自然吸氣發(fā)動機排氣系統(tǒng)氧傳感器布置研究

自然吸氣發(fā)動機排氣系統(tǒng)氧傳感器布置研究摘要：氧傳感器作為燃油閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，對發(fā)動機的動力性和排放指標有著至關(guān)重要的作用。其布置位置與各缸信號的監(jiān)測更是有著緊密聯(lián)系。本文以上汽自主開發(fā)的某自然吸氣發(fā)動機排氣系統(tǒng)為研究對象，通過CFD軟件STAR-CCM+對排氣系統(tǒng)進行瞬態(tài)數(shù)值模擬計算，并引入示蹤因子PassiveScalar模型，分別跟蹤各缸排氣氣流的運動軌跡，用以評估當前氧傳感器位置合理性，并提出后續(xù)的優(yōu)化方向。關(guān)鍵詞：氧傳感器，PassiveScalar，瞬態(tài)。0前言隨著當前全球汽車保有量及使用頻率的增加，汽車尾氣所引起的污染問題越來越引起人們的重視，電控噴油車輛已然成為汽車工業(yè)發(fā)展的主流。電控噴油技術(shù)采用閉環(huán)控制，根據(jù)發(fā)動機的不同工況及排放諸多因素，能及時調(diào)整燃油噴射參數(shù)使空燃比保持在14.7:1，從而獲得理想的動力性和經(jīng)濟性。氧傳感器作為燃油閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，依賴其精準的信號反饋，從而使系統(tǒng)達到三元催化器最佳轉(zhuǎn)化效率所需的理想空燃比。氧傳感器的作用是測定發(fā)動機燃燒后的排氣中的氧含量，并把氧含量轉(zhuǎn)換成電壓信號傳遞到發(fā)動機ECU，而后其根據(jù)信號對噴射參數(shù)進行修正，實現(xiàn)空燃比的反饋控制。氧傳感器由內(nèi)外兩個電極構(gòu)成，其中內(nèi)電極與外界大氣連通，外電極與燃燒廢氣流連。由于氧氣濃度差的存在，氧離子將從內(nèi)電極向外電極移動。因此發(fā)動機燃燒廢氣中氧含量的變化會導致在內(nèi)外電極之間產(chǎn)生不同的輸出電壓信號。在目前多數(shù)發(fā)動機中，電控噴油系統(tǒng)的閉環(huán)控制通?；诟鞲椎恼w空燃比反饋而不是單缸的空燃比反饋[1][2]。例如四缸發(fā)動機在某工況下工作時，第一缸的燃燒廢氣空燃比相較其他三缸明顯偏低。氧傳感器只能監(jiān)測到各缸綜合的燃燒廢氣信號，并以此信號表征為此工況的空燃比，而后根據(jù)此反饋信號調(diào)整燃油噴射策略。這種情況將導致第一缸混合氣偏濃。所以氧傳感器布置時要充分考慮各缸排氣的空燃比差異性。本文是以上汽自主開發(fā)的某自然吸氣發(fā)動機排氣系統(tǒng)為研究對象，通過CFD軟件STAR-CCM+對自然吸氣發(fā)動機排氣系統(tǒng)下的瞬態(tài)數(shù)值模擬計算，并引入示蹤因子PassiveScalar模型，來分別跟蹤各缸排氣氣流的運動軌跡，用以評估當前氧傳感器位置合理性，并提出后續(xù)的優(yōu)化方向。1仿真模型1.1網(wǎng)格模型本文以上汽自主開發(fā)的某自然吸氣排氣系統(tǒng)為研究對象，排氣系統(tǒng)三維模型如下圖1所示，其中包括排氣歧管，載體，催化器前后錐體。同時為了評估現(xiàn)有氧傳感器位置，又加入氧傳感的外表面。利用STAR-CCM+中自帶模塊對流體域自動生成含2層邊界層的多面體網(wǎng)格，并對氧傳感器局部進行了細化。網(wǎng)格總數(shù)量約23萬。圖1排氣系統(tǒng)幾何模型1.2分析方法在本文仿真中采用瞬態(tài)分析方法，分別監(jiān)測在循環(huán)過程中各缸氣流隨時間變化的運動軌跡。對于瞬態(tài)計算通常需要3-4個循環(huán)才可以達到收斂。本文的計算時間為4個循環(huán)，其中前3個循環(huán)計算用來穩(wěn)定收斂計算結(jié)果，只選取最后一個循環(huán)的CFD結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析。為了提高瞬態(tài)計算的收斂性，采用了魯棒性較高的邊界設(shè)置。具體為發(fā)動機排氣系統(tǒng)入口采用瞬態(tài)流量入口和溫度邊界，出口采用瞬態(tài)壓力邊界。計算工況為額定功率點，其循環(huán)邊界條件如圖2和圖3所示。圖2入口排氣流量和溫度圖3催后出口溫度和壓力1.3物理模型由于排氣系統(tǒng)內(nèi)部的流速高，可以視其流場為三維、可壓縮、粘性、湍流運動，其控制方程包括連續(xù)方程、動量方程、能量方程、湍流動能方程、湍流耗散方程。除此之外，引入PassiveScalar模型來監(jiān)測各缸排氣運動軌跡。此模型通過求解指定標量傳輸方程得到此標量分布，此標量值可以自由定義，而且對于解析流體運動和特性不產(chǎn)生任何影響。