某發動機排氣系統CAE分析

張超，王宏大，馬勇，劉志

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

某發動機排氣系統CAE分析

張超1，王宏大1，馬勇1，劉志2

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

文章利用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。

均勻性系數；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

隨著環境污染的日趨嚴重，各國都對汽車排放提出了日益嚴重的要求[1～2]。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，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[3]。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[4]。

在排氣系統設計過程中，需要重點關注四個方面的指標。分別是氣體在載體內部的流動均勻性、氣體在載體內部的速度中心率、氧傳感器位置、排氣系統壓力降。

1、模型建立

1.1 數模

圖1 排氣系統結構圖

該汽油機排氣系統結構見圖1。排氣系統有四個入口，分別為BC_1、BC_2、BC_3、BC_4，四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。

1.2 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,因此本文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：1100K出口邊界：靜壓邊界：1.2942 bar

穩態分析共進行了四種工況的分析，分別為其中一個氣缸排氣，其它三個氣缸關閉的工況。

（2）瞬態分析邊界條件：

入口邊界采用一個工作循環下隨曲軸轉角變化的質量流量和溫度邊界條件，出口采用一個工作循環下隨曲軸轉角變化的壓力和溫度邊界條件。

1.3 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、穩態分析結果及模型驗證

2.1 壓力降驗證

為了驗證模型的準確性，本文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。

通過對供應商的不同質量流量下壓力降曲線擬合，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321.1kg/h,計算得到的壓力降如下，TWC1壓力降數值約為11.03kPa, TWC2壓力降數值約為7.26 kPa。對于TWC1和TWC2來說，供應商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，我們可以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。

2.2 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中可以看出，四個氣缸排氣時，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。四個氣缸排氣時，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。

圖5為載體TWC1和TWC2內部橫截面的氣流速度分布。從圖5中可以看出，四個氣缸排氣時，TWC1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的氣流至載體TWC1時，氣流沿載體的多孔結構流動，氣流從載體TWC1流出后，其變得十分均勻。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。

表1 速度均勻性系數和氣流速度中心率

圖5 催化器內部橫截面速度分布

2.3 氧傳感器位置

四個缸排氣時，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。

2.4 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。從表2中可以看出，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2 排氣系統各部分壓力降

3、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分析共進行了五個工作循環的計算，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。

從圖6(a)中可以看出，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)中可以看出，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。

圖6 一個工作循環下計算結果

4、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。本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，本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。

[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．

[2]梁昱,周立迎，龔金科，羅福強.車用催化轉化器入口管結構改進模擬與試驗[J].農業機械學報，2006,(9)：51～57.

[3]高巧,許濤.某汽油發動機三元催化器內流場分析[J].內燃機,2011,(8)：10-11.

[4]龔金科等.汽油機三效催化轉化器反應流的數值模擬[J].內燃機學報，2006,24（1）：62-66.

[5]丁柏群，李明揚.車用歧管式催化器內部流速及壓力分析[J].車用發動機，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股份有限公司。