（动力机械及工程专业论文）利用egr技术降低涡轮增压内燃机排气污染的研究.pdf

中文摘要 随着汽车工业的高速发展，汽车尾气对大气造成的污染越来越严重，特别 是n o x 的危害已引起了各国政府的高度重视。柴油机作为汽车主要的动力源，其 n o x 的排放控制也逐渐成为研究热点。目前，废气再循环( e g r ) 被公认为是可以应 用在发动机上比较有效的净化n o x 排放的技术。 。 本文系统的论述了涡轮增压发动机外部e g r 和内部e g r 技术，对发动机n o x 产 生的机理进行了较为详细的分析，对外部e g r 和内部e g r 降低n o x 排放的原理进行 了较为深入的研究，并且对外部e g r 在涡轮增压柴油机上进行了台架试验，主要 内容包括： ( 1 ) 废气再循环技术是目前降低n 0 x 排放的有效措施，但涡轮增压柴油机在 高负荷时的平均排气压力低于平均进气压力，简单的将e g r 管从排气管接到进气 管，废气再循环难以实现。本文以一台增压柴油机为研究对象设计了一套带有文 曲利管的并联e g r 系统，该系统可以在较小地损失充气效率的情况下，将排气较 为容易的引入到进气管，并与之混合，然后使混合气的静压力在扩压管中得到最 大程度的恢复，本文研究了文曲利管的流动特性，并通过试验找出了为达至l j t i e r 2 排放法规要求的各工况下所需的e g r 率，以及各工况下e g r 率与n o x 、烟度、油耗 的关系。得到了各工况下兼顾满足n o x 、油耗、颗粒排放等指标的e g r 率范围。并 研究了冷却e g r 对n o x 排放的影响。e g r 经过冷却后降低n o x 的效果更加明显，这些 研究成果具有重要的工程应用价值。 ( 2 ) 本文还对通过改变配气凸轮相位和设计新的凸轮型线来实现内部e g r 的 工作进行了研究，即通过减小气门重叠角，设计新的凸轮型线，来减小涡轮增压 发动机的h c 和n o x 排放。 最后，本文还对涡轮增压发动机的内部e g r 进行了研究。 关键词：柴油机n o x 排放e g r 凸轮型线 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fg l o b a la u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h ep o l l u t i o nc a u s e db y a u t o m o b i l ee x h a u s tg a sh a sb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s ，e s p e c i a l l yn o xp o l l u t i o n ， d u r i n gt h e s ey e a r s ，t h eg o v e m m e n tr e c o g n i z e st h ep r o b l e ma n dl e g i s l a t e st ol i m i tt h e e x h a u s te m i s s i o n a st h em a i np o w e rs o u r c eo fv e h i c l e ，t h eq u e s t i o nh o wt op u r i f y n o xe m i s s i o nf o rd i e s e le n g i n eh a sb e c o m eo n eo ft h eh o t s p o t s n o w , t e c h n o l o g yo f e g ri sk n o w na st h ee f f e c t i v em e t h o dt op u n f yn o x e m i s s i o n ，w h i c hi sa v a i l a b l ef o r d i e s e le n g i n e t h ee x t e r n a le g ra n di n t e r n a le g ro ft h et u r b o c h a r g e de n g i n ea r ei n t r o d u c e di n t h i sa r t i c l e t h em e c h a n i s mo fn i t r o g e no x i d e sf o r m a t i o na n dh o wt h ee g rc a n r e d u c et h en o xe m i s s i o na r es t u d i e d , a n dw eh a v ed o n et h et e s te x p e r i m e n t so ft h e e x t e r n a le g ro na t u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e ，t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e