（动力机械及工程专业论文）高速车用涡流室柴油机冷却egr的研究.pdf

摘要 摘要 为了满足日益严格的排放法规，降低车用柴油发动机氮氧化物( n o x ) 排 放，本论文将废气再循环技术( e g r ) 应用到发动机，进行e g r 系统的研究和开 发。 本文首先介绍了e g r 技术的发展历史和现状，对本研究课题的可行性和必 要性进行了分析，阐述了为降低车用柴油机的n o x 排放和满足未来的排放法规 而采取e g r 技术的必然性。本文并对n o x 的产生机理进行了研究和讨论，在 此基础上讨论e g r 系统对发动机的燃烧、运行和排放的影响，最终确定了基于 试验研究的e g r 系统总体方案。 在国内外相关文献研究的基础上，本文系统地研究了柴油机e g r 技术，通 过理论分析和实验研究得出e g r 系统对整机性能( 发动机动力性、经济性和排 放性) 的影响，并以k m 3 7 6 z l q 柴油机为例对e g r 系统进行结构设计和虚拟 计算，并进行了电控e g r 软硬件系统的设计开发。通过本课题的研究，对车用 高速涡流室柴油机e g r 技术的运用作一些技术探索，积累一些原始数据，为小 型车或微型车用高速柴油机技术的进一步发展提供相关的依据。 接着，对实验结果进行分析，总结e g r 技术对车用柴油机性能尤其是 n o x 排放的影响，并针对设计和试验中碰到的一些典型问题进行分析，探讨一 些解决办法和弥补措施。 最后，本文对下一步的工作方向进行了简要的讨论。 关键词：e g r ，排放，柴油机，涡流室 a b s t r a c t ab s t r a c t f o rm e e t i n gt h es t r i c te m i s s i o ns t a n d a r da n dr e d u c i n gt h en o xe m i s s i o no f d i e s e le n g i n e ，e g rt e c h n o l o g yh a db e e nu s e di nt h ep a p e r f i r s t l yt h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ee g rh i s t o r ya n da c t u a l i t y ，a n da n a l y z e dt h e f e a s i b i l i t yo ft h i sp r o j e e t i ti sn e c e s s a r yf o rd e v e l o p i n gt h ee g rs y s t e mt om e e tt h e e m i s s i o ns t a n d a r di nt h ef u t u r e t h ep a p e ra l s oe x p a t i a t e dt h ep r o c r e a n tm e c h a n i s m a b o u tn o xa n dd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c et h a tn o x b r o u g h tt o t h e nt h ep a p e ra p p e a r e d t h eh o l i s t i cs o l u t i o n b a s i n go nr e s e a r c h i n gt h er e l a t e dp a p e r so ft h ew o r l d , t h ea r t i c l er e s e a r c h e dt h e c o o l e re g ro fs w i r l - c h a m b e rd i e s e le n g i n e t h r o u g ht h ea c a d e m i ca n a l y s ea n d t e s t i n gr e s e a r c ho nk m 37 6 z l qd i e s e le n g i n e ，t h ep a p e r d i s s e r t a t e dt h ei n f l u e n c e so f t h ee g r s y s t e m t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e da l le g rd e v e l o p m e n t , w h i c hi n c l u d e d m e c h a n i c a lp a r t sa n dc o n t r o ls y s t e m a tl a s t ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h eo u t c o m e so ft h et e s ta n ds u m m a r i z e dt h