（农业机械化工程专业论文）汽车发动机egr冷却控制系统的研究.pdf

关于学位论文原刽性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研 究所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要 贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本 人承担。 本人完全j 周午山不职业八子饲犬床田r h ，1 2 r ) - c j 千，阻p 匕义口_ 舢 定j 同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质 本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东农业大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定。 文作者签名： 师签名： j 期： 缸密 盛氏 丝幽绸w 国 山东农业大学硕士学位论文 捅要 伴随着经济的发展，我国的汽车数量不断增加，而车用内燃机排放物 中含有多种有害气体，这己经成为城市大气污染的主要来源。尤其是排气 中氮的氧化物( n o 。) ，对人体的伤害极大，所以降低汽车的尾气排放已 成为各国研究的热点。 本课题基于我国当前汽车排放技术相对落后的现状，针对我国现阶段 汽车发动机冷却废气再循环饵g r ) 应用较少的问题，研制开发出一种能根 据发动机不同工况调节e g r 冷却温度的外部冷却e g r 系统，以实现冷却 e g r 的智能控制和精确控制，减少汽车尾气中n o 。的含量，满足国家的 排放法规，减少汽车尾对环境的污染。 论文首先论述了降低发动机排放的冷却废气再循环( e g r ) 技术。它 是公认的减少汽车n o 。排放的简洁、有效的措施，已被许多汽车、发动 机生产厂家所采纳。近年来被人们青睐的冷却e g r 技术已经成为满足欧 i i i 、欧标准不可缺少的技术。由于发动机在不同的工况下既能有较好的 动力性又能有较好的排放所要求的e g r 温度不同，所以有必要对实际运 行时的e g r 温度进行控制，以满足发动机不同工况的要求，使其在动力 性、n o 。和其它有害气体的排放上达到最佳的综合效果。 论文通过具体的理论分析，主要设计了e g r 冷却系控制系统。对e g r 废气的冷却使用单独的冷却器，该试验使用比热较大的水作为冷却介质。 冷却水取自发动机原冷却系，水经过气液冷却器带走热量，再由发动 机冷却风扇散热。设计的冷却器是管壳式，水泵采用直流伺服电动机带动 的离心式水泵。e g r 冷却系统由电控单元e c u 根据传感器的信号控制 e g r 冷却水泵的转速，从而改变冷却水循环量，实现e g r 温度的自动控 制，使e g r 降低n o 。排放的效果和自动化程度得到了提高。 经初步试验，找出了在4 9 2 q 汽油机不同转速下，e g r 冷却温度与降 低发动机排放的部分规律，试验证明冷却e g r 在部分负荷时对降低发动 机n o 。的排放有明显效果。 论文最后在选择了控制系统的核心部件单片机及各种传感器的 基础上，进行了控制部分硬件和软件的设计。 关键词：内燃机；废气再循环：n o ，；冷却；控制系统 汽车发动机e g r 冷却控制系统的研究 s t u d y o i lc o n t r o ls y s t e mf o rc o o l i n gs y s t e mo f e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o no nc a re n g i n e a b s t r a c t d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m yt h en u m b e ro fc a l i no u rc h i n ai s s o a r i n g t h e r ea r es e v e r a lh a r m f u lg a si ne x h a u s tg a sf r o mi n t e m a lc o m b u s t i o n e n g i n ew h i c hw a st h em a i n s o u r c eo fa i rp o l l u t i o n a n dn o xi sm o r eh a r m f u l t oo u rb o d y t h e r e f o r ei th a sb e c o m ea l li m p o r t a n ts t u d yt oc o n t r o lt h ee x h a u s t i ne v e r yc o u n t r y t h ep r o j e c tb a s e do i lt h ep r e s e n tl e v e lo f t e c h n o l o g yt oc o n t r o le x h a u s to f c a r , a n dt h es h o r t a g ea p p l i c a t i o nf o