静电式柴油机颗粒物传感器气固两相流数值模拟

资新运，王宏涛，庞海龙，边浩然，张　俊

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津300161； 2.军事交通学院 研究生管理大队，天津300161)



● 车辆工程Vehicle Engineering

静电式柴油机颗粒物传感器气固两相流数值模拟

资新运1，王宏涛2，庞海龙1，边浩然2，张俊2

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津300161； 2.军事交通学院 研究生管理大队，天津300161)

针对静电式车用柴油机颗粒物传感器，以发动机台架试验的环境作为边界，以Fluent软件为工具,分析颗粒物在气相中的受力情况，建立适合在Fluent求解的颗粒物的运动轨迹数学模型，模拟了静电式车用柴油机颗粒物传感器内部流动分布。模拟结果表明：内部通道气体和颗粒物流动性能较好，但浓度测试区会有颗粒物沉积，电离电极热端能对沉积颗粒物加热燃尽，能实现反复工作，从而提供一种结构简单、可以自动标零点和自清洁的颗粒物传感器。

柴油机；气固两相流；离散相模型；颗粒物传感器

柴油机因其具有优良的动力性和燃油经济性而得到广泛应用，但柴油机排放的污染物含有大量的颗粒物(particulate matter，PM)，引起的环境污染日益严重，不仅破坏了环境卫生，而且还包含大量可吸入致癌物质，从而对人体健康造成危害[1-3]。欧美国家已在柴油车上安装颗粒物捕集器(diesel particulate filter，DPF)降低柴油机颗粒物的排放，DPF的可靠再生和失效检测需要用到车载故障诊断(on-board diagnostics，OBD)。传统监测DPF故障的方法是采用压力模型预估判别的方法，通过建立DPF的背压模型，比较失效背压变化趋势，判断其故障种类[4]。但随着排放法规中对OBD系统的报警限值变低，采用该方法的误差可能超过限值本身，因而已经不能用作故障报警。研究能直接测量DPF排气的颗粒物浓度传感器变得很有必要。例如：艾菲、博世以及大陆公司利用多层陶瓷传感器技术设计出基于电阻原理的颗粒物传感器[5-6]；通用电气公司的颗粒物传感器对射频技术加以利用，实现尾气中颗粒物浓度的测量[7]；芬兰Dekati公司设计的电荷笼颗粒物传感器[8]、美国Minnesota大学和Honeywell公司在ICAT项目中研究设计的单极型颗粒物静电原位传感器[9]都采用的是静电放电原理。

1　静电式颗粒物传感器工作原理

静电式颗粒物传感器由于测量粒径覆盖范围广及价格优势，国外不少公司进行了研究(如美国的Emisense公司)。如图1所示为美国德克萨斯大学研究的静电式传感器，其中一个电极为高压电极，另一个电极为感应电极，测试时将电极伸入排气的尾气中，颗粒物通过两电极间时会改变电极两端的电流，从而检测颗粒物的浓度，由于排气管尾气流动较快，工作环境恶劣粗暴，为提高测量精度需对尾气进行降速稳流。本文所研究的新型静电式柴油机颗粒物传感器[10]用于柴油机尾气颗粒物排放诊断和测量(如图2所示)，具体通过以下技术方案予以实现：发动机排气在排气管与环境大气之间的压力差作用下，通过测量装置的采样口进入采样通道；排气中的颗粒物在通道内流速逐渐降低，同时利用颗粒物—颗粒物和颗粒物—与接地的通道内壁碰撞的相互作用，使之自身携带的电荷消除；然后颗粒物通过测量孔进入测量装置的静电电离区并荷电，从而使静电放电电流降低，该降低的电流值通过信号极被电控单元(DCU)采集，再将其与初始放电电流的比值在标定好的MAP图中查询相应的颗粒物浓度值并输出；测量装置工作一定时间后，在其电离极和信号极上会沉降一层颗粒物，为了保证测量精度和正常工作，电离极内置的热电阻通电加热，温度能够达到600～800℃，使沉降的颗粒物通过导热和热辐射氧化成二氧化碳，实现装置的自清洁功能；在每次柴油车启动前，测量装置因与环境大气实时相通，可以实现无排气颗粒物条件下的零点标定功能，保证测量装置的精度。

该传感器相对于现有的测量技术与装置，避免了柴油机排气管内的恶劣环境的影响，具有结构简单、可以自动标零点和自清洁、精度高、测量范围大、能够有效诊断测量颗粒物排放的优点。

图1　美国德克萨斯大学研究的静电式传感器

图2　静电式柴油机颗粒物传感器剖面

本文中采用Fluent软件气固两相流相间耦合的SIMPLE模型，同时对离散相采用离散相(discrete phase model，DPM)模型，将流体相(气体或液体)视为连续介质，分散相(液滴、气泡或尘粒)视作离散介质处理[11]。对传感器进行内部流场模拟，分析颗粒物在传感器内部的流动状况，模拟结果对传感器结构改进具有指导作用，同时对于揭示传感器的工作机理也具有重要意义。