ee g r s y s t e m t h ep a p e ra l s od i s c u s s e dt h en e x t - s t e pr e s e a r c h i n gw o r ko ft h ep r o j e c t k e yw o r d s ：e g r ，e m i s s i o n ，d i e s e l ，s w i r l - c h a m b e r i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规 定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢 利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于 学术活动。 学位论文作者签名：明季 、孵弓月i 阳 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本 授权书。 应指导教师签么从肋 学位论文储獬：闰手 勺车芗月时日训1 _ 年；月f j 啊 同济大学学位论文原创性声明 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名：闻乒 厂年；月，广日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 当前，环境污染是一个社会所关注的重要问题，世界各国普遍认为汽车尾 气排放是造成环境污染的主要原因之一因此，在某种程度上汽车排放控制的 落后成为汽车工业进一步发展的瓶颈，汽车尾气的有害物主要包括碳氢化合物 ( h c ) 、一氧化碳( c o ) 、氮氧化合物( n o x ) 和碳烟颗粒( p m ) 等。 为了控制环境污染，各国都制定了严格的排放法规，欧、美、日三大系列 排放法规成为最主要的标准。由于中国等效采用欧洲联盟的排放法规，在这里 简单介绍一下欧洲排放法规。欧洲联盟制定了分四个阶段控制排放的规划，分 别称为欧洲i 、i i 、i i i 和( e u r o i 、i i i 和) 。每个阶段都有相应的要 求实施的指令，规定了强制性执行的日期，见表1 1 【l 】。 表1 - 1 为欧洲各阶段排放标准的限值 排放 欧i ( 1 )欧i i ( 1 )欧i i i欧l v 汽油机 柴油机汽油机柴油机汽油机柴油机 汽油机柴油机 c o2 7 2 ( 2 )2 7 22 21 02 30 6 41 o0 5 h c + n o x0 9 70 9 70 50 9o 5 6o 3 0 h c - ( 3 ) o 2o 1 n o x o 1 50 5o 0 8o 2 5 p m0 1 4o 1o 0 50 0 2 5 注：( 1 ) 欧i 、欧u 限值取自2 5 吨和六座以下轿车的限值。 ( 2 ) 排放单位为g ，l ( m ( 3 ) - 表示该法规对此项排放不作要求 在汽车尾气有害物质中，n o x 的排放控制相对较难控制，但是它的危害却 是不可忽视的。n o x 主要是指一氧化氮( n o ) 和二氧化氮( n 0 2 ) 。一氧化氮 是无色的气体，在空气中，一氧化氮会被氧化成二氧化氮。当其含量超过 1 5 p p m 时，它会和血红蛋白结合，若超过2 0 p p m 时，会影响肺的功能。二氧化 氮呈红褐色，具有强烈的刺激气味，对肺和心肌都有很强的损害作用。另外， 第一章绪论 碳氢化合物与氮氧化合物在阳光作用下，在波长4 0 0 0 l o - l o m 以下的紫外光线 区，会进行一系列的光化学反应，生成臭氧和过氧化酰基硝酸盐p a n 等所谓的 光化学过氧化物以及各种游离基、醛、酮等成分，形成毒性很大的浅蓝色烟 雾一光化学烟雾【3 】【1 4 l 【4 9 】【5 0 1 。 为了降低n o x 排放，满足日益严格的排放法规，废气再循环( e x h a u s tg a s r e c i r c u l a t i o n ) 得到了广泛得应用，e g r 可以明显降低n o x 排放物，效果显著， 同时该技术的应用对发动机的改动小，设计自由度大。在国外，e g r 得研究开 发起步较早，在汽油和柴油机上均有应用，而且技术水平成熟和广泛。然而我 国以前的环保意识薄弱，汽车排放法规相对国外发达国家比较宽松，所以对 e g r 的开发和研究不够重视，导致国内在e g r 系统的设计和开发与国外有一定 的差距。尤其在柴油机方面，由于柴油轿车在我国的欠发展，柴油发动机相关 技术的研究和应用也滞后于发达国家，作为柴油发动机达欧i i i 排放标准的必要 手段，e g r 技术必须得到大力的研究。近几年，随着我国加入世界贸易组织， 人们环保意识的逐渐增强，我国的排放法规亦日益严格，国内的一些高校和研 究所也进行t e g r 的理论和试验研究，但离产业化国产应用还有一段距离。目 前国内也有多个车型的发动机配置了e g r 系统，但是都是国外技术引进。从振 兴中国汽车民族汽车工业的角度出发，设计具有自主知识产权的e g r 系统，满 足日益严格的排放法规迫在眉睫。 