增压柴油机外部EGR系统设计与试验分析.pdf
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1、 增压增压柴油机外部柴油机外部 EGREGR 系统设计系统设计与试验分析与试验分析 摘摘 要要 眼下,我国汽车产业的发展势头迅猛,汽车保有量正在快速增长,汽车不 仅给人们提供了舒适和方便,还带来了交通堵塞、交通事故以及有害尾气等危 害。尤其是有害尾气(一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物、PM 颗粒)对人 类生存环境的影响很大。所以控制尾气排放,已成为全球各大汽车公司以及相 关专家的研究重点。在汽车排出的尾气中,氮氧化合物的危害最大,且难以消 除。目前,EGR(废气再循环)系统在降低氮氧化合物排放方面效果最为显著, 该系统根据发动机的实时工况,将适量发动机排放的废气再循环至气缸参与燃 烧,由于废气
2、的比热容较高,减缓了燃烧速度、降低了燃烧温度,使得氮氧化 合物生成量降低。 本文结合国内某一汽车公司增压柴油机研发项目, 对 EGR 系统零部件进行 设计,在排放标准上能达到国标准,在工程实际应用上具有一定的参考和使 用价值。 首先,从氮氧化合物形成机理入手,分析 EGR 技术的基本原理,分析几种 典型 EGR 技术以及在柴油机上的应用情况。 其次,结合本文所设计的增压柴油机的需要,对 EGR 系统的主要零部件的 结构参数进行计算确定,对部分部件进行选型设计。 最后,利用 GT_Power 和三维 star-CD 软件建立热力学模型进行计算,对 EGR 系统进行试验验证,并对试验结果进行分析,
3、本文设计的 EGR 系统是否 满足各缸燃烧均匀性及降低油耗的要求,同时经过试验比对,确定废气出口方 案及管路上下腔深度方案进行试验验证,选出最优方案。 关键词关键词:EGR 原理;EGR 技术应用; EGR 系统设计;试验验证 Design and experimental analysis of turbocharger diesel external EGR system ABSTRACT With rapid development of automobile industry,the amount of car ownership of our country grows fastly
4、 in recent years,which bring not only comfort and convenience,but also traffic jams,traffic accident and exhaust of vehicle.Particularly, harmful automobile exhaust emissions,which consist of carbon monoxide,nitrogen oxides,hydrocarbon and fine particles has far-reaching influence particulate matter
5、,make considerable negative influence to on the human survival environment.Therefore,exhaust emission control has attracted much attention of global car firms and experts.In which,nitrogen oxides makes the greatest damage to environment,and it is difficult to eliminate.At present, Exhaust Gas Recirc
6、ulation has been widely used to reduce the emission of nitrogen oxides ,which using it recirculate proper amount of engine exhaust gas to cylinder,according to the real-time status of engine,powertrain has remarkable effects in respect of nitrogen oxides reduction.Because of specific great heat capa
7、city of exhaust,the rate of combustion and burning temperature were reduced, which lead to less production of nitrogen oxides. Based on development project of supercharged diesel engine of one certain automobile enterprise,design of key parts of EGR was discussed in this thesis to meet the fourth ge
8、neration emission standards provides referential values to practical applications. Firstly,fundamental mechanism of EGR was analyzed,and several typical EGR technologies were introduced. Secondly,structural parameters of key parts in EGR system were designed . Finally,GT_Power and star-CD were used
