基于Fluent-Simulink協同仿真的EVAP系統泄漏監測中壓力場分析*

何 仁，方妍月

（江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮江 212013）

前言

隨著汽車保有量的日益增長，汽車排放造成的環境污染也日益加重。針對汽車排放控制，國內早已開展了研究［1-2］。而近年來，除了對汽車蒸發污染物的排放進行限制外，我國也借鑒了On-Board Diagnostic II法規［3］，在最新的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法第六階段》（GB 18352.6—2016）（以下簡稱國VI）中，明確規定要對汽車燃油蒸發控制系統（evaporative system，EVAP）進行1和0.5mm泄漏孔的實時泄漏監測［4］。

在20世紀80-90年代，國外已開始研究燃油蒸發系統泄漏監測技術：文獻［5］中開發出了一種名為壓力衰減方法（pressure decaymethod，PDM）的泄漏監測算法；文獻［6］中開發出了一套停機自然真空（engine off natural vacuum，EONV）泄漏監測算法。基于這種算法，高流速正壓法監測［5］等系統被開發出來；在系統部件上，文獻［7］和文獻［8］中分別開發出一種油氣壓力管理裝置。另外，文獻［9］中建立了應用負壓衰減法（vacuum decay method，VDM）時的泄漏孔直徑評估模型；文獻［10］中建立了使用PDM時油箱內氣體質量守恒和能量守恒模型；文獻［11］中建立了EONV方法下的純蒸汽空間內壓力與溫度的關系和監測閾值的設置優化模型。文獻［12］中研究了如何減少泄漏監測誤差。而在我國，文獻［13］中開發了一套防范失效措施且通過了實車驗證；文獻［14］中對EONV方法進行了實車試驗；文獻［15］中提供了一種依靠泵電流特性判斷EVAP系統是否泄漏的方法。

由于以前的研究較少涉及泄漏孔位置對EVAP系統內負壓衰減行為、EVAP系統與管路內部壓力和流場的影響，故本文中通過建立在負壓衰減階段中的EVAP系統氣相空間和管路的總壓模型，得到泄漏孔處流入油箱的空氣質量流率和油箱內油液揮發出的油氣質量流率；將上述兩種質量流率編譯成C函數，在設有1 mm泄漏孔的二維氣相空間瞬態模型中作為邊界條件調用；最后，使用了某款滿足國VI標準的EVAP系統進行了1 mm泄漏實驗。

1 總壓模型的建立

1.1 負壓衰減法泄漏監測階段劃分

VDM泄漏監測可分為泄漏孔監測、標準孔監測和判斷3個階段。其中泄漏孔監測階段又可分為泄漏監測前的壓力處理階段和負壓衰減階段，如圖1所示。而本文的總壓模型主要描述的是負壓衰減階段中的EVAP系統氣相空間的衰減情況。

圖1 泄漏孔監測階段示意圖

1.2 模型假設

總壓模型基于以下假設：

（1）模型處于恒溫狀態，忽略氣體對流換熱的影響和氣體對流對汽油揮發的影響；

（2）油氣和空氣的物性，如黏度等不變；

（3）空氣和油氣均視為理想氣體，且EVAP系統中空氣和油氣的混合物為二元混合物；

（4）忽略油箱晃動對油液揮發的影響。

1.3 數值模型

根據理想氣體分壓定理，抽真空后的EVAP系統氣相空間內的總壓變化由兩部分組成，包括油氣蒸發產生的氣體壓力變化和空氣經泄漏孔流入油箱產生的氣體壓力變化。

油氣蒸發產生的氣體壓力變化率為

其中：

根據化工企業定量風險評價［18］對泄漏孔處質量流率做出的規定，若滿足式（3），則泄漏孔處的氣體流動為亞音速流動。

式中：p為油箱內部壓力，Pa；p0為環境壓力，Pa；γ為比熱比。

經計算，油箱內最大壓力和環境壓力p0滿足式（3）關系，因此泄漏孔處的氣體流動為亞音速流動，空氣質量流率 m·lh為

式中：m·lh為空氣質量流率，g／s；Y為流出系數；Aleak為泄漏孔面積，m2；Cd為氣體泄漏系數。

式中：p·lh為空氣經泄漏孔進入油箱產生的壓力變化，Pa／s；Vair為空氣氣體體積，L。

因此，EVAP系統氣相空間內總壓p為

式中：p為氣相空間內總壓，Pa；t為衰減時間，s。

1.4 質量流率

使用Simulink建立上述總壓的數學模型，模型的輸入為衰減時間t＝0時的總壓4.1×103Pa，模型的輸出分別為負壓衰減階段內油氣質量流率m·evap和泄漏孔處的空氣質量流率m·lh，如圖2所示。

圖2 油氣質量流率和空氣質量流率

通過Matlab曲線擬合，得到上述兩種質量流率曲線的多項式函數，使用Visual Studio分別對多項式函數進行C編譯，之后作為瞬態模型的邊界條件在Fluent中調用。

2 瞬態模型的建立

2.1 幾何模型與網格劃分

油箱氣相空間二維模型長 1 050 mm，高100 mm，循環管和閥上的管路直徑都為8 mm，泄漏孔直徑為1 mm。以油箱氣相空間左下角為原點，上方泄漏時泄漏孔位置為（600，100），側向泄漏時泄漏孔位置為（1，89）。

