自然吸气发动机排气系统氧传感器布置研究

自然吸气发动机排气系统氧传感器布置研究摘要：氧传感器作为燃油闭环控制系统的关键元件，对发动机的动力性和排放指标有着至关重要的作用。其布置位置与各缸信号的监测更是有着紧密联系。本文以上汽自主开发的某自然吸气发动机排气系统为研究对象，通过CFD软件STAR-CCM+对排气系统进行瞬态数值模拟计算，并引入示踪因子PassiveScalar模型，分别跟踪各缸排气气流的运动轨迹，用以评估当前氧传感器位置合理性，并提出后续的优化方向。关键词：氧传感器，PassiveScalar，瞬态。0前言随着当前全球汽车保有量及使用频率的增加，汽车尾气所引起的污染问题越来越引起人们的重视，电控喷油车辆已然成为汽车工业发展的主流。电控喷油技术采用闭环控制，根据发动机的不同工况及排放诸多因素，能及时调整燃油喷射参数使空燃比保持在14.7:1，从而获得理想的动力性和经济性。氧传感器作为燃油闭环控制系统的关键元件，依赖其精准的信号反馈，从而使系统达到三元催化器最佳转化效率所需的理想空燃比。氧传感器的作用是测定发动机燃烧后的排气中的氧含量，并把氧含量转换成电压信号传递到发动机ECU，而后其根据信号对喷射参数进行修正，实现空燃比的反馈控制。氧传感器由内外两个电极构成，其中内电极与外界大气连通，外电极与燃烧废气流连。由于氧气浓度差的存在，氧离子将从内电极向外电极移动。因此发动机燃烧废气中氧含量的变化会导致在内外电极之间产生不同的输出电压信号。在目前多数发动机中，电控喷油系统的闭环控制通常基于各缸的整体空燃比反馈而不是单缸的空燃比反馈[1][2]。例如四缸发动机在某工况下工作时，第一缸的燃烧废气空燃比相较其他三缸明显偏低。氧传感器只能监测到各缸综合的燃烧废气信号，并以此信号表征为此工况的空燃比，而后根据此反馈信号调整燃油喷射策略。这种情况将导致第一缸混合气偏浓。所以氧传感器布置时要充分考虑各缸排气的空燃比差异性。本文是以上汽自主开发的某自然吸气发动机排气系统为研究对象，通过CFD软件STAR-CCM+对自然吸气发动机排气系统下的瞬态数值模拟计算，并引入示踪因子PassiveScalar模型，来分别跟踪各缸排气气流的运动轨迹，用以评估当前氧传感器位置合理性，并提出后续的优化方向。1仿真模型1.1网格模型本文以上汽自主开发的某自然吸气排气系统为研究对象，排气系统三维模型如下图1所示，其中包括排气歧管，载体，催化器前后锥体。同时为了评估现有氧传感器位置，又加入氧传感的外表面。利用STAR-CCM+中自带模块对流体域自动生成含2层边界层的多面体网格，并对氧传感器局部进行了细化。网格总数量约23万。图1排气系统几何模型1.2分析方法在本文仿真中采用瞬态分析方法，分别监测在循环过程中各缸气流随时间变化的运动轨迹。对于瞬态计算通常需要3-4个循环才可以达到收敛。本文的计算时间为4个循环，其中前3个循环计算用来稳定收敛计算结果，只选取最后一个循环的CFD结果进行数据分析。为了提高瞬态计算的收敛性，采用了鲁棒性较高的边界设置。具体为发动机排气系统入口采用瞬态流量入口和温度边界，出口采用瞬态压力边界。计算工况为额定功率点，其循环边界条件如图2和图3所示。图2入口排气流量和温度图3催后出口温度和压力1.3物理模型由于排气系统内部的流速高，可以视其流场为三维、可压缩、粘性、湍流运动，其控制方程包括连续方程、动量方程、能量方程、湍流动能方程、湍流耗散方程。除此之外，引入PassiveScalar模型来监测各缸排气运动轨迹。此模型通过求解指定标量传输方程得到此标量分布，此标量值可以自由定义，而且对于解析流体运动和特性不产生任何影响。其具体方程如下所示[3]：标量的传输与对流传质和分子扩散项均相关。式中第二项是对流传质项；第三项是分子扩散项，第四项是标量的源项。对于三元催化器载体的模拟，因其结构内部孔隙众多，直接仿真工程量大，目前通用的CFD分析多采用多孔介质模型来代替。