rc o o le g ri no u rc o u n t r y , a i m e dt o r e s e a r c hak i n do fc o o le g rs y s t e mw h i c hc o u l da d j u s te g rt e m p e r a t u r e a u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n g t od i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n so fi n t e m a lc o m b u s t i o n e n g i n e s ot h ei n t e l l i g e n tc o o le g r w o u l db er e a l i z e dt od e c r e a s en o xf r o m c a l , w h i c hc a r ls a t i s f yt h er o u lo f l o we m i s s i o ni no u rc o u n t r y t h ec o o le g rt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e di n t h i st h e s i s i t san e a ta n d e f f i c i e n c ym e a s u r e m e n tt od e c r e a s en o xf r o mc a r , a n di su s e db ym a n yc a r a n di n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ec o m p a n i e s t h ec o o le g rt e c h n o l o g yh a s b e e no n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g yf o rs a t i s f i n gs t a n d a r de u r o p e l l i a n de u r o p e l v b e c a u s et h et e m p e r a t u r eo f e g ri sd i f f e r e n ta tv a r i o u sw o r k i n g c o n d i t i o n so ft h ee n g i n e ，i ti sn e c e s s a r yt oc o n t r o le g rt e m p e r a t u r eo n d i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o no fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n et om a k eab e t t e r r e s u l ta b o u tg o o dd r i v eo fe n g i n ea n ds h o r th a r m f u lg a s t h ew h o l ec o n s t r u c t i o nm a dc o o l e ro ft h ec o o l i n gs y s t e mo fe g ri s c h i e f l yd e s i g n e do nt h eb a s eo ft h e o r ya n a l y s e s t h ec o o l i n gl i q u i di sw a t e r w h o s es p e c i f i ch e a ti sb i g h e a ti st a k e no u tb yc o o l i n gw a t e rw h i c hc o m e s f r o mc o o l i n gs y s t e mo fe n g i n ea c r o s sg a s l i q u i dc o o l e r , t h e nd i s s i p a t e db y c o o l i n gf a no fe n g i n e t h ec o o l e rd e s i g n e di sap i p e s h e l lt y p ec o o l e ra n dt h e w a t e rp u m pd r i v e nb yd i r e c tc u r r e n ts e r v om o t o ri sa na w a yc e n t e rt y p ep u m p 2 山东农业大学硕士学位论文 e c uc a l lc o n t r o lt h er o t es p e e do f w a t e rp u m pa c c o r d i n gt os i g n a l st a k e nf r o m s e n s o r st oc h a n g