s ： ( 1 ) e g ri sa ne f f e c t i v em e t h o dt or e d u c en o x e m i s s i o n b u ta th i g h e rl o a dt h e m e a np r e s s u r eo fe x h a u s tp i p ei sl o w e rt h a nt h a to fi n m k ep i p e ，c o m m o ne g rs y s t e m c a nn o tw o r ke f f e c t i v e l y an e we g rs y s t e mw i t hv e n t u r ip i p eh a sb e e nd e s i g n e d b a s e do nad i e s e le n g i n e ，t h i se g r s y s t e mc a nr e d u c et h ep r e s s u r eo f i n t a k ep i p e ，a n d i ti se a s yt oi n t r o d u c et h ee x h a u s tg a si n t ot h ei n t a k ep i p e ，a n dm a d et h ep r e s s u r eo f m i x t u r eo fi n t a k ea i ra n de g r g a sc o m eb a c kt ot h eo r i g i n a li n l e tp r e s s u r e t h ef l o w c h a r a c t e r i s t i co fv e n t u r ep i p eh a sb e e ni n v e s t i g a t e da n dt h ee g rr a t eh a sb e e nf o u n d o u ta td i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n st os u i tt h et i e r2e m i s s i o nr e g u l a t i o n t h i sp a p e r a l s os h o w st h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e ne g rr a t e a n dn o x ，s m o k ea n df u e l c o n s u m p t i o n t h ee g r r a t er a n g ew h i c hn o xs m o k ea n df u e lc o n s u m p t i o nc a l la l l a c c e p t e dh a sb e e nf o u n do u t t h ee f f e c to f c o o l e de g ri sa l s od e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h er e s u l ts h o w st h a tc o o l e dt h er e c a l c u l a t i n ge x h a u s tg a sc a l lr e d u c et h en o x e m i s s i o nm o r ee f f e c t i v e l y t h i sr e s e a r c hc a nb ea p p l i e dw i d e l y ( 2 ) n e wc a mp r o f i l e sb yc h a n g i n gt h ec a m sp h a s ea n g l ei no r d e rt oa c h i e v et h e i n t e r n a le g ra r es t u d i e d ，a n dw ec a nr e d u c et h ee n g i n e sh ca n dn o xe m i s s i o nb y d e c r e a s i n gt h eo v e r l a pa n g l eo ft h ee n g i n e a tl a s t ，t h ei n t e r n a le g ro fa t u r b o c h a r g e de n g i n ei ss t u d i e d k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，n o xe m i s s i o n ，e g r , c a mp r o f i l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲杨办争期： ) 勋7 l 学位论文版权使用授权书 年多月修日 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 杨办争 签字日期：工叼年月夕日 导师签名彬凭眩 签字日期：2 夕多7 年占月c7 日 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 在各种内燃机中，柴油机以其优良的经济性和动力性，被广泛应用于轻型、 中型、重型汽车、机车、船舶动力、农业机械和国防等国民经济各个领域，随着 柴油机保有量的增加，柴油机排出的大量废气是造成地球环境污染的主要根源之 一，对人们的身体健康造成极大的危害。