1 2e g r 系统的发展概况 国外发达国家汽车工业发展比较早，在经历高速发展后，逐渐意识到汽车 尾气排放对环境的污染，对人体的伤害，并且从那时起，美国、日本、西欧等 发达国家就开始制定严格的排放法规对汽车发动机c o 、h c 、n o x 、p m 等有害 排放物进行限制。这些排放法规的建立促使各汽车生产厂商对汽车和发动机的 低排放甚至零排放技术进行研究和开发，图1 1 为柴油机不同排放法规阶段采取 的低排放技术。我们可以看到随着排放法规的日益严格，汽车开发和技术人员 不断的推出各项新技术来满足他们的要求，其中，e g r 技术是柴油机达欧i i 和 欧i i i 的主要技术措施之一，也是柴油机技术进一步发展的必经之路。 上个世纪六十年代，国外就进行了e g r 技术的理论研究，在七十年代e g r 技术就开始大规模的投入到实际应用中。在国外e g r 系统首先被应用到汽油发 2 蕈一镕诧 动机上经历了机械式气动非冷i 目i e g r 系绒阶段、机械式气动带冷却e g r 系统 阶段闭环和非闭环气电式和电控式e g r 系统阶段。幽1 2 为各阶段e g r 系统示 意圈。髓后，在七十年代e g r 技术开始转向在柴油发动机上进行应用并且在 轻型柴油发动机领域应用更为广泛l 州。 e l f1 r w c a f _ c i o s c d 】d w i t h o ) r e f i d c p e a a i a go n a l w ： s h w w f 0 d to f f t w o i g o d n 岫i l “l a d d i t i a l 一d t p a a a i n g o n “g l a c ； s e c o n d h e g r l c n w e x t r ab e a l i a g o f t w o m a 砌u o n o r e d 口l b i p e a o r h e a h i 蝌耻h n l l 曲l o 们、v c t w c 血t h a 1 l _ 1 p v “( n 曲t n u a t fe l o e d l o o p w i t h2 0 2 幽卜l 为柴油机不同| | 坡法规阶段采取劬低摊艘技术 孚萋嚣 阳12e - 阶段e g r 系统”( 愈幽 e g r 技术在国内的研究和开发没有得到重视现在还比较落后，与各发达 固家还有一定的差距。但是我四现在汽车工业正处于一个快速发展的时期汽 一擎一 第一章绪论 车的产量和保有量急剧上升，汽车带来的大气污染日益严重。并且我国已经加 入世界贸易组织，我国汽车工业将面临国外进口汽车的冲击；国内人们的环保 意识的日益增强，汽车消费群体对汽车的环保要求也日益提高：我国也将逐步 采取并且实施欧洲排放标准。这一切，迫使国产汽车提高技术含量，降低其排 放物以面对进口汽车的冲击，满足严格排放法规的要求。目前，我国的一些高 校和科研单位对e g r 技术进行了一些研究，但绝大多数还停留在试验室阶段， 离实际应用还有一段距离。 1 3e g r 系统的分类 e g r 系统的分类方法有很多。按照废气进入方式可分为内部e g r 系统和外 部e g r 系统；按照实现方式可分为机械式e g r 系统和电控式e g r 系统；按照有 无安装冷却器分为热e g r 和冷却e g r 系统【6 】【8 】【1 2 】【1 3 1 【2 0 】【4 9 】 5 0 】【5 1 1 。 1 3 1 内部e g r 系统和外部e g r 系统 内部e g r 主要是通过有意地增大气门重叠角或提高排气背压的方式，从而 增加缸内的残余废气，达到降低n o x 排放的目的。由于内部e g r 特意的对气门 的重叠角进行增大或提高排气背压，这些方法将影响到发动机的换气过程，降 低了发动机对进气惯性效应的利用，从而降低了发动机的充气效率，降低了发 动机的功率，并且油耗有所上升。所以在过去内部e g r 应用一直比较少，但是 随着可变进气门和可变进气管机构的研究和应用，内部e g r 又开始得到一定的 应用。 外部e g r 指的是通过管道和e g r 阀门把废气从排气总管引出，然后引入进 气系统，对新鲜充量进行稀释，从而降低n o x 排放的一种e g r 系统。 1 3 2 机械式e g r 系统和电控式e g r 系统 机械式e g r 系统是一个真空控制的真空阀，膜片上部与真空相通，膜片下 部与大气相通，当真空阀膜片上的真空度达到一定程度时，膜片克服上部弹簧 预紧压力带动阀门逐渐上升打开，当真空度继续上升一定值时，膜片带动阀门 完全打开。阀门的真空管道主要是和进气歧管连接，阀门的开度取决于排气管 道和进气管道之间的压差。 4 第一章绪论 电控式e g r 系统中，e c u 直接对e g r 阀门执行机构进行控制。通常电控式 e g r 系统中的e g r 阀门执行机构为步进电机或比例电磁铁。相对机械式e g r 系 统，电控式f g r 系统有以下优点：动态响应好；调节精度高；废气循环量大： 结构简单。 