（农业机械化工程专业论文）柴油机egr电控冷却系统的研究.pdf

山东农业大学硕士学位论文 中文摘要 为了减少柴油机的主要排放物n o 。的排放，满足严格的排放标准， 本文研制开发出一种能根据柴油机不同工况自动调节e g r 温度的e g r 电控冷却系统，使e g r 的废气温度在发动机的各种工况下都能调节到既 有较低的n o 。排放又具有良好的综合性能的温度值。本设计将e g r 冷 却系统作为发动机冷却系统的一个分支，冷却水取自发动机原冷却系统 的散热器，经过e g r 冷却器对废气进行冷却后，再回流到发动机的散热 器。冷却水由电动水泵进行强制循环流动。电控单元e c u 对各种传感器 传来的信号进行分析判断后，根据发动机的不同工况自动控制水泵转速， 通过调整冷却水循环量的方法来控制再循环废气的冷却温度。以实现 e g r 温度的精确控制从而减少柴油车尾气中n o 。的含量，满足国家的排 放法规。 本文对e g r 电控冷却系统的主要部件进行了设计计算和选型。根据 传热学的原理对e g r 冷却器进行了设计，根据流体力学的原理对文丘里 管进行了设计，对电动水泵进行了选型，并对e g r 冷却控制系统进行了 设计。为了完成电控单元e c u 软件和硬件的设计工作，在r 4 1 0 5 t 柴油 机动力试验台上做了试验，研究了不同工况下n o x 、h c 、c o 、烟度和 油耗率随着e g r 温度的不同而变化的规律，确定了柴油机不同工况下即 能降低n o x 排放又能使发动机获得良好综合性能的e g r 最佳冷却温度 范围。e c u 根据传感器的信号通过查表得出该工况下e g r 的最佳温度 值，然后与实际的e g r 温度值比较，如果实际值与最佳值不符，则e c u 通过改变p w m 信号的占空比来调整水泵电机的平均电压，调节水泵转 速，通过改变冷却水的循环量，从而实现e g r 冷却温度的自动控制，使 得e g r 温度达到最佳范围。 试验表明，该e g r 电控冷却系统可以自动控制柴油机e g r 的冷却 温度，使e g r 在发动机不同工况下都能自动达到所需的最佳温度范围， 提高了e g r 技术的自动化程度，更好地降低了柴油机n o x 的排放量。 关键词：柴油机；废气再循环；n o ，；冷却系统：控制系统 s t u d y o fe g re l e c t r i c a lc o n t r o lc o o l i n gs y s t e mo n d i e s e le n g i n e a b s t r a c t i no r d e rt or e d u c et h en o x se m i s s i o no ft h ed i e s e le n g i n ea n dm e e t t h e s t r i c te m i s s i o nr e g u l a t i o n s ，a ne g re l e c t r i c a lc o n t r o lc o o l i n gs y s t e mw a s d e s i g n e d t h es y s t e mc a na d j u s te g rc o o l i n gt e m p e r a t u r ea u t o m a t i c a l l y u n d e rd i f f e r e n to p e r m i o nc o n d i t i o n so fd i e s e le n g i n e a tt h eo p t i m u mc o o l i n g t e m p e r a t u r e ，t h ee n g i n ec a l lh a v et h eb e t t e rp e r f o r m a n c ea n dt h el o w e r n o x e m i s s i o n t h ee g re l e c t r i c a lc o n t r o lc o o l i n gs y s t e m 嬲ab r a n c ho ft h e e n g i n ec o o l i n gs y s t e m ，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 h c o m e sf r o m c o o l i n gs y s t e mo fe n g i n ea c r o s se g rc o o l e r , t h e nd i s s i p a t e db yc o o l i n gf a n o ft h ee n g i n e t h ec o o l i n gw a t e ri sd r i v e db ye l e c t r i c a lw a t e rp u m p a c c o r d i n gt o t h es i g n a l st a k e nf r o ms e n s o r s ，e c uc a r lc o n t r o lt h er o t a t e s p e