et h ew a t e rc i r c u l a t i o nt ov a r ye g r t e m p e r a t u r ea u t o m a t i c a l l y , s ot h a tt h ea u t o m a t i z a t i o ne x t e n to f c o n t r o lt od e c r e a sn 0 xi si m p r o v e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne g r t e m p e r a t u r ea n dd e c r e a s i n ge x h a u s tg a so f i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n eo n4 9 2 qt y p eg a s o l i n ee n g i n eh a sb e e nf o u n d b a s e do np r i m a r ye x p e r i m e n t s t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c to fc o o l e g ri sd i s t i n c tf o rd e c r e a s i n ge x h a u s tg a sa tp a r tl o a do fe n g i n e l a s t l yt h e c e n t e rp a r t m i c r oc o n t r o l l e ra n ds e n s o r so fc o n t r o ls y s t e mi ss e l e c t e d a n dt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e s i g n e dt o o k e y w o r d s ：i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ；e g r ；n o x ；c o o l ；c o n t r o ls y s t e m 3 汽车发动机e g r 冷却控制系统的研究 1 引言 1 1 课题背景 1 1 1 汽车主要排放物和各国排放法规的发布与实施 近年来我国汽车保有量不断增加，虽然人均汽车保有量不算大，但是 基数高，而且每年还在以1 7 的速度增长，汽车排放出大量尾气，这些排 放物流动性大，数量多，集中在居民稠密区，而且是低空排放，对人体的 危害非常大。由此造成的环境污染也日益严重，汽车排放污染物已经成为 城市大气污染的主要来源。有资料表明，国内一些大城市的汽车排放污染 物对多项大气污染的指标贡献率已经超过6 0 i lj ，直接危害城市居民的身 体健康。控制机动车有害物的排放问题己刻不容缓。 汽车使用的发动机主要是内燃机，内燃机排气中主要有害物质包括： 一氧化碳( c o ) 、未燃碳氢化合物( h c ) 、醛类化合物、氮氧化物( n o x ) 及微粒物( p m ) 等多种有害成分。空气中c o 的含量超过o 1 ，就会导 致人体中毒：微粒吸入人的肺叶会造成肺组织的摩擦损伤，微粒碳核上吸 收的其它有毒物质也会对人体造成伤害【2 j 。氮氧化物包括n o 、n 0 2 、n 2 0 3 、 n 2 0 5 等，总称n o 。，在内燃机中主要是n o ，约占9 5 ，其次是n 0 2 ，占 5 。n o 是无色气体，它与血色素结合能力相当强，为c o 的1 0 0 0 倍， 为氧的3 0 万倍。n o 与血色素结合成n o 血色素，呈暗褐色，无释放氧 气能力。而且n o 容易在空气中被氧化成n 0 2 ，n 0 2 是一种棕红色强烈刺 激性的有毒气体，当含量超过1 5 p p m ( 1 0 。) 时，与血红蛋白结合，超过 2 0 p p m ( 1 0 - 6 ) 影响心肺功能。h c 和n o 。在强烈的阳光照射下会引起光 化学反应生成臭氧( 0 1 ) 和过氧基硝酸盐( p a n ) ，形成毒性很强的光化 学烟雾，刺激眼睛和喉咙。所以n o 。对人类的危害极大【3 】1 4 j 。 为了有效地控制汽车排放，减少汽车尾气排放所造成的危害，世界许 多国家和地区都先后制定了限制汽车废气排放的限量值，从6 0 年代开始， 美国、日本、西欧等工业化国家对汽车排气的有害排放物以法令的形式规 定了排放标准，并逐渐形成三个排放法规体系，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。 山东农业大学硕士学位论文 1 1 美国体系 美国是排放法规最严格的国家之一，美国加州的排放法规是世界上最 严格的，加洲法规要提前美国联邦1 2 年。1 9 6 0 年美国加利福尼亚十i , i 政 府正式立法，控制汽车排气污染物；1 9 6 3 年颁布限制汽车排放的强制性 法规；1 9 6 6 年执行工况法排放法规；1 9 7 0 年开始控制轿车燃油蒸发物排 放。1 9 7 0 年美国联邦政府也通过了环境保护法案，严格了汽车排放c o 及 h c 的标准，1 9 7 3 年又对n o 。