1 3 3 热e g r 系统和冷却e g r 系统 热e g r 系统是指废气不经过冷却直接引入进气管，造成进气温度升高，减 少发动机的进气效率，。同时提高燃烧温度，使n o x 排放提高，是不彻底的e g r 技术。而冷却e g r 系统解决了上述的问题，在实际应用中基本都使用冷却e g r 技术，尤其是在涡轮增压机型上更是这样。 1 4 本课题的意义与主要内容 本课题在国内外相关文献研究的基础上，系统的研究了柴油机e g r 技术相 关的内容，包括通过理论分析和实验研究e g r 系统对整机性能( 发动机动力 性、经济性和排放性) 的影响，对e g r 系统进行结构设计和虚拟计算，并在这 些基础上，进行了电控e g r 软硬件系统的设计开发。通过本课题的研究，对车 用高速涡流室柴油机e g r 技术的运用作一些技术探索，积累一些原始的数据， 为小型车或微型车柴油机技术的进一步发展提供相关的依据。 论文的主要内容有以下几点： 1 理论研究。阐述e g r 系统的一般原理，不同e g r 系统的优缺点，以及其对 车用柴油机性能的影响，并且确定目标柴油机e g r 系统的控制策略。 2 系统构建。该e g r 系统包括三个子系统：机械执行系统、控制硬件系统和 软件系统。 3 虚拟计算。在系统构建过程中，利用虚拟计算方法对设计目标进行辅助开 发和优化设计，使开发过程合理高效，主要是指利用a v l b o o s t 软件考察 e g r 系统对原机性能的影响，利用m p l a p 对控制系统进行在线仿真等。 4 试验研究。本文以k m 3 7 6 z l q 型涡流室高速车用发动机为研究对象进行匹 配e g r 系统的试验研究，分析系统对整机性能尤其是n o x 排放的影响。 5 全文总结。对e g r 系统的下一步工作和改进作出展望。 5 第二章e g r 系统的一般原理 第二章e g r 系统的一般原理 2 1e g r 降低n o x 的基本原理 n o x 指的是发动机燃烧产物中全部的氮氧化合物的总称，主要包括n o 和 n 0 2 ，其中n o 排放物占n o x 总量的9 0 9 6 以上。关于发动机燃烧产生n o x 的机 理，目前公认的是z e l d o v i c h 提出的“热反应生成机理一。主要反应式为： 0 2 2 0 ( 2 1 ) k l + o + n 2 + 1 一 q o + n ( 2 - 2 ) n + 0 2 告伽( 2 - 3 ) l a v o i e 等人通过研究，认为不应该忽视o h 基对氮原子氧化所起的作用，并 增加了下面一个反应： n + o h 告n o + h ( 2 - 4 ) 几个公式构成了n o 生成的反应方程式，一般称为扩充的z e l d o v i c h 机理。 其中l ( i + 和k i ( i = 1 ，2 ，3 ) 分别为这三个反应的正逆反应速率常数，其值见表 2 一l 。 表2 - 1 反应速率常数 符号 速率常数，e m 3 ( t 0 0 1 s )温度范围，k k l + 。 7 6x1 0 nxe x p ( 3 8 0 0 0 r )2 0 0 0 5 0 0 0 k 1 1 6 x1 0 1 33 0 0 5 0 0 0 k 2 +6 4 x1 0 9 x t x e x p ( 3 1 5 0 1 ) 3 0 0 3 0 0 0 怼 1 5 1 0 9 t x e x p ( 1 9 5 0 0 t ) 10 0 0 3 0 0 0 k 3 +4 1 1 0 1 33 0 0 2 5 0 0 k 3 2 0x10 1 4 e x p ( 2 3 6 0 0 t )2 2 0 0 4 5 0 0 6 第二章e g r 系统的一般原理 该理论的主要观点是发动机内的燃烧反应是链式反应，混合气的氧含量、 燃烧温度和燃烧高温的持续时间是影响n o x 排放的主要因素。氧含量越大，燃 烧温度越高和高温持续时间越长越有利于产生n o x l 7 】【8 j t 4 1 3 0 】1 3 5 】【3 6 1 。 e g r 通过将排气管中的部分排气引入进气系统，与新鲜的充量进行混合， 从而引起进气充量的性质发生变化，进而影响整个燃烧过程。它通过以下三个 方面来减少n o x 的形成： 1 ) 提高混合气的热容量。废气中含有的水蒸汽和二氧化碳等三原子分子气 体，比热容大，可以有效地降低气缸内最高燃烧温度，抑制n o x 的生 成。 2 ) 降低混合气中0 2 的浓度。废气的稀释作用还可以使氧气的相对浓度下 降，从而也能降低n o x 的排放。 3 ) 降低燃烧速度。由于废气中含有大量的氮和二氧化碳等接近惰性的气 体，当这些废气部分回流到进气管后起到了稀释新鲜进气的作用，使燃 烧反应速率减缓。 2 2e g r 率的定义 e g r 排气回流量的大小用e g r 率衡量，目前比较通用的计算e g r 率的公 式有四种，即定义法、c 0 2 浓度法、0 2 浓度法和进气流量比法【7 】【5 1 1 5 2 】。 2 2 1 定义法 麟率= 丽髫篇蒜疆( 2 - 5 ) 公式2 5 是e g r 率最确切的定义，即流量比。这种计算方式具有两个优 点：定义准确、计算简单。