e do fw a t e rp u m pt oc h a n g et h ew a t e rc i r c u l a t i o ns ot h a tv a r i o u se g r c o o l i n gt e m p e r a t u r e s a r ea c h i e v e da u t o m a t i c a l l y e g rt e m p e r a t u r e i s c o n t r o l l e da c c u r a t e l ys ot h a tt h eq u a n t i t yo fn o x i nt h ee x a u s tg a si s r e d u c e da n dt h ee m i s s i o nr e g u l a t i o n si sm e t t h em a i np a r t so fe g re l e c t r i c a lc o n t r o lc o o l i n gs y s t e mw a sd e s i g n e d b a s e do nt h eh e a tt r a n s f e rt h e o r y , t h ee g rc o o l e rw a sd e s i g n e d b a s e do n t h ep r i n c i p l eo fh y d r o m e c h a n i c s ，v e n t u r ip i p ew a sd e s i g n e d t h ee l e c t r i c a l w a t e rp u m p st y p ew a ss e l e c t e da n dt h ee g rc o o l i n gc o n t r o ls y s t e mw e r e d e s i g n e d i no r d e rt od e s i g nt h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo ft h ee c u ，a n e x p e r i m e n tw a sd o n e o i lar 410 5 td i e s e le n g i n et e s tp l a t f o r m w h e n r 410 5 td i e s e le n g i n eo p e r a t e du n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，t h e i n f l u e n c er u l eo fe g rc o o l i n gt e m p e r a t u r eo nn o x ，h c ，c o ，s m o k e e m i s s i o na n do i lc o n s u m p t i o nw e r es t u d i e d t h eo p t i m u me g rc o o l i n g t e m p e r a t u r er a n g ew a sc o n c l u d e du n d e r d i f f e r e n to p e r a t i o n a lc o n d i t i o n s f i r s t l y , a c c o r d i n gt o t h es i g n a l st a k e nf r o ms e n s o r s ，e c uo b t a i nt h e 2 山东农业大学硕士学位论文 o p e r a t i o nc o n d i t i o n so p t i m u me g rc o o l i n gt e m p e r a t u r et h r o u g hs e a r c h i n g t h et a b l e t h e ne c uc o m p a r e dt h ea c t u a le g rt e m p e r a t u r ew i 血t h e o p t i m u mt e m p e r a t u r e i ft h ea c t u a lv a l u ei sn o te q u a lt ot h eo p t i m u mv a l u e ， e c ua d j u s tt h ee l e c t r i c a lw a t e rp u m p sa v e r a g ev o l t a g et oc o n t r o lw a t e r p u m p sr o t a t es p e e dt h r o u g hc h a n g i n gp w ms i g n a l s d u t yc y c l e t h r o u g h c h a n g i n gc o o l i n gw a t e r sc i r c u l a t i o ne g rc o o l i n gt e