其流动规律遵循达西定律，流体流经载体时产生单位长度压降可以用下式表达。式中第一项是惯性项与速度V的二次方成正比,Pi是惯性阻力系数；第二项是黏性项与速度v成正比，其中Pv是粘性阻力系数。阻力系数通常由供应商直接提供或者基于试验的流量-压力曲线拟合得到。本文中采用的壁厚为4mm的400目载体，其具体Pi和Pv分别为7.91/kg/m4和2255.6/kg/m3s。2评价方法对于瞬态分析结果，本文采用时间平均的方法为来考核。具体步骤如下：首先采用STAR-CCM+自带的FieldMean工具对第四个循环中计算域所有单元的各缸PassiveScalar分别进行时间平均。然后对各缸passivescalar的时间平均值进行标准方差计算，详细公式如下所示。其数值越小，意味着各缸排气来流组份的差异性越小。氧传感器布置位置优先选择此数值较小的区域。：各缸组份占比；：各缸排气组份占比的时均值；：汽缸数在本文仿真中对于各缸排气分别定义了4种不同PassiveScalar，分别代表各缸排气的组份分数。通过求解计算域中各缸的PassiveScalar分布来监测各缸排气的运动轨迹。在各缸排气入口处分别设定其对应的PassiveScalar为单位值1，其它的PassiveScalar为0。在瞬态过程中任何时刻任何单元中各缸的PassiveScalar的和始终为1。考虑各缸排气的脉冲特点，氧传感器最理想的位置应处于各缸示踪标量PassiveScalar的循环平均值相等的流体区域。即对于四缸机而言，理想的氧传感器位置是监测到的各缸标量PassiveScalar的循环平均值均为0.25。3结果及分析图4所示为各缸PassiveScalar在整个循环过程中时间平均值分布云图。从图中可以看出，在1，以及4缸排气时，该缸气流都顺利传输到氧传感器周围附近。相较而言，3缸气流的传输过程稍弱，但依然处于较高的组份分数范围。同时，在4-2-1的排气歧管结构中，可以清晰的看到1、2缸和3、4缸之间排气气流干扰较小。1缸2缸1缸2缸4缸3缸4缸3缸图4各缸PassiveScalar时间平均分布云图图5所示为各缸PassiveScalar时均值的标准差分布云图。正如上文中提到的各缸PassiveScalar数值越接近越好，各缸之间的差异越小越好。图中可以看出目前氧传感器所处位置接近蓝色低值区，同时观察到在靠发动机侧同样出现蓝色低值区，因布置原因，此位置暂不做推荐。在云图中可以观察到越靠近各缸排气入口处，其标准差越大各缸差异性越明显。这正符合我们的经验认知，同时也在一定程度上对此分析方法予以佐证。图5各缸PassiveScalar时均值的标准差分布云图表1为氧传感器外表面的是PassiveScalar的时均值及标准差。从数值中可以清晰的看出3缸的PassiveScalar明显低于其他缸，同时1、2缸的整体数值也是高于3,4缸。建议氧传感位置稍向3,4缸适当移动以改善此分布。表1氧传感器外表面的是时间平均passivescalarCYL_1passivescalarCYL_2passivescalarCYL_3passivescalarCYL_4passivescalarSummationStd_Dev0.3170.2790.1560.2481.006.87%对于氧传感器的布置除了各缸组份差异性，还应考虑到所处位置的气流速度。如果氧传感器处于低速涡流区，其反馈信号不稳定，影响发动机喷油策略。图6中所示为循环时间平均后的近壁面流速。从图种可以看出，目前氧传感器所处位置附近近壁面时均流速较高。而靠近发动机侧的流速明显偏低，尽管此处在图5所示的时间平均的各缸PassiveScalar的标准差较小，此位置依然是不做推荐。图6时间平均的近壁面速度分布云图图8所示为各缸分别排气时的流线分布图，可以清晰的看到目前氧传感器所处位置均处于流场的主流区，且流速较高。4结论本文是以上汽自主开发的某自然吸