提出了限制标准。 2 0 世纪9 0 年代初，美国；g m , i 、政府根据自己的环保目标制订了一套更 为严格的车辆排放标准低排放车辆法规，美国联邦从1 9 9 4 年逐步实 施汽车排放的控制法规( 不包括重型车) u st i e r l ，2 0 0 1 年起在联邦范围 内实施n l e v ，2 0 0 4 年起实施u st i e r 2 排放。 2 ) 欧洲体系 欧洲经济委员会( e c o n o m i cc o m i s s i o nf o re u r o p e ) 于1 9 7 0 年颁布实施 了第一项排放法规，控制轻型汽油车排气污染物和曲轴箱污染物排放， 1 9 7 5 年前规定只限制c o 和h c 排放量，1 9 7 6 年起，增加了对n o 。的限 值，从1 9 7 5 年开始实施整套e c e l 5 法规。2 0 世纪9 0 年代初欧洲颁布了 轻型车排放标准及第一阶段重型车排放标准( 简称欧i 标准) ，2 0 世纪9 0 年代中期实施了加严的轻型车排放标准及第二阶段重型车排放标准( 简称 欧i i 标准) 。在2 0 0 0 年开始实施欧洲i 号标准，欧和欧v 标准分别在 2 0 0 5 年和未来的2 0 0 8 年实行。欧洲的汽车排放法规一直较美国和日本宽 松，是一项大多数国家和地区执行的参照标准。 3 ) 日本体系 日本汽车排放法规限值有最高值和平均值两种，每一辆车的排放量不 得超过最高值，而一个季度测得的各辆车的平均值不得超过法规规定的平 均值限制。日本排放法规是强制执行的，对新开发车型以型式认证方式进 行控制。型式认证分为型式认定和型式认可两种，通过型式认定的车辆， 在出售时每辆车有汽车厂出具的认定证书，车辆注册时不用检测；通过型 式认可的车辆，车辆注册时还要进行简单的检测。日本还建立了汽车排气 污染物控制装置的型式认定制度，这在别的国家是没有的胪j 【6 j i j 。 我国汽车排放法规的建立与实施起步较晚，从1 9 8 1 年前后开始研究 汽车发动机e g r 冷却控制系统的研究 制定汽车整车排放标准，1 9 8 3 年发布了汽车排放标准g b3 8 4 2 3 8 4 7 8 3 ， 并于1 9 8 4 年4 月1 日实旋。此标准仅规定了装汽油机的整车c o 和h c 及柴油机烟度的限值。1 9 8 9 年发布并实施了轻型汽车排气排放污染物限 值标准g b1 1 6 4 1 8 9 ；1 9 9 3 年发布了轻型汽车排气排放污染物限值及测试 方法等七项标准g b1 4 7 6 1 i 1 4 7 6 1 7 ，于i 9 9 4 年5 月1 日实施：1 9 9 9 年3 月发布了轻型汽车排气排放污染物限值标准g b1 4 7 6 1 1 9 9 9 ；1 9 9 9 年我国还发布了g b l 7 6 9 1 1 9 9 9 压燃式发动机和装有压燃式发动机的车 辆排放污染物限值及测试方法的国家标准，对柴油机的排放也做了规定。 然而我国2 0 0 1 年1 月1 日起实施的g b l 4 7 6 1 1 9 9 9 系列标准仍然没有关 于在车辆n o ；的控制限值i ”，2 0 0 1 年7 月1 日起实施的g b l 8 2 8 5 - - 2 0 0 0 排放标准在关于“车辆加速模拟工况( a s m ) 试验排气污染物限值”方 面第一次写入了对“n o 。”的控制限值1 8 j 。 我国的排放法规以欧洲汽车法规体系为蓝本，环保、汽车、交通部门 联合发布的汽车排放控制技术政策中已明确规定2 0 0 0 年采用欧i 排 放法规，自2 0 0 4 年9 月1 日执行欧i i 排放标准，2 0 0 7 年1 月1 日执行欧 排放标准，2 0 1 0 年1 月1 日执行欧排放标准，2 0 1 2 年1 月1 日执行 欧v 排放标准。 我国颁布的法规中，轻型汽车的排放标准g b l 8 3 5 2 1 2 0 0 l 的排放限 值和测试方法相当于欧洲2 0 世纪9 0 年代初实施的轻型汽车欧一i 标准， g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 l 相当于欧洲2 0 世纪9 0 年代中实旌的轻型汽车欧一i i 标 准，都规定了对n o 。的控制限值。北京市已于1 9 9 9 年1 月，早于国家标 准5 年半率先在国内提前实施了相当于欧i i 的地方排放法规。2 0 0 5 年1 2 月3 0 日起北京市对除轻型柴油车以外的轻型汽油车、轻型燃气汽车、重 型柴油发动机和重型燃气发动机实施国家第三阶段排放标准( 国i i i 标准， 相当于欧i 标准) 。但总体上分析，我国汽车排放标准的实施滞后于欧洲 5 8 年f 9 】f 10 1 。 1 1 2n o ，的生成机理 车辆发动机排出的n o 。主要是n o 和n 0 2 ，n o 占多数。