湯 東， 王松華， 羅福強， 李 楠， 陳 烈

(1.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.金壇鴻鑫電子科技有限公司，江蘇 金壇 213200)

顆粒物傳感器結(jié)合DPF的數(shù)值模擬研究*

湯 東1， 王松華1， 羅福強1， 李 楠1， 陳 烈2

(1.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.金壇鴻鑫電子科技有限公司，江蘇 金壇 213200)

漏電流式顆粒物傳感器，在車載診斷(OBD)系統(tǒng)中被用于顆粒物捕集器(DPF)的失效監(jiān)測，將顆粒物傳感器和DPF結(jié)合起來進行研究，更具實際意義。利用計算流體力學(CFD)軟件Fluent分析了DPF和傳感器內(nèi)部的流場分布，以及傳感器內(nèi)部顆粒物的運動和分布情況，并對DPF入口排氣流速對傳感器內(nèi)流場分布的影響進行了探究。模擬結(jié)果顯示:傳感器內(nèi)部流動性較好，顆粒物分布較為均勻，但迷宮式設計內(nèi)仍然會有顆粒物沉積，需要定期進行清理；DPF入口流速對傳感器內(nèi)流場分布情況影響較小，主要對傳感器內(nèi)排氣流速的大小影響較大。

顆粒物傳感器; 顆粒物捕集器; 漏電流; 車載診斷; 濃度

0 引 言

車用動力尤其是柴油機顆粒物(particulate matter,PM)排放已經(jīng)成為空氣中懸浮顆粒物的重要來源[1]。當前顆粒物捕集器(diesel particulate filter,DPF)已經(jīng)被廣泛應用于去除柴油機排氣中絕大多數(shù)顆粒物排放[2，3]，但是如果DPF失效，PM排放將遠遠超過排放法規(guī)限值。為了對柴油機PM排放進行實時有效監(jiān)測以滿足愈發(fā)嚴格的排放法規(guī)[4]，需要車載PM濃度精確測試技術。PM傳感器可以在惡劣的尾氣環(huán)境中實時而精確的監(jiān)測DPF下游PM濃度，目前歐美市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些基于不同測量原理的PM傳感器，博世、大陸聯(lián)合艾菲公司基于多層陶瓷測試技術設計出電阻型顆粒物傳感器[6]，芬蘭的畢加索公司設計的PM傳感器利用充電電流差對尾氣中PM的質(zhì)量和數(shù)量濃度進行測量。國內(nèi)關于PM傳感器的研究較少，楊永杰等人基于光電傳感器測量原理，設計了一種PM2.5檢測傳感器[5]，王希凡等人對PM傳感器通信協(xié)議的設定進行了研究[6]。對于傳感器的原型機理研究還不夠深入，因而有必要對車載PM傳感器開展研究。

1 漏電流式PM傳感器

圖1是PM傳感器的三維結(jié)構(gòu)圖，傳感器直接安裝在DPF下游排氣管上，安裝方式和氧傳感器類似。杯狀的高壓電極和筒狀的導電外殼之間構(gòu)成濃度測試區(qū)，尾氣依靠壓差按圖中箭頭進入傳感器內(nèi)部，當對高壓電極施加800～1 500 V電壓時，尾氣中的PM會被極化或電離成導體，從而在高壓電極和導電外殼之間形成漏電流，高電壓對其他的物質(zhì)如CO2、水汽沒有很大的影響，即在該電壓范圍內(nèi)PM濃度是影響漏電流的主要因素。建立PM濃度和漏電流值之間的關聯(lián)性，便可以達到瞬態(tài)PM濃度測量的目的。為了防止PM隨尾氣進入傳感器密封空間，對傳感器尾部的導線等部件造成腐蝕，在密封空間的前部采用了多道彎式的迷宮式設計。

本文將DPF和PM傳感器結(jié)合起來進行研究，考慮了DPF和傳感器之間的相互影響，使研究更加具有實際意義。利用Fluent軟件對DPF及PM傳感器內(nèi)的流場分布和傳感器內(nèi)的顆粒分布進行了研究，以此來指導傳感器的結(jié)構(gòu)設計和改進。

圖1 傳感器三維結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模型的建立

圖2是PM傳感器結(jié)合DPF的幾何模型的結(jié)構(gòu)示意圖，過濾體被當作多孔介質(zhì)來處理。DPF的結(jié)構(gòu)基本參數(shù)如表1所示。由于該模型和尾氣的流動具有對稱性，因而只建立了一半的模型。利用Hyper Mesh軟件對幾何模型進行網(wǎng)格的劃分。由于傳感器的結(jié)構(gòu)較為復雜，并且為主要研究對象，因而對傳感器部分進行了局部的加密處理，網(wǎng)格總數(shù)共計1 858 925，圖3為網(wǎng)格劃分的結(jié)果。

