某发动机排气系统CAE分析

张超，王宏大，马勇，刘志

（1.安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽工程大学，安徽 芜湖 241000）

某发动机排气系统CAE分析

张超1，王宏大1，马勇1，刘志2

（1.安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽工程大学，安徽 芜湖 241000）

文章利用AVL-Fire软件对某汽油机排气后处理系统进行CFD分析。首先进行了排气系统稳态分析，随后对载体压力降进行验证，最后进行排气系统瞬态分析。结果表明：排气系统稳态分析得到的各项指标均满足设计要求；压力降计算结果和输入压力降偏差在4%左右，计算结果可靠。

均匀性系数；中心率；压力降

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.061

CLC NO.:U467.3Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-182-03

前言

随着环境污染的日趋严重，各国都对汽车排放提出了日益严重的要求[1～2]。汽油机排放污染物中主要有HC和CO等，为了降低汽油机排放污染物，目前主流汽车厂家和后处理供应商均选用TWC（三元催化器）技术[3]。为了降低汽油机的排放，在催化器体积一定的前提下，主要是通过提高三元催化器的转化效率和寿命的措施来达到目标[4]。

在排气系统设计过程中，需要重点关注四个方面的指标。分别是气体在载体内部的流动均匀性、气体在载体内部的速度中心率、氧传感器位置、排气系统压力降。

1、模型建立

1.1 数模

图1 排气系统结构图

该汽油机排气系统结构见图1。排气系统有四个入口，分别为BC_1、BC_2、BC_3、BC_4，四个排气支管汇集后进入排气管路，在催化剂前后分别布置有前氧传感器和后氧传感器，催化剂分为两段，分别是TWC1和TWC2。图中BC_OUT为出口位置。

1.2 边界条件

（1）稳态分析边界条件：对于催化器最重要的工况是最大体积流量工况点,因此本文分析采用发动机额定工况点。入口边界：质量流量：321.1 kg/h进口温度：1100K出口边界：静压边界：1.2942 bar

稳态分析共进行了四种工况的分析，分别为其中一个气缸排气，其它三个气缸关闭的工况。

（2）瞬态分析边界条件：

入口边界采用一个工作循环下随曲轴转角变化的质量流量和温度边界条件，出口采用一个工作循环下随曲轴转角变化的压力和温度边界条件。

1.3 载体参数

两段载体的参数由供应商提供，两段载体开孔率分别为TWC1=0.72和TWC2=0.7。其中开孔率定义为载体中流通面积除以载体横截面总面积。

载体供应商提供的两段载体的压力降曲线见下图2。

图2 两段载体压力降曲线

2、稳态分析结果及模型验证

2.1 压力降验证

为了验证模型的准确性，本文对供应商提供的压力降与稳态计算得到的压力降两个数值进行对比验证。

通过对供应商的不同质量流量下压力降曲线拟合，得到与稳态分析相同质量流量下的压力降，TWC1压力降数值约为10.62 kPa, TWC2压力降数值约为6.98 kPa。稳态计算的载体内部质量流量为321.1kg/h,计算得到的压力降如下，TWC1压力降数值约为11.03kPa, TWC2压力降数值约为7.26 kPa。对于TWC1和TWC2来说，供应商压力降拟合得到的压力降和稳态分析得到的压力降，两者均相差4%左右。这主要是由于供应商测试的工况是在载体入口提供均匀的气流，而模拟计算的工况是载体置于排气系统中，载体入口的气流不是完全均匀的。

综合以上，我们可以认为搭建的排气系统后处理仿真模型是准确的，使用该模型计算的结果是可靠的。

2.2 载体内部气流速度均匀性系数和气流速度中心率

表1为载体内部气流速度均匀性系数和气流速度中心率。从表1中可以看出，四个气缸排气时，载体TWC1内部的气流速度均匀性系数均大于0.95，满足大于0.9的要求。载体TWC2内部的气流速度均匀性系数均大于0.98，满足大于0.9的要求。四个气缸排气时，载体TWC1内部的气流速度中心率均大于0.94，满足大于0.9的要求。载体TWC2内部的气流速度中心率均大于0.98，满足大于0.9的要求。

图5为载体TWC1和TWC2内部横截面的气流速度分布。从图5中可以看出，四个气缸排气时，TWC1中各个截面气流速度均匀性都很好，并且TWC2中各个截面气流速度均匀性优于TWC1中各个截面气流速度均匀性，这也与表1相对应，这是由于从各排气支管的气流至载体TWC1时，气流沿载体的多孔结构流动，气流从载体TWC1流出后，其变得十分均匀。均匀的气流再次进入载体TWC2时，在该载体的多孔结构作用下，气流流动接近完全均匀。

表1 速度均匀性系数和气流速度中心率

图5 催化器内部横截面速度分布

2.3 氧传感器位置

四个缸排气时，前氧传感器表面最大速度分别为325m/s、316 m/s、164 m/s及189m/s。后氧传感器表面最大速度分别为173m/s、167 m/s、172 m/s及172m/s。

当氧传感器表面最大速度小于100 m/s时，会导致氧传感器不能准确地测量出发动机排气中氧气的含量，导致汽车油耗的恶化。当氧传感器表面最大速度大于100 m/s时，可以较准确地测出废气中氧气的含量，达到整车OBD的要求。

2.4 压力损失

表3为各缸排气时排气系统各个部分的压力降数值。从表2中可以看出，各缸排气时，排气系统各个部分的压力降数值几乎相同。排气系统中的压力降主要集中在TWC1和TWC2，约占整个排气系统压力降的84%。

表2 排气系统各部分压力降

3、瞬态分析结果

在排气系统稳态CFD分析基础上，为了了解随曲轴转角变化下的两段载体入口处的气流速度均匀性和气流速度中心率变化情况，进行了排气系统瞬态CFD分析。为了保证计算结果收敛，排气系统瞬态CFD分析共进行了五个工作循环的计算，取最后一个工作循环的数据作为输出结果。最后一个工作循环下两段载体的气流速度均匀性系数和气流速度中心率分别见图6。

从图6(a)中可以看出，此工作循环下各个曲轴转角下的气流速度均匀性系数均大于0.96，满足大于0.9的要求；从图6(b)中可以看出，此工作循环下各个曲轴转角下的气流速度中心率均大于0.95，满足大于0.9的要求。

图6 一个工作循环下计算结果

4、结论

通过对某汽油机排气系统后处理CFD计算，得到以下结论：

（1）排气后处理稳态分析可以得到各评价指标是否满足设计要求，这些指标包括气流速度均匀性系数、气流速度中心率、压力降及氧传感器位置参数。本文中上述参数均满足设计要求。

（2）对排气系统分析模型进行验证，可以确保建立的模型准确，本文中压力降计算结果和输入压力降偏差在4%左右，计算结果可靠。

（3）对排气系统进行瞬态分析，得到一个工作循环下不同曲轴转角下的结果均满足要求。

[1]孙鲁青,贾菲,张一平．基于一维、三维耦合分析的歧管式催化转化器结构优化[J]．汽车技术,2012,(6)：40-43．

[2]梁昱,周立迎，龚金科，罗福强.车用催化转化器入口管结构改进模拟与试验[J].农业机械学报，2006,(9)：51～57.

[3]高巧,许涛.某汽油发动机三元催化器内流场分析[J].内燃机,2011,(8)：10-11.

[4]龚金科等.汽油机三效催化转化器反应流的数值模拟[J].内燃机学报，2006,24（1）：62-66.

[5]丁柏群，李明扬.车用歧管式催化器内部流速及压力分析[J].车用发动机，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

张超，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。