m p e r a t u r ei sc o n t r o l l e d a u t o m a t i c a l l ya n de g ro p t i m u mt e m p e r a t u r ei sa c h i e v e d t h er e s u l to ft h et e s ts h o w e dt h a tt h ee g re l e c t r i c a lc o n t r o lc o o l i n g s y s t e mc a l l c o n t r o lt h ed i e s e le g r c o o l i n gt e m p e r a t u r ea u t o m a t i c a l l ya n d m a k et h ee g ra c h i e v et h eo p t i m u mt e m p e r a t u e r a n g eu n d e rd i f f e r e n t o p e r a t i o nc o n d i t i o n s 。t h ea u t o m a t i ce x t e n ti si m p r o v e da n dt h ee m i s s i o no f t 1 1 en o xi sr e d u c e d k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ；e g r ；n o x ；c o o l ；s y s t e m ；c o n t r o ls y s t e m 3 符号说明 面积，n 1 2 直径，m 标准大气压，p a 压力，p a 气体常数，j ( k g k ) 对流换热表面传热系数，w ( m 2 k ) 总传热系数，w ( m 2 k ) 长度，m 质量，k g 热流量，w 质量流量，k g s 密度，k g m 3 比热容，k g m 3 导热系数，w ( m k ) 运动粘度，m 2 s 动力粘度，p a s 摄氏温度， 热力学温度，k 进气马赫数 普朗特数 雷诺数 努塞尔数 污垢热阻，m 2 k w 对数平均温度修正系数 小玉 雕尼厨屉d 耽咖 a 小 躬 彬六t尬心触 彤r 关于学位论文原创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。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规定，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，同时授权中国科学技术 信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并向 社会公众提供信息服务。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：盟 导7 师签名。鼬壁二 日期： 柴油机e g r 电控冷却系统的研究 1 引言 1 1 课题背景 1 1 1 柴油机的主要排放物及其危害 柴油机自1 8 9 2 年问世以来，凭借其良好的动力性、经济性和耐久 性等优点在各种动力装置、船舶和车辆上得到日益广泛的应用。柴油机 以其高的热效率、功率范围大和使用寿命长等优点在车用发动机领域有 着非常广阔的应用前景。柴油机和汽油机比较起来在c o 、h c 、c 0 2 等 低排放方面具有优势。人们逐步认识到柴油机是当今保持大批量、低成 本生产中解决环保与节能双重压力最有效、最经济的手段之一。因此无 论是欧洲清洁经济型轿车的开发，还是美国“新一代汽车合作计划 ( p n g v ) ”，都无一例外地将柴油机作为最佳的选择方案( 谢程宁等， 2 0 0 5 ) 。欧洲和日本在上世纪7 0 年代就基本实现了载货汽车和大型客车 的柴油机化。从上世纪8 0 年代后期开始，轿车上也越来越多的应用柴 油机，例如目前德国生产的1 4l 2 ol 排量的小轿车中，柴油机轿车 占6 1 ，而法国轿车柴油机的比例高达8 8 。从世界范围来看，汽车柴 油化已经成为一种不可逆转的趋势。有关专家预测未来动力方面将是柴 油机的舞台( 缪勇等，2 0 0 3 ：杨忠敏，2 0 0 4 ) 。 柴油机有害排放物包括：n o x 、p m ( 微粒) 、c o 、h c 、c 0 2 、及 s 0 2 和h c h o ( 甲醛) 等，其中n o x 、p m 、c o 、h c 、c 0 2 占绝大部分。 ( 1 ) 氮氧化物( n o x ) 一氧化氮( n o ) 和二氧化氮( n 0 2 ) 通常被统称为氮氧化物( n o x ) 。 一氧化氮( n o ) 是无色的气体。在空气中，一氧化氮被氧化成二氧 化氮。空气中的含量超过1 5 1 0 击时，它会和血红蛋白结合，若超过 2 0 x 1 0 击时，会影响肺的功能。 二氧化氮( n 0 2 ) 呈红褐色，具有强烈的刺激性臭味，易溶于水。 被人吸入肺部后，能与肺中的水分结合生成稀硝酸，引起支气管炎，肺 气肿。