PM传感器安装位置的分析研究.pdf

第4期(总第19 2 期)2023年11月现代车用动力MODERNVEHICLEPOWERNo.4(serial No.192)Nov.2023doi:10.3969/j.issn.1671-5446.2023.04.011PM传感器安装位置的分析研究刘耀军,任学成,陆晓燕,吴峰胜,邓均翔,桂磊,陈灿玉（一汽解放汽车有限公司动力总成事业部，江苏无锡2 140 2 6）摘要：柴油机国六排放法规不仅对颗粒物（PM)有一定要求，而且还对粒子数量（PN）有严格的要求。因此需要在国六柴油机后处理器出口加装PM传感器以实时检测PN，一旦PN超限,车载诊断系统（OBD)就会报故障，进而提醒用户进行维修保养以排除故障。若用户不及时处理，就会使柴油机限扭。为了保证PM传感器测得的PN数据准确，首先要确保PM传感器的安装位置合理并满足技术规范要求,因此必须对PM传感器的安装位置进行计算分析。通过计算分析结果并结合试验数据，确定了最终的模型方案，确定了8.6 L国六柴油机后处理器的整体结构。关键词：柴油机；颗粒物传感器；粒子数量；安装位置中图分类号:U466LIU Yaojun,REN Xuecheng,LU Xiaoyan,WU Fengsheng,DENG Junxiang,GUI Lei,CHEN Canyu(Powertrain Business Department,FAW Jiefang Automobile Co.,Ltd.,Wuxi 214026,China)Abstract:Chinas emission legislation stage VI of diesel engine not only has certain requirements for PM quality,but also has strict re-quirement for PN quantity.Therefore,it is necessary to install PM sensor at the outlet of the after-treatment box to detect the number ofPN in real time.Once the number of PN exceeds the limit,the on-board diagnostic system(OBD)of the diesel engine will report afault,and then remind the user to carry out maintenance and troubleshooting.If the user does not handle it in time,the engine will belimited torque.In order to ensure the accuracy of PN data measured by PM sensor,it is necessary to ensure that the installation posi-tion of PM sensor is reasonable and meets the technical specification.Therefore,the installation position of PM sensor must be calculat-ed and analyzed.Through the calculation and analysis results and combined with the test data,the final model scheme is determined,and the overall structure of the 8.6 L Chinas emission legislation stage VI diesel engine after-treatment box is locked.Key words:diesel;PM sensor;PN;installation position文献标志码：AAnalysis and Research on Installation Position of PM Sensor文章编号:16 7 1-5446(2 0 2 3)0 4-0 0 47-0 3引言解放动力8.6 L国六柴油机选用氧化催化（D O C）、颗粒捕集（DPF）、选择性催化还原（SCR）、氨逃逸催化（ASC)技术方案以满足国六排放法规要求,其中DPF用来过滤、捕集柴油机尾气中的颗粒物。对于尾气中的碳颗粒,国六排放法规对PN有严格的要求,所以需要在后处理器总成出口加装PM传感器以实时检测PN。为了保证PM传感器测得的PN数据准确,确保PN符合法规要求,同时也为了减少OBD的误报,需要确保PM传感器的安装位置满足其规范要求。对于PM传感器的安装位置,设计规范要求该点被测气流标准速度在怠速工况要大于5m/s,在额定工况要大于2 5m/s。因此，需要对PM传感器的安装位置进行计算机辅助工程(CAE)计算评估,确定合适的测点位置1-3。基于初步的设计方案,经过多轮流场计算分析后,在后处理器总成的排气出口管上确定了安装PM传感器的合适位置。1计算目的根据PM传感器的安装规范,模拟后处理器内部流场，获得PM传感器安装位置处的气流速度，判*收稿日期：2 0 2 3-0 4-15作者简介：刘耀军（19 8 5一），男，甘肃天水人,工程师，主要研究方向为柴油机后处理系统。48断PM传感器安装位置是否满足设计规范要求：该点被测气流标准速度在怠速工况要大于5m/s在额定工况要大于2 5m/s。借助 CAE计算分析的手段，寻找更便捷的设计方案。2计算内容本次计算分析主要针对8.6 L国六柴油机后处理器，在额定工况和怠速工况2 种条件下进行流场的模拟计算,输出PM传感器安装位置处的气流速度4。