破解煞車粉塵排放循環

當您想到汽車廢氣排放時，腦海裡很可能會出現排氣管排放氣體的畫面。但汽車也會排出您可能想不到的其他潛在汙染微粒，這些微粒來自煞車碟盤磨損、輪胎磨耗和道路磨蝕。事實上，只有 15% 的廢氣排放量來自排氣，其餘 85% 則來自其他來源。其中，從煞車碟盤排放的小型金屬微粒，最有可能被過濾器捕捉到。歐盟 (EU) 正考慮立法控管車輛的所有排放，包括煞車碟盤微粒。

MANN+HUMMEL 位於德國路德維希堡，其工程師獲得由印度辦公室提供的額外工程支援，正在使用 Ansys Fluent 模擬金屬微粒離開煞車碟盤時的流動。他們的目標是設計一種被動式過濾器 (即無移動零件)，可安裝在煞車卡鉗上，在這些微粒進入環境前就加以捕捉。 

工程團隊很自然地選擇使用 Ansys 軟體。

MANN+HUMMEL 的過濾器元件模擬負責人 Christoph Schulz 表示：「我們的一大優勢，就是許多工程師有使用 Ansys Fluent 的經驗。」  「所以，在我們開始進行這項專案時，Ansys 是我們的首選。」

煞車微粒排放建模的挑戰

雖然煞車碟盤/煞車片系統似乎相對簡單，但建模可能比您想像的還要困難。

Schulz 表示：「我們並未完全瞭解煞車碟盤的微粒產生與流動的物理學現象。」「在完全瞭解這個主題之前，甚至可以研究並寫下好幾篇相關的博士論文。」

任何對這個系統進行模擬，並加入煞車粉塵微粒過濾器（BDPF）的情況，必須考慮（除其他變數外）：

• BDPF 內的整個氣流範圍，這是由內部通風煞車碟盤旋轉所產生。
• 煞車片、煞車碟盤和金屬過濾器的材料。
• 針對金屬微粒大小為 0.1 到 10 微米 的過濾器分離效率。
• 金屬微粒影響過濾器介質的可能性，以便加以捕捉。
• 準靜態流率範圍介於 10 到 130 km/h。
• BDPF 在煞車期間發熱時的熱效應。

Schulz 針對其中幾點進一步解釋：「煞車碟盤 (主要是鑄鐵) 和煞車片 (由鐵、銅、鋼等金屬和石墨結合在一起) 的材料，視這些組件的製造商而異，因此在煞車期間，它們之間產生的摩擦量會有所不同。」此摩擦會導致碟盤中形成不同大小與數量的金屬微粒。因此，微粒的大小和數量取決於煞車製造商、溫度，以及液壓煞車系統施加的力道。  

溫度也會決定金屬微粒是會流入通過煞車碟盤的空氣中，還是會一開始先黏在碟盤上，稍後再釋出。當它們釋出時，會進入碟盤的內部通風系統，其中包含冷卻空氣流經的孔。氣流會因行駛速度和風況而有極大差異。

在設計 BDPF 時，工程師也必須注意過濾系統不會增加氣流問題。作為過濾介質的金屬網也會減緩氣流，尤其當濾網使用一段時間後，網孔會因截留的微粒而阻塞。氣流減弱可能導致意外過熱。

Schulz 表示：「所有這些變數都會增加設計煞車微粒過濾裝置的複雜度，而且複雜度可能導致設計上的不確定性。」

透過模擬降低不確定性

與其資助幾位博士候選人研究和撰寫學位論文來解決這些挑戰，MANN+HUMMEL 工程空氣過濾器元件暨模擬總監 Florian Keller 博士倒不如帶領研究團隊藉由配備 BDPF 的煞車系統來更深入瞭解和追蹤微粒流動。他在成果期刊論文「開發建模方法以數字方式預測過濾效率」(由 SAE International 發佈) 中指出：

「對於內部通風煞車碟盤來說，計算流體力學 (CFD) 模擬已經成為最先進的技術；然而，目前還沒有從微粒產生和排放到煞車碟盤附近的微粒動態等全方位模型。」

此論文說明他的團隊如何運用 Fluent，模擬 10 種不同過濾器設計的過濾和四種浮動式卡鉗煞車系統，藉此開發這項全方位的模型。

模擬中使用的 BDPF，含有裝滿褶皺式金屬纖維過濾器網格的外殼，以及放置於軸面與外殼的徑向表面。褶皺可增加過濾介質的表面積。外殼連接至煞車卡鉗。煞車碟盤旋轉時，會讓空氣通過內部通風並進入 BDPF。此空氣包含煞車碟盤中的金屬微粒，可能會被截留在濾網網格中。模擬的目標是判斷由過濾器所捕捉的離開煞車碟盤的金屬微粒量。

根據此論文，Keller 與其團隊採用移動參考座標系 (MRF) 的方式進行模擬，在這種方法中，Fluent 中的納維爾-斯托克斯流體流動方程式會從固定座標轉換為移動座標。這是藉由考慮微粒在移動參考座標系中的相對速度、在慣性座標中的速度、角速度，以及從移動座標原點的位置向量來達成。透過這種方式，空氣的加速包括科氏力和離心力，可驅動內部通風區域的氣流。 

團隊使用離散相模型 (DPM) 來注入、追蹤和分析微粒行為，最終計算 BDPF 的過濾效率。在煞車片附近的四個注入點將密度 2,650 kg/m³，大小 0.1 微米、0.5微米、1微米、2 微米、3 微米、5 微米、7 微米和 10微米 的離散微粒注入模擬域中。

微粒軌跡追蹤的整合步驟數設為 70,000，以減少不完整的軌道。Fluent 揭露的模擬微粒軌跡會顯示微粒首先向過濾器介質徑向移動，然後沿著過濾器元件周圍流動。當金屬微粒到達過濾器介質表面時，會將它視為被捕捉，而離開該區域出口的微粒則被視為已逸出。

透過這些模擬，Keller 的團隊得以追蹤煞車片與碟盤的金屬粉塵微粒流向、預測濾網介質的影響可能性、判定微粒大小分佈，並計算 10 種 BDPF 設計的整體過濾效率。其中一種設計的粉塵微粒會影響過濾介質的機率高達 80%。

MANN+HUMMEL 工程師開發了一款實體煞車測試台，以比較模擬結果與實驗結果。Keller 與其團隊的結論是，使用 Fluent 模擬，可預測過濾結果的準確度，比汽車 (包括最高功率重量比的車輛，此為在歐洲和日本行駛之車輛的代表性車輛) WLTC Class 3 循環的實體測試高出 10%。

即使模擬結果與實驗結果非常接近，模擬作業還是能提供更多細節。

 Schulz 表示：「測試台難以提供的東西，就是流場和微粒移動本身的影響。」「這是運用模擬可以獲得極大優勢的地方。若您觀察此煞車系統，會發現有許多小間隙可能會讓微粒逸出並避開過濾器元件。與實際的測試台相比，在模擬中更容易發現這些間隙。Fluent 在展現流量和微粒運動的細節上，具有絕佳優勢。」

深入瞭解 Ansys Fluent 如何為您提供協助。