圖2 PM傳感器結(jié)合DPF的結(jié)構(gòu)示意圖

參數(shù)取值參數(shù)取值過濾體直徑/mm118孔道壁厚/mm0.5過濾體長度/mm152孔道邊長/mm2孔密度/cpsi100入口小管直徑/mm54孔隙率0.48入口擴張管錐角/(°)90

DPF入口處采用速度入口邊界條件，顆粒相與氣相取相同的入口速度值，排氣流速基于新柴A498BPG柴油機臺架試驗的結(jié)果，發(fā)動機的排量為3.319 L;排氣管直徑為54 mm;選取怠速轉(zhuǎn)速792 r/min、最大扭矩轉(zhuǎn)速1 680 r/min和標定轉(zhuǎn)速2 400 r/min為研究對象，經(jīng)計算，該發(fā)動機排氣流速大致在20～50 m/s之間。所有的壁面均采用無滑移邊界條件，即所有的速度分量均取為0 m/s。選擇壓力出口作為出口邊界條件，出口壓力值設置為0 MPa。氣相材料選擇為空氣，因此,氣相材料的密度及動力粘度按不同溫度和壓力下空氣的密度和動力粘度設置。

圖3 PM傳感器結(jié)合DPF網(wǎng)格劃分結(jié)果

PM利用Rosin-Ramler(R-R)模型按粒徑的大小進行分組，最小的粒徑選用0.1 μm(Fluent軟件所能夠模擬的最小的粒徑)，并選用1 μm作為最大的粒徑。根據(jù)PM粒徑分布的情況進行數(shù)據(jù)擬合計算，所得的顆粒物平均直徑為0.52 μm，分布指數(shù)取2.44。

氣固兩相流模型選擇顆粒軌道模型，在Fluent中選用DPM模型。相關文獻[7]指出排氣在壁流式蜂窩陶瓷過濾體內(nèi)流動時為層流運動，因此,過濾體內(nèi)選擇層流模型，而排氣在DPF過濾體外是湍流運動，故采用K-ε湍流模型來對其進行描述。基于所選擇的氣固兩相流理論和多孔介質(zhì)理論建立了PM傳感器結(jié)合DPF的氣固兩相流數(shù)值模型，并利用Fluent軟件對其進行求解。

3 模型驗證

柴油機實際工作時，排氣的溫度較高，且為間歇排氣，工作過程中會產(chǎn)生劇烈的壓力波動，因此較難在柴油機排氣系統(tǒng)中直接測量DPF的流動特性，為此本研究在實驗臺上搭建穩(wěn)定、等溫、軸對稱的實驗裝置，裝置示意圖如圖4所示。測量DPF載體出口端面氣流分布，并將測量值與計算值進行對比，以對所建立的數(shù)值模型進行驗證。選擇空氣作為氣源，采用一個額定排氣壓力為1.8MPa的單級風冷空氣壓縮機來提供，通過調(diào)節(jié)閥控制氣體的流速使其保持恒定。DPF載體出口直接暴露在空氣中，利用轉(zhuǎn)輪式風速傳感器測量DPF載體出口端面軸向速度沿徑向的分布，沿直徑方向等間距測量13個點，載體出口端面的測點分布情況如圖5所示。

圖4 實驗裝置示意圖

從圖6中可以看出:測量值與計算值整體趨勢吻合較好，在數(shù)值上仍有一定的偏差。誤差可能主要來自于儀器的測量精度、測量誤差以及數(shù)學模型的簡化等原因，表明所建立的數(shù)值模型是可靠的，對于研究DPF后傳感器內(nèi)的流場及PM分布是能夠滿足要求的。

圖5 載體出口端面測點分布

圖6 計算值與測量值對比圖

4 計算結(jié)果與分析

4.1 氣相模擬結(jié)果分析

本節(jié)對DPF入口排氣流速為30 m/s時，傳感器及DPF內(nèi)氣相的壓力場、速度場和湍動能分布進行了分析。

4.1.1 壓力場分析

如圖7(a),(b)分別為DPF及傳感器對稱截面上靜壓分布圖和傳感器部分靜壓分布局部放大圖。從圖中可以看出，DPF內(nèi)最大靜壓出現(xiàn)在載體入口端面中心線處，壓力在DPF內(nèi)層層遞減，在入口和出口之間形成了一定的壓力損失。傳感器部分出現(xiàn)了較明顯的壓力梯度分布，壓力的變化會導致排氣流速發(fā)生變化。