在较低的温 度下，n 2 和0 2 反应生成n o ，反应式如下： ，+ o ，= 2 n o 6 山东农业大学硕士学位论文 高温时生成n o 的泽尔多维奇链反应为： k l n ，+ o n o + n i 1 女2 n 七o 、锖n o 七o 女2 n + o h n o + h 式中k 1 、女- l 、如、如分别为两个主要反应式的正逆反应的速度常数 1 1 】， 其值如表1 1 ： 表1 1 反应速度常数 t a b l e1 - it h ec o n s t a n to f r e a c t i v i t ys p e e d 速度常数 单位( c m 3 g m 0 1 ) k l 7 x1 0 ”e x p ( 7 5 5 0 0 r t ) 盘l 1 5 5 x 1 0 1 3 岛 1 3 3 x 1 0 9 t e x p ( - 7 0 8 0 r t ) 如 3 2 x 1 0 9 t - e x p ( 一3 9 1 0 0 r t ) t 为绝对盘厦- r = i 9 9 6 c a l gm o lk 当n o 被排放到大气中后被缓慢氧化成有害的n 0 2 气体。而第一个反 应式中的o 是在高温下由0 2 分解而成的，经分析得知： 1 ) 燃烧时产生的高温； 2 ) 高温持续时间： 3 ) 燃烧时0 2 的含量； 是生成n o 。的三个要素，而且缺一不可。所以只要控制这三个因素， 就能控制n 0 2 的生成。 1 1 3 降低n o 。排放的主要措施和废气再循环的工作原理 1 ) 降低汽油机n o 。排放的主要措旋 在汽油机的所有排放物中，n o 。最难降低i 常用的方法有喷水，乳化 油，稀燃，推迟点火，废气再循环等。喷水对降低n o 。效果明显，但对 机件的腐蚀作用太大：乳化油对燃烧要求较高，采用较少；推迟点火方式 将造成功率损失，油耗增加；稀燃是发动机在高于理论混合比的条件下工 作，由于燃烧温度降低抑制了n o ，的生成，但是混合气过于稀薄将造成 循环变动增加；分层燃烧实现稀燃的潜力超过均质燃烧，但是过度分层存 汽车发动机e g r 冷却控制系统的研究 在的浓混合区仍是n o 。的主要来源。均匀充量压缩燃烧( h c c i ) 是近年 来的研究热点，在保持高效率的同时降低了碳烟和n o 。的排放，目前存 在的主要问题在于着火时刻和燃烧速度的有效控制【i 2 1 。 另外还可以采用汽油机排气后处理技术。目前催化净化装置有氧化催 化反应装置和三元催化反应装置。氧化催化反应装置仅依靠氧化反应降低 有害成分一氧化碳( c o ) 和碳氢化合物( h c ) ，柴油机和汽油机都适用。三 元催化反应装置则氧化与还原反应同时进行，能使一氧化碳，碳氢化合物 和氮氧化物三种有害成分同时得到净化处理，它要求发动机的空燃比精确 地控制在理论空燃比附近的最佳范围内，以保证同时对三种有害成分高效 率净化，因此，三元催化反应装置一般与燃油电子喷射发动机一起使用， 而且一般不用于柴油机，只用于汽油机。 废气再循环( e g r ) 技术对降低n o 。的效果明显，效率高，在所有 负荷条件下都可以降低n o 。排放。另外，采用e g r 后缸内的最高燃烧温 度下降，有效降低了爆燃倾向，因此e g r 与提高压缩比相结合可以同时 改善热效率和排放。e g r 技术对发动机的改动小，成本低，即使是采用 较为复杂的电控e g r ，许多元件也可以和发动机电控系统共用或整合， 因此作为一项降低n o x 的有效措施得到了广泛的关注。 2 ) 废气再循环( e g r e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ) 的工作原理 废气再循环技术是引出一部分排出的废气通过进气管与新鲜空气混 合后再度进入气缸参与燃烧，减少n o 。的生成。基本流路如图1 1 所示。 e g r 流路 图i - 1e g r 流路图 f i g1 - 1f l o w i n gr o u t eo f e g r 其原理为： ( 1 ) 能够提高混合气的比热。废气中含有水蒸气、c 0 2 等三原子气体 山东农业大学硕士学位论文 它们的比热大，加热这种经过废气稀释后的混合气温度每升高1 度所需要 的热量也随之增加，在燃料燃烧放热总量不变的情况下，汽缸内最高燃烧 温度得至有效降低。 ( 2 ) 由于废气的稀释，0 2 的相对浓度下降。 ( 3 ) 废气中含有n 2 、c 0 2 、h 2 0 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，降低了燃烧反应速度和燃烧峰 值温度。 所以破坏了n o 。的生成条件，降低了n o 。的排放 1 3 - 1 6 】。 废气再循环的程度一般用e g r 率( r ) 表示： r ：旦l 1 0 0 g ，+ g 。 式中g ，进入发动机的再循环废气质量流量； 巴进入发动机的空气和燃油混合气的质量流量； 也可表示为： m， 刁= 。1 0 0 ，ro t t t 式中 吼，厂= 通过再循环废气稀释的进气中c 0 2 的体积分数 。广废气中c 0 2 的体积分数旧 1 8 参加e g r 的废气量越大，e g r 率也越大。废气再循环正是通过调节 e g r 率来改变再循环废气量，从而满足发动机的不同工况，达到降低n o 。 排放的目的。 但e g r 并不是在汽油机所有工况下都可以进行，在暖车过程中，冷 却液和发动机进气温度都较低，n o 的排放量也很低，如果废气再循环系 统工作，燃烧的稳定性将被破坏，出现怠速不稳或发动机熄火，可见，暖 机时应关闭e g r 阀。一般而言，发动机冷却液温度低于4 06 c 时，应使e g r 阀保持关闭。