在世界一些大城市，由于内燃机的尾气 所造成的污染已经到了令人吃惊的程度。美国、欧洲、日本等发达国家，自上世 纪七十年代初开始制定了分阶段不断严格的排放法规。3 0 多年来，内燃机排放 技术得到了突飞猛进的发展n ，羽。以轻型车为例，h c 减少了9 7 ，c o 减少了9 7 ， n o 。和微粒都减少了9 0 以上，从某种角度而言，内燃机排放法规是推动内燃机 技术进步的源动力之一。 我国排放法规的建立与实施都比较晚，基础相对较差，各方面技术和国外相 比有很大的差距。如在排放法规方面，中国落后欧洲将近1 0 年，目前想要实现 从欧i i 到欧i i i 甚至欧i v 的跨越还要面临不少的困难。近几年，随着我国入世 后人们环保意识的增加和环保法的大力加强，废气再循环( e g r ) 技术逐渐受到 了人们的重视，尤其是我国的排放法规进一步严格，废气再循环( e g r ) 迟早会 成为车用内燃机满足排放法规的一项不可或缺的降低n o x 排放的有力技术。因 此，对废气再循环( e g r ) 系统进行设计与研究，使其能够实用化，对降低我国 柴油机的排气污染，满足更加严格的排放法规具有重要的实际应用价值。 对我国而言，随着经济的持续快速发展，汽车的保有量逐年上升。2 0 0 4 年6 月公布的中国汽车产业发展政策提出将重点发展混合动力汽车技术和轿车柴 油发动机技术，尤其国家“十一五规划则明确了我国的汽车产业节能环保的发 展方向，因为柴油轿车与同等排量的汽油车相比，节油效果在2 0 4 0 之间， 降低二氧化碳排放量3 0 , - - - 4 5 。在降低单位g d p 能耗2 0 和绿色g d p 更加严格 的环保要求下，“十一五期间，我国轿车柴油化势在必行，专家预测柴油机的 增长将会高于内燃机行业的整体增长。因此，降低柴油发动机有害物排放的任务 迫在眉睫。 作为柴油机主要排放物之一的n o x 是相对较难控制的，其危害性也令人不容 有丝毫忽视。n o x 主要是指一氧化氮( n 0 ) 和二氧化氮( n o 。) 。一氧化氮是无色 的气体，在空气中，一氧化氮被氧化成二氧化氮。其含量超过1 5 p p r a 时，它会和 第一章绪论 血红蛋白结合，若超过2 0 p p m ，会影响肺功能。二氧化氮呈红褐色，具有强烈的 刺激气味，对肺和心肌等都有很强的损害作用。另外，碳氢化合物与氮氧化物在 阳光的作用下，在波长4 0 0 0 x1 0 。1 0 m 以下的紫外线区，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 等所谓光化学过氧化产物以及各种游离基、 醛、酮等成分，形成毒性很大的浅蓝色烟雾光化学烟雾。在光化学烟雾中， 臭氧是一种极强的氧化剂，在0 1 p p m 浓度时，就有特殊的臭味。p a n 、甲醛、丙 烯醛等产物对人的眼睛和鼻子都有强烈的刺激作用。 鉴于氮氧化合物( n o x ) 的严重危害，各国都制定了相应的排放法规对其排 放进行严格的限制。为保护环境并满足日益严格的排放法规，各国的内燃机工作 者们都做出了大量的努力来降低汽车排放，如三元触媒净化、推迟点火、燃油掺 水和废气再循环等措施。其中，废气再循环( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ) ，简 称e g r ，是大幅度降低整机n o x 排放的有效办法，以其技术改动小，设计自由度 大，受到柴油机科技工作者的普遍关注，也是目前实际应用中较为常用和有效的 措施。 1 2e g r 技术在国内外发展状况 从六十年代开始，美国、日本、西欧等工业化国家对汽车排气中的c o 、h c 和n o x 等有害排放物，以法令的形式规定排放标准，从而直接促进了对低污染车 用发动机和排气净化措施的研究，并由此导致了汽车工业上的一次技术革命。这 表现在设计汽车特别是汽车发动机时，不但要保证良好的经济性能、动力性能和 操纵性能，而且要考虑如何设计和安装排放控制系统，以满足环境保护和排放法 规的要求眨引。国外对e g r 的理论研究始于六十年代，七十年代开始将它大规模投 入实际使用。e g r 技术在国外首先应用于汽油机，最初是纯气动式且不带冷却循 环系统，后来发展了带冷却循环系统的e g r ，其后又与电控技术相结合，转而开 发带开、闭环控制的气电式或电控式e g r 系统。如今e g r 在国外的汽油车上已得到 广泛的应用。从七十年代后期开始，国外就有学者将研究目标转向柴油机e g r 技 术，到目前为止发展非常快，特别是在轻型车用柴油机领域。