最直接的测量方案是在进气管和e g r 管路上加装流 量计。测量出准确的流量后就可得出准确的e g r 率。但该方案存在如下的问 题： 1 ) 由于废气的温度比较高( 高于2 0 0 c ) ，对流量计的耐高温性能要求很 高； 2 ) 目前可提供的小流量测量计比较少； 3 ) 因为e g r 管道内流动的气体具有高温高压和高动态性，且管道直径较 小，要准确地测量其气体流量对试验的要求较高； 7 第二章e g r 系统的一般原理 4 ) 安装空间限制； 5 ) 废气成分对流量计的影响：废气成分有颗粒，并有腐蚀作用。 由于上述问题有的很难解决，有的会对测试设备造成损害，所以，该方案 并不适合本课题的需要。 2 2 2c 0 2 浓度法 麟率= 塑堕鼍器e g r 糕蒜篇豢燮有时排气中的c d ，浓度 、7 公式2 6 的原理为：进排气量相同，由于e g r 的引入引起的c 0 2 浓度之改 变，增加的c 0 2 浓度由e g r 引起，所以浓度差和排气中的c 0 2 浓度的比值可 替代流量比。使用该定义方式进行e g r 率的测量和计算，需要做两组试验，即 分别测量关闭e g r 时的进气c 0 2 浓度和打开e g r 时的c 0 2 浓度。于是，就造 成了该方案的第一个问题：工作量较大，成本较高，测试时间长。 除了试验过程上的困难以外，要进行c 0 2 浓度的测量，还受到如下的影响 因素： 1 ) 测量两组数据，发动机运行两个工况，产生环境因素改变的影响，成 本的提高和工作量的增大。 2 ) 影响c 0 2 的生成因素的影响。比如由于化学反应使c 0 2 浓度产生不可 预料的变化。 3 ) 采样点的气体混合状况对测量产生的影响。 4 ) 由于气门叠开角的存在而产生的排气倒流对迸气管路中c 0 2 浓度的影 响。 对于其测量过程中存在的诸多影响c 0 2 浓度测量的因素，通过以下方法选 择较合理的测点位置，就能有效减少这些因素的干扰： 1 ) 对于工作量大和测试过程复杂的问题，由于试验过程中每一个工况 下，e g r 阀的开度总是从零逐渐开到最大，无e g r 时进气中的c 0 2 浓 度测量包含在试验的必要步骤中间，所以，工作量的问题并不明显； 2 ) 排气管中测点尽量选取靠近e g r 管路引出点的前方，以采集c 0 2 浓度 较为稳定时的数据，减小由于化学反应对c 0 2 浓度的影响； 3 ) 进气管中的测点尽量选择远离进气总管入口的位置，以获得混合较为 充分的e g r 混合气体中的c 0 2 浓度值，降低因混合不充分产生的测量 8 第二章e g r 系统的一般原理 误差： 4 ) 由于有无e g r 时进气管路中排气倒流产生的可能性本身就比较小，尤 其是在配气相位优化工作做的比较好的发动机上，通常不会有影响测 试的排气倒流。并且，由于倒流产生的c 0 2 浓度误差在公式中也因为 相减而互相抵消一部分，其产生的影响在计算过程中已被弱化，因此 这方面的因素不会对试验有所妨碍。 而且，该方案还具有其他方案所不具备的诸多优点：首先，使用c 0 2 浓度 法测量e g r 率，具有表征性能良好，和流量表征的吻合度好的优点。其次， c 0 2 的浓度可以由废气分析仪直接测得，并且直观易算，因此在许多研究e g r 的文献中得到广泛的应用。 图2 1 为此方法的原理示意图。 捧气倒流捧气管内压力变1 采样点的气体混合因化学反应使c 0 2 浓度的时问变化采样点的气体混1 一 、一乏 卜 | ， 7 7 f i l f 、 l 、 ) 蚰 碰f t 邋二 ，：一 一o _一 )、 一一lo 计 计 ： j j、弋 图2 一浓度法测量率原理示意图 9 一 第二章e 讯系统的一般原理 2 2 30 2 浓度法 麟率= 塑号嚣篆笋巡 仁7 ， 公式2 7 的原理为：利用e g r 管路中废气对进气管中的0 2 的稀释作用测量 e g r 率。使用这项方案测量e g r 率，具有两个显著的优点：氧浓度可由传感 器测量，测量方便，数值准确；只需测量一组工况，工作量小，难度低。但 是，由于基本工作原理原因，相对于定义法( 公式2 5 ) ，在测量的过程中不 可避免地将会受到环境干扰因素等的影响。 1 ) 环境因素对0 2 的影响； 2 ) 工况不同或相同工况下，环境不同时，排气中的0 2 浓度也不一致。 所以，这项方案受负荷影响较大，当进排气流量和e g r 管路流量一定时， 负荷变化，废气中的0 2 浓度也变化，所以e g r 率的计算值也在变化，因此在 比较时极为不利。本次试验进行在工况不断改变的状态下，如果没有有效的修 正方法，精确度很难保证。目前市场上也有带处理电路的线性氧传感器，比如 霍尼维尔公司，但是成本较高，一整套装置需要上万元，只有在实现批量化的 前提下才能大幅度降低成本达到实用的要求。 2 2 4 进气流量比法 e g r 3 豁= 塑型锷蔫铵鬻警堂 仁8 ， 公式2 8 其实是定义法( 公式2 - 5 ) 的替代方法，由于无需顾及e g r 管道 内高温脉冲式的气体流量测量，因此测量方法上简单方便许多。