軸轉角下的結果均滿足要求。CFD計算可以用來指導排氣系統的設計。

汽油機；排氣系統；CFD分析

0 引言

隨著環境污染的日趨嚴重，尤其機動車排放是環境污染的一個重要原因，各國都對汽車排放提出了日益嚴格的要求[1-3]。汽油機排放污染物中主要有HC和CO等，為了降低汽油機排放污染物水平，目前主流汽車廠家和后處理供應商均選用TWC(三元催化器)技術[4-5]。TWC是多孔結構，在載體表面涂覆催化物質。為了降低汽油機的排放，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化效率和壽命的措施來達到目標[6]。

在排氣系統設計過程中，需要重點關注4個方面的指標。首先是氣體在載體內部的流動均勻性，其次是氣體在載體內部的速度中心率。這兩個指標直接影響催化劑的催化效率和壽命。如果氣流在載體內部分布不均勻、中心率差，會導致催化效率低，氣流速度高的區域由于排溫高易老化，氣流速度低的區域催化效率低。第3個是氧傳感器位置，如果氧傳感器位置不好，就不能準確檢測排氣中氧氣的含量，其傳回ECU的數據就不準，會導致燃燒惡化，排放增加。第4個是排氣系統壓力降。為了提高發動機的性能，需要將排氣背壓設計得盡可能地小，因此需要對排氣系統管路優化。

1 模型建立

1.1 數模

該汽油機排氣系統結構見圖1。排氣系統有4個入口，分別為BC_1、BC_2、BC_3、BC_4，4個排氣支管匯集后進入排氣管路，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 排氣系統結構圖

1.2 網格劃分

此次計算使用FAME生成以六面體為主的計算網格(如圖2所示)。考慮到壁面附近的邊界層影響，在壁面上生成一層邊界層網格。整個排氣系統的網格如圖2所示。

圖2 網格圖

1.3 求解器參數

采用迎風離散格式，一階隱式格式離散時間項，壓力與速度耦合算法選擇SIMPLE。設定管內空氣流動為可壓縮黏性流動，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格的y+值在11～200之間，殘差小于0.000 1。

1.4 邊界條件

(1)穩態分析邊界條件。對于催化器最重要的工況是最大體積流量工況點，因為該工況氣流分布較差。因此文中分析采用發動機額定工況點。

入口邊界: 質量流量321.1 kg/h，進口溫度1 100 K；

出口邊界：靜壓邊界1.294 2×105Pa。

穩態分析共進行了4種工況的分析，分別為其中一個氣缸排氣、其他3個氣缸關閉的工況。

(2)瞬態分析邊界條件。入口邊界采用質量流量和溫度邊界條件，出口采用壓力和溫度邊界條件。一個工作循環下的入口和出口邊界條件見圖3。

圖3 瞬態分析邊界條件

1.5 載體參數

兩段載體的參數由供應商提供，兩段載體開孔率分別為αTWC1=0.72和αTWC2=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。

載體供應商提供的兩段載體的壓力降曲線見圖4。

圖4 兩段載體壓力降曲線

2 評價指標參數定義

2.1 速度均勻性系數

對于催化劑而言，進入其中的氣流分布越均勻，則催化效率越高。而評價氣流分布均勻的指標就是速度均勻性系數，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估氣體流動中心偏離載體橫截面中心程度。

(2)

氣流速度中心率數值在0和1之間，數值越大，氣流速度中心距離載體橫截面中心越近。當數值為1時，表示這是一個完全中心流動。

2.3 最大平均流速和最大流速差異性系數

最大平均流速和最大流速差異性系數均是評價氧傳感器位置的指標，其中最大平均流速(vAFV)的計算公式為：

(3)

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

最大流速差異性系數(αFSD)的計算公式為：

(4)

只有vAFV≥100 m/s，同時αFSD≤1時，才能評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的部位。

3 穩態分析結果及模型驗證

3.1 壓力降驗證

為了驗證模型的準確性，作者對供應商提供的壓力降與穩態計算得到的壓力降兩個數值進行對比驗證。通過對供應商提供的不同質量流量下壓力降曲線進行擬合，得到與穩態分析相同質量流量下的壓力降，TWC1壓力降數值約為10.62 kPa, TWC2壓力降數值約為6.98 kPa。穩態計算的載體內部質量流量為321.1 kg/h,計算得到的壓力降如下：TWC1壓力降數值約為11.03 kPa, TWC2壓力降數值約為7.26 kPa。對于TWC1

