利用文丘里管进气系统提高柴油机egr率的研究

利用文丘里管进气系统提高柴油机egr率的研究

egr技术是降低nox收割机污染的有效方法之一。然后将气位引入气位系统，并与新鲜空气混合进行燃烧，以降低室内空气的浓度和燃烧时间。降低nox排放。但EGR技术在增压柴油机上应用受进排气压逆差的影响,即部分工况时涡前压力小于压气机后压力,使得EGR的使用受到了限制。解决这个问题的方法包括利用文丘里管、改变涡轮增压器结构或采用在再循环回路中添加驱动泵等多种方式。本研究在前人研究基础上,提出一种多级并联式文丘里管进气系统(MVVIPS),即将多组不同文丘里管并联在一起组成一种新型的进气管结构。一方面利用文丘里管喉部压降的特点吸引排气;另一方面通过不同截面积比的文丘里管的排列组合,实现柴油机的可变进气效果。在通过模拟测试试验确定多组文丘里管最佳排列方式的基础上,进行了柴油机工作性能台架测试,以验证多级并联式文丘里管进气系统的有效性。1采用文丘里管串联组合结构,利用其需增加排气典型的文丘里管从结构上分为收缩段、喉口段和扩压段3个部分,其结构示意见图1。根据流体力学和工程热力学可知:气体在收缩通道内流速会提高,马赫数增加,而压力会下降;气体在扩张通道内流速降低,马赫数降低,压力升高。根据这种原理设计的文丘里管可以利用其喉部压降,吸引更多排气进入到进气管中。利用文丘里管结构形式实现吸引排气的连接方式一般有串联式和分流式两种。串联式即在进气总管前串联一个文丘里管;分流式即在进气总管前并联一个文丘里管。两种结构形式见图2。串联式文丘里管在柴油机中高速下会影响充气效率,分流式由于只并联了一个文丘里管,因此扩充EGR率能力有限。为了更加有效利用文丘里管,本研究提出了一种采用多个截面积比不同的文丘里管并联,组成新的进气系统的方法。采用渐缩程度最强的文丘里管加大吸引排气能力,利用多个文丘里管来扩充流量,采用不同的文丘里管排列组合实现柴油机可变进气。2mvvips系统的研究2.1模型建立和求解MVVIPS中最关键的两个参数为最大压降和管道的最大进气流量。最大压降通过选取管道内部截面积比和伯努利方程计算得到,最大流通能力则是利用流量计算公式而得。v122+p1ρ=v222+p2ρv122+p1ρ=v222+p2ρ,qm2=A2(2γ+1)γ+12(γ−1)(γp1ρ1)12qm2=A2(2γ+1)γ+12(γ-1)(γp1ρ1)12,AAt=ρcrccrρvAAt=ρcrccrρv。式中:下标1和2分别表示管道的进口和出口;下标cr表示文丘里管喉部;对于空气,γ=1.4。根据设计需要进行理论计算,得出多个不同结构参数的文丘里管,并将这些管道连接到模拟试验台中,验证不同排列组合方式下的压降能力和流通能力。图3示出MVVIPS的计算模型。计算首要判断涡轮增压器涡前压力和压气机后压力的逆差最大值(图4示出试验用柴油机在外特性点处,涡前压力和压气机后压力的变化趋势),进而通过流体力学计算公式计算出具有最大吸引能力的文丘里管结构尺寸,再根据试验用柴油机标定工况下最大进气流量,计算出能保证进气充量的文丘里管数量。本次计算共设计了5组管道,每组4个不同截面积比的文丘里管。分别将5组文丘里管连接到流量模拟测试台中,进行压降测试和流通能力测试。图5示出MVVIPS系统流动模拟试验示意,图6示出5组文丘里管系统的压降能力对比,表1示出5组文丘里管系统流通能力的对比。从图6可知,第4组所实现的压降能力最大,但由于截面积组合过小,管道最大流量小于原机标定工况点需求(原机为882kg/h),因此不予考虑。第2组虽然管道最大流量最大,但在压降方面没有优势,影响到了EGR率的扩充。本次试验中选取第5组为最终应用到台架试验上的MVVIPS系统。2.2mvvips系统控制柴油机工况复杂,若要匹配良好需要大量工作,故只重点研究在稳态工况下增压柴油机采用MVVIPS系统后在提高EGR率方面的初步效果。图7示出MVVIPS系统控制思路。首先控制单元判断发动机的运行工况,然后通过内部计算器计算出一个理论流量值,将这个理论流量值与内部存储器中的数据图进行对比,找出最靠近此流量的控制规则,最后通过此控制规则实现对电磁阀的控制。若计算出的进气流量值不在存储数据中,则再次判断发动机工况,修正计算参数,直到与存储数据相近为止。3标定功率试验发动机为1台直列6缸四行程直喷式增压中冷柴油机,其缸径为114mm,行程为135mm,标定功率为162kW,标定功率转速为2200r/min,最大扭矩为850N·m,最大扭矩转速为1400r/min。原机带有传统的分流式文丘里管电控冷却式EGR系统,以下试验数据皆为采用MVVIPS系统后相对于原机的变化。3.1空气系数的影响图8示出3种转速下,不同负荷时采用MVVIPS对柴油机过量空气系数的影响。从图中可以看出,过量空气系数的变化在不同负荷下有着不同的表现形式,这是因为负荷不同,流通管道中电磁阀打开的数量不同。但总体上在60%负荷处过量空气系数变化最大。3.2控制策略决定从图9可以看出,EGR率的变化呈近似二次曲线,这是由电控EGR系统控制策略决定。在低负荷工况下没有必要加入太多的再循环排气,而在高负荷工况下引入过多的再循环废气会对柴油机动力性和经济性产生恶劣影响,因此控制策略中基本确定为中等负荷处采用较大EGR率。3.3曲线排放污染物时,nox的排放干预为了说明采用MVVIPS系统后对试验用柴油机NOx排放的影响,进行了柴油机稳态十三工况测试下的NOx排放的对比(见图10)。柴油机在采用MVVIPS系统后,NOx排放除在怠速工况点几乎没变化之外,其余工况都有一定程度的下降,特别是在第六和第八工况,其中第八工况下降幅度最大,达到17.4%。综合试验用柴油机动力性、经济性和排放性的要求,整合试验数据并成图,做出了试验用增压柴油机初步最佳EGR率脉谱图(见图11)。4提高空气系数a)采用多级并联式文丘里管进气系统后,试验用柴油机在中低负荷下过量空气系数有小幅度减少,在高负荷下过量空气