卓麗穎，張超

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

前言

隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)要求的日益嚴(yán)格，改善發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)型和排放性的工作越來越復(fù)雜。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)，重要的是充分發(fā)揮催化器的催化效率，提高催化器的性能，降低后處理系統(tǒng)的壓力損失，并且已有研究表明了排氣管路阻力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能也有一定影響。因此，很有必要合理地設(shè)計(jì)后處理系統(tǒng)。

1 模型建立與分析方法

1.1 CFD模型及網(wǎng)格劃分

三種方案的后處理系統(tǒng)模型如下圖1所示。由于催化器需采用多孔介質(zhì)模型模擬，因此使用 FIRE軟件的 After treatment模塊劃分體網(wǎng)格。前后主體管路的網(wǎng)格用 FIREM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分六面體網(wǎng)格。三種方案整個(gè)模型體網(wǎng)格如圖2 所示?？紤]到壁面附近的邊界層影響，在壁面上生成兩層邊界層網(wǎng)格。

圖1 三種方案的數(shù)模模型

圖2 三種方案的體網(wǎng)格圖

1.2 邊界條件

本次分析計(jì)算為穩(wěn)態(tài)分析，其中進(jìn)出口設(shè)定為：入口流量473.5kg/h，溫度790°C；出口邊界條件：靜壓1bar。載體的輸入?yún)?shù)依照供應(yīng)商提供數(shù)據(jù)輸入。

求解器設(shè)置中采用離散格式，壓力和速度的耦合選用SIMPLE?？諝饬鲃?dòng)采用可壓縮粘性流動(dòng)，湍流模型為k-て-f方程，壁面函數(shù)采用混合壁面函數(shù)處理邊界層流體分布，計(jì)算要求壁面網(wǎng)格的y+值在7-200之間。壓力、動(dòng)能、湍流耗能殘差值要求小于0.0001。

2 結(jié)果分析

2.1 計(jì)算結(jié)果術(shù)語解釋

速度均勻性系數(shù)[1]，對(duì)于催化劑而言，進(jìn)入其中的氣流分布越均勻，則催化效率越高，而評(píng)價(jià)氣流分布均勻的指標(biāo)就是速度均勻性系數(shù)，公式如下：

其中Ai 表示單元面積

A 表示整個(gè)出口的面積

ui表示單元的速度

2.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過CFD分析計(jì)算，得出以下結(jié)果。對(duì)于三種方案，載體入口處的氣流速度均勻性系數(shù)分別為 0.8296、0.8379、0.905，氣流速度分布圖如圖3所示。根據(jù)AVL的經(jīng)驗(yàn)，氣流速度均勻性系數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為大于0.90。所以經(jīng)過兩次模型修改，優(yōu)化催化器前端管路和后端管路方向和連接位置，更改后的整個(gè)后處理系統(tǒng)氣體流通更通暢，氣流速度均勻性最終合格，滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 載體入口氣流速度分布圖

整個(gè)模型的流動(dòng)跡線圖如下圖4所示。方案一與方案二流動(dòng)跡線圖中，紅色區(qū)域速度大是氣流從擴(kuò)張管前圓管直接流入的區(qū)域，由于氣流進(jìn)入擴(kuò)張管后存在一個(gè)大的漩渦，導(dǎo)致其他區(qū)域氣流速度低。方案三中擴(kuò)張管區(qū)域漩渦比較少，氣流速度分布比較均勻。

圖4 流動(dòng)跡線圖

三種方案的壓力損失分段計(jì)算結(jié)果如下表1所示。表中計(jì)算得到催化器載體的壓力損失和供應(yīng)商提供的壓力降輸入數(shù)據(jù)基本一致。與方案一方案二相比，方案三入口彎管的彎曲度較小，前后段管路比較圓滑，壓力損失最低。整個(gè)模型的壓力損失分布圖如圖5所示。

圖5 壓力場(chǎng)圖

圖6 氧傳感器速度場(chǎng)圖

氧傳感器位置評(píng)價(jià)：由圖6可知方案一、方案二與方案三氧傳感器表面速度比較大，均大于100M/S，可知三種方案氧傳感器均位于廢氣主流區(qū)。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)某汽油機(jī)進(jìn)氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行CFD分析，得出以下結(jié)論：

（1）初始方案計(jì)算催化器入口氣流速度均勻性不合格，通過調(diào)整催化器前后端彎管軸線位置、彎曲角度及方向等措施來改進(jìn)模型，并且最終設(shè)計(jì)方案的壓力損失最低。

（2）在發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)研發(fā)階段，采用CFD分析手段可以縮短研發(fā)周期和降低研發(fā)成本。