和TWC2來說，用供應商提供的壓力降擬合得到的壓力降和穩態分析得到的壓力降，兩者均相差4%左右。這主要是由于供應商測試的工況是在載體入口提供均勻的氣流，而模擬計算的工況是載體置于排氣系統中，載體入口的氣流不是完全均勻的。綜合以上，作者認為搭建的排氣系統后處理仿真模型是準確的，使用該模型計算的結果是可靠的。

3.2 載體內部氣流速度均勻性系數和氣流速度中心率

表1為載體內部氣流速度均勻性系數和氣流速度中心率。從表1可以看出：4個氣缸排氣時，載體TWC1內部的氣流速度均勻性系數均大于0.95，滿足大于0.9的要求；載體TWC2內部的氣流速度均勻性系數均大于0.98，滿足大于0.9的要求；4個氣缸排氣時，載體TWC1內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 速度均勻性系數和氣流速度中心率

圖5為載體TWC1和TWC2內部橫截面的氣流速度分布。

圖5 催化器內部橫截面速度分布

從圖5可以看出：4個氣缸排氣時，TWC2中各個截面氣流速度均勻性都很好，并且TWC2中各個截面氣流速度均勻性優于TWC1中各個截面氣流速度均勻性，這也與表1相對應。這是由于從各排氣支管至載體TWC1時，氣流沿載體的多孔結構流動，從載體TWC1流出后，變得十分均勻，均勻的氣流再次進入載體TWC2時，在該載體的多孔結構作用下，氣流流動接近完全均勻。

3.3 氧傳感器位置

從表2可以看出：4個缸排氣時，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

當氧傳感器表面最大速度小于100 m/s時，會導致氧傳感器不能準確地測量出發動機排氣中氧氣的含量，導致汽車油耗的惡化。當氧傳感器表面最大速度大于100 m/s時，可以較準確地測出廢氣中氧氣的含量，達到整車OBD的要求。

3.4 壓力損失

表3為各缸排氣時排氣系統各個部分的壓力降數值。可以看出：各缸排氣時，排氣系統各個部分的壓力降數值幾乎相同；排氣系統中的壓力降主要集中在TWC1和TWC2，約占整個排氣系統壓力降的84%。

表3 排氣系統各部分壓力降 kPa

4 瞬態分析結果

在排氣系統穩態CFD分析基礎上，為了了解隨曲軸轉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，進行了排氣系統瞬態CFD分析。為了保證計算結果收斂，排氣系統瞬態CFD分析共進行了5個工作循環的計算，取最后一個工作循環的數據作為輸出結果。最后一個工作循環下兩段載體的氣流速度均勻性系數和氣流速度中心率分別見圖6(a)、(b)。

圖6 一個工作循環下計算結果

從圖6(a)可以看出:此工作循環下各個曲軸轉角下的氣流速度均勻性系數均大于0.96，滿足大于0.9的要求；從圖6(b)可以看出:此工作循環下各個曲軸轉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 結論

通過對某汽油機排氣系統后處理CFD計算，得到以下結論：

(1)排氣后處理穩態分析可以得到各評價指標是否滿足設計要求，這些指標包括氣流速度均勻性系數、氣流速度中心率、壓力降及氧傳感器位置參數。文中上述參數均滿足設計要求。

(2)對排氣系統分析模型進行驗證，可以確保建立的模型準確，文中壓力降計算結果和輸入壓力降偏差在4%左右，計算結果可靠。

(3)對排氣系統進行瞬態分析，得到一個工作循環下不同曲軸轉角下的結果均滿足要求。

(4)在排氣系統設計過程中，通過分析關鍵指標是否滿足設計要求，CFD計算可以用來指導排氣系統的設計。

【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化器結構優化[J]．汽車技術，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．

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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，研究方向為動力機械及工程。E-mail:563420286@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.006

U461.8

A

1674-1986(2016)11-026-05