基本原理为： 以有无e g r 的流量差表征e g r 管路的流量，以无e g r 时进气流量表征有 e g r 时的整体流量，两者之比即为e g r 率。可以看出，该方案只需要一个空 气流量计就能够进行e g r 率的测量，测量量少，设备少，工作量少就是它所具 有的最大优势。 但是，由于有e g r 时的进气流量受很多因素影响，比如废气的温度、压 力、湿度等。那是因为进气的温度压力变化虽小，但排气的温度变化范围大， 所以如果用测量体积流量的流量计，那必须用排温进行修正，增加测量难度。 废气的温度越高，进入进气管的充量就越大，影响了进气流量，因此，要比较 i 0 第二章e f i r 系统的一般原理 e g r 率的大小，必须在相同的排气温度下。在现有的试验条件下，要控制排气 温度比较困难，在没有有效的排温控制措施的情况下，测量精度相当低。 因此，该方案也不适合本课题的需要。 通过前文中所列举的优缺点，比较之后，鉴于上述c 0 2 浓度法( 公式2 6 ) 的优点，综合试验场地、条件等因素的影响，本次试验将采用它作为e g r 率的定义。在试验阶段，进气中c 0 2 的含量将通过使用c 0 2 传感器来获得，但 由于二氧化碳传感器的成本较高，本次课题中采用另一个排气分析仪来完成此 项任务，从后面试验效果来看，结果可以接受。但是，如果条件许可的话，应 当采用c 0 2 传感器作为进气c 0 2 浓度的测试设备。 2 3 增压发动机e g r 系统的主要类型和解决方案 按照e g r 废气管路的布置，增压发动机的e g r 系统相应有四种布置型 式，见表2 2 。 表2 - 2e g r 布置型式一览表 e g r 型式废气入口废气出口 1 涡轮前压气机前 2 涡轮前 压气机后 3 涡轮后压气机前 4 涡轮后压气机后 在选择具体方案时，本课题选择了型式2 ，即废气在涡轮前引出排气管， 在压气机后引入进气管的方案，见图2 1 。在涡轮前引出的废气压力较高，能 够容易实现废气的循环，同时引入在压气机和中冷器之后，避免了废气对中冷 器的污染，减少了对原机的影响。但同时也带来了一些问题，比如，在部分工 况下排气背压低于进气压力：部分废气未经涡轮增压器，减少了涡轮增压器的 效率；提高了进气温度等。为此，e g r 系统具有较多的解决方法，以下作简单 讨论。 在部分工况下，排气压力低于进气压力，导致e g r 废气进不了进气管。对 此，各国研究人员提出多种方案。方案一，在进排气管装有节流阀的e g r 系 统，a v l 研究所曾进行过该方面的试验研究，在涡轮出口装节流阀，通过节流 提高排气的平均压力，迫使废气流入进气管，但是，这种方案引起的泵气损失 明显增大，a v l 的试验表明燃油消耗率最大增加1 5 9 ( k w 。h ) 。若要在迸气管节 第二章e g r 系统的一般原理 流则增加进气损失，影响发动机的经济性。方案二，对废气进行加压的e g r 系 统，在排气管路中加装一个压缩泵，在高负荷时通过压缩泵提高排气压力，使 之进入进气管，这种方案需要增加一个辅助泵，消耗额外的功率，使用前景不 大。方案三，装有文曲利管的e g r 系统，在进气管中加装文曲利管，利用文曲 利管喉口的局部压降，对废气进行吸引，同时利用文曲利喉口后的扩压端回复 部分进气压降，这种方案能有把泵气损失降低，同时不增加新的部件，具有较 好的应用前景。 嫠 幺 o t , t 1 图2 - 2 本课题采用的e g r 系统 部分废气在涡轮前引出，降低了涡轮增压器的效率。关于这点，由于e g r 系统并不是在所有工况下都运行，在一些对动力性要求较高的工况，采用关闭 e g r 系统的方法可以避免对涡轮增压系统的影响。 在进气管中引入废气，增加了进气温度。适当的提高中冷器的冷却强度将 有助于降低进气的温度，此外，再循环废气量在进气中的比例不高，对整个进 气温度的影响不大。 采用e g r 技术必然会对原机型产生各种影响，除了在结构上进行优化外， 在e g r 系统的控制策略中也将进行考虑，尽可能消除e g r 系统对原机的不利影 响，提高e g r 技术的成熟性和实用性。 第二章e g r 系统的一般原理 2 4e g r 对发动机性能的影响 使用e g r 系统后，对原发动机有较多的影响，长久以来，对于这些影响诸 多内燃机工作者都提出了自己的观点，而主要的观点集中在e g r 系统对工作过 程的影响和对发动机性能的影响方面，在此简要的阐述占有主流的一些观点， 本文的第五章将会根据本次试验结果加以详细说明。 对工作过程的影响主要是指对进气温度t ，着火延迟期c 和缸内燃烧压力p 的影响。e g r 系统增加了进气温度t ，并且随着负荷增加，排气温度随着提 高，将进一步提高进气的温度，这样使得缸内燃烧温度提高，影响发动机的燃 烧过程。e g r 对于着火延迟期t 有二方面：一方面e g r 提高了进气温度和压 力，有利于着火延迟期的缩短：另一方面使混合气中氧含量降低，惰性气体增 多，反而使得着火延迟期有延长。所以，对着火延迟期的影响在不同工况下将 有占主导地位的因素决定。e g r 系统对燃烧最大爆发压力有下降的作用，并 且，由于惰性气体的阻燃作用，使得燃烧速度有所下降，必然会导致压力升高 率下降，这些工作过程的变化最大的好处是改善了柴油机的工作粗暴性，当 然，这是牺牲部分动力性为前提的。 