某汽油機排氣后處理系統CFD分析

卓麗穎，張超

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

前言

隨著對發動機排放標準要求的日益嚴格，改善發動機動力性、經濟型和排放性的工作越來越復雜。針對發動機后處理系統，重要的是充分發揮催化器的催化效率，提高催化器的性能，降低后處理系統的壓力損失，并且已有研究表明了排氣管路阻力對發動機性能也有一定影響。因此，很有必要合理地設計后處理系統。

1 模型建立與分析方法

1.1 CFD模型及網格劃分

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

圖1 三種方案的數模模型

圖2 三種方案的體網格圖

1.2 邊界條件

本次分析計算為穩態分析，其中進出口設定為：入口流量473.5kg/h，溫度790°C；出口邊界條件：靜壓1bar。載體的輸入參數依照供應商提供數據輸入。

求解器設置中采用離散格式，壓力和速度的耦合選用SIMPLE。空氣流動采用可壓縮粘性流動，湍流模型為k-て-f方程，壁面函數采用混合壁面函數處理邊界層流體分布，計算要求壁面網格的y+值在7-200之間。壓力、動能、湍流耗能殘差值要求小于0.0001。

2 結果分析

2.1 計算結果術語解釋

速度均勻性系數[1]，對于催化劑而言，進入其中的氣流分布越均勻，則催化效率越高，而評價氣流分布均勻的指標就是速度均勻性系數，公式如下：

其中Ai 表示單元面積

A 表示整個出口的面積

ui表示單元的速度

2.2 計算結果

經過CFD分析計算，得出以下結果。對于三種方案，載體入口處的氣流速度均勻性系數分別為 0.8296、0.8379、0.905，氣流速度分布圖如圖3所示。根據AVL的經驗，氣流速度均勻性系數評價標準為大于0.90。所以經過兩次模型修改，優化催化器前端管路和后端管路方向和連接位置，更改后的整個后處理系統氣體流通更通暢，氣流速度均勻性最終合格，滿足評價標準。

圖3 載體入口氣流速度分布圖

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

圖4 流動跡線圖

三種方案的壓力損失分段計算結果如下表1所示。表中計算得到催化器載體的壓力損失和供應商提供的壓力降輸入數據基本一致。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。整個模型的壓力損失分布圖如圖5所示。

圖5 壓力場圖

圖6 氧傳感器速度場圖

氧傳感器位置評價：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。

3 結語

本文通過對某汽油機進氣后處理系統進行CFD分析，得出以下結論：

（1）初始方案計算催化器入口氣流速度均勻性不合格，通過調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模型，并且最終設計方案的壓力損失最低。

（2）在發動機后處理系統研發階段，采用CFD分析手段可以縮短研發周期和降低研發成本。