【《汽车废气再循环系统EGR阀的计算设计》5200字】

汽车废气再循环系统EGR阀的计算设计目录TOC\o"1-3"\h\u2436汽车废气再循环系统EGR阀的计算设计 [21]为实现EGR率的精确控制，结构较为复杂。分为两种类型：正背压EGR阀和负背压EGR阀。一般由背压转换器和基本EGR阀两部分组成。正背压EGR阀.图1.1正背压EGR阀示意图正背压EGR阀中软弹簧使放气阀保持开启，然后减小真空室的压力，通过推杆内的通道进入废气室使动作膜片两侧形成压差，膜片抬起得更高，带动锥形阀抬高，，EGR阀开启。有上面原理可知，正背压EGR阀不适用与排气背压较大的发动机上。负背压EGR阀图1.2负背压EGR阀示意图负背压EGR阀适用于排气背压较大的发动机上。由于膜片上的真空压力较大，克服大弹簧的弹性力，使锥形阀开启，即EGR阀开启。由负背压EGR阀的原理可知，真空室的真空度必须保持在较大值。由于发动机工作状态的变化和EGR率之间没有明显比列关系，而气动式EGR阀无法实现EGR率与发动机不同工况的良好匹配，所以现在运用不多。真空电磁控制EGR阀1-空气通道；2-阀体；3-通大气；4-去EGR阀；5-电磁阀线圈；6-通进气歧管图1.3真空电磁控制EGR阀示意图真空电磁EGR阀的工作原理是REF_Ref41684611\r\h[22]：EGR阀橡胶膜片的一侧与弹簧相连，另一侧与阀杆相连，在静态下，由于弹簧的弹性力的作用使阀杆的末端紧压在阀座上，这个时候EGR阀为关闭状态，当真空室里压力足够大时，并且大于下方弹簧的弹力时，阀杆会被吸向上，从而下方阀座底端EGR口开放，一部分少量废气会从排气歧管进入进气歧管，这个时候真空室中压力变小，小于弹簧弹力，阀杆会向下移动。是EGR阀开度减小直致关闭，紧压在阀座上。所以EGR阀的开度由真空口的真空度控制，而真空度的大小直接有ECU控制的EGR电磁阀控制。EGR电磁阀控制过程：通过转速传感器、水温传感器、油门踏板位置传感器等信号传给ECU进行数据分析，通过对比ECU中预存的EGR率频谱图，控制最佳的EGR率，将信号传给真空控制电磁阀，以此来控制EGR阀的真空度。当阀门开度太小时，EGR控制电磁阀开启时，EGR阀膜片上部真空度减小，从而带动阀杆向上运动，增大阀门开度。反之当阀门开度太大时，EGR控制电磁阀开启时，EGR阀膜片上部真空度增大，从而带动阀杆向下运动，减小阀门开度。真空电磁控制EGR阀技术近似于一种纯机械控制方式，技术较成熟，结构简单，但是反应迟钝，控制精度低。1.1.3比例电磁控制式EGR阀1-排气；2-进气；；3--阀杆（永磁铁铁芯）；4-螺线管图1.4比例电磁控制EGR阀比例电磁控制式发动机适应于低流量要求的发动机，价格便宜、响应快、精度高、技术成熟、可闭环控制，但阀口直径小、流量低、不适应于增压机型。1.1.4步进电机控制式EGR阀1-进气；2-排气；3-回位弹簧；4-阀杆；5-阀芯；6-步进电机.图1.5步进电机控制式EGR阀示意图步进电机控制式EGR阀是通过电机提供动力，由ECU发出信号来控制步进电机进行转动，并且把转动变成移动，从而来改变阀门的开度。步进电机EGR阀相比较其它EGR阀，并不会受到不同工况变化的影响，具有良好的开度稳定性[23]。直接通过ECU输出信号来控制电机的转动和移动，操作系统结构比较简单；并且转动步数精确，不需要位置检测，可以实现开环控制，降低其硬件和软件的成本；而且驱动力大，其控制流量是普通阀门的3-4倍，可以实现大EGR率。1.进气；2.排气；3.阀杆；1.回位弹簧；5.直流电机.图1.6直流电机控制式EGR阀示意图直流电机控制式EGR阀REF_Ref41684633\r\h[23]的工作原理与步进电机控制式EGR阀的控制原理类似，但是驱动方式不同，直流电机控制式EGR阀是用通过直流电机驱动，而步进电机是通过ECU发送信号来控制电机的转动。直流电机控制式EGR阀也有其优点：直流电机能够迅速切换正反转，机动性强，能够迅速开启和关闭EGR阀，但是电机里面结构极其复杂，需要利用闭环控制，成本高，适用于增压机型。目前也有越来越多的商家采用直流电机控制的EGR阀。