对发动机性能的影响主要指对动力性能( 功率p ) ，经济性能( 燃油消耗 率g c ) 和排放性能( n o x ，h c ，c o 和p m ) 的影响。e g r 的引入会导致功率有 所降低，主要原因是采用e g r 时，缸内废气量增加，空燃比减少，降低了燃料 的正常燃烧速度，使得更多的燃料不能在上止点附近燃烧完毕，随着废气量的 增加，影响更为突出，造成柴油机的功率下降，对功率的影响随着负荷的不同 而有差异，负荷越高，废气对燃烧的阻滞效应越大，功率下降越大。负荷低， 对功率的影响较小。因此，在制定控制策略时，可以采用在小负荷工况大量引 入废气，在大负荷和全负荷工况少引入或者不引入废气的策略。e 删燃油消 耗率的影响在小负荷时影响不大，主要是因为小负荷时，空气量足够，空燃比 改变较小：而在高负荷时，空燃比降低明显，引入的废气抑制了正常燃烧，增 加不完全燃烧的几率，同时，增加烟度。e g r 系统能够大大的减少n o x 的排 放，主要原因在上面章节已经介绍，但是要注意的是在高负荷，e g r 对c o 和 h c 的排放有不利的影响，所以，在改善n o x 排放的同时不能忽略对其他排放的 影响。 第二章e g r 系统的一般原理 2 5 本课题e g r 系统的控制策略 在考虑到e g r 系统的应用过程中，对原发动机的各个方面都会产生影响， 因此，在制定e g r 系统的护制策略时，必须兼顾到各个环节的要求，根据试验 机型k m 3 7 6 z l q 的具体情况和随后的试验情况修正制定如下的控制策略。 涡轮增压柴油机e g r 系统的一般控制规律： 1 ) 冷起动及预热工况：主要考虑温度因素，由于此时发动机温度很低， 虽然存在氧过量，但n o x 的生成量仍然很少，故不进行e g r 2 ) 怠速及低负荷工况：此时柴油机燃烧的仍是稀混合气，气缸中氧含量 仍大大过剩，例如怠速下，此时空燃比约为1 0 0 ：l ，加上气缸温度逐 步提高，n o x 的排放也随之升高，因此这时柴油机允许有e g r ，并且 e g r 量还可以适当加大，其值受限于燃烧稳定性和可能会引起其他排 放物的剧增。 3 ) 中等负荷工况：柴油机此时应当进行e g r ，由于柴油机的过量空气系 数很大，故应该选择较高的e g r 率。 4 ) 高负荷、高速或油门全开工况：同样是基于动力性考虑，柴油机应当 减小e g r 率或停止进行e g r 。 5 ) 加速工况：汽车加速时，会存在较浓的混合气，特别是对废气涡轮增 压柴油机来说更是如此。所以在此过渡工况内，此时不应当进行 e g r 。 6 ) 减速工况：同理，当柴油汽车减速时，混合气变稀，发动机温度仍较 高，故应当进行e g r 。 1 4 * j tm 械执行 第三章机械执行系统 本e g r 系统的主要构成有机械执行系统、控制硬件电路和控制软件三个部 分，第二章机械执行系统主要介绍实现e g r 系统的蝶型阀和相关的流动性 能、第四章控制系统设计介绍相应控制系统软硬件设计方面的内容。 3 1 机械执行系统总体设计 只要能实现废气从排气管路流入进气管路，并且对原机性能改变不太的系 统在原则上都可以称作为成功的e g r 系统，但是，在实际的设计过程中总是 有诸多的设计硬点( h a r dp o i n t ) 来限制设计者的设计方案，如结构布簧要求， 系统流动性能要求和最大e g r 率满足要求等等。因此，本方案的设计原则确定 为：满足功能要求和设计硬点限制，并且结构简单适于扩展。 在设计原则的指导下，结合上一章e g r 系统的选型确定e g r 机械执行 系统的总体布置如图2 2 。之后确定系统的主要部件：进口管路、阀体和出 口管路。他们分别完成废气的引入、控制和引出。 幽3 一l 机械执行机构简幽 算! 章机韫a 行境 在本文的附件i 中给出整个方案的c a d 图纸，依据图纸，加工出帽赢的 e g r 执行机构用于试验研究。圈3 1 为使用三维建模软件c a n a 进行结构设计的 三维简图。 确定了e g r 系统的总体结构后，进入系统的细节设计，在设计过程中，需 要确定具体的设计参数，为了更好的便于进行设计，选用a v l b o o s t 软件进 行虚拟设计。缩短设计周期。 b o o s t 可以仿真绝大多数发动机，包括从2 冲程到4 冲程发动机从摩托车 用单缸小型发动机到船用大型发动机。它能够解执发动机内一维定常流动问 题，运用b o o s t 软件的基本顺序是：设计模型、常规参数输入、元件参数输 入、运行仿真和后处理。 根据b o o s t 使用方法建立系统模型如图3 2 。 幽3 - 2 原机b o o s t 最简模猁 第= 章n 械执n 系 首先建立原机模型，为了更好的与实际状态一致，把模型建成试验状态f 的元件组成模型由进气管、增压器、中冷器、进气总管、气缸、排气管等部 件组成。之斤输入常规参数，这些参数包括常规控制参数、i 时问步长控制，点 火次序、初始值和发动机摩擦损失等。