傳感器部分迎風側(cè)進氣口的下方壓力較高，這是由于排氣流經(jīng)傳感器文丘里管頭部時氣流受到了傳感器壁面的阻擋，在迎風側(cè)進氣口的下方形成了一定的高壓區(qū)域，壓差使一部分排氣經(jīng)進氣口流入傳感器內(nèi)部。較明顯的壓力梯度分布還出現(xiàn)在傳感器背風側(cè)進氣口下方和尾氣出口處，根據(jù)文丘里管原理傳感器文丘里管頭部背風側(cè)上方壓力較低，即背風側(cè)進氣口上方壓力較低，壓差會產(chǎn)生一定的吸附作用，使尾氣經(jīng)此處流入傳感器內(nèi)部。而尾氣出口處，由于出口下方壓力較低，在壓差的作用下尾氣由傳感器內(nèi)部重新匯入排氣管中。

圖7 PM傳感器結(jié)合DPF的靜壓分布

4.1.2 速度場分布

圖8是DPF及傳感器對稱截面速度分布情況，從圖中可以看出，氣流在載體內(nèi)部流動時，流速分布較為均勻，速度方向沒有發(fā)生改變，為層流運動，即傳感器在該安裝位置處對DPF內(nèi)流場分布影響較小。

圖8 PM傳感器結(jié)合DPF的速度場分布

圖9 傳感器內(nèi)速度和局部放大矢量分布圖

如圖9(a),(b),(c)分別是傳感器部分速度矢量分布圖，傳感器迎風側(cè)和背風側(cè)進氣口處速度矢量分布局部放大圖。圖9(a)中兩側(cè)進氣口處速度沒有完全顯示出來，是由于該處流速高于所設置的0～2 m/s顯示范圍。從圖中可以看出：尾氣在傳感器內(nèi)部流動，流速分布較為均勻，濃度測試區(qū)內(nèi)流動平穩(wěn)；而傳感器兩側(cè)進氣口和尾氣出口處出現(xiàn)了明顯的速度梯度分布，這是由于截面積的突然變化造成的。截面積的突然變化產(chǎn)生了很強的擾動，造成了較大的局部損失，傳感器在進行結(jié)構(gòu)設計時，應盡量減小這些部位處造成的局部損失。

由于進氣口處截面積的突然減小及傳感器壁面的剪切作用，迎風側(cè)進氣口內(nèi)出現(xiàn)了較強烈的渦流，產(chǎn)生了很強的擾動，造成了較大的局部損失。背風側(cè)進氣口內(nèi)排氣出現(xiàn)了一定的逆向流動，排氣由傳感器背風側(cè)進氣口流入排氣管內(nèi)，進氣口處排氣的逆向流動會使得所測的PM濃度產(chǎn)生較大的偏差。

從速度分布云圖中可以看出，基于文丘里管式結(jié)構(gòu)設計，尾氣由進氣口流入傳感器，經(jīng)濃度測試區(qū)、尾氣流動空間，最終由尾氣出口重新匯入排氣管中，能夠?qū)崿F(xiàn)PM濃度的瞬態(tài)測量。

4.2 顆粒相模擬結(jié)果分析

傳感器是本文的主要研究對象，本節(jié)對DPF入口排氣流速為30 m/s時，傳感器內(nèi)部不同粒徑PM的運動及分布情況進行了分析。

4.2.1 PM分布狀況

圖10是PM在傳感器及排氣管內(nèi)的分布情況，從圖中可以看出PM在傳感器內(nèi)部的分布較為均勻，迷宮式設計靠近濃度測試區(qū)的部分PM分布較多，這說明迷宮式設計雖然起到了阻擋PM的效果，但傳感器工作一段時間后仍然會有PM在傳感器內(nèi)部沉積，因而需要定期對傳感器進行清理，以完成傳感器的再生。

圖10 傳感器內(nèi)部PM分布圖

4.2.2 PM速度分布

圖11(a)是傳感器及排氣管內(nèi)PM的速度分布圖，從圖中可以看出PM在傳感器內(nèi)部的流動較為均勻，PM在排氣管內(nèi)的流速要明顯高于傳感器內(nèi)PM的流速，這是由于傳感器內(nèi)排氣流速較低，而PM的運動情況主要是由排氣的運動情況來決定的。更低的流速發(fā)生在傳感器迷宮式設計處，由于多道彎迷宮式設計對排氣的阻擋，使得該處排氣流速較低。PM的流速較小，其停滯時間也會增長，因而其發(fā)生沉積的可能性也會增大。

