包志浩 BAO Zhi-hao

摘要：本文針對(duì)某炭罐電磁閥流量特性進(jìn)行CFD數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)。目的是要優(yōu)化炭罐電磁閥在大負(fù)荷工況下的流量，以滿足國(guó)六法規(guī)的脫附流量要求。首先，在Workbench的前處理模塊DesignModeler中建立參數(shù)化模型，再通過(guò)DesignXplorer模塊的響應(yīng)曲面方法得到最優(yōu)的炭罐電磁閥設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。本文創(chuàng)建的基于Workbench的響應(yīng)曲面優(yōu)化方法，為類似產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

Abstract： In this paper， CFD numerical simulation and optimized design of canister purge valve flow characteristics are conducted. The purpose is to optimize the flow rate of the canister purge valve under high load conditions to meet CN6 regulation. First， a parametric model is created in pre-processing module DesignModeler in Workbench， then the optimal canister purge valve design is obtained by the response surface method of the DesignXplorer module， and verified by the test. The response surface optimization method based on Workbench created in this paper provides a reference for the optimal design of similar products.

關(guān)鍵詞：炭罐電磁閥;CFD數(shù)值模擬;響應(yīng)曲面優(yōu)化;臨界背壓比

Key words： canister purge valve;CFD numerical simulation;response surface optimization;critical back pressure ratio

中圖分類號(hào)：V4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）22-0013-04

0? 引言

國(guó)六新增的加油排放法規(guī)（ORVR）[1]對(duì)炭罐電磁閥有了更高的要求，不僅縮短了可進(jìn)行脫附的時(shí)間，也提高了對(duì)脫附流量的要求：小負(fù)荷工況下脫附流量要盡量小，大負(fù)荷工況下的脫附流量要盡量大，而炭罐電磁閥是依靠進(jìn)氣歧管的負(fù)壓進(jìn)行脫附的，其流量特性正好與此相反。小負(fù)荷工況下，進(jìn)氣歧管內(nèi)負(fù)壓大，炭罐電磁閥很容易達(dá)到最大流量;而大負(fù)荷工況下，進(jìn)氣歧管內(nèi)負(fù)壓小，炭罐電磁閥即使全開(kāi)流量也很小。要解決這個(gè)矛盾最好的辦法就是限制炭罐電磁閥的最大流量并提高在大負(fù)荷工況下的流量。本文通過(guò)優(yōu)化炭罐電磁閥的結(jié)構(gòu)，使其流量特性盡量滿足以上要求。

1? 炭罐電磁閥簡(jiǎn)介

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

炭罐電磁閥是利用勵(lì)磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的原理設(shè)計(jì)的，為常閉式電磁閥。ECU通過(guò)占空比控制其開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量。炭罐端口與大氣連通，氣流依靠發(fā)動(dòng)機(jī)端口的負(fù)壓，將炭罐中儲(chǔ)存的燃油蒸汽吸入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒掉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)炭罐的清洗。

本文以現(xiàn)有量產(chǎn)產(chǎn)品作為優(yōu)化的對(duì)象，考慮到變更的成本，這里只針對(duì)炭罐電磁閥的出口端進(jìn)行優(yōu)化，其出口端為縮放型噴嘴結(jié)構(gòu)（圖1）。出口端包括7個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別是入口圓角、入口直徑、收縮段長(zhǎng)度、喉部直徑、喉部長(zhǎng)度，擴(kuò)散段長(zhǎng)度和出口直徑。

1.2 臨界流量與臨界背壓比

炭罐電磁閥的出口端結(jié)構(gòu)與臨界流文丘里噴嘴結(jié)構(gòu)類似，當(dāng)壓比小于某個(gè)值時(shí)，噴嘴喉部的氣流速度達(dá)到臨界流速（當(dāng)?shù)芈曀伲?，此時(shí)即為臨界狀態(tài)，噴嘴的質(zhì)量流量只與上游滯止壓力、管子直徑和氣體狀態(tài)參數(shù)有關(guān)，而與下游壓力無(wú)關(guān)[2]。

臨界流速處的壓力與上游滯止壓力之比稱為臨界背壓比[4]。炭罐電磁閥的臨界背壓比越大，就越容易達(dá)到臨界流量，在小負(fù)荷工況下的流量就越大。對(duì)于縮放形噴嘴，其喉部截面的壓比正好等于臨界背壓比，而其出口截面的壓比則會(huì)小于臨界背壓比。結(jié)構(gòu)合理，加工精良的臨界流文丘里噴嘴其臨界背壓比可達(dá)0.9左右[5]。