9、to establish thermodynamic model of the system,and experimental tests of EGR system were carried out to verify the presented model.The requirements on uniformity of the combustion and lower fuel costs were evaluated,and the feasibility of exhaust exit place and the depth of top and bottom lumen in p
10、ipe were verified.At the end,the structure of the system is optimized. Keywords:Principle of EGR technology; EGR technology application; Design of EGR system;Experimental verification 致致 谢谢 在职业学校的教师岗位工作六七年后,能够重新踏入学校的大门,较为系 统和深入的学习车辆工程知识,对我来说,实在是难得的充电机会。在几年学 习过程中,既得到了良师的教诲,又得到了同学和益友的启发,使我受益良多。 在这篇论文的
11、写作过程中,我的导师卢剑伟教授给予了我很大的帮助,本 论文能够顺利完成,离不开导师的悉心指导和严格要求,导师渊博的专业知识, 严谨的治学态度,精益求精的工作作风,诲人不倦的高尚师德,严以律己、宽 以待人的崇高风范,朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远,不仅使我 树立了自己的学术目标、掌握了基本的研究方法,还使我明白了许多待人接物 与为人处世的道理。本论文从选题到完成,每一步都是在导师的指导下完成的, 倾注了导师大量的心血。在此,谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢! 在论文完成过程中,还要对左承基教授的悉心指导和无私帮助表示感谢!左教授 理论知识扎实,实践经验丰富,对工作和生活积极的态度都深
12、深影响了我。同时,我 要感谢这几年来所有教导过我、关心过我的老师。特别是机械与汽车工程学院 的刘志峰教授、钱立军教授、王其东教授、陈科教授、朱家诚教授、李志远教 授、王勇教授、黄康教授、任永强副教授、尹安东副教授、高荣慧副教授、陈 恩伟副教授、孙骏副教授。你们为我的学业倾注了大量心血,你们为人师表的 风范令我敬仰,严谨治学的态度令我敬佩。 我还也要感谢学校所有辛苦工作老师,感谢他们给予我学业上无私的教诲 和生活上亲切的关怀! 同时,尤其感谢多年来一直给予我鼎力支持和无私奉献的父母以及默默支 持和照顾我学业和生活的丈夫,没有他们的付出与牺牲,我的课题研究就谈不 上顺利完成,再次真心地感谢和祝福他
13、们! 最后,谨向所有在攻读工程硕士学位期间曾经关心和帮助过本人的老师和 同学表示最诚挚的谢意! 作 者:陈梦 2013 年 12 月 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论 .1 1.1 汽车尾气形成机理及危害 .1 1.1.1 一氧化碳形成机理及危害 .1 1.1.2 碳氢化合物形成机理及危害 .1 1.1.3 氮氧化合物生成机理及危害 .2 1.2 排放污染物的主要控制策略2 1.2.1 使用清洁燃料 2 1.2.2 采用降低发动机排放的燃烧技术 2 1.2.3 发动机内部净化处理方式 .4 1.3 EGR 技术的应用 5 1.3.1 EGR 技术的工作原理 .6 1.3.2 EGR 率的方
14、法研究及对排放的影响 6 1.3.3 典型的 EGR 系统 .7 1.3.4 电控 EGR 技术在柴油机上的应用 .8 1.4 本论文的主要研究工作. 10 第二章第二章 EGR 系统主要零部件的设计与选型系统主要零部件的设计与选型 11 2.1 EGR 系统的设计原则 . 11 2.2 EGR 系统引流方式的设计计算 . 11 2.3 EGR 系统取气位置的选择 14 2.4 EGR 阀的设计 16 2.4.1 EGR 阀的热端和冷端布置 16 2.4.2 电机驱动 EGR 阀 . 17 2.4.3 EGR 阀的阀门设计. 18 2.5 EGR 冷却器的设计 . 21 2.5.1 EGR 冷
15、却器的选型. 22 2.5.2 EGR 冷却器的设计计算及材料选择 22 2.5.3 EGR 冷却器旁通阀的设计 26 2.5.4 EGR 冷却器试验验证 . 27 第三章第三章 试验验证与分析试验验证与分析 . 30 3.1 EGR 系统试验验证组织 300 3.1.1 试验设备名称 30 3.1.2 试验条件 . 30 3.1.3 样机的布置 31 3.1.4 所使用软件的情况 . 31 3.2 EGR 系统试验验证与管路设计优化 32 3.2.1 废气出口位置计算方案 32 3.2.2 上下腔深度计算方案 37 第四章第四章 工作总结与展望工作总结与展望 . 43 4.1 论文结论 .