但其总体应用仍不 如汽油机那样广泛成熟，尤其是对重型增压柴油机来讲，许多问题还有待进一步 研究解决。 总之，国外到目前为止已对e g r 技术进行了较深入的研究，积累了大量的试 验数据，并取得了实用性成果。但由于e g r 给发动机带来的影响比较复杂，牵涉 到较多的因素，另外e g r 本身的精确控制也是一个十分复杂的技术问题，所以国 外目前仍然非常重视完善对e g r 的研究，主要研究方向变为e g r 与发动机各系统 的优化匹配以及如何在精确控制e g r 的前提下，尽量提高e g r 率。简而言之，就 2 第一章绪论 是要在尽可能不牺牲发动机经济性、动力性的情况f ，充分挖掘e g r 降低n o x 排 放的潜力。 在国内，由于我国排放法规尚处于起步阶段，无论是标准的制定和实施，还 是净化技术的研究和应用，与发达国家相比都还存在较大差距，对e g r 的应用研 究也一直未得到足够的重视。近年来，随着我国改革开放，国民经济的快速、稳 定发展，我国的汽车生产量和保有量与日俱增，由此造成的大气污染也日趋严重。 尤其是我国已加入世贸组织，面对国内广阔的汽车潜在市场、环保意识日益增强 的消费者和严格的排放法规，排污过高的国产车将面临严峻的考验。因此各类排 放净化技术包括e g r 也逐渐受到各方面的重视。目前，国内一些高校和科研单位 已经对e g r 作了一些初步的研究，可绝大多数研究还仅仅停留在实验阶段，尚未 取得重大进展，e g r 在我国离实用化、商品化尚有不短的距离。 1 3e g r 的分类 从组分和热力性质来看，不管是从排气管引出的废气，还是缸内的残余废气， 甚至是其它缸内生成的废气，它们都是上一循环的燃烧产物。当它们掺入到下一 循环的新鲜燃空混合气中，都能降低氧浓度和燃烧峰值温度，从而能降低n o x 的 生成量。据此，我们把e g r 分为气缸间e g r 、内部e g r ( i n t e r n a le g r ) 和外部e g r ( e x t e r n a le g r ) 三大类。 1 、气缸间e g r 嘲 这是针对于多缸发动机而言的，通过管路和阀门把多各气缸连接在一起，靠 不同气缸间的相位差和压力使一个气缸内的废气掺入到另一个气缸的新鲜空气 中。 2 、外部e g r 阻r 就是通常所说的e g r ，指利用专门的管道将废气引入进气歧管，使废气与新 鲜空气在进入气缸前充分混合。由于外部e g r 不但可以通过电控系统精确控制 e g r 率，优化内燃机性能，而且可以在外部系统中加装e g r 冷却器，有效降低燃 烧温度，从而在柴油机中应用十分广泛。 3 、内部e g r 这是区别于外部e g r 而言的，实质上是指通过有意减小气门重叠角或是提高 排气背压等方法来增加气缸内的残余废气量。通过改变配气正时，在压缩冲程或 是进气冲程中二次开启和关闭排气门，使废气回流，实现内部直接的e g r 。这种 在某些工况下对于降低h c 的排放也是有利的。但是，内部e g r 难于控制e g r 率， 并且，回流的废气温度很高会使混合气温度升高又促进了n o x 的生成，因此效果 不十分显著。目前，利用内部e g r 的可变气门( v v t ) 技术已产品化，并得到了广 泛的应用。本课题研究之一就是研究内部e g r 方法，设计出相关的配气凸轮。 第一章绪论 1 4e g r 技术与同类相关技术的比较 首先，采用e g r 技术降低n 0 x 的排放效果最为显著，效率最高。试验研究表 明，e g r 在各种负荷条件下都能有效的控制n 0 x 排放。采用热“e g r ”( 即保持高 的再循环排气温度) ，还能同时减少h c 和p m 的排放，并且不会明显增加油耗， 在中低负荷时净化效果更佳。推迟喷油提前角度可使压力升高率下降，最高燃烧 温度下降，降低n 0 x 的排放，但在要求更高喷油压力的同时对发动机材料也提出 了更高的要求，还将增加驱动油泵的功率损失，增加燃油系统的成本，利用推迟 喷油提前角只能有限地降低n 0 x 排放，不能满足更加严格的排放法规的要求( 如 欧1 1 1 或欧标准) 。 其次，e g r 技术对内燃机的改动小，成本低，不需对内燃机的燃烧室和喷油 系统做出重大改动，即便是较复杂的电控e g r ，也不需要增加多少额外的成本。 而采用提高喷油压力和减小喷孔直径的方法，则需对原有喷油系统进行改进升 级，提高了制造成本。 再次，e g r 技术方案灵活多样，可简单，可复杂，可根据实际需要做出最佳 的选择，以达到良好的效果。 最后，e g r 技术在我国有广阔的发展前景。目前在西方发达国家e g r 技术已 被广泛应用，是迄今为止被认为最有效、最实用的降低b i o x 排放的方法。随着我 国排放法规与世界逐渐接轨，对汽车排放污染物的要求进一步严格，我国的发动 机厂家必然要采用e g r 技术，以符合排放标准的要求。因此，研究e g r 技术并使 其实用化成为了当前研究者们普遍关注的问题。 1 5 本课题研究内容和意义 本课题主要是针对涡轮增压柴油机e g r 系统进行研究，包括外部e g r 和内部 e g r ，从理论和试验两方面对涡轮增压柴油机e g r 系统进行分析和研究，研究发 动机在不同工况下引入e g r 系统后对涡轮增压柴油机的影响，研究比较热e g r 和 冷e g r 的工作特性，获取采用冷e g r 系统方案的依据。