綜上，喉部直徑?jīng)Q定的了炭罐電磁閥流量的上限。縮放形噴嘴的結(jié)構(gòu)決定了臨界背壓比。因此，要提高炭罐電磁閥在大負(fù)荷工況下的流量，就是要提高其臨界背壓比。

2? 炭罐電磁閥CFD分析

2.1 計(jì)算域模型和網(wǎng)格模型

在UG NX中，先對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，再進(jìn)行布爾云算，可以非常方便的得到計(jì)算域的幾何模型（圖2）。為了將出口端噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化，需要在DesignModeler中通過(guò)草圖將出口端的噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建。

使用FLUENT MESHING軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖2）。首先在DesignModeler先進(jìn)行命名，以便在Fluent Meshing中對(duì)不同部位的網(wǎng)格進(jìn)行加密。在喉部位置對(duì)面網(wǎng)格進(jìn)行加密，面網(wǎng)格尺寸為0.1mm，其余部分的面網(wǎng)格尺寸為0.25mm。體網(wǎng)格采用POLY-HEXCORE填充，即表面及邊界層采用多面體網(wǎng)格，內(nèi)部采用六面體網(wǎng)格填充。體網(wǎng)格尺寸最小0.05mm，最大1.6mm，5層邊界層。整個(gè)計(jì)算域的實(shí)體單元數(shù)約150萬(wàn)個(gè)。

2.2 邊界條件設(shè)置及求解器選擇

根據(jù)炭罐電磁閥的實(shí)際工作條件，采用壓力入口，壓力出口邊界條件。由于噴嘴喉部附近的流速會(huì)達(dá)到甚至超過(guò)音速，空氣密度會(huì)發(fā)生較大的改變，需要考慮氣體的可壓縮性。因此，采用理想氣體模型[6]。開(kāi)啟能量方程，溫度298K。

炭罐電磁閥的CFD分析是個(gè)穩(wěn)態(tài)的計(jì)算。采用基于壓力的求解器，湍流模型采用可實(shí)現(xiàn)k-ε模型，并選擇增強(qiáng)壁面函數(shù)。

3? 基于DesignXplorer的響應(yīng)曲面優(yōu)化

3.1 輸入與輸出變量

優(yōu)化的目標(biāo)是要限制炭罐電磁閥的最大流量并提高其臨界背壓比。喉部直徑根據(jù)不同應(yīng)用而定，這里取φ3.5mm，喉部長(zhǎng)度最小取1mm。除了喉部直徑和喉部長(zhǎng)度，將其他5個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)作為輸入變量，其取值范圍根據(jù)炭罐電磁閥的結(jié)構(gòu)限制確定，見(jiàn)表1。

輸出變量為臨界背壓比，但是由于臨界壓力不能直接輸出，需要根據(jù)流量曲線來(lái)確定。在相同條件下，臨界背壓比越大，低負(fù)壓下的流量就越大。因此，這里取負(fù)壓10kPa下的流量作為輸出變量。

3.2 設(shè)計(jì)采樣空間（DOE）

輸入輸出參數(shù)確定之后，按照DOE模塊默認(rèn)的中心復(fù)合設(shè)計(jì)，預(yù)覽之后自動(dòng)生成了27個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)，計(jì)算完成后得到表2。

3.3 敏感性分析及生成響應(yīng)曲面

查看各輸入?yún)?shù)對(duì)輸出參數(shù)的敏感度大?。▓D3）?？梢钥闯?，出口半徑對(duì)10kPa負(fù)壓下的流量敏感度最高，其次是入口半徑。

需要對(duì)響應(yīng)曲面的質(zhì)量先進(jìn)行檢查，按照Non-Parameter Regression（非參數(shù)回歸方法）擬合響應(yīng)面，它適用于響應(yīng)為非線性的情況。擬合響應(yīng)面，響應(yīng)面擬合質(zhì)量符合要求（圖4）。