之后输入发动机参数，这些参数主要包 括气缸、空滤器、催化器、空腔和系统边界等。以t 二类参数要结合环境状态 和发动机本身的参数而定，为了提高模型准确性有些参数还需要根据试验结 果来定。在参数输入完毕后，系统就可以运行了。 丧3 - i ：模型图示说明 + 。 管道p i p e s 0 c 系统边界s y s t e m 必j 4卜 b o u n d a r i e s 目c 0 1 空气冷却器a i r 州n 口p l l 容器p l e n u m s m p lj 1m p 2 幽3 - 3e g r 系统模型 2 气缸 c y l i n d e r s 管道接头 j u n c t i o n s 涡轮增压器 t u r b o c h a r g e r s 模型中的基本参数来自于发动机本身的参 数，一些运行参数根据发动机实验数据输入而 米。其中，e g r 系统的模型见左图。管3 、4 为进 气管，管1 6 为e g r 管。节点儿为e g r 引入点， m p l 、m p 2 、m p 3 为三个测点。利用a v l - - b o o s t 软件对系统进行流动性能分析，目标有：保证该 方案能够实现的必要的e g r 率，同时对原机流动性能影响1 i 大，并确定机械部 分设计参数。系统分析的工况选在使用e g r 率最大的工况，即中等转速中小负 荷1 = 况( 3 5 0 0 “m i n ，1 0 1 。 第三章机械执行系统 3 2 主要零部件设计 3 2 1 进口管路设计 e g r 进口管路连接排气管和e g r 阀，保证一定数量的废气能够进入再循 环状态，进口管路的设计相对来说比较简单，主要的设计参数是管径、管长、 进口管路与e g r 管的夹角等。 为保证进口管路与排气管的良好连接，保证排气管的密封性，管路的直径 与排气管相同，直径为3 0 m m 。同时，考虑排气管在增压机前的压力较为稳 定，因此进口管路的引出点在结构布置可能的情况下，尽可能靠近增压器。考 虑引出角度时，我们给出二种比较方案。方案一：引出角度与排气管成9 0 度； 方案二：引出角度与排气方向成4 5 度。 各方案流量比较如图3 4 。 o o 由5 嚣n 兰o 0 3 旦0 0 2 也 器0 0 1 z 0 o 冉1 4 舷 m a s s f l o w 人 m u s e l o wi 蛐r i n g p o i a t3 八n入 |r 、a， 八 7 、“r”； | ， v l ) i j l r ， 、yi w v v ： ： o伯02 7 03 4 5 05 柚嘲7 c r a n k a n g l e d e 0 m a s s f i o w l | f m u 刚= l o w 讯墙叫n i l g 阳3 n r l 、f 弋 i 、i f 。了f ，、 1 1、| i ， f i i f | 7 一| 一l 弧7 1 v ； j |01 ， v 。 1 l ；v i f戎 v o9 0t b 02 7 03 0 04 5 柏瑚7 2 0 c r a n k a n g l e d e g 图3 _ 4 不同引出角度流量比较图 方案一： 引出角度9 0 度 平均流量 - - 0 018 k g s 方案- - ： 引出角度1 3 5 度 平均流量- - - 0 0 2 2 k g s 虽然其对实现最大e g r 率的影响，从理论上看，引出角度与排气方向一致 时，排气容易进入e g r 管道，通过a v l b o o s t 软件的计算，可以发现方案 1 8 第三章机械执行系统 二能够比方案一更容易实现大的e g r 率，但是效果有限，且方案二对结构设计 要求较高，不易满足。事实上，方案一的流量已经能够满足系统要求，为了方 便布置管路，引出角度设计成9 0 度，虽然对实现最大e g r 率有一定的影响， 但是只要调整其他设计参数也可以达到设计要求。 进口管路的长度主要取决于e g r 管的管径和整机布置要求，在 k m 3 7 6 z l q 机型上，确定该参数为8 0 m m 。 至此，进口管路的设计参数已经确定，并且本方案对原机排气性能的不利 影响降低到最小，保证这个机构的运行效率。 3 2 2 阀体设计 阀体是整个e g r 阀的核心部件，它控制整个运行过程中进行废气再循环的 废气量，步进电机控制阀门一般有二种设计方法，直线式阀门与蝶式回转阀 门。其中，直线式的控制阀门见图3 5 ，它的优点在于阀门密封性能较好，但 是结构复杂，制造要求较高，不利于开发阶段的单件实验室制造。而蝶式回转 阀门制造简单，调整方便，虽然在整体性能上不及直线式e g r 阀，但是，作为 试验阶段的开发系统还是能够很好的完成任务。 图3 - 5 直线式步进电机控制e g r 阀 1 9 第三章机械执行系统 选择好阀门的形式之后，下面确定阀门的基本参数。在全开状况下，需要 满足足够的e g r 率，即e g r 流量。 o o 为 0 0 2 虽o 0 1 5 y ￥0 0 1 o uo 加5 星 。 屯5 4 0 1 o 口冉墨 删 兰0 0 3 ； 旦0 0 2 l l 器0 0 1 曩 乏 o o 一1 由佗 o