与热e g r 相比，冷e g r 可提高 柴油机的充气效率n ，增大进气量，使发动机的n o x 和微粒排放都比热e g r 低， 以及在外部e g r 系统中，不同e g r 率对发动机性能和排放的影响，设计优化文 曲利管混合器，选取合适喉口压力降，以将废气引入进气系统。在综合考虑发动 机的动力性、经济性，n o x 及烟度的基础上，确定各工况下最佳的e g r 率。对 于凸轮型线优化设计的研究，利用通过减小原机的气门重叠角，减少缸内的扫气 量来使得一部分废气残留在缸内参与下一循环的燃烧，为此改进设计了配气相 位，优化设计了凸轮型线。 4 第章e g r 工作原理及文曲利管的设计 第二章e g r 工作原理及文曲利管的设计 e g r 降低柴油机n o x 排放的原理是根据n o x 生成的机理来实现的，而对 于涡轮增压柴油机由于增压的作用使得进气压力增加，在高负荷时进气压力更 高，这样使得在高负荷时很难把废气引入到发动机的进气管，所以我们提出了利 用文曲利管来实现将废气引入到进气管，从而实现e g r ，本章主要围绕n o x 的 生成机理和文曲利管的设计这两个方面的内容进行分析。 2 1n o x 的生成机理 氮氧化物是燃烧过程中氮的各种氧化物的总称，它包括n o 、n 0 2 、n 2 0 4 、 n 2 0 、n 2 0 3 和n 2 0 5 等。其中以n o 的量占多数，n 0 2 次之，其余的含量很少。n 0 2 是部分n o 再与氧气反应后生成的。实际测量和计算中一般把n o 按分子量换算到 n 0 2 。 但需要指出的是：n o 的生成并非是按照m + 0 2 = 2 n o 的反应进行的。谢尔 多维奇( z e l d o v i c h ) 的研究指出：在柴油机气缸内的高温、高压和富氧的情况下， n o 的生成按链反应机理进行【5 】，即 q h 2 d ( 2 - 1 ) d + 2 加+ ( 2 2 ) + q h d + o 一 ( 2 3 ) 氮分子的分解比氧分子的分解要困难得多。所以，链的引发反应是氧分子在 高温下分解为氧原子，继而产生直链反应。所以，n o 的生成是由原子状态的o 切断氮分子间的键开始的。 拉伏也( l a v o i e ) 等人研究了谢尔多维奇的反应机理后认为：n o 的反应机 理除按谢尔多维奇的反应机理进行外，还存在下列反应机理【5 】： + o h d + 日 ( 2 _ 4 ) 上述反应式中反应物n ( 氮原子) 均来源于反应式( 2 - 2 ) 中产物中的n 。而反 应式( 2 - 2 ) 的正向反应速度强烈依赖于温度。因此，柴油机燃烧过程中n 0 的生成 率在很大程度上取决于火焰温度。n 0 的生成率可用下式表示陋1 ： 掣：警p ( 鼍婴) 蚶2 【：】。m o l c m 3 s ( 2 - 5 )彳2 下x p ( 丁) 【o z j 一【zj 。 c m 3 s 另外，氧的浓度对n o x 的生成率也有相当大的影响。除此之外，化学反应还 需要时间，氮和氧在高温中滞留的时间是n o x 生成率的又一重要因素。 第一：章e g r - 1 - 作原理及文曲利管的设计 综上所述，高温、富氧以及氧与氮在高温+ 卜滞留的时间是决定柴油机燃烧过 程中n o x 生成率大小的三要素。 从以上对n o x 生成机理的简要分析中可以看出，为了降低发动机n o x 的排放量 可以采取降低燃烧室火焰最高温度，降i 氐n o 生成阶段的0 ：浓度和缩短燃烧气体在 高温下的滞留时间三种方法。显然，这样做的结果将使发动机的热效率下降。因 此，提高发动机的经济性指标与提高发动机的排放指标间存在着矛盾。 由于n o x 主要是在燃烧期间，燃烧区域附近，特别是在高温和富氧的情况下 生成的，因此，控制缸内n o x 的生成需要同时控制两方面的因素，即与局部氧 氮浓度有关的混合及燃烧过程和局部温度及其变化过程。 2 2e g r 降低柴油机n o x 排放的基本原理 废气再循环( e g r ) 技术是降低发动机n o x 排放的最有效的技术，从作用原 理上看，e g r 技术是气体热容原理的具体运用。由于废气中含有大量的c o 小h g 0 等多原子气体，而多原子气体的比热较高，当新鲜空气和废气混合后，热容量也 随之增大。若在燃料燃烧放热量不变的情况下，加热这种经过废气稀释后的气体， 温度每升高一度所需的热量也随之增加，最高燃烧温度也因此可以降低，从而抑 制n o x 的生成条件，与此同时，引入一定压力的废气，还对新鲜空气有一定的稀 释作用，这就意味着它降低了氧的浓度，使燃烧过程变缓。从以上两方面看，使 用废气再循环技术后，既可以使燃烧变缓，又可以使燃烧峰值温度降低，从而可 以降低n o x 的排放。 涡轮增压柴油机e g r 系统的主要难点可以归结为以下几点n 铂： ( 1 ) 在控制方面，机械式具有实现难度大、结构复杂的特点，电控式具有控制成 本高的特点； ( 2 ) 在废气回流保障方面具有压差相反的特点，必须外加气流回流保障系统； ( 3 ) 在废气回流量和排放效果的最佳控制方面需要加冷却器。