摘要:提出了一个一维模型来模拟柴油机排气微粒过滤器内部的流体动力学行为。在一维流体动力学模型中,将排气微粒过滤器简化成内部设有压降元件的直管,简化的直管通过突变的截面与排气管连接,直管中间的压降元件是数学意义上的一个面,没有厚度,但具有实际过滤器的全部阻力。此模型能够反映过滤器内所发生的主要现象,如压力损失、温度变化、压力波的反射与传播。此模型被添加到MK-14程序中后,能够精确预测发动机与管路系统之间的相互作用与相互影响。模型通过试验得到了验证。
关键词:柴油机;过滤器;模型
中图分类号:TK421.5
文献标识码:A
引言
安装过滤器后,柴油机排气系统阻力增加,排气管内的气流波动规律也将随之发生变化。排气管路中的压力波动很重要,由管路反射过来的压力波会影响气缸的排气过程,而沿管路传递的压力波则与气流噪音有关;对于采用增压措施的柴油机,这还将影响到涡轮端的压强,从而影响到增压度。为了预测这些变化并进一步优化管路系统,本文提出了过滤器的一维流体动力学模型。将本文提出的模型添加到现有的MK-14程序之中,便可实现对排气系统的数值模拟。
1 模型概述
所建立的模型必须能够反映实际装置的基本特征,即过滤器的模型不仅能够和实际过滤器产生一样的压力损失、温度变化,并且还能够反映安装过滤器之后管路系统实际压力波动的变化,能够与实际装置产生同样的压力波反射和传播,确保相同的动力响应。
图1是壁流式过滤器芯体的结构示意图,废气从进口孔道进入芯体,然后通过孔道的壁面进入出口孔道,再从出口孔道流出。孔道壁面上密布微孔,起过滤介质作用,废气通过它流动时,颗粒由于受拦截而沉积在壁面内。一维流体动力学模型将上述装置简化成内部设有压降元件的直管,简化的直管通过突变的截面与排气管连接,如图2所示。直管的长度等于过滤器的总长,直管的通流面积等于过滤器进口孔道面积总和。直管中间的压降元件是数学意义上的一个面,它没有厚度,但具有实际过滤器的全部阻力。
在上述假设条件下,过滤器就被简化成了排气系统中的2个管段,如图3,管段Ⅸ和Ⅹ的管端编号分别为17、18和19、20。在计算过程中,这2个管段按直管考虑;由管端编号16和17、20和21组成的2个边界简单地按截面突变理论处理。截面突变理论模型方程的推导和求解方法见文献[1]。由管端编号18和19组成的边界是一个没有厚度但具有实际过滤器全部阻力的压降元件,文献[1]讨论了管道中绝热压强损失装置的处理方法,这里借用此方法求解上述压降元件。在MK-14程序中添加有关过滤器模型的程序段,那么该程序便可用来对整个发动机排气系统进行优化。
要求解此模型方程,压降元件的阻力系数K必须为已知参数。因为压降元件代表实际过滤器的全部阻力,因此应将实测的过滤器的阻力系数作为对应的压降元件的阻力系数。过滤器阻力系数的测试在稳流试验台上进行。该试验台可以记录过滤器进口处流动参数的变化。根据实测数据就可以计算出阻力系数随气流马赫数的变化。其中阻力系数按下式计算:
这一测试过程是在常温及稳态条件下进行的,但结果可用于过滤器的实际工作过程[2]。图4是由该试验实测的一过滤器阻力系数随出口处马赫数的变化关系。该过滤器的芯体为Corning公司产品,其直径和长度分别为142 mm和150 mm,蜂窝孔密度约为0.155孔/mm。由图4可以看到,阻力系数随马赫数的增加而下降,这反映了芯体内的气体流动是层流流动。
压降元件的阻力系数是与压降元件下游紧邻压降元件一点的马赫数对应的,而过滤器的马赫数是在出口点测得的,见图2,这就可能使压降元件的实际阻力系数与根据图4查得的阻力系数出现差异。如果模型中直管的通流面积等于排气管的截面积,则这种差异不会存在;如果模型中直管的通流面积大于排气管的截面积,则根据图4计算出的阻力值小于实际阻力值。另一方面,模型与排气管连接处也会出现截面突变,这一截面突变又会使模型的阻力损失额外增加。如果假设二者可以抵消,则求解压降元件时可直接利用图4。
过滤器的温度一般与环境不同,所以气体通过芯体与环境之间存在热交换。这一热交换过程可以借助一般的传热方程描述如下:
2 试验结果与讨论
本文将上述过滤体模型的计算结果与实测结果进行了比较。试验所用的发动机为X4125型柴油机,试验工况点为标定工况和一个低速工况(满负荷),测点位置分别为紧邻1号缸排气门出口、紧邻涡轮进口及过滤体进口共3点,同时运用添加过滤器模型后的MK-14程序对测点的流动状态进行模拟计算。
测点的压力波动采用压电式传感器测量,传感器得到的信号在接口单元中放大、转换之后送入计算机。3个点的压力波动的测试结果与计算结果列于图5。
由图可以看到,计算值与实测值不仅在相位上而且在波幅上均有很好的吻合,只是在排气阀口,由于各缸的相互作用较为明显,计算与实测的压力波形的峰值有较大的区别。模型简单地用突变截面来代替过滤器两端的锥形连接体,这也是造成计算值与实测值之间误差的一个主要原因。气流速度加大之后连接处的边界效应会更明显,因此,发动机在高速时计算值与实测值的差异会严重些。总之,可以用所建立的模型代替实际的过滤器进行排气系统的优化设计。
上述结果是对一个新的过滤器进行测试所得到的。在过滤器使用过程中,由于颗粒不断积聚,过滤器的阻塞程度会加大,阻力系数因而会发生变化。此时应用上述程序对排气系统进行模拟时,必须重新确定过滤器的阻力系数值。
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