其具體方程如下所示[3]：標量的傳輸與對流傳質(zhì)和分子擴散項均相關(guān)。式中第二項是對流傳質(zhì)項；第三項是分子擴散項，第四項是標量的源項。對于三元催化器載體的模擬，因其結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙眾多，直接仿真工程量大，目前通用的CFD分析多采用多孔介質(zhì)模型來代替。其流動規(guī)律遵循達西定律，流體流經(jīng)載體時產(chǎn)生單位長度壓降可以用下式表達。式中第一項是慣性項與速度V的二次方成正比,Pi是慣性阻力系數(shù)；第二項是黏性項與速度v成正比，其中Pv是粘性阻力系數(shù)。阻力系數(shù)通常由供應(yīng)商直接提供或者基于試驗的流量-壓力曲線擬合得到。本文中采用的壁厚為4mm的400目載體，其具體Pi和Pv分別為7.91/kg/m4和2255.6/kg/m3s。2評價方法對于瞬態(tài)分析結(jié)果，本文采用時間平均的方法為來考核。具體步驟如下：首先采用STAR-CCM+自帶的FieldMean工具對第四個循環(huán)中計算域所有單元的各缸PassiveScalar分別進行時間平均。然后對各缸passivescalar的時間平均值進行標準方差計算，詳細公式如下所示。其數(shù)值越小，意味著各缸排氣來流組份的差異性越小。氧傳感器布置位置優(yōu)先選擇此數(shù)值較小的區(qū)域。：各缸組份占比；：各缸排氣組份占比的時均值；：汽缸數(shù)在本文仿真中對于各缸排氣分別定義了4種不同PassiveScalar，分別代表各缸排氣的組份分數(shù)。通過求解計算域中各缸的PassiveScalar分布來監(jiān)測各缸排氣的運動軌跡。在各缸排氣入口處分別設(shè)定其對應(yīng)的PassiveScalar為單位值1，其它的PassiveScalar為0。在瞬態(tài)過程中任何時刻任何單元中各缸的PassiveScalar的和始終為1?？紤]各缸排氣的脈沖特點，氧傳感器最理想的位置應(yīng)處于各缸示蹤標量PassiveScalar的循環(huán)平均值相等的流體區(qū)域。即對于四缸機而言，理想的氧傳感器位置是監(jiān)測到的各缸標量PassiveScalar的循環(huán)平均值均為0.25。3結(jié)果及分析圖4所示為各缸PassiveScalar在整個循環(huán)過程中時間平均值分布云圖。從圖中可以看出，在1，以及4缸排氣時，該缸氣流都順利傳輸?shù)窖鮽鞲衅髦車浇?。相較而言，3缸氣流的傳輸過程稍弱，但依然處于較高的組份分數(shù)范圍。同時，在4-2-1的排氣歧管結(jié)構(gòu)中，可以清晰的看到1、2缸和3、4缸之間排氣氣流干擾較小。1缸2缸1缸2缸4缸3缸4缸3缸圖4各缸PassiveScalar時間平均分布云圖圖5所示為各缸PassiveScalar時均值的標準差分布云圖。正如上文中提到的各缸PassiveScalar數(shù)值越接近越好，各缸之間的差異越小越好。圖中可以看出目前氧傳感器所處位置接近藍色低值區(qū)，同時觀察到在靠發(fā)動機側(cè)同樣出現(xiàn)藍色低值區(qū)，因布置原因，此位置暫不做推薦。在云圖中可以觀察到越靠近各缸排氣入口處，其標準差越大各缸差異性越明顯。這正符合我們的經(jīng)驗認知，同時也在一定程度上對此分析方法予以佐證。圖5各缸PassiveScalar時均值的標準差分布云圖表1為氧傳感器外表面的是PassiveScalar的時均值及標準差。從數(shù)值中可以清晰的看出3缸的PassiveScalar明顯低于其他缸，同時1、2缸的整體數(shù)值也是高于3,4缸。建議氧傳感位置稍向3,4缸適當移動以改善此分布。表1氧傳感器外表面的是時間平均passivescalarCYL_1passivescalarCYL_2passivescalarCYL_3passivescalarCYL_4passivescalarSummationStd_Dev0.3170.2790.1560.2481.006.87%對于氧傳感器的布置除了各缸組份差異性，還應(yīng)考慮到所處位置的氣流速度。如果氧傳感器處于低速渦流區(qū)，其反饋信號不穩(wěn)定，影響發(fā)動機噴油策略。圖6中所示為循環(huán)時間平均后的近壁面流速。從圖種可以看出，目前氧傳感器所處位置附近近壁面時均流速較高。而靠近發(fā)動機側(cè)的流速明顯偏低，盡管此處在圖5所示的時間平均的各缸PassiveScalar的標準差較小，此位置依然是不做推薦。圖6時間平均的近壁面速度分布云圖圖8所示為各缸分別排氣時的流線分布圖，可以清晰的看到目前氧傳感器所處位置均處于流場的主流區(qū)，且流速較高。4結(jié)論本文是以上汽自主開發(fā)的某自然吸