当车辆由怠速加速到正常行驶速度期间，或车速在5 0 1 2 0 k m h 的时候，往往n o 的排放量较高，必须对n o 的排放量进行控制。 而随着废气再循环量的加大，混合气过度稀释会产生熄火，汽油机的燃烧 速度减缓，燃烧波动加剧，h c 和c o 排放上升，功率下降，所以e g r 率 不可过大，一般汽油机的e g r 率最大不超过2 0 。因此汽油机各个工况 汽车发动机e g r 冷却控制系统的研究 废气再循环率存在着一个最佳值，能够使发动机性能及h c 、c o 和n o 。 排放具有良好的综合效果。通常汽油机在小负荷时e g r 率小，以保证发 动机的稳定性、低h c 排放及油耗；常用的中等负荷时可使用大的e g r 率，使n o 减少，又可获得低的油耗；大负荷时使用小的e g r 率，以保 证发动机的动力性1 7 】【1 9 】【2 0 】。有资料表明，废气再循环可使油耗和c o 排 放量最多降低8 ，但若匹配不当，也可能增加3 ；可使h c 排放量增加 达8 ，可使n o 最多降达4 0 ，废气再循环可影响油耗和排放的变化范 围见图1 - 2 1 2 2 1 。 幽1 2 拔气再循环_ j 影响油耗和排放的变化范围 f i g1 - 2i n c i d e n c eo f o i lc o n s u m ea n de x h a u s tg a so f e g r e g r 技术可分为内部e g r 和外部e g r 。内部e g r 通过改变配气正时 实现，该系统不需外加其它设备，结构简单，应用方便，有利于提高系统 耐久性。但由于是在进气行程内直接开启排气阀使废气回流，因此难以精 确控制e g r 率；同时废气未经冷却直接回流，引起混合气温度升高，这 一点又有利于n o x 的生成，因此内部e g r 对n 0 x 的抑制效果并不显著。 我们通常提到的e g r 指外部e g r ，它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。外部e g r 技术对原机改 动小、设计自由度较大，可以通过电控单元e c u ( e l e c t r o n i c c o n t r o l u n i t ) 控制e g r 率实现智能控制所以较为常用【5 ”。 3 ) 废气再盾环的发展冷却的废气再盾环 废气再循环虽降低了n o 。的排放，由于废气温度很高却又增加了进 气温度，能提高燃烧峰值温度，降低燃油的经济性，增加n o 。的排量及 黑烟排量。因此，很有必要将回流废气冷却后送入气缸，进一步降低进气 1 0 山东农业大学硕士学位论文 温度，这样更有利于降低n o 。的排放：同时提高了迸气密度，可一定程 度上补偿加装e g r 而带来的高负荷时燃油消耗的增加和烟度的增加。所 以国外又研究了带冷却的e g r 系统。据国外资料的介绍，e o r 冷却器可 降低n o x 排放7 1 5 2 3 】 2 4 1 1 3 4 1 。 1 2 国外e g r 技术的研究与使用情况 e g r 技术首先应用于汽油机上，长期以来一直被认为是种降低汽 油机n o 。排放的有效措施。e g r 在国外的汽油车上已经作为成熟技术而 广泛使用，已经形成了一套比较系统的理论，并成功研制出了一系列e g r 装置。e g r 控制阀最初只是纯气动式，且不带冷却循环，后来发展了带 冷却循环的e g r ，再后来与电控技术相结合，转而开发出带闭环控制的 气电式或电磁式e g r 系统。从7 0 年代开始，国外又开始研究柴油机e g r 技术 2 5 1 。 1 ) e g r 的进气方式 由于内燃机的特性，在发动机运转过 程中，有些工况进气压力比较大，仅靠排 气压力不一定能实现e g r 。为了增大 e g r 得以实现的可能范围，人们采取了 种种办法，如在进排气管装节流阀使排气 压力高于进气压力；在进气管设置一个 文曲利管( v e n t u r ip i p e ) 利用它的局部 压差吸引废气，而吸入喉管后扩压部分 可以使压力适当恢复，保证高负荷时所 需要的压力差。文曲利管的结构如图1 3 所示。这些方法扩大了e g r 的工作范围， 而后者优于前者。荷兰t n o 研究所提出 的e g r 系统是文曲利管与进气管串联方 式，e g r 率的调节依靠e g r 管路的流量 控制阀。如图1 4 。 图i 3 文曲利管结构形式 f i g1 - 3t h es t r u c t u r eo f v c n t u r ii b i p e 图1 4 t n o 研究所的e g r 系统 f i g i - 4e g rs b ，s t e ms t u d i e db yt n o g r a d u a t es c h o o l 为了便于调节不同工况时的e g r 率和兼顾高低工况的流动性，a v l 研究所研究出文曲利管与进气管并联的e o r 系统。在与文曲利管并联的 汽车发动机e g r 冷却控制系统的研究 进气管上装有一个蝶形阀，可以用于调节流经文曲利管的流量，从而调节 e g r 率。文曲利管的并联布置有利于兼 顾高低工况的流动特性，高工况流量大 时，可开大蝶阀，让大部分气体流经进 气管；少部分气体流经文曲利管；低工 况小流量时，可关小蝶阀，让大部分气 体流经文曲利管，如图l 一5 所示【2 6 【2 ”。 