总的来说，机械式EGR阀，由于控制精度不高，布置结构复杂，响应时间长，现在运用较少。综上所述，本课题为EC5发动机的EGR阀，不需要增压，所以采用比例电磁控制式EGR阀作为研究对象。其设计图如下1.7所示。1-阀杆；2-阀座；3-定位螺钉；4-外壳；5-安装盖；6-位移传感器；7-插孔；8-滑动变阻器；9-阀芯；10-连接套筒；11-线圈；12-阀体；13-密封块；14-垫片.图1.7直流电机控制式EGR阀示意图1.2EGR阀结构设计及材料选择EGR阀是EGR系统的关键部件，EGR阀主要有阀体，阀座、阀芯，步进电机、连接套筒、电枢等构成。本课题采用直线式步进电机是吧脉冲信号转换成微步直线运动的一种装置，它可以进行精确的直线位移控制，从而实现动态以及静态定位。1.2.1EGR阀选型（1）EGR阀根据布置位置的不同分为冷端阀和热端阀。热端阀的优点：由于废气的温度较高，EGR阀内及其相关密封件结胶的可能性小，避免EGR冷却器受到排气压力的冲击。热端阀的缺点：尺寸大、成本高；需要加装冷却装置和使用耐高温材料。冷端阀的优点：尺寸小、成本低；相对热端阀工作温度低，要求材料耐高温的要求不高，不需要冷却装置。冷端阀的缺点：有受到含硫量高的燃油腐蚀的风险。由于本课题讨论的是自然吸气汽油的EGR系统，所以废气温度相对较低，且为了降低成本，采用冷端阀。（2）根据阀门开启方式的不同，EGR阀分为蝶阀和提升阀。蝶阀流通面积比较大，产生压力损失比较小，结构简单，安装方便。但是蝶阀对于流量调节的精度不高，但是因为材料和结构的原因不适合放再高温、压力大的流体物质物质很中，。提升阀对阀门控制精度较高，可以通过阀杆升程来精确控制流通面积，从而精确控制废气流量，以达到调整EGR率的目的，且提升阀的结构可以用于高温中。综上所述，本课题采用提升阀的结构形式。1.2.1阀座的设计（1）阀座材料的选择阀座作为EGR阀的底座，具有固定支撑和连接进气歧管的作用。阀座进气孔和排气孔的大小取决于EGR阀的最大流量及进排气的压力差。一般来说，阀座的设计需要把阀座口径尺寸的下偏差放大一点。由于阀座长时间处在高温和具有腐蚀性的废气工作环境中，所以必须采用一些耐高温和耐腐蚀的材料，且在高温情况下的热硬度好，变形小，一般的金属不能满足其要求，可以采用不锈钢材质。如：5Cr21Mn9Ni4N、1Cr18Ni9Ti等。（2）进排气孔的设计进、排气孔的布置形式有两种：同侧布置和异侧布置。且一般排气孔的直径比进气孔的直径大1.2-1.4倍。图1.8进、排气孔同侧布置图1.9进、排气孔异侧布置同侧布置，有较大的稳压箱，适合气压波动较大的发动机使用，所以适用于汽油机。异侧布置，稳压箱相对较小，适合于柴油机。根据上面的讨论，本课题选用同侧布置比较合理，如图1.10阀座示意图所示。图1.10阀座示意图1.2.2阀杆的设计阀杆也是EGR阀的重要组成部件，阀杆的上下移动控制EGR阀的开启和关闭。阀杆下端也经常处于高温环境中，且与废气直接接触，所以阀杆材质的选择也需要耐高温和耐腐蚀，且阀杆的长度大，直接小，所以需要具备一定的强度和刚度。且阀杆和阀座之间存在动密封要求，为了满足软硬密封原则，需要选择不同的材料。20CrMo是一种地毯合金钢，具有良好的耐腐蚀性，所以本课题中EGR阀的阀杆采用20CrMo这种材料。1.2.3阀杆与阀座的配合阀杆与阀座的配合包括密封形式的选择和启闭方式的选择。阀杆与阀座的密封形式选择不恰当会使阀门关闭不严而发生漏气，EGR率的控制不精确。而阀杆与阀座启闭方式的选择不恰当会使废气流动性变差以及阀的总体结构布置变大。（1）密封方式的选择保证单个零部件的尺寸合格是保证密封的关键，但是零部件之间良好的配合也是保证密封的关键REF_Ref41684648\r\h[24]。配合方式一共有三种，球面、锥面以及平面密封。其中球面密封的比较适合，而且满足较大多数条件，但是，球面密封的制造比较困难；而平面密封对预紧力的要求比较高，需要比较多的零件，并且平面密封方式对密封圈的要求高；锥面密封方式相对球面密封的零件少，预紧力要求也没那么高，制造还简单方便，且对中性能良好。所以本设计的EGR阀选择锥面密封方式。其结构如下图1.11、1.12和1.13所示。