以側向泄漏的網格劃分為例，如圖3所示，泄漏孔附近，管路與油箱連接處附近都進行了局部加密處理。

圖3 側向泄漏時氣相空間網格劃分圖

2.2 瞬態模型設置

控制方程采用能量方程，控制模型采用組分傳輸和層流模型。邊界條件的設置如圖4所示，泄漏孔入口處和氣相空間底邊皆為質量流率入口，其余為壁面。

圖4 邊界條件設置示意圖

采用PISO分離算法，使用壓力基求解器進行求解。空間離散化方法中，壓力采用PRESTO算法，梯度設置為Least Squares Cell Based，能量設置為2階迎風格式。收斂臨界值取默認值。操作壓力設置為97 325 Pa。計算時間步長為0.001 s，每步迭代次數設為100次，計算3×105步。

3 協同仿真結果分析

為分別分析氣相空間與管路內的壓力和流場情況，引入了4個評價參數：泄漏孔入口處最大壓力與氣相空間內最小壓力之差Δplt，氣相空間內除泄漏孔外的最大壓力pftmax，管路入口與管內部的壓力差Δpvr和管路中最大壓力ptmax。另外，為方便說明，選取3個時段分別進行分析。

3.1 氣相空間

3.1.1 時段1

負壓衰減的0-25.08 s內為時段1。在此時段中，兩種泄漏情況下的氣相空間內都形成了層流，且Δplt逐漸增大。

圖5（a）和圖5（b）為側向和上方泄漏氣相空間壓力云圖，可見側向泄漏時的pftmax小于上方泄漏時的pftmax。這是因為受重力影響，上方泄漏時，最大空氣速率Vlh大于側向泄漏時的Vlh，如圖5（c）和圖5（d）所示。

3.1.2 時段2

上方泄漏時，時段2出現在29.12-39.2 s內；而側向泄漏時，出現在31.90-53.56 s內。如圖6所示，此時段Δplt最大，且氣相空間內除泄漏孔與管路附近外，其余各處壓力基本相等，也即等于pftmax。因此時段內壓力變化不易受氣相空間位置的影響，綜合兩種泄漏情況，30-39 s為較佳的監測時段。

3.1.3 時段3

負壓衰減從52.26 s開始直到衰減結束為階段3。如圖7所示，此時段中兩種泄漏情況下的Δplt都小于時段2。

圖5 t＝1 s上方泄漏和側向泄漏氣相空間壓力圖和泄漏孔處速度矢量圖

圖6 衰減時間t＝33.82 s上方泄漏和側向泄漏氣相空間壓力云圖

圖7 衰減時間t＝115.88 s上方泄漏和側向泄漏氣相空間壓力云圖

綜合時段1～時段3可知，在整個負壓衰減過程中，上方泄漏的氣相空間內pftmax始終大于側向泄漏的pftmax，也即上方泄漏時的壓力衰減速率高于側向泄漏時的壓力衰減速率。

3.2 管路

為分析管路中壓力變化，進行壓力采樣。在閥管路和循環管路上的壓力采樣點分別為D（650，112），F（554，98），G（854，100）和 I（1054，204），如圖8所示。

圖8 管路上壓力采樣點示意圖

經分析，無論是上方泄漏還是側向泄漏，閥管路中的ptmax都大于循環管中的ptmax，且閥管路中的Δpvr都大于循環管路中的Δpvr。圖9為上方泄漏時，兩處管路入口點F與G和管路內部點D與I在衰減時間38.5-38.51 s內的負壓衰減情況，驗證了上述分析的結論。

圖 9 t＝38.50-38.51 s時 F，D，G和 I點處壓力

4 靜態臺架實驗裝置

本文中依據國VI標準搭建了模擬EVAP系統泄漏的實驗臺架。EVAP系統在實驗前已加油42 L，占油箱容積的50%。燃油的RVP為6.1×104Pa。實驗環境溫度為30℃。

實驗中使用標準孔模擬油箱上的泄漏孔，標準孔為O'Keefe Controls Co公司制造的1mm精密金屬B型孔。真空泵為整個系統抽取的真空壓力為4.1×103Pa。壓力采集點距離油箱側面 170 mm。實驗臺架和裝置細節分別如圖10和圖11所示。

圖10 國VI燃油蒸發系統的泄漏實驗臺架

為驗證仿真結果，仿真后處理時在二維模型中選擇點（170，99），得到該點處的壓力曲線，并與實驗值進行比較，如圖12所示。

圖12 實驗壓力采集點與Fluent仿真結果對比

由圖12可知，仿真結果的負壓衰減速率稍高于實驗的負壓衰減速率，這是因為瞬態模型為二維模型，且氣相空間模型和管路較為規整，從而減少了實際氣體的不規則運動。

同時，表1給出了上方泄漏時實驗與仿真結果的相對誤差。由表可見，誤差在可接受范圍內，因此本文中所建立的協同仿真模型可用來模擬負壓衰減階段中氣相空間內的壓力和流場情況。

表1 上方泄漏時實驗結果與仿真的誤差

5 結論

（1）應用VDM進行EVAP系統泄漏監測時，負壓衰減階段中EVAP系統壓力變化可使用總壓模型進行模擬，最大誤差為7.14%。

（2）泄漏孔位置對氣相空間內的負壓衰減行為有影響：上方泄漏時氣相空間內負壓衰減速率快于側向泄漏時的速率。兩種泄漏情況下，閥管路中最大壓力都大于循環管中壓力。

（3）衰減時間在30-39 s范圍內時，氣相空間內除泄漏孔與管路附近外各處壓力基本相等，因此衰減時間30-39 s為較佳的監測時段。

（4）泄漏孔入口處最大壓力與氣相空間內最小壓力之差從負壓衰減開始至25.08 s的時段逐漸增大，在30-39 s時段內維持在最大值，從52.26 s開始直到衰減結束逐漸減小。