2 ) e g r 的种类 进气管 e g r 旁通控制阀 发动机 i文曲昶管fi 毒 二广_ 二广e g r 冷却器fi 器 e g r 阀 黼p 嚣i 赢高f l _ 卜 窭气夏循! 量篓17 1 孝种整学萼茹铲i 矗聂型- 和控制方式。在控制方式上，汽油机 图1 5 a v l 研茹嘉的。二系统 e g r 系统基本上可以分为进气负压控 f i g 1 - 5 e g rs y s t e ms m 幽。d b v a v l 制式、排气背压控制式，还有进、排气g r a d u a t es c h o o l 压力复合控制式，废气送入进气系统的孔的位置，有的在节气门前方，有 的在节气门后方1 1 2 】1 2 8 】 2 9 】。根据执行器( e g r 阀) 的动作控制形式和控制 对象，可以分为以下几种】： n ) 机械控制式e g r 系统 机械控制式e g r 系统是最早设计使用的e g r 装置。其工作原理是： 通过真空度和排气背压来控制e g r 阀的开闭。机械控制式e g r 系统中的 主要部件是一个膜片式e g r 阀，根据阀控制方式的不同，有正背压控制 式e g r 和负背压控制式e g r 。但是，对于机械控制式e g r 系统，e g r 率控制的范围有限( 一般为5 1 5 ) ，且控制精度远不能满足发动机的实 际需要，故新型汽车发动机都趋向于选择计算机e g r 系统，也即电子控 制式e g r 系统。 ( 2 ) 电子控制式e g r 系统 电子控制式e g r 系统的e g r 率控制范围大( 1 5 - 2 0 ) ，控制自由 度也大。其主要功能特点是选择n o ；排放量大的发动机工况，进行适量 的e g r 控制。系统工作原理如图1 6 【3 “。在发动机工作时，电控单元e c u 根据各传感器，如转速传感器、水温传感器、节气门位置传感器、点火开 关等信号，确定发动机目前在哪一种工况下工作，以输出指令，控制e g r 电磁阀使e g r 进行或停止。 1 2 山东农业大学硕士学位论文 水温传感器一。 转速传感器 发动机转速信号- e c u i 节气门位置传感器l 。节气门怠速位置信号， 点火开关发动机起动信号， 图1 6 电子控制式e g r 系统工作原理幽 f i g 1 6p r i n c i p l eo f e l e c t r o - c o n t r o le g rs y s t e m ( 3 ) 直接控制式e g r 系统 直接控制式e g r 系统的e g r 阀直接安装在排气道上，所以这种形式 的e g r 系统也叫排气道废气再循环系统。 系统的工作原理是：废气经排气管引出，直接经过e g r 阀流入进气 管。系统根据发动机机工况的需要，直接控制e g r 阀的开度大小，以提 供理想的再循环流量。 这种e g r 系统的特点是：结构简单、控制方便。 ( 4 ) 间接控制式e g r 系统 间接控制式e g r 系统的工作原理如下图所示。 图1 - 7 间接控制式e g r 系统工作原理幽 f i gl 一7p r i n c i p l eo f i n d i r e c tc o n t r o le g rs y s t e m 工作时，e g r 控制阀的开度由控制信号( 一般为压力信号，例如真 空度、排气压力等) 控制，而e g r 电磁阀的开闭则影响着控制信号的变 化，这样可以为e g r 控制阀提供更为理想的控制信号，从而保证理想的 e g r 流量。 1 3 我国e g r 技术的发展现状 我国对此项技术的研究及产品开发比较落后，自己的技术生产能力不 高。在我国，e g r 离实用化、商品化尚有很大距离。尤其是在冷却的e g r 系统的研究上，对其精确控制，使e g r 与内燃机进行合理匹配大多是在 理论上的探讨，也有不少科研单位正在进行研究，目前我国车用柴油机排 汽车发动机e g r 冷却控制系统的研究 放控制技术大致相当于国外2 0 世纪9 0 年代的水平。 1 4 本课题研究的目的和意义 本课题旨在研制开发一种能根据发动机具体工况调节e g r 冷却温度 的外部e g r 冷却控制系统，使e g r 废气温度在发动机的每种工况下都能 自动调节到既有较低的n o 。排放又具有良好的综合性能的温度值。为更 好地实现冷却e g r 的智能控制和精确控制打好基础。减少汽车尾气中n o 。 的含量，使汽车成为人们生活当中更有利的工具。 1 5 课题的内容和研究方法 1 5 1 研究内容 1 ) 在选定型号的发上做各种工况的e g r 试验，通过比较找出各工况 e g r 冷却温度与降低n o ；排放的规律，也就是找出在各种工况下，既能 有效降低n o 。的排放又能使e g r 对发动机负面影响最小的e g r 温度范 围。设计e g r 总体布局和e g r 冷却器，设计e g r 冷却的实现方式。 2 ) 根据要实现的功能和理论分析确定传感器( 温度、转速、负荷等) 类型和单片机的型号，选择e g r 阀的类型和电动水泵的型号。 3 ) 合理设计e g r 冷却系统的控制电路，设计电路的软件程序。 1 5 2 研究方法 1 ) 通过进一步理论分析，确定试验方案。 2 ) 利用现有条件，在选用的汽油机上安装e g r 流路进行实验，改变 发动机的转速与负荷，使用五组份排气分析仪测试e g r 废气温度不同时 n o 。