16、43 4.2 EGR 技术发展展望 43 参考文献参考文献 45 攻读硕士学位期间发表的论文攻读硕士学位期间发表的论文 48 插图清单插图清单 图 1-1 近十年我国汽车销量情况1 图 1-2 GDI 发动机结构简图3 图 1-3 HCCI 发动机工作原理图4 图 1-4 FSI 燃油喷射技术工作原理简图4 图 1-5 EGR 系统原理图6 图 1-6 电控真空控制 EGR 系统9 图 1-7 直线电机控制 EGR 系统10 图 1-8 直线电机控制 EGR 阀的开度10 图 2-1 文丘里管设计尺寸图12 图 2-2 1800r/min 不同喉口直径文丘里管引流能力13 图 2-3 2000
17、r/min 不同喉口直径文丘里管引流能力14 图 2-4 高压 EGR 循环图14 图 2-5 低压 EGR 循环图15 图 2-6 EGR 阀冷端、热端布置方式16 图 2-7 直流电机 EGR 阀零件图17 图 2-8 电机驱动 EGR 阀各部分温度要求20 图 2-9 各工况下再循环废气量与阀门升程关系21 图 2-10 U 型 EGR 冷却器结构简图22 图 2-11 I 型 EGR 冷却器结构简图22 图 2-12 EGR 冷却器27 图 2-13 废气经过冷却器冷却效率及压力降曲线图28 图 2-14 废气不经过冷却器冷却效率及压力降曲线图28 图 3-1 一维 GT_Power
18、软件建立的热力学模型32 图 3-2 废气出口原始布置方案各缸 EGR 流量分布32 图 3-3 方案一数模图片示意图33 图 3-4 方案二数模图片示意图33 图 3-5 方案三数模图片示意图33 图 3-6 方案四数模图片示意图34 图 3-7 方案五数模图片示意图34 图 3-8 1500r/min 五组废气出口方案燃烧均匀性对比图34 图 3-9 1500r/min 五组废气出口方案燃油消耗率对比图35 图 3-10 2000r/min 五组废气出口方案燃烧均匀性对比图35 图 3-11 2000r/min 五组废气出口方案燃油消耗率对比图36 图 3-12 2200r/min 五组废
19、气出口方案燃烧均匀性对比图36 图 3-13 2200r/min 五组废气出口方案燃油消耗率对比图37 图 3-14 数模图片示意图38 图 3-15 1500r/min 三组管路深度方案燃烧均匀性对比图38 图 3-16 1500r/min 三组管路深度方案燃油消耗率对比图39 图 3-17 2000r/min 三组管路深度方案燃烧均匀性对比图39 图 3-18 2000r/min 三组管路深度方案燃油消耗率对比图40 图 3-19 2200r/min 三组管路深度方案燃烧均匀性对比图40 图 3-20 2200r/min 三组管路深度方案燃油消耗率对比图41 图 3-21 上下腔深度优化方
20、案二各缸 EGR 流量分布41 图 4-1 EGR 系统结构发展路线图44 表表 格格 清清 单单 表 2-1 发动机性能参数 . 11 表 2-2 文丘里管结构设计参数 13 表 2-3 高压 EGR 循环和低压 EGR 循环的优缺点比较 15 表 2-4 EGR 阀布置位置的比较 17 表 2-5 EGR 冷却器结构参数 . 26 表 3-1 试验台架设备 . 30 表 3-2 发动机台架布置 . 31 表 3-3 原始方案各缸 EGR 率及相对偏差率 32 表 3-4 三组 EGR 管路上、下腔深度方案 . 38 表 3-5 上下腔深度优化方案二各缸 EGR 率及相对偏差率 . 42 1
21、 第一章第一章 绪绪 论论 随着经济和汽车工业的飞速发展,全球的汽车保有量正在逐年迅速增加, 据统计,全球的汽车拥有量先以每年 3500 万辆的速度增长。截止到 2012 年, 全世界的机动车保有量已超过 10 亿辆。在我国,2003 年汽车保有量约 2400 万 辆,2013 年汽车保有量已将近 1.2 亿量(如图 1-1,我国十年来汽车销量增长 率) 。 图 1-1 近十年我国汽车销量情况 以前车辆较少的时候,汽车带来的危害尚不明显,但是现在我国各大城市 的主干道上已经车满为患,几乎各大城市都被交通拥堵困扰着,汽车本应给人 们带来的快速、舒适、高效的优点,也逐渐因汽车所衍生的问题所抵消。以
22、下 是南方某市环保局对该市汽车尾气排放进行的调查数据 1:截止到 2013 年,该 市拥有机动车辆 240 万辆,机动车年排放一氧化碳 60 万吨,相当于该市工业企 业一氧化碳排放量的 26 倍, PM2.5 及氮氧化物的排放量分别占全市总量的 31% 及 60%。由此可以看出,整治汽车尾气已成为该市迫在眉睫的工作。同理,汽 车尾气也成为全国大中等城市重要的污染源,如何做好节能减排,已成为专家 学者研究的重要领域,节能和环保的要求也会进一步促进内燃机技术的发展。 1.1 汽车尾气形成机理及危害汽车尾气形成机理及危害23 1.1.1 一氧化碳形成机理及危害 汽车尾气中一氧化碳主要是由于油气混合燃
23、烧时, 氧气不足所产生的产物。 一氧化碳是一种稳定的物质,与其他物质发生反应所需条件较高,同时一氧化 碳与人体血液中的血红蛋白的亲和力是氧气的几百倍,当人们吸入少量的一氧 化碳时,会造成头晕、无力、胸闷等中毒症状,当吸入大量的一氧化碳,会使 得大脑、心脏及其它重要人体器官缺氧,严重时会导致中毒死亡。 1.1.2 碳氢化合物形成机理及危害 汽车燃油的主要成分是碳和氢,当燃油没有完全燃烧时,残余的燃油蒸汽 2 会变成尾气排到大气中去,经过强烈阳光的照射易与空气中其他成分反应生成 碳氢化合物或者形成光化学烟雾。除此之外,燃油箱以及燃油管路泄露,都会 造成碳氢化合物的生成。碳氢化合物中,有的气体会造成
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