4.2.3 PM直徑分布

圖11(b)是不同直徑的PM在傳感器及排氣管內(nèi)的分布情況，從圖中可以看出不同粒徑的PM在傳感器內(nèi)部均勻并無序的分布著。傳感器內(nèi)PM的直徑要小于排氣管內(nèi)PM的直徑，這是由于顆粒相的運動情況主要由氣相的運動情況來決定的，顆粒隨氣體流動的過程中，直徑較大的顆粒質(zhì)量也大，所受的慣性力也大，當氣流方向發(fā)生變化時，直徑較大的顆粒往往會因為慣性力的作用而來不及變換方向，從而脫離氣體的運動軌跡，而粒徑較小的顆粒則跟隨性較好。所以,當尾氣流經(jīng)傳感器頭部時，在壓差的作用下部分排氣從進氣口流入傳感器內(nèi)部，而粒徑較大的顆粒可能在慣性力的作用下繼續(xù)向前運動，而不進入傳感器。

圖11 傳感器內(nèi)部PM速度和直徑分布圖

4.3 流速對傳感器內(nèi)流場分布的影響

圖12是DPF入口排氣速度分別為15,30,50 m/s時，傳感器對稱截面上速度矢量分布情況。從圖中可以看出:當DPF入口排氣流速發(fā)生改變時，傳感器對稱截面上的速度矢量分布情況基本相同，主要是流速發(fā)生了變化，隨著入口排氣流速的增加，傳感器內(nèi)排氣的流速也呈上升趨勢。這說明DPF入口流速對傳感器內(nèi)流場分布情況影響較小，主要是對傳感器內(nèi)排氣流速影響較大。

圖12 不同入口流速傳感器內(nèi)速度矢量分布

5 結(jié) 論

1)基于文丘里管式結(jié)構(gòu)設計，尾氣在傳感器內(nèi)流動性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)PM濃度的瞬態(tài)測量。兩側(cè)進氣口出現(xiàn)了較強的擾動和逆向流動，應通過傳感器的結(jié)構(gòu)改進減小局部損失、避免異常流動現(xiàn)象。

2)傳感器內(nèi)PM分布較為均勻，迷宮式設計起到了阻擋PM的效果，但仍然有PM發(fā)生沉積，需要定期清理以完成傳感器再生。

3)DPF入口流速對傳感器內(nèi)流場分布情況影響較小，對傳感器內(nèi)排氣流速影響較大，隨著入口排氣流速的增加，傳感器內(nèi)排氣的流速也呈上升趨勢。

[1] 呂 田.壓燃式發(fā)動機顆粒物排放理化特性及其對大氣環(huán)境的影響[D].上海：上海交通大學,2013.

[2] 王 丹.柴油機微粒捕集器及其再生技術研究[D].長春：吉林大學,2013.

[3] Torregrosa A J,Serrano J R,Arnau F J,et al.A fluid dynamic model for unsteady compressible flow in wall-flow diesel particulate filters[J].Energy,2011,36(1):671-684.

[4] Kondo A,Yokoi S,Sakurai T,et al.New particulate matter sensor for on board diagnosis[J].SAE International Journal of Engines,2011,4(1):117-125.

[5] 楊永杰,張裕勝,楊賽程，等.一種PM 2.5檢測傳感器設計[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(3):76-78.

[6] 王希凡,湯 東,徐亞超,等.新型PM傳感器通信協(xié)議設定與軟件設計[J].傳感器與微系統(tǒng),2015，34(5):95-98.

[7] 龔金科,賴天貴,董喜俊，等.車用柴油機微粒捕集器流場的數(shù)值模擬與分析[J].汽車工程，2006,28(2)：129-133.

Research on numerical simulation of particulate matter sensor combined with DPF*

TANG Dong1, WANG Song-hua1, LUO Fu-qiang1, LI Nan1, CHEN Lie2

(1.School of Automotive Traffic Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China;2.Jintan Jonssen Electronic Technology Corporation,Jintan 213200,China)

The leakage current particulate matter(PM)sensor is used to detect malfunctions of diesel particulate filter(DPF)in on-board diagnostics(OBD)system.PM sensor and DPF are studied together by computational fluid dynamics(CFD)software Fluent, which has more practical significance.Flow field distribution inside DPF and PM sensor is analyzed,and movement and distribution condition inside PM sensor are studied.Research on the influence of exhaust flow rate of DPF inlet on flowfield distribution inside PM sensor is performed.The results of simulation reveal good flowability inside the sensor，distribution of PM is uniform but there is still PM deposited in the maze structure design,which need to be cleared up regularly.Velocity of DPF inlet has little influence on flow-field distribution inside the sensor while it has great influence on exhaust velocity magnitude inside the sensor.

particulate matter(PM)sensor; diesel particulate filter(DPF); leakage current; on-board diagnostics(OBD); concentration

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0036—04

2016—05—22

國家自然科學基金資助項目(51176068)；內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室開放課題項目 (K2014—9)

TP 212

A

1000—9787(2017)05—0036—04

湯 東(1969-)，男，博士，教授，碩士生導師，主要從事內(nèi)燃機測試方面研究工作,E—mail: Ujssonghua@163.com。