图1.11球面密封图1.12锥面密封图1.13平面密封综合考虑，本课题采用锥面密封方式，如图1.12。图1.14阀杆与阀座的密封结构图（2）启闭方式的选择阀杆和阀座的启闭方式包括内沿式和外伸式。内沿式是指阀杆由于向阀体内部运动而使阀门开启的方式，内沿式的阀杆阀座配合方式，对阀门冲击载荷小，能减小阀的总体布。但是内沿式稳压腔空气扰动比较大，管路噪声大稳压效果差，容易积碳。外伸式的管内噪声比较小，稳压作用比较好，且出口管路的流动损失小，但是外伸式对阀门具有严重的冲击，阀杆载荷比较大并且阀的总体长度空间变长。其结构如下图1.15和1.16所示。图1.15外伸式启闭方式图1.16内沿式启闭方式1.2.4密封结构由于废气从阀座下端的进气孔进入，从出气孔排出，而阀座上端需要设置一开口，使阀杆通过，由于阀座密封环境多油、高温以及会和气液接触，所以阀座上端的密封条件显得尤为重要。密封垫片的材料一般有聚硫橡胶，有机硅橡胶，丁腈橡胶，尼龙等，再结合密封材料的性能，本课题采用丁腈橡胶的密封垫片进行密封。1.3EGR率的计算对进入系统的废气量进行最佳控制式EGR系统的主要任务，不同工况下需要不同EGR率，不同工况下的最佳EGR率会降低发动机废气排放物中氮氧化合物的比列。一般有三种方法用来计算EGR率方法一：空燃比法：ηEGR=其中，Mi代表EGR阀中新鲜空气的量，M方法二：二氧化碳法：ηEGR=其中∅CO2air、∅CO方法三：混合温度法废气再循环系统的过程就是气体的绝热变化的过程，将废气和吸进来的空气混合进行再循环。假设，回流的废气温度的压力分别是T1，P1，新鲜空气的温度和压力分别是T2，P2，根据热力学平衡公式可以得到：T⋅通过（4-1）（4-3）式可以导出新的公式：EGR=由于实验环境的相同，可以忽略压力和温度的因素，即Cp1=Cp2，可以导出下面的公式EGR=T⋅如果说进气口和排气口温差不大时，这些公式计算误差会变得很大，这是这种计算方法的一个极大的缺点，所以不适合比较严格的实验，最终结果也会因为误差太大而无法使用。通过对比，最终本课题选用空燃比法对EGR率进行计算。根据文献资料显示，步进电机控制式的EGR率在不同发动机工况下的范围如下表4-2所示：表4-2不同发动机转速下对应的最佳EGR率发动机转速（r/min）负荷最佳EGR率200010%3%-9%200025%7%200055%13%250025%15%-18%250050%13%300025%12%-16%300050%10%300075%7%根据文献资料显示，EGR率如果太高，将会产生过多的废气，这些废气会对发动机造成损伤可能会引起爆震，效率下降甚至会熄火的现象。但是当EGR率过低时，废气中氮氧化合物含量会变得更高，甚至会破坏发动机里面的零件。当最佳EGR率达到15%时，NOX可以减少50%左右，甚至更高。因此需要运用汽车电子控制技术来对EGR阀来进行合理控制，在满足氮氧化合物排放降低的同时，又要对发动机的动力性和经济性进行保障。1.4EGR阀门开度及阀杆直径的设计EGR系统对EGR率的控制主要取决于对EGR阀阀门开度的设计和计算。由上面的讨论可知，本课题阀杆与阀座的密封方式采用的是锥面密封。当EGR关闭时，如图1.17所示：图1.17阀门关闭示意图当阀门部分开启时，如图1.18所示：图1.18阀门部分开启示意图当EGR率达到15%时，阀门全部开启，如图1.19所示图1.19阀门全部开启示意图在阀杆阀座设计完毕后，需要对阀门的开启程度进行验算，必须保证在EGR阀关闭时，阀门也能完全关闭，而且最佳EGR率时，阀门内的流量不能超过最大的EGR的流量。进入发动机气缸的新鲜空气质量计算：Mi式中：ηV为充气效率；ρ0为空气密度；联立（4-1）式和（4-6）式，可以算出进入气缸的废气量，通过控制EGR阀门的开度，来精确控制进入气缸的废气量。本课题研究的是基于东风标致1.6升自然吸气汽油机，发动机型号为：EC5。由上面的讨论可知，EC5发动机不同工况下，当发动机转数为2500r/min，负荷为25%时，最佳EGR率的最大值设定为15%。由于发动机的吸气方式为自然吸气，所以充气效率取0.8。没有增压，所以增压的效率取1。