的排放量，找出e g r 冷却温度与降低发动机n o 。排放的规律，完成 数据搜集。 3 ) 根据找出的e g r 冷却温度与降低n 氓排放的规律，利用单片机和 辅助电路通过控制e g r 冷却系电动水泵的转速，进而控制冷却水流量， 调节冷却温度，初步实现对e g r 冷却系统的自动控制。 1 4 山东农业大学硕士学位论文 2e g r 冷却系统设计计算 2 1e g r 冷却系统总体设计 冷却系- 般按传热介质来分类。可分为以水为传热介质的水冷型冷却 系，以空气为传热介质的风冷型冷却系，以油( 如机油等) 为传热介质的 油冷型冷却系。现今，汽车、拖拉机和军用履带车辆，普遍采用水冷型冷 却系，部分军用轮式战斗车辆、豪华型大型客运车辆及部分工程车辆采用 风冷型冷却系i ”j 。 对e g r 进行冷却时，风冷较易实现，但冷却效果不理想，对温度比 较高的e g r 废气不适合。而水的比热大，冷却效果好，所以采用水作为 冷却介质。而且采用水冷还可以充分利用发动机原有的冷却系，既能降低 e g r 的冷却系的成本，又能使其有紧凑的布置结构。 该e g r 冷却系统的设计思想是把e g r 冷却系作为发动机冷却系的一 个分支，传热介质( 水) 由水泵驱动，进行强制循环流动。并采用电控单 元e c u 自动控制水泵转速，从而通过调整冷却水循环量的方法来控制 e g r 废气的温度。e g r 冷却系统原理如图2 1 所示。 经 器 图2 ie g r 冷却系统原理图 f i g2 - lp r i n c i p l eo f c o o l i n gs y s t e mf o re g r 1 电控单元e c u2 文曲利管3 旁通阀4 发动机5 , e g r 控制阀6 e g r 冷却器 7 e g r 废气温度传感器8 伺服电动水泵9 单向阀1 0 发动机散热器 1 5 汽车发动机e g r 冷却控制系统的研究 图中e g r 冷却系统利用e g r 阀( 5 ) 后面的冷却器( 6 ) 对废气进行 单独冷却。e g r 冷却水引自发动机散热器( 1 0 ) 的出水口，冷却水经过 e g r 冷却器再流回发动机散热器。由于从发动机散热器流出的水是冷却 系统中温度最低的，所以可以提高e g r 的冷却效率。直流伺服电动水泵 ( 8 ) 装配在e g r 冷却器冷却水入口管路上，用来控制冷却水的循环。单 向阀( 9 ) 用来减少因冷却液回流而对e g r 冷却带来的不利影响。这种布 局对原冷却系改动较小，结构比较简单。 2 2e g r 冷却器的选型与设计 2 2 1 冷却器的选型 1 ) 选型标准 e g r 冷却器是一种换热器，选型的标准很多，最基本的涉及待处理 流体的类型、操作压力、温度、热负荷和费用等。 用于对废气进行冷却的e g r 冷却器不仅要满足热交换器的基本要 求，还要满足它自身冷却温度不能过低的特殊要求。过低的冷却温度将使 排气中的水蒸气凝结，与排气中的含硫化合物结合形成酸，造成对冷却器 及联接管路的酸性腐蚀，降低冷却器的寿命与可靠性。由于e g r 冷却器 的冷却对象是温度较高的再循环废气，要求冷却器在较小的换热面积下实 现大的热量传递，而且必须尽可能提高废气再循环冷却器的冷却效率，同 时还要适应发动机振动大的特点。此种工作条件下对冷却器的要求是： f 1 ) 冷却器要耐高温、耐腐蚀； ( 2 ) 体积小、散热效率高、压力损失小、能防堵塞。 e g r 冷却器换热的对象是粘度比较低的水和废气，对于低粘度流体 低粘度流体，高温高压场合用管壳式( s t h e ) 换热器【3 ”。而且管壳式 冷却器结构简单，体积小，造价低，散热效率高，可以设计成各种尺寸及 型式，对其操作温度和压力也没有太多限制，可用任何能抗腐蚀的材料制 造，所以它成为e g r 冷却器的基本形式，必要时可以在壳体内加装紊流 装置以提高热交换效率。为满足耐高温、耐腐蚀要求，全部零部件均选用 3 0 4 、3 0 4 l 、3 0 6 、3 0 6 l 及3 1 6 l 不锈钢精密铸件及型材。图2 2 、2 3 是 国外公司制造的两种e g r 冷却器p 。 6 山东农业大学硕士学位论文 图2 - 2 德国b e h r 公司轿车e g r 冷却器 f i g 2 - 2e g rc o o l e rm a d eb yg e r m a n yb e h r c o m p a n yf o rc r i - 图2 - 3e t 本u s u i 公司载货车e g r 玲却器 f i g2 - 3e g r c o o l e rm a d eb y j a p a nu s u i c o m p a n yf o rt r u c k 2 ) 初选冷却器的尺寸规格 ( 1 ) 换热管 换热管直径：e g r 冷却器中使用大量横截面呈圆形的小直径、薄壁 管。从传热的角度来看，小管径的管子能获得较高的传热系数，从而换热 器也较紧凑，但是管径愈小的换热器的压降将愈大，几乎所有的换热器的 管子外径在i 4 i n ( 6 3 5 m m ) 与2 i n ( 5 0 8 m m ) 之间 3 5 】。这里管子外径选择 1 0 m r n ，壁厚l m m 。 管长：由于无相变换热时，管子较长则传热系数