根据速度判断PM传感器安装位置是否满足条件,如果不满足，需要对后处理器结构进行优化，以满足PM传感器的安装要求。3计算条件将入口气流设定为均匀分布的气流，且沿入口轴线方向流动,介质为理想气体5。怠速工况排气流量为318 kg/h,排气温度为2 10；额定工况排气流量为110 0 kg/h，排气温度为50 0。出口采用压力边界条件，压力设置为10 1.32 kPa。3.1第一轮计算分析计算用后处理器流道提取模型1如图1所示，排气出口管内径为117 mm。入口现代车用动力额定工况PM传感器安装位置处的速度为79m/s,转换成标准速度为2 5.6 m/s,大于2 5m/s，满足条件，如图3所示。0.017.7图3额定工况PM传感器安装位置处速度云图1在排气出口管内径为117 mm的条件下,综合考虑怠速工况和额定工况的计算结果，由于在怠速工况下,PM传感器安装位置处的速度转换成标准速度为3.7 m/s，小于5m/s,因此该方案不满足规范要求，需要再进一步优化调整。3.2第二轮计算分析通过第一轮计算分析结果可以看出，由于排气管内气流速度偏小,不满足PM传感器的安装规范要求。为了增大排气管内速度，尝试缩小排气出口管的内径,之后进行计算确定是否有效果。计算用后处理器流道提取模型2 如图4所示，第1次改进将排气出口管内径缩小至110 mm,第2次改进将排气出口管内径缩小至10 0 mm。入口2023年第4期速度/(ms-),35.352.970.688.3PM传感器PM传感器出口图4后处理器流道提取模型2图1后处理器流道提取模型1第1次优化调整方案：排气出口管内径由原来怠速工况PM传感器安装位置处的速度为7.0m/s,转换成标准速度为3.7 m/s,小于5 m/s,不满足条件，如图2 所示。0.01.5图2 怠速工况PM传感器安装位置处速度云图1的117 mm缩小为110 mm。怠速工况排气管流场速度分布比较均匀,如图5所示。12345速度/(ms-l)0.0 1.7 3.4 5.2 6.9 8.6速度/(ms-),图5急速工况PM传感器安装位置处速度云图23.04.56.17.7在排气管路布置了5个点，监测这些位置的流场参数,速度分别为8.0 m/s,8.1 m/s,7.8m/s,2023年第4期7.6m/s,7.5m/s。对于这5个测点,速度转换为标准速度后均小于5m/s,该方案仍然不满足安装规范要求。第2 次优化调整方案：排气出口管内径由原来的117 mm缩小为10 0 mm。改进后怠速工况排气管流场速度分布比较均匀，如图6 所示。单位:mm200250501234速度/(ms-)0.01.93.85.77.69.5图6 急速工况PM传感器安装位置处速度云图3在排气管路布置了4个点，监测这些位置的流场参数,速度分别为8.6 m/s,9.5m/s,9.5m/s，9.6 m/s。测点1的速度转换为标准速度后小于5m/s;测点2,3,4的速度转换为标准速度后均大于5m/s，因此,根据计算结果PM传感器位置至少要在距离后处理器箱体150 mm以上才能满足要求。在排气管路布置的4个点，在额定工况监测这些位置的流场参数,速度分别为9 2.2 m/s,92.2m/s，91.5 m/s,91.5 m/s,如图 7 所示。1234.图7 额定工况PM传感器安装位置处速度云图2将这4个测点的气流速度转化为标准速度后都满足条件,均大于2 5m/s。在排气出口管内径为10 0 mm的条件下,综合考虑怠速工况和额定工况监测数据，对于这种后处理器的出口结构,PM传感器位置至少距离后处理器箱体150 mm以上才能满足要求。3.3压降计算结果排气出口管内径缩小为10 0 mm后,可能会影响后处理器总成的整体压降,因此对压降也做了计算分析。设置发动机后处理器总成入口排气流量为刘耀军，等：PM传感器安装位置的分析研究本没有影响。表1后处理器总成压降分布条件DOC/kPaDPF/kPaSCR/kPa总压降/kPa管内径117 mm1.56管内径10 0 mm1.554结束语对于本文所述后处理器总成的出气结构,排气出口管内径为117 mm时,由于流速偏小,不满足PM传感器的安装要求。将排气出口管内径缩小至100mm时,在距离箱体150 mm以上的位置均满足PM传感器的安装要求。同时从计算分析结果看，排气出口管内径缩小对后处理器总成整体压降基本没有影响。PM传感器安装位置确定后，也就确定了后处理器总成的整体结构。开发其他排量小于8.6 L机型的后处理器时,PM传感器的布置可借鉴此设计方案。目前CAE模拟分析已被越来越多的技术人员使用,成为优化设计中的一个重要方法。利用CAE软件进行后处理器流场模拟分析，根据分析结果可速度/(ms-)针对性地提出优化方案，同时可以减少验证试验次99.080.060.040.020.00.0491100kg/h,排气温度为50 0。整个后处理器总成的压降分布如表1所示,整体的压降变化不大,基19.763.388.11数，节省试验资源。参考文献：1李楠,汤东,陈烈.柴油机车载诊断系统新型颗粒物传感器的研究D.镇江：江苏大学,2 0 13.2 GHEORGHIU V.Soot senor for emission onboard controlsystem C/SAE OBD Symposium,2012.3 HANSSON J.A method for estimating soot load in a DPFusing an RF-based sensor D.Sweden:Linkopings Univer-sity,2012.4汤东,王松华，罗福强，等.颗粒物传感器结合DPF的数值模拟研究J.传感器与微系统，2 0 17,36（5）：36-39+43.5高伟,邓召文.催化转化器流场分析及关键结构参数优化J.拖拉机与农用运输车,2 0 18,45（4）：42-47+57.3.188.1019.98