由于入口半徑的敏感性最高，這里只查看入口半徑與其他4個(gè)參數(shù)的響應(yīng)曲面（圖5）。通過(guò)響應(yīng)曲面可以非常直觀的看出各參數(shù)對(duì)流量的影響。通過(guò)下面幾個(gè)響應(yīng)曲面可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出口半徑3.5mm左右時(shí)，再根據(jù)響應(yīng)曲面響應(yīng)的調(diào)整另一個(gè)參數(shù)，可以使流量達(dá)到最大。也就是說(shuō)，當(dāng)出口與喉部的面積比約為4時(shí)，可以獲得較大的臨界背壓比[7]。

3.4 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化

采用默認(rèn)的MOGA優(yōu)化方法。在Optimization子目錄下Objectives and Constraints添加約束條件：10kPa的質(zhì)量流量達(dá)到最大。在Results中點(diǎn)擊Candidate Points查看最佳候選設(shè)計(jì)點(diǎn)。可以看出，ANSYS給出了三個(gè)最佳候選設(shè)計(jì)點(diǎn)（表3）。

軟件給出的優(yōu)化方案是基于響應(yīng)面得出的。因此，還需要照優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行一次實(shí)際的分析來(lái)驗(yàn)證。按以上參數(shù)插入一個(gè)新的設(shè)計(jì)點(diǎn)重新進(jìn)行計(jì)算，得到10kPa下的流量為0.662g/s，與基于響應(yīng)面得出的流量（0.661g/s）基本一致。

按照優(yōu)化方案的參數(shù)，分別計(jì)算各個(gè)負(fù)壓下的流量，再與原模型的流量曲線進(jìn)行對(duì)比（圖6）。在最小流動(dòng)截面積不變的情況下，臨界流量不會(huì)太大變化。雖然臨界流量只提高了約1.7%，但隨著出口端負(fù)壓的降低，流量提高的百分比逐漸增加，10kPa時(shí)提高了8.1%，5kPa時(shí)流量提高了17.2%。

4? 試驗(yàn)驗(yàn)證

在炭罐電磁閥專用的流量測(cè)試平臺(tái)上通過(guò)壓力傳感器和質(zhì)量流量計(jì)可以測(cè)量炭罐電磁閥在不同負(fù)壓下的流量。在UG中對(duì)炭罐電磁的總成的數(shù)模進(jìn)行簡(jiǎn)化，只保留內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)。通過(guò)3D打印的方式可以快速獲得優(yōu)化方案的樣件（圖7）。

從實(shí)測(cè)的流量曲線上（圖8）可以明顯地看出，優(yōu)化模型相比原模型具更容易達(dá)到臨界流量。在10kPa負(fù)壓下的流量，優(yōu)化模型相比原模型提高了約10%，而臨界流量卻比較接近。這與之前CFD分析結(jié)果（圖6）基本是一致的。

5? 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用ANSYS WORKBENCH分析了炭罐電磁閥的流量特性，并通過(guò)DX響應(yīng)曲面的方法優(yōu)化了炭罐電磁閥出口端的結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的模型在10kPa負(fù)壓下的流量提高了8.1%，在5kPa負(fù)壓下的流量提高了17.2%。因此，優(yōu)化后的模型對(duì)于提高大負(fù)荷工況下的流量是非常有幫助的。雖然，就提高的流量數(shù)值而言并不多，但這是在某個(gè)特定條件下的最優(yōu)解。對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，能在各種限制的條件下，將產(chǎn)品的性能做到最佳，也是非常有意義的。

參考文獻(xiàn)：

[1]聯(lián)合電子.應(yīng)對(duì)史上最嚴(yán)的國(guó)六解決方案.2016.

[2]華自強(qiáng)，張忠進(jìn)，高青.工程熱力學(xué)[M].第四版.高等教育出版社，2009：121-132.

[3]ISO 9300， Measurement of Gas Flow by Means of Critical Flow Venturi Nozzles [S]. 2005.

[4]李春輝，王池.中小喉徑音速噴嘴臨界背壓比的研究[C].海峽兩岸流量計(jì)量與質(zhì)量研討會(huì).臺(tái)北，2008.

[5]徐志斌.縮放噴管應(yīng)用現(xiàn)狀及研究方向[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2006（6）：18-20.

[6]Schley P.Simulation of critical nozzles flow considering real gas effects[J].The 10th International Conference of Flow Measurement，2000，（6）：4-8.

[7]戚珊珊.小流量音速噴嘴裝置及測(cè)量特性研究[D].杭州：中國(guó)計(jì)量學(xué)院，2015.