柴油机需要冷却e g r 废气，否则会对动力性、经济性和排放有负面影响，必须考虑外加冷却装置以及 冷却器的结构、布置、性能的合理性、可靠性和高效性。由于涡轮增压柴油机排 气压力常小于进气压力，从而在大负荷时难以保证足够的e g r 量，同时还必须与 微粒排放保持较好的折中。随着e g r 率的增加，微粒排放随之增加，怎样通过对 e g r 率的最佳调整或采用其它措施相匹配，使各工况的综合性能指标最佳，是柴 油机匹配e g r 系统的一个难点。 2 3 涡轮增压柴油机e g r 系统的分析 对于涡轮增压柴油机，由于排气管内的平均压力相对进气管内的平均压力较 6 第_ 章e g r 工作原理及文曲利管的设计 低，简单的从排气管引出废气直通到进气管，难以达到预期的目标。为使足够的 废气回流到进气管，我们选用了带有文曲利管的e g r 系统，其优点如下： 在增压柴油机上采用e g r 系统会引起微粒排放的上升，而其中很重要的一个 原因就是在采用e g r 系统后，造成了进气中氧浓度的降低。带有文曲利管混合器 的e g r 系统最大的优点就是它对充气效率的影响较小，在喉口处能够实现将废气 引入进气中所需的压力差，并能在扩压段使流体的压力得到较大的恢复这样， 带文曲利管的e g r 系统，不仅可以很方便的在高负荷时实现充足的e g r 率，从而降 低n o x 的排放，并且可以利用其恢复大部分流体压力的特点基本上可以减小对燃 油消耗率的负面影响。所以从满足越来越严格的排放法规的角度考虑，带文曲利 管的e g r 系统与其它为在高工况时实现e g r 而采取的措施比较，是有很大的优越 性的。 2 4 文曲利管的设计 2 4 1 文曲利管的基本工作原理 文曲利管( v e n t r i ) 是一种缩扩型喷管，其基本结构见图2 - 1 。其在结构上 分为收缩喷嘴段、喉口段和扩压段三部分。 ：二型 巨兰兰竺型 图2 - 1 文曲利管简图 众所周知，在亚音速范围内，气体在收缩通道内流动，气体会加速，马赫数 增大，压力、温度和密度都会下降，这一过程为膨胀过程。如果亚音速气流在扩 张形通道内流动，则气流必然会减速，马赫数减少，压力、温度和密度都升高， 这一过程为压缩过程u 鄹。文曲利管就是利用这一机理进行工作的，当进气在收缩 喷管内流动时，进行的是一个膨胀过程，在喉口段会形成一个较低的压力，这样 就能将废气从涡轮前引射入进气管，从而实现废气再循环。此外，进气和废气的 混合在扩压段内流动是一压缩过程，其压力会上升，这样流动压力损失比较小。 对于没有质量添加时的文曲利管，如果将其流动简化成为一维等熵流动，其 截面积变化与气流参数的关系n6 1 如下： 7 第二章e g r 工作原理及文曲利管的设计 尘：一( 土) 掣( 2 - 6 ) 了一两矽了 塑：乓掣( 2 - 7 ) _ _ - 一= _ _ - - _ - _ 一_ _ 一 p l m 。彳 一d p ：生坐 ( 2 8 ) 一= 一一 l ，一 j p l m a 尘：2 氅坐，。( 2 9 ) 一= 一一 l ，一、- p 1 一m 彳 一d m ：一i + y - = 1 m 一2 坐 ( 2 1 。) ml m 2a a 管道截面积，m 2 ；p 压力，p a ；p 密度，k g m 3 ： 卜温度，k ：7 比热比；m 马赫数；1 ，进气流速，m s 从方程( 2 6 ) 可以看出，亚音速流动在收缩喷管内加速，超音速气流在收 缩喷管内减速。但前者加速到音速或后者减速到音速时，无论其后在喷管内的流 动是加速或减速都是与方程2 - 6 相矛盾的，即m = 1 的音速流不能在收缩喷管内 长久维持。在收缩喷管中的流动，无论是亚音速还是超音速，马赫数都连续的增 加或减小到1 ，这是收缩通道中马赫数存在的一个极限。这种现象成为壅塞，这 是收缩喷管的一个流动特性。 考虑质量添加情况时，其流动也可以用以下三个方程描述n 利： ( 1 ) 能量守恒定律 一甜= ( 1 + 材) 之 ( 2 1 1 ) 式中 i ，在文曲利管前流体的焓，耵堙； 不被引射入流体的焓，材培； 在文曲利管之后混合流体的焓，材堙； “= q g ，引射系数，即被引射入流体的质量流量与工作 流体的质量流量之比。 ( 2 ) 质量守恒定律 g c = q + q ( 2 1 2 ) 式中g 户工作流体的质量流量，姆s ； g 0 被引射入流体的质量流量，堙s ； e 混合流体的质量流量，姆s ； ( 3 ) 动量定理 q + g m w 脚一( q + q ) 心= 硝+ 阿一魄厶+ 砌厶) ( 2 1 3 ) 式中 w 酣在喉口段入口截面上工作流体的速度，m s ； 在喉口段入口截面上引射流体的速度， m s ； 8 第：二章e g rt 作原理及文曲利管的设计 m 在喉口段出u 截面1 - 混合流体的速度，m s ； p 。，在喉口段入口截面上工作流体的静压力，p a ； p 册在喉口段入口截面上引射流体的静压力，p a ； 阢在喉1 = i 段出口截面上混合流体的静压力，p a ； 厶进入喉口段时工作流体的截面积，m 2 ； 厶进入喉口段时引射流体的截面积，m 2 ； f 在喉口段入口处混合流体的截面积，m 2 ； 疋在喉口段出口处混合流体的截面积，m 2 ； l “彬在收缩喷嘴段的出r 2 截面或任意形状混合室的入口截面和任 奶 意形状混合室的出口截面之间作用于喉口段壁面上力的冲量的积分。 