此外，h c 加上n o x 在日光照射下，会形成光化学烟雾，刺激人 的鼻、眼和呼吸道，引起肺炎、肺气肿及致癌效应。 4 山东农业大学硕士学位论文 ( 2 ) 微粒( p m ) 微粒是指排气中所含固体及液体的滤出物。柴油机排出的微粒主要 是直径为0 0 0 0 1 哪的碳烟粒和少量的硫酸盐类微粒。由于形成原因不 同，柴油机的排烟一般分为白烟、蓝烟、黑烟三种。碳烟中并非纯粹的 碳，而是一种聚合体，主要是碳( 8 5 以上) 还含有少量的0 2 、h 2 、灰 尘和一系列多环芳香烃化合物等。一般认为碳烟粒本身对人体健康的直 接影响不大，主要是碳烟粒上常夹附着s 0 2 及致癌物质多环香烃、苯芘 等有害物质对人的危害。 ( 3 ) 一氧化碳( c o ) 是无色无臭的有毒气体，难溶于水。人吸入 肺部以后，易与体内血红蛋白结合，造成人体内缺氧。它和血红蛋白的 结合能力是氧气的2 4 0 倍。当空气中一氧化碳的浓度达到7 0 - - 8 0p p m ( 1 0 西) 以上时，随着碳氧血红蛋白浓度增加，会引起头痛、呕吐、昏 厥甚至死亡。 ( 4 ) 碳氢化合物( h c ) 有刺激性气味，对人的鼻、眼和呼吸道粘 膜有刺激作用，可引起结膜炎、鼻炎、支气管炎。已经证明h c 在动物 身上还有致癌作用。此外，h c 还能形成光化学烟雾，更加危害人的健 康。 ( 5 ) 二氧化碳( c 0 2 ) 是无色的气体，略有酸味，略带刺激性气味， 无毒。它的危害在于作为主要温室气体，造成地球表面温度升高( 温室 效应) 。 以上所有物质( 除了c 0 2 外) 都对人体健康直接或间接地产生危害， 因而，被称为柴油机主要污染物。 1 1 2 国内外排放法规的发布和实施 为更好的治理环境污染。各个国家相继制定了一系列的环境保护法 规，其中包括车辆排放法规，以达到依法治理空气污染的目的。特别是 近十年来由于环保意识的加强，对车用柴油机的低污染要求越来越突出， 美国、日本和欧洲等国家相继颁布了愈来愈严格的排放法规。 欧洲从1 9 8 2 年起对最大总质量超过3 5 0 0k g 的重型载货车与公共汽车 实施e c er 4 91 3 工况( e c e ，即e c o n o m i cc o m m i s s i o nf o re u r o p e ) 稳态试 验法，对c o 、h c 、n o x 进行控制。1 9 8 8 年加严了控制，实行欧o 法规。 柴油机e g r 电控冷却系统的研究 1 9 9 2 年7 月1 日起实行更严格的欧i 和欧i i 法规，并开始对微粒进行控制。 1 9 9 8 年1 2 月2 1 日欧盟环境部长会议决定，n 2 0 0 0 年及2 0 0 5 年实施更加严格 的欧i 和欧法规。欧法规修改了1 3 - i - 况试验规范，改用欧洲稳态测试 循环e s c ( e u r o p e a ns t e a d ys t a t ec y c l e ) ，在工况点的取法和加权系数上 作了较大的更改。在实施欧i i i 法规时，对于带有排气后处理装置的重型柴 油机，要附加一个类似美国重型柴油机瞬态工况试验循环的欧洲瞬态循环 e t c ( e u r o p e a nt r a n s i tc y c l e ) ，以检验后处理系统的动态性能( 李勤主 编，1 9 9 8 ) 。 表卜l 欧洲重型车用柴油机型式认证排放限值 t a b 1 - ie x a u s te m i s s i o nl i m i tv a l u ei ne u r o p ef o rh e a v yd i e s e lv e h i c l e 欧0欧i欧i i欧i i i欧 e c ee c ee c ee c e 测试循环 e s ce 1 r 4 9r 4 9r 4 9r 4 9 实施年份1 9 8 21 9 8 81 9 9 2 1 9 9 52 0 0 02 0 0 0 2 0 0 5 2 0 0 82 0 0 5 2 0 0 8 c 01 41 1 24 54 02 15 4 51 54 0 h c3 52 4i 11 10 6 6 一 o 4 6 一 非甲烷h e一一一一一 0 7 80 5 5 c h 4 一一一一一 1 6 1 , 1 n o x 1814 48 07 05 05 03 5 2 03 5 2 0 0 6 lo 1 50 1o 6 微粒0 3 6 ( 2 ) 0 2 5 1 2 ) o 1 3 ( 动0 2 l ( 2 ) o 0 0 2o 0 0 3 动态烟度一一一一0 8 m 10 5 m - 1 ( 1 ) 适用于大于8 5 k w 柴油机：( 2 ) 适用于单缸排量小于0 7 l ，额定转速大于3 0 0 0 r r a i n 表1 1 为欧洲重型车用柴油机型式认证排放限值。造成局部氧化不足 或因让其温度低使氧化反应慢，我国排放法规的制定要比欧美晚一些，从 1 9 8 1 年开始制定标准，已经制定了一系列排放法规来限制汽车排气污染物 对环境的污染，这些法规将越来越严格( 宋军等，2 0 0 3 ) 。1 9 9 9 年3 月我国 国家质量技术监督局公布了压燃式发动机和装用压燃式发动机车辆排气 污染物限值及测量方法( g b l 7 9 6 1 - 1 9 9 9 ) ，见表1 2 。