2　数值模型建立

2.1气体质量与动量守恒方程

柴油机尾气进入传感器时，颗粒物在气流的带动下一起进入传感器通道。由于气体是连续相，对气体流场建立气体的连续性方程和动量守恒方程(湍流流动Navier-Stokes)。

气体连续性方程为

(1)

式中：ρ为流体密度；v为流体速度。

气体动量守恒方程为

(2)

(3)

式中：k为湍动能；ε为湍流耗散率；ρ为气体密度；μ为动力黏性系数；μt为湍流黏性系数；C1ε、C2ε为经验系数；σk和σε为k和ε的湍流普朗特数；Gk为平均速度梯度引起的湍动能k的产生项[12]：

(4)

2.2颗粒物动量方程

颗粒物的动量方程即颗粒物受各种力的作用力平衡方程。由于颗粒物形状极细且不规则，为了简化研究模型，假设颗粒物为球形。

根据颗粒物的受力情况，颗粒物动量方程为

(5)

式中FD(u-up)为颗粒物单位质量所受曳力。

(6)

式中：u为速度；up为颗粒速度；ρp为颗粒密度；dp为颗粒直径；Fx为作用于固相颗粒上的其他力，包括压力梯度力、旋转力、Saffman升力等；Rep为对雷诺数(颗粒雷诺数)，其定义为

(7)

曳力系数表达式为

(8)

对于球形颗粒，在一定的雷诺数范围内，a1、a2、a3为常数，由Morsi和Alexander提出[13]。

2.3初始条件和边界条件

以玉柴YC6L280-42增压柴油机在标定工况全负荷下的排气状况为模拟对象，其中用风速仪测得测试点的流速约为20 m/s，具体参数见表1。

表1　YC6L280-42增压柴油机全负荷工况下参数

设置边界条件：入口采用速度入口，流速为20 m/s；出口采用压力出口，除入口、出口和内部边界条件外其余为默认壁面条件。离散相的入口和出口的边界条件为逃逸，壁面上边界条件为反射。柴油机排放中PM 的粒径大部分集中在0.1～1.0 μm之间属于微细颗粒，柴油机颗粒物的粒径分布如图3所示[14]，为了精确地模拟柴油机尾气不同粒径颗粒物的流动情况，采用Rosin-Ramler分布模型，其中最小粒径取值为0.1 μm(Fluent中能模拟的最小颗粒物直径)，最大粒径取值为1.0 μm，平均粒径取值0.5 μm，本文模拟中颗粒物的属性选择焦炭。

图3　柴油机尾气颗粒物粒径分布

3　数值模拟结果与讨论

3.1气体流场与颗粒物速度分析

对传感器的进气流动分布进行三维湍流模拟，如图4、图5所示为y= 0截面仿真的速度矢量分布图和压力分布云图。柴油机尾气通过传感器排气采样口进入传感器进气通道，流动中由于进气管流通面积较大，压力下降，导致流速下降。气体流经弯道由于壁面的阻挡在此处产生了涡流，但扰动强度不大，局部损失较小，因而压力损失较小。在经过浓度测试区时，流动较平稳，通道的结构对尾气的降速稳流效果较好。尾气经过狭长的测试区进入传感器出口，由于截面增大，产生了涡流，但扰动很小，压力损失也小。在传感器凸台式设计流动空间和中心空腔中气体流动速度较小，能起到阻止颗粒物进入传感器尾部的作用。

图4　气场速度场

图5　湍动能场

图6所示为颗粒物的速度场。颗粒物运动速度较平稳，效果比较理想，流动也较为均匀，便于颗粒物荷电及被带电检测；由于尾部凸台处是封闭的，颗粒物运动到此速度较小，停滞的时间也较长，易发生沉积。设置的电离电极热端加热可以对此处的沉积颗粒物加热燃烧来进行自清洁。

图6　颗粒物速度场

该静电式颗粒物传感器工作时通过检测荷电颗粒物的电量，来实现对颗粒物浓度的检测和测量，因此稳定和较慢的流速对颗粒物的荷电和精确测量显得非常重要。对浓度测试区内取x轴方向中间位置一段距离为研究对象，浓度测试区的速度分布如图7所示，设置的入口速度为20 m/s，由图7可知，流速大部分分布在12～13 m/s，速度较为稳定，达到了降速稳流的目的，传感器的设计结构较为合理。

图7　浓度测试区X轴方向速度变化分布

3.2颗粒物的直径分布

如图8所示为模拟各种粒径颗粒物在传感器中的分布图，由图可知，传感器内部各种粒径的颗粒物分布呈现出无序和均匀的状态，而在尾部的凸台前端处聚集的了粒径较大的一些颗粒物，进入凸台后端的颗粒物数量极少，显示凸台对阻断颗粒物进入传感器尾部具有良好的效果，从而避免了由于颗粒物进入传感器尾部而对传感器测量产生影响。出现这种情况主要是因为凸台尾部封闭，气体越往里流动速度越小，很难再带动颗粒物进入后面的凸台，同时由于气流速度减少，使其携带的较大颗粒物在前面的凸台处沉积下来。