2 4 2 文曲利管e g r 系统的设计原则 文曲利管是e g r 系统中的关键部件，其应满足如下三个标准： ( 1 ) 在喉口段应能够产生足够的压力降，从而能够将废气从排气管引射到进气 管，实现废气再循环，并在高负荷时确保足够的e g r 率。 ( 2 ) 能够实现废气与新鲜空气的均匀混合，这样有助于提高e g r 在降低排放方面 的效果。 ( 3 ) 经过文曲利管的压力损失应尽可能的小。 设计文曲利管需充分考虑到以上三个方面，同时还需结合发动机台架匹配试 验，这样才能设计出最佳的文曲利管，文曲利管收缩喷嘴段、喉口段、扩压段三 部分的设计原则如下： a 收缩喷嘴段 收缩喷嘴段的流通面积是渐缩的，流体在其中的流动过程中速度加快而压力 降低。在收缩喷嘴段入口面积一定的条件下，收缩喷嘴段出口面积越小，该处的 速度越高，而压力越小，但其出口处的速度最高只能达到音速，故其出口的面积 不能太小，否则会出现壅塞现象。 大量的试验证明1 ，对于收缩喷嘴段的收缩角q ，在1 0 。 q 4 0 。时，直母 线的总阻力系数有最小值。一般来说，当q 太大时，在收敛段向直线段过渡的过 程中，流体会从壁面分离，从而引起流阻的增加。而当q 太小时，在收缩喷嘴进、 出口面积不变的情况下收缩段的长度会增加，从而引起收缩段摩擦阻力的增加。 所以这里有一个最佳的角度与最小的流阻对应。最重要的是防止流体在由收敛段 向直线段过渡时发生脱流。 将收缩管做成曲面可以减小其流动损失，并且收缩喷嘴段的长度也可以大大 减小，鉴于此，本次设计方案采用了曲面型的收缩喷嘴段文曲利管。 9 第：章e g r 丁作原理及文曲利管的设计 b 喉u 段 这一段的主要功用就是利用喉i - 1 段较低的压力，将引射流体吸入，并使流体 均匀混合，形成均匀的速度场。有关研究表明n 引，流体在速度场均匀的条件下进 入扩压段时，才能以最小的损失进行动能转换为势能的过程。 喉口段的基本结构是一个t 型接头，此段的主要损失有：( 1 ) 不同速度的两 股紊流混合损失；( 2 ) 当流体从旁侧支流流向总管时，在支管出口处的转弯损失。 c 扩压段 扩压段的横截面积是渐扩的，流体在其中的动能转化为压力势能。随着横截 面积的增加，流体的平均流速下降，而压力恢复。对于扩压段，如果流体在扩散 过程中与壁面产生了分离，则流体的流阻会大大增加，这是应该尽量避免的。 大量的试验表明1 ，扩压角的范围为1 1 。- 1 8 。 从设计角度上看，扩压器主要是使流体的压力得到最大程度的恢复，但是它 也受实际安装尺寸的限制。 综上所述，文曲利管的基本设计原则是：在其喉口段应该产生足够的压力差 并能实现气体的均匀混合，同时气体在流过文曲利管时的压力损失尽可能的小。 在设计的同时也应兼顾实际安装尺寸的限制。 2 4 3 文取利管的设计 文曲利管的两个关键参数是喉口面积和扩压段锥角。喉口面积的大小决定了 文曲利管的引射能力j 妇，在文曲利管收缩段喷嘴入口面积不变的条件下，喉口 面积越小，其引射能力越强。但如果喉口面积太小，会发生壅塞现象n 1 1 。扩压段 的锥角大小直接影响到混合后气体压力的恢复情况。此角太大时会使其内在流动 与壁面发生分离现象，太小可能受到实际安装空间的限制。 在发动机的运转过程中，进气管的流动是非定常的，其压力随着进气门的开 启和关闭不断变化。如果按不定常情况计算，将使计算变得非常复杂，考虑到本 次试验的实际情况，我们将其简化成定常流的情况。计算所需的气体动力学公式 n 钔如下： ( 1 ) 理想气体的状态方程p = p r t 式中：卜进气压力，p a ；p 进气密度；k g m 3 ： r _ 气体常数，j ( k g k ) ：t 进气绝对温度，k 。 ( 2 ) 连续流量方程旷p a v 式中：l l r 一进气流量，k g s ：p 进气密度；k g r a 3 ： a 管道面积，m 3 ；v 一进气流速，m s 。 ( 3 ) 完全气体的音速公式 a = & r r 1 0 第二章e g r _ t 作原理及文曲利管的设计 式中：口当地音速，m s ；y 比热比； l 卜气体常数，j ( k g k ) ：卜进气绝对温度，k 。 ( 4 ) 流体的马赫数计算公式m = 二 口 式中：m 马赫数；v 进气流速，m s ；口当地音速，m s 。 因为在全负荷工况下一般使进入气缸内的废气量减少，也就是全负荷工况时 e g r 率很小，在设计时选择了1 8 0 0 r m i n ，3 0 0n m ( 7 5 负荷) 为参考工况。 选择这一工况点是基于以下考虑：在更高负荷时能够实现较小的e g r 率，满足发 动机高负荷下的动力性，在较低负荷时实现较高的e g r 率，这样兼顾了高低负荷 的工况。该参考工况的设计原则为：在简化其流动为定常流的情况下，当发动机 在参考工况运行，在旁通阀全闭时，文曲利管内的流动在喉口处刚好发生壅塞现 象。这样既可以在低负荷时实现较高的e g r 率，如果在更高的工况下发生了壅塞 现象，也可以利用其旁通阀的旁通功能，旁通一部分气体。