标准等同采用欧 6 山东农业大学硕士学位论文 i i 法规的全部技术内容。此标准适用于车速大于2 5k m h 的各类柴油载货 车、中( 大) 型乘用车( m 2 、m 3 类乘用车) 及最大总质量大于3 5 0 0k g 的轻型乘用车( m l 类乘用车) 装用的压燃式柴油机。采用1 3 工况稳态试 验方法( e c er 4 9 ) 。对标准实施日期规定为2 0 0 0 年1 月1 日实施欧i 法规 限值，2 0 0 5 年1 月1 日实施欧i i 法规限值，2 0 0 8 年1 月1 日实施欧法规限值。 从各国排放法规的实施可以看出：必须采用新的措施和手段，不断降低柴 油机废气污染物，尤其是n o x 和微粒的排放水平，以满足环境保护的需要。 由于我国大部分车用柴油机产品相对比较落后，实施新排放法规的难度较 大，产品的更新和改造任务比较艰巨( 刘保河，2 0 0 2 ) ，但是同样也为我 国的研究开发提供了很多的机会( 常英杰等，2 0 0 4 ) 。 表1 2 我国法规规定的柴油机排放污染物限值( g b l 7 6 9 1 1 9 9 9 ) g l ( w h t a b 1 - 2e x a u s te m i s s i o nr e g u l a t i o ni nc h i n af o rd i e s e le n g i n e ( g b l 7 6 9 1 1 9 9 9 ) g k w h 实施日微粒 实施阶段试验类型 c oh c n o x 期8 5 k w 8 5 k w 2 0 0 1 1 1型式认证4 51 18 oo 6 l0 3 6 a 2 0 0 1 1 1 产品一致性 4 91 2 39 oo 6 80 4 0 2 0 0 5 i 1 型式认证 4 01 17 oo 1 5 b 2 0 0 6 1 1 产品一致性 4 01 17 oo 1 5 1 1 3 柴油机主要有害物生成机理与影响因素 ( 1 ) c o 的形成 c o 是烃类燃料在燃烧中产生的中间产物，主要是由于燃烧时氧气 相对不足，燃油中的碳不能与足够的氧结合而产生的。在柴油机上，因 都是在a t 1 的稀混合气情况下工作，仅是在全负荷及低负荷时，由于 混合气形成不均匀，造成局部氧化不足或因燃气温度低使氧化反应慢， 在燃烧时能产生一些c o ，但总体上因是稀混合气，过剩的氧可使c o 在排气过程中氧化为c 0 2 ，所以柴油机中含c o 较少。 ( 2 ) h c 的形成 排气中的h c 主要有三个来源： a 燃料未燃烧、不完全燃烧、或部分被分解、氧化而生成的h c ， 约占5 5 - 6 5 ； 7 柴油机e g r 电控冷却系统的研究 b 曲轴箱通风口蒸发出的h c ，占2 0 - - - , 2 5 ； c 燃油箱泄漏出的燃油蒸气，占1 5 - - - , 2 0 。 在上述的第一个来源中，由于缸壁激冷作用，在缸壁及燃烧室壁附 面层的混合气，受低温缸壁冷却，火焰传播不到，得不到燃烧。此外， 由于使用中混合气过浓、过稀、雾化不良，或混入废气过多，也会引起 火焰传播不完全甚至断火，造成燃烧不良或不能燃烧，都会使h c 的排 放增加。 发动机在工作过程中，燃料不完全燃烧与着火前的混合气条件、燃 烧室内的燃烧条件及排气系统的反应条件均有密切关系，妨碍燃烧的条 件都是h c 形成的原因。 ( 3 ) n o x 的形成 n o x 是指n o 、n 0 2 、n 2 0 、n 2 0 3 、n 2 0 4 、n 2 0 5 等氮氧化物的 总称。在发动机的排气中主要是指n o 和n 0 2 ，n o 占多数，n o x 是在 燃烧室高温高压状态下，首先是氧分子分解成氧原子，而后分子状态的 氮与原子状态的氧或氧分子与氮原子碰撞生成n o ，n o 在排入大气后又 氧化成n 0 2 。 其链反应机理为： o 2d 2 + o n o + n 十02 n o + 0 大量的试验研究表n n o x 的生成量主要和以下三个要素有关( 邱先 文，2 0 0 1 ) ： a 燃烧时产生的高温； b 燃烧时0 2 的含量： c 反应速率快。 这三个要素为生成n o x 的必须条件，且缺一不可。所以只要控制这 三个因素，就能控制n o x 的生成。 ( 4 ) 微粒 柴油机在燃烧过程中，由于氧气不足，燃烧不完全，会排出大量碳 山东农业大学硕士学位论文 烟微粒，并且比汽油机高3 0 - - - 8 0 倍，造成柴油机排放污染严重。 微粒形成的主要原因是燃油不能完全燃烧所致。柴油机在冷起动和 怠速工况时，因燃烧室温度很低，发火不良；在高负荷时，因燃料增多， 空气不足，都使燃油不能完全燃烧，则燃油以液态微粒随排气排出。 由以上柴油机排放物的生成机理可以看出，对柴油机来说，主要的 排放污染物是n o x 和微粒。为了满足严格的排放标准，柴油机必须大幅 度降低其主要排放物n o x 和微粒的排放( 吕林等，2 0 0 4 ；李超，2 0 0 6 ) 。 国际公认，e g r 是降低柴油机n o x 排放的有效手段之一( r o l f e g n e l l ， 2 0 0 0 ；n i c o sl a d o m m a t o s 等，1 9 9 6 ；张振东等，2 0 0 3 ；y o s h i os 等，1 9 9 7 ； 吴君华等，2 0 0 8 ) 。 