一2015年一第6期
仪表技术与传感器
Instrument一Technique一and一Sensor
2015一No．6一
基金项目:江苏省国际合作项目(BZ2012025);内燃机燃烧学国家重点实验室开放课题(K2014-9);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)
收稿日期:2014-09-16一收修改稿日期:2015-03-19
柴油机漏电流式颗粒物传感器有限元热分析
汤一东1,吴宇哲1,李一楠1,陈一烈2
(1.江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江一212013;2.金坛鸿鑫电子科技有限公司,江苏金坛一213200)
一一摘要:有限元热分析为车载诊断系统(OBD)漏电流式颗粒物传感器的可靠使用提供依据三建立三维几何模型并依靠A498BPG 柴油机的台架试验获得全负荷工况的尾气环境,最终利用ANSYS 软件模拟该环境下传感器瞬态及稳态的温度
场分布情况三模拟比较了陶瓷加热体使用与否对传感器温度场的不同影响,指出传感器陶瓷加热体需要断续加热且电缆绝缘层应该耐受300?;模拟为传感器热应力分析提供了必要铺垫三关键词:颗粒物传感器;柴油机;ANSYS;温度场;陶瓷加热体
中图分类号:TK422一一一文献标识码:A一一一文章编号:1002-1841(2015)06-0008-03
Thermal Analysis Based on Finite Element Method for Leakage Current Particulate Matter Sensor of Diesel Engine
TANG Dong 1,WU Yu-zhe 1,LI Nan 1,CHEN Lie 2
(1.Department of Automotive Traffic Engineering ,Jiangsu University ,Zhenjiang 212013,China ;
2.Jintan Jonssen Electric Tech Crop ,Jintan 213200,China )
Abstract :It is proved by finite element method that the leakage current particulate matter sensor of on-board diagnostic system (OBD)can be used responsibly.3D model was established and the emission environment condition was acquired with a bench test on A498BPG engine.Finally,numerical simulation was carried out to approach the transient and steady state of temperature fields of the sensor by ANSYS.After a series of comparison on using heater or not,it is pointed out that the ceramic heater need interrupted
heating process and the cable in sensor should endure 300?,thus providing basis for thermal stress analysis of the sensor.Key words :particulate matter sensor;diesel engine;ANSYS;temperature field;ceramic heater 0一概述
柴油机在节能与CO 2排放方面的优势是包括汽油机在内
的所有热力发动机无法比拟的[1]三然而柴油机有害排放物中约占20.76%的颗粒物(PM)及可溶有机成分(SOF)会对人体健康造成极大危害三为此欧美国家广泛使用收集效率在85%以上[2]的柴油机PM 捕集器(DPF)过滤PM三美国加州2013年开始执行的OBD 排放法规要求乘用车和轻型车的PM 排放低于10.8mg /km [3]三欧洲的OBD 限值门槛(OTL)分别被定为2017年的12mg /km(轻型车)和2015年的25mg /kWh(重型车)[4]三
当前欧美国家的柴油车必须配备PM 传感器[5-7]三市场需求促进技术创新,艾菲二博世二大陆等厂商推出基于电阻技术的PM 传感器[6,8];芬兰毕加索公司的PPS -M 传感器利用充电电流差测尾气中PM 的质量与数量浓度[9];通用电气公司的PM 传感器对射频技术加以利用实现尾气中PM 浓度的测取[10];
Emisense 公司推出的PM 传感器依靠电容漏电流原理监测尾气中的PM 浓度[11-12]三国内学者对PM 传感器的研究兴趣也日趋浓厚[13]三
漏电流式PM 传感器具有工业成本低及能够实时测量PM 浓度的优势三如图1,传感器头部垂直安装于DPF 下游的排气
管中,其柱状中央电极与筒状接地外壳间形成基于电容原理的浓度测试区三发动机运行过程中依靠压差进入浓度测试区的尾气样本成为电极间的电介质三极间电压达到800~1500V 时,尾气中的PM 将被电离或极化成导体,PM 浓度与漏电流正相关[14]三传感器控制单元(SCU)中的信号放大电路可将采集所得nA 级的微电流转为正比于该电流值的电压信号,经电位计调整控制在0~5V 的范围内以便进行数据处理[10]三
图1一传感器示意图
传感器内集成测温功能的陶瓷加热体可以减小浓度测试区与尾气间温差对测试结果的影响,同时能够定期烧除沉积形成的碳桥三本文研究最恶劣工作环境下传感器的温度和温度梯度分布,为传感器加热单元设计以及绝缘材料选择提供依据,并为传感器热应力分析提供数据基础三1一模型建立及边界条件设置1.1一数学模型
颗粒物传感器温度场的确定取决于结构的热传导问题,其中热传导控制微分方程给出热传导所遵循的基本规律;初始条