这样也就充分发挥了 这一并联系统的优点。 文曲利管进口的截面直径应等于进气管的直径，西= 破= 5 0 m m 。进气管 改装前1 8 0 0 r m i n ，3 0 0n m 工况点的试验数据如下：中冷后压力为1 2 4 k p a ， 中冷后温度为4 3 、进气流量为0 1 1 8 k g s ，涡前排压力为1 0 4 k p a ，文曲利管 进口处气体参数取中冷后气体参数，可以得到： 进气密度 p=念=坠筹=25蝴纠2873 册3 ； ，) = 二= 一= z ，i 心1 肛埘! r z0 4 1 3 。 进气流速 m = 者= 乏菇石五0 万1 t 1 8 丽= 2 3 9 9 7 。1 所s ； 当地音速 q = y r 五= 1 4 2 8 7 0 4 x 3 1 3 = 3 5 4 6 5 6 0 7 m s ； 马赫数 m , - - 导= 罴- o 0 6 7 6 6 。 根据马赫数查气体动力函数表，并采用线性插值法，可得： 4 4 = 8 5 8 2 2 3 ： 式中丘临界截面面积，下脚注号宰代表临界状态参数。 p t p o = 0 9 9 6 8 3 。 式中 p o 滞止压力，下脚注号0 代表滞止状态参数。 式中 局、五、4 分别代表进气管中气体的压力、温度和进气管截面积。 文曲利管的喉e l 截面压力的设计值应参考涡前排压值。为使废气能顺利引射 入进气管，喉口部分的进气压力必须低于废气压力，即两者之间存在压差。从经 验角度来看，取3 k p a 的压差是较为合适的，于是取喉口设计压力值为1 0 1k p a 。 即 只= i o i k p a = 1 0 1 1 0 5 p a 第：章e g r 工作原理及文曲利管的设计 于是旦：! ：! 兰兰塑；一! ：q ! 兰! 骘：1 11 3 8 6 ； 防1 0 1 x 1 0 + 1 0 1 x 1 0 则旦：堕盈：0 9 9 6 8 3 ：0 8 9 4 9 3 ； 风a p , 1 1 1 3 8 6 根据旦值查气体动力函数表，并采用线性插值法，可得： 风 垒：1 5 8 5 6 6 a 于是鱼：鱼丝：1 5 8 5 6 6 ：0 1 8 4 7 6 ： 44 丘8 5 8 2 2 3 则4 = 0 1 8 4 7 6 x4 = 0 1 8 4 7 6 3 1 4 西2 = 0 0 0 0 3 6 2 8 m 2 ； 故 4 = 去= 、1 0 0 梢0 0 3 6 2 8 = o 0 2 埒聊 p l 、4 分别代表进气管中气体的压力和进气管截面积。 玖、4 分别代表排气管中气体的压力和排气管截面积。 刃、4 分别代表文曲利管喉口处气体的压力和喉e l 处文曲利管截面积。 通过上述的计算可得，设计的文曲利管的喉口面积为3 6 2 8 x l 旷加2 ，即直径 为2 1 5 c m 。 在确定喉口面积后，就可以根据经验公式来确定文曲利管的收缩喷嘴段、混 合室和扩压段的几何尺寸，同时还要兼顾到原有的试验台架的实际安装空间，其 总长度必须具备安装的可行性。 a 喉口尺寸的确定 喉1 5 1 直径确定后按照文曲利管的设计方法设计收缩喷嘴段哺1 ，如图2 - 2 所示： e g r 气体 图2 - 2 文曲利管混合器设计参数 1 2 第一：章e g r _ - 1 2 作原理及文曲利管的设计 b 混合段尺寸的确定 混合段长度尺寸的确定：根据喉口直经和发动机实际安装空间，并且还要考 虑到废气引入到喉u 后尽量使混合气均匀等各方面因素，我们取收缩喷嘴段、混 合段的总长度为厶= 1 0 5 r a m 。 c 扩压段尺寸的确定 扩压角的大小影响着文曲利管的扩压性能和管内流动的状态。一般的扩压角 范围在1 1 。一1 8 。之间1 ，在此我们取扩压角为1 4 度，故扩压段的长度为： l ：生：! 里二三! ：! ：1 1 6 5 m m 42 t 9 7 0 本次试验文曲利管的总长度为l = 厶+ 厶= 1 0 5 + 1 1 6 5 = 2 2 1 5 r a m 文曲利管的整个设计过程中没有考虑质量添加对文曲利管流动的影响，即此 时e g r 率为零。而对于有质量添加的情况，r p e g r 率不为零时，截面积变化与气流 参数的关系势必会改变，在扩压段进行的是多组分流体的动量、能量交换同时进 行的复杂过程。目前这方面的研究比较少，现有的一些计算模型是假设引射流体 与工作介质有相同的分子量、比热和滞止焓n 刀，所以不能完全应用到废气再循环 的情况。做这样一个简化能满足试验所需的精度，故本文针对本试验进行的文曲 利管尺寸的设计采用了这一原则。 2 5 本章小结 本章主要介绍了文曲利管的基本工作原理，及其工作时的气动理论知识，并 且阐述了文曲利管e g r 系统的基本设计原则和本次试验所用的文曲利管e g r 系 统的设计思想和具体设计过程。总之，在台架的实际安装尺寸限制下，一个较佳 的文曲利管在其喉口部分应产生足够的压降，并能实现气体的均匀混合，同时气 体在流过文曲利管时的压力损失应尽可能的小。 在设计过程中，对发动机进气管内的流动做了相应的简化，文曲利管的实际 效果还要通过试验来验证。 1 3 第三章并联文曲利管e g r 系统