1 2e g r 技术概述 1 2 1e g r 降低柴油机n o x 排放的机理 e g r ( e x a u s tg a sr e c k c u l a t i o n ) 即废气再循环就是利用e g r 阀将 废气的6 1 5 引入进气管与新鲜空气混合后进人气缸进行燃烧。它有 两种实现方式，一种是内部e o r ，它是利用可变气门定时( v a r i a b l ev a l v e t i m i n g ，v v t ) 保留发动机前一工作循环的部分废气实现的；另一种是 外部e g r ，它是利用一根e g r 管道将废气引入迸气管，再进入发动机 下一工作循环参与燃烧( 李绍安等，2 0 0 4 ) 。本文所用的系统是外部e g r ， 并在再循环的废气进入进气管之前进行冷却。 e g r 技术首先应用于汽油机，研究表明同样也适用于柴油机。柴油 机排气中氧气的含量相对汽油机排气要高，柴油机允许也需要较大量的 再循环废气来降低n o x 的排放。e g r 技术在国外的汽油车上已经作为 成熟技术而广泛使用，从上个世纪7 0 年代开始，国外将研究目标转向 柴油机e g r 技术。目前国内e g r 技术在中小型柴油机应用研究领域， 已经取得了很大进展，并应用于生产，但在重型柴油机方面还没有进入 产品应用阶段。 e g r 技术降低柴油机n o x 排放的机理： ( 1 ) 废气的主要成分为n 2 ，c 0 2 和h 2 0 ，三原子气体比热容大， 加热这种经过废气稀释后的混合气所需要的热量随之增大，所以可有效 柴油机e g r 电控冷却系统的研究 地降低气缸内燃烧的最高温度。 ( 2 ) 废气的稀释作用还可以使氧气的相对浓度降低，从而也能降低 n o x 的排放。 ( 3 ) 废气中含有大量的氮气( n 2 ) 和二氧化碳( c 0 2 ) 等接近惰性 的气体，将定量废气引入柴油机进气系统中，再循环到燃烧室内，有利 于稀释新鲜进气，使燃烧反应速率减缓，从而减少了n o x 生成。 这三个方面分别影响了n o x 生成的三个要素，高温、多氧和反应速 率快，所以能有效的降低n o x 的生成( 周奇等，2 0 0 2 ；l a p u e r t a 等，1 9 9 9 ； 李孟良等，2 0 0 4 ：黄荣刚，2 0 0 3 ) 。 再循环废气的量一般用e g r 率表示，e g r 率就是进入进气管的废 气质量与进入气缸的总气体质量的比值。可表示为 7 7 麟=! 坠二墼型型1 0 0 7 7 c d 2 盯一刁c d 2 枷 式中：r i c o 发动机加入 后进气中的体积分数 一一z m e g r r i c o 大气环境中 的体积分数 e g r 后排气中的c 0 2 的体积分数 2 0 x , t 参加再循环废气的量越大，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的量来满足发动机不同工况下e g r 率的要 求，达到降低n o 。排放的目的。 e g r 并不是在柴油机所有工况下都可以进行。在暖车过程中，冷 却水和发动机进气温度都较低，n o x 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， 暖机时不进行e g r 。一般而言，发动机冷却水温度低于5 0 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，中等负荷时， 往往n o x 的排放量较高，要对n o x 的排放量进行控制，所以要进行e g r 。 且随着废气再循环量的加大，混合气过度稀释会产生熄火，柴油机的燃 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，一般柴油机的e g r 率最大不超过2 0 。因此柴油机各个 i o 山东农业大学硕士学位论文 工况的e g r 率存在着一个最佳值，能够使发动机性能及n o 。和h c 、c o 的排放具有良好的综合效果。通常柴油机在小负荷时e g r 率小，以保证 发动机的稳定性、低n o x 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 x 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( 李兴虎，1 9 9 9 ：蔡锐彬等，2 0 0 0 ；王建听等， 2 0 0 0 ) 。 1 2 2 冷e g r 系统 为了进一步减少n o x 的排放，对e g r 废气进行冷却来降低混合气 燃烧的最高温度，从而更大程度上抑制了n o x 的生成。将再循环废气经 冷却器冷却后，再送入进气端，进一步降低进气温度，更有利于降低n o x 的排放，同时改善燃油经济性。目前，冷却的e g r 技术已经得到广泛的 应用，是国外控制n o x 排放的主要措施。据国外资料的介绍，e g r 冷 却器可降低n o x 排放的7 1 5 ( a b d a l l a ，2 0 0 0 ；胡晖等，2 0 0 3 ；李 志强等，2 0 0 2 ) 。 