图8　颗粒物直径分布

3.3颗粒物的停滞时间

如图9所示为颗粒物在传感器内部停滞时间情况。总体显示，颗粒物在传感器中的停滞时间较短，既满足流动性较好的要求，同时也便于颗粒物的荷电和检测；但是颗粒物在凸台处前端停留的时间比其他部分稍长一些，凸台后端显示的颗粒物较少，主要因为颗粒物在此处流速较低，不能很好地随颗粒物流出。此处设置的加热电极加热后温度能达600～800℃，可以对沉积的颗粒物氧化燃烧实现电极和通道的自清洁。

图9　颗粒物停滞时间

4　结　论

(1)利用排气管和大气压的气压差设计的传感器，内部通道气体流动性能较好地避免柴油机排气管内恶劣环境的影响，从而提供一种结构简单、可以自动标零点和自清洁，能够有效诊断测量颗粒物排放的方法和装置。

(2)浓度测试区内流速较慢和较稳定，使颗粒物在浓度测试区内的流动尽量变得简单，从而能提高传感器的精度。

(3)电离电极及浓度测试区会有颗粒物沉积，凸台处的颗粒物流动慢，沉积多，该处能自带加热性能的电极很有必要，从而燃烧掉沉积颗粒物，保证传感器能反复工作。

[1]岳欣,庞媛,马遥,等.我国车用汽油、柴油有害物质和环保指标研究[J].环境工程技术学报,2012,2(4):325-332.

[2]金花,常玉军,韩巧叶.机动车尾气中颗粒物对人体健康的危害[J].内蒙古环境科学,2007,19(1):97-99.

[3]杨耀,邰阳,张燕.大气颗粒物的危害及其解析技术研究综述[J].北方环境,2010,22(5):82-87.

[4]姚广涛,何锦勇,刘宏威,等.影响柴油机微粒捕集器背压因素的试验研究[J].汽车工程,2011,33(8):652, 653-656.

[5]OLIVIER B, FREDERIC D. Smart soot sensor for particulate filter OBD[J].Springer International Publishing Switzerland, 2013.

[6]THORSTEN O, HENRIK S. Particulate matter sensor for on board diagnostics (OBD) of diesel particulate filters (DPF)[G]. SAE International, April 2010.

[7]GE，Accusolve Diesel Particulate Filter (DPF) Soot Sensor[EB/OL]. http://www.ge-mcs.com/download/temperature/Accusolve_Soot_Sensor.pdf.

[8]Rostedt A, Marjamäki M, YliojanperäJ, et al. Non-collecting electrical sensor for particulate matter Concentration Measurement[J]. Aerosol and Air Quality Research, 2009, 9(4): 470-477.

[9]RAGATZ A C. Characteristics of Particulate matter Downstream of a Partially Failed Diesel Particulate Filter[D]. Minnesota: The University of Minnesota, 2010.

[10]庞海龙,资新运,邓成林,等.一种静电式车用柴油机颗粒物排放诊断方法和装置:105298608A[P].2016-02-03.

[11]张力,冉景煜,辛明道,等.气固两相旋流中气粒两相流场特性数值模拟[J]．热科学与技术,2003,2(1):80-84.

[12]汤东,李楠,陈烈,等.柴油机颗粒物传感器气固两相流数值模拟[J].内燃机工程,2015,36(3):147-151,156．

[13]MORAIS A, ALEXANDER A J. An investigation of particulate matter trajectories in two phase flow system[J].Journal of Fluid Mechanics, 1972, 55(2):193-208.

[14]胡长松,陈凌珊,王键.柴油机尾气颗粒捕集气固两相流模拟研究[J].小型内燃机与摩托车,2009,38(5):6-8.

(编辑：张峰)

Numerical Simulation of Gas-solid Two-phase Flow of Particulate Matter Sensor in Electrostatic Diesel Engine

ZI Xinyun1, WANG Hongtao2, PANG Hailong1, BIAN Haoran2, ZHANG Jun2

(1.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

Considering the structure of particulate matter sensor in electrostatic diesel engine, the paper analyzes the stress situation of particle in gas phase with Fluent software while taking engine test bench environment as a boundary, and establishes a movement contrail mathematical model to simulate the internal flow distribution of particulate matter sensor. The simulation result shows that: the flow performance of gas and particle in internal channel is good but it leaves particle deposition in test area; the ionization animating electrode can heat and burnout the particle deposition and realizes re-work, which can provide a kind of particulate matter sensor which has simple-structured, automatically calibrating zero point and self-cleaning.

diesel engine; gas-solid two-phase flow; discrete phase model; particulate matter sensor

2016-04-18；

2016-06-13．

国家高技术研究发展计划项目(2013AA065303).

资新运(1971—)，男，博士，教授，博士研究生导师．

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.10.010

Tk421.5

A

1674-2192(2016)10- 0039- 05