1 3 国内外e g r 技术的研究现状 国外的一些公司在2 0 年前就开始了这方面的研究，它被认为是柴油 机达到欧i i l l 非放标准不可缺少的一项重要技术。e g r 是目前发达国家先 进内燃机中普遍采用的技术，从7 0 年代开始，国外开始研究柴油机e g r 技术( 邱先文，2 0 0 2 ；姚仲鹏等，2 0 0 1 ) 。在汽油车和柴油车上的应用已 非常成熟，且目前的应用基本上都结合了电控技术，使其控制更加精确， 所有工况都能实现最佳e g r 率。各汽车生产厂家越来越多地用e g r 来 降低n o x 排放。对重型车用柴油机而言，目前倾向于使用冷e g r 技术， 因为其不仅能明显降低n o x ，还能保持其他污染物的低水平。 e g r 冷却技术与现有的各种技术方案相比性价比较高，所以该技术 己成为解决欧和欧柴油机n o x 排放问题的通用方案。目前正在着 手设计满足更高环保要求( 欧v 及以上) 的冷e g r 系统。冷e g r 系统 技术向着具有调温功能和快速响应的方向发展是将来的趋势。 国内的一些高校和科研单位也已经对e g r 进行了部分研究，但距产 品化尚有一定距离。在我国e g r 技术离实用化、商品化尚有很大距离。 柴油机e g r 电控冷却系统的研究 尤其是在e g r 冷却系统的研究上，对其精确控制，使e g r 与内燃机进 行合理匹配，大多是理论上的探讨，目前我国车用柴油机排放控制技术 大致相当于国外2 0 世纪9 0 年代的水平。 1 4 课题研究的目的和意义 本课题旨在研制开发一种能根据柴油机的不同工况自动调节e g r 冷却温度的e g r 电控冷却系统，使e g r 的废气温度在发动机的各种工 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 的精确控制打好基础，满足越来越严格的排 放标准。 1 5 课题的研究内容 ( 1 ) 对柴油机e g r 电控冷却系统进行总体设计。并对冷却系统的主 要部件e g r 冷却器、文丘里管和电动水泵进行设计和选型。 ( 2 ) 在r 4 1 0 5 t 柴油机动力试验台上做试验，通过试验，找出不同工 况下n o 。、h c 、c o 、烟度和油耗率随着e g r 温度的不同而变化的规律， 确定柴油机不同工况下e g r 的最佳冷却温度范围。 ( 3 ) 以最佳冷却温度范围为基础，对e g r 冷却控制系统进行设计。 包括各种传感器的选型和电路设计、电控单元e c u 的硬件和软件的设计 等。e c u 根据发动机的不同工况，自动控制水泵转速，通过调整冷却水 循环量的方法来控制再循环废气的冷却温度。 1 2 山东农业大学硕士学位论文 2e g r 冷却系统的设计 2 1e g r 电控冷却系统的总体设计 冷却系统按照冷却介质分类，可以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 的油冷型冷却系等。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( 姚仲鹏等，2 0 0 1 ) 。 对e g r 进行冷却时，由于再循环废气的温度比较高，所以选择水冷， 水的比热容比较大，冷却效果好。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 冷却系统的成本，又能使其结构紧凑。 本文设计的e g r 冷却系统作为发动机冷却系统的一个分支，冷却水 由电动水泵驱动，进行强制循环流动。单片机根据发动机的不同工况， 自动控制水泵转速，通过调整冷却水循环量的方法来控制再循环废气的 冷却温度。e g r 冷却系统原理图如图2 1 所示。 图2 - 1e g r 冷却系统原理图 f i g 2 - 1p 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 冷却水通过一直流电动水泵从柴油机散热器的出水口引出，该冷却 水流经e g r 冷却器对再循环废气进行冷却后，经过单向阀流回发动机散 柴油机e g r 电控冷却系统的研究 热器。在e g r 阀的上游增加一滤网，减少微粒的再循环。将e g r 阀安 装在e g r 冷却器的上游，这样进行冷却的废气量减少，更有利于废气温 度的降低。单向阀用来减少因冷却水回流对废气冷却带来的不利影响。 该结构直接利用柴油机原冷却系统的冷却水对e g r 废气进行冷却，结构 比较简单，容易实现。 2 2 文丘里管的设计 2 2 1 文丘里管的工作原理 图2 - 2 文丘里管示意图 f i g 2 2t h es t e t c hm a po fv e n t u dp i p e 文丘里管又叫变截面节流通风管，从结构上分为收缩段、混合段和 扩压段三部分，文丘里管示意图如图2 2 所示。 从流体力学和工程热力学原理可知，在亚音速范围内，气体在收缩 型通道内流动，气流会加速，马赫数增大，压力、温度和密度都会下降，即 气体在管内流动，流速增大，压力降低( 盐崎忠一等，1 9 9 1 ) ，这个过程称 为膨胀过程。如果亚音速气流在扩张型通道内流动，则气体必然会减速， 马赫数减小，压力、温度和密度都升高，这个过程成为压缩过程。文丘里 管就是利用这个机理进行工作的，当气体在收缩段内流动时，进行的是一 个膨胀过程，在喉管处会形成一个较低的压力，这就能将废气从排气管引 射进入进气管，从而实现废气再循环。新鲜空气和废气的混合气在扩压段 内流动是一个压缩过程，其压力会上升，这样流动损失会较小。所以文丘 里管在不消耗机械功率的情况下具有引射功能( 吴南等，2 0 0 6 ) 。 文丘里管是e g r 系统中非常关键的部件，故其设计应充分考虑到以下 1 4 山东农业大学硕士学位论文 四个方面： ( 1 ) 能在喉口部分产生足够的压降。 ( 2 ) 能实现废气与新鲜空气的均匀混合。 ( 3 ) 压力损失应尽可能小。 ( 4 ) 满足实际安装要求。 文丘里管的三个关键参数是喉口面积、收缩段锥角和扩压段锥角。喉 口面积的大小决定了文丘里管的引射能力，在文丘里管收缩段入口面积不 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，故喉口设计截面积要求大于临界截面面积，以免发生壅塞现 象。扩压段锥角的大小则直接影响到混合气体压力的恢复情况。此角太大 时会使气体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。为了简化设计计算过程，本设计对发动机进气系统内的气体流动做了 相应简化，即假设气体在系统内进行的是等熵流动，即对于流动的气体来 说，不计粘性摩擦作用且与周围介质没有热交换的流动过程。在此理想条 件下进行理论计算的目的是为工程实际应用提供理论参考值。最佳文丘里 管的结构参数应通过反复试验来不断地修改完善。 2 2 2 参考工况的选择 柴油车不同工况下e g r 的使用原则： ( 1 ) 低温、低速时不投入工作。水温低于5 0 时和怠速工况不投 入工作，防止冲淡空燃比而“失速，造成怠速游车。 ( 2 ) 高速、中等负荷时投入工作 ( 3 ) 大负荷时不投入工作。 基本原则是在保证动力性和经济性的基础上，尽可能采用较大比率 的e g r 最大限度地降低n o x 排放( 朱涛，2 0 0 4 ；房克信等，2 0 0 4 ) 。选 择1 5 0 0r r a i n 、5 0 负荷时的工况为参考工况。 2 2 3 基本边界参数的确定 ( 1 ) 进气管的内径为6 7m l t l ，所以取d l = d 2 = 6 7m m ； ( 2 ) 标准大气压力胪1 0 1 1 0 5p a ； ( 3 ) 冷却器后的相对压力p l x = 0 9 5 x 1 0 5p a ，即文丘里管进气压力 柴油机e g r 电控冷却系统的研究 p i i 阳印l x = 1 9 6 x1 0 3p a ； ( 4 ) 冷却后e g r 的绝对温度t l = 3 9 3k ； ( 5 ) 进气流量q m l = o 1 5 2k g s ； ( 6 ) 排气管相对压力p p x = 0 7 1 0 5p a ； ( 7 ) 文丘里管喉口的设计压力p ，应参考排气管相对压力。为了废 气能顺利引射进入进气管，喉口部分的进气压力必须低于废气压力，即两 者之间必须存在压差。经验表明一般存在0 0 3 x 1 0 5p a 的压差，所以喉口 的相对压 力风取0 6 7 x 1 0 5 p a ，即 胁 = p b + p p x = 1 0 1 1 0 5 + 0 6 7 x 1 0 5 = 1 6 8 x 1 0 5 p a ； 基本边界参数p i x ，乃，q m ，p p 。是在参考工况点下，通过对r 4 1 0 5 t 柴 油机机进行台架试验测取得到的。 2 2 4 结构参数的计算 要想求文丘里管喉管处的截面积，首先要求出进气马赫数尥j 。马 赫数为指定点的当地速度与该点当地声速的比值。坛 l 时，气流本身的速度大于声速， 为超声速流动；耽1 时称为跨声速流动。具体计算马赫数的公式如下 a = 届r 互 ( 2 1 ) 一= a 4 = 署4 2 岛 c i = 厨 鸠。= 丝 q 式中：p l 进气压力，1 9 6 x 1 0 5p a ： r 为气体常数，2 8 7 。0 4j ( k g k ) ； 乃为进气绝对温度，3 9 3k ； q m l 为进气流量，0 1 5 2k g s ： d l 管道入i ：1 直径，0 0 6 7n l ： k 比热比，空气为1 4 ： ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 山东农业大学硕士学位论文 u l 进气流速，m s ； pr 进气密度，k g m 2 a 当地声速，m s ； 尥j 进气马赫数。 由式2 1 可求 a = 嚣= 丽1 9 6 x 1 0 5 = 4k 咖2 由式2 - 2 ，2 - 3 可求 铲丽4 q , , i = 斋淼叫刀毗 a i = 扫酉= 1 4 x 2 8 7 0 4 x 3 9 3 = 3 9 7 4 m s 由式2 4 可得进气马赫数 坂。= 等= 丽2 4 7 9 = o 0 6 2 西 j y q 进气的流量函数g ( 入) 和总静参数比函数n - ( x ) 的表达式如下