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柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)技術(shù)EGR的應(yīng)用與工程優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

文檔作者：高舒芳文檔來(lái)源：山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年04月11日
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Internal Combustion Engine＆Parts
·，7·
柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)技術(shù)(EGR)的應(yīng)用與工程優(yōu)化
設(shè)計(jì)研究
高舒芳
(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原030031)
摘要：隨著我國(guó)逐步進(jìn)入十三五規(guī)劃下的社會(huì)經(jīng)濟(jì)改革，廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)逐步得到更為廣泛的應(yīng)用，這一技術(shù)可以有效降
低柴油機(jī)主要排放物NOx的排放，而冷EGR技術(shù)可以使這一效果明顯增強(qiáng)，EGR冷卻器性能對(duì)降低NOx排放起著重要作用。優(yōu)化
冷卻器結(jié)構(gòu)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效率，降低NOx的重要手段。本文在綜述前人的研究成果的基礎(chǔ)上，提出了對(duì)典型結(jié)構(gòu)冷卻器進(jìn)行改
進(jìn)的方案。
關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；廢氣再循環(huán)技術(shù)(EGR)；冷卻器；研究進(jìn)展
1柴油機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r
我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，柴油機(jī)排放技術(shù)的研究落
后于汽油機(jī)是不爭(zhēng)的事實(shí)，柴油機(jī)空氣利用率要差，功率
比汽油機(jī)要低，低溫啟動(dòng)性、加速性能要差，比質(zhì)量要高，
碳煙和高的NOx排放一直是阻礙柴油機(jī)車輛的瓶頸。
我國(guó)的實(shí)際情況不管是標(biāo)準(zhǔn)的松緊程度，還是道路交
通情況都和歐洲相似。因此，我國(guó)的排放法規(guī)是以歐洲的
排放法規(guī)為藍(lán)本，全面采用了歐盟指令、ECE技術(shù)和部分
歐共體法規(guī)。我國(guó)在近些年來(lái)大力提倡節(jié)能減排政策并制
定了嚴(yán)格的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的法例加以規(guī)管。為了滿足未
來(lái)法規(guī)的要求，必須同時(shí)減少NOx和煙塵的排放。表1為
我國(guó)重型柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)。
表1我國(guó)重型柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)
階段實(shí)施年份NOx(g／kWh) PM(g／kWh)
I 2000 8 0．61(三85kw)0．36(>85kw)
Ⅱ 2003 7 0．15
Ⅲ 2007 5 0．1
Ⅳ 2010 3．5 O．02
V 2012 2 O．02
2冷EGR技術(shù)概述
2．1 EGR降低柴油機(jī)NOx排放的機(jī)理
EGR即廢氣再循環(huán)就是將一部分廢氣引入進(jìn)氣管與
新鮮充量混合后進(jìn)入氣缸進(jìn)行燃燒。EGR技術(shù)有兩種實(shí)
現(xiàn)方式，一是保留發(fā)動(dòng)機(jī)前一工作循環(huán)的部分廢氣，實(shí)現(xiàn)
可變氣門定時(shí)(稱內(nèi)部EGR)；另一種是利用一根EGR管
道將廢氣引入進(jìn)氣管，再進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)下一工作循環(huán)參與燃
燒(稱外部EGR)。
2．2冷EGR系統(tǒng)概述
冷卻的EGR技術(shù)是國(guó)外控制NOx排放的主要措施
術(shù)，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。據(jù)相關(guān)資料的介紹，EGR冷卻
器可有效降低NOx排放的7％～15％。冷EGR系統(tǒng)如圖1
所示。
3 EGR國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
冷EGR技術(shù)是滿足歐Ⅲ和歐Ⅳ排放標(biāo)；隹的新技術(shù)，
已是國(guó)外汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)凈化必備措施，然而冷EGR技
術(shù)發(fā)展還不是很完善，廢氣溫度依然很高。國(guó)內(nèi)外大量研
究工作者從冷卻器的材料、結(jié)構(gòu)、制造技術(shù)等發(fā)面進(jìn)行改
作者簡(jiǎn)介：高舒芳(1986一)，女，山西太原人，碩士研究生，畢業(yè)于
中北大學(xué)，動(dòng)力機(jī)械及工程專業(yè)，助講，研究方向?yàn)楣?
程機(jī)械控制。
進(jìn)，希望得到最理想
的冷卻效率和最佳
的排放和性能要求。
侯鎂龍等研究
了EGR冷卻器的產(chǎn)
生積碳影Ⅱ向因素，以
及積碳帶來(lái)的不利
影響。從而得出了廢
氣成分、冷卻器結(jié)構(gòu)
和冷卻條件影響積
碳產(chǎn)生。并且積碳會(huì)
圖1冷EGR系統(tǒng)
影Ⅱ向到冷卻效率，降低EGR冷卻器的工作能力。為構(gòu)建
EGR冷卻器試驗(yàn)臺(tái)做充足的準(zhǔn)備。
孫劍濤等利用微軟開發(fā)的Excel XP應(yīng)用軟件計(jì)算換
熱器。采用經(jīng)驗(yàn)公式并根據(jù)EGR冷卻器的自身特點(diǎn)，為
YC4112ZLQ增壓中冷柴油機(jī)設(shè)計(jì)了EGR冷卻器，并進(jìn)行
了流阻校核計(jì)。為本次EGR冷卻器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了設(shè)
計(jì)指南。
王巖松等應(yīng)用ANSYS軟件建立了EGR冷卻器流體
熱力學(xué)有限元模型，并且對(duì)不同散熱器形狀和不同管道數(shù)
EGR冷卻器的冷卻效率進(jìn)行了對(duì)比研究。發(fā)現(xiàn)在冷卻器
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面應(yīng)散熱器形狀和換熱管排布的影響。
王謙等研究了不同結(jié)構(gòu)的換熱管對(duì)冷卻器冷卻效率
的影響，并對(duì)原有的冷卻器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。得出通過(guò)改變
過(guò)渡錐形管長(zhǎng)度、廢氣進(jìn)口截面形狀、翅片間距冷卻器
的冷卻效率。使得此次優(yōu)化有了更加明確地方向。
黃德軍等在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出冷EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能
的影響，以及各負(fù)荷下冷EGR的使用情況，并且得出結(jié)論，
冷EGR是滿足越來(lái)越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)的必備裝備之一。
李愛娟等人設(shè)計(jì)了一套冷EGR系統(tǒng)，驗(yàn)證與熱EGR
相比冷EGR對(duì)降低NOx排放的作用。
向飛等人研究了現(xiàn)如今冷卻器的發(fā)展現(xiàn)狀并介紹了
冷卻的EGR技術(shù)中各種EGR冷卻器的結(jié)構(gòu)和性能特
點(diǎn)，指出了EGR冷卻器設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。
日本五十鈴公司生產(chǎn)的采用可變噴嘴截面渦輪增壓
器的柴油機(jī)6AWl(12L，280kW)、新型的4HFl和4HGl
非增壓柴油機(jī)(功率分別為95．6和103kW)、6HHl和
6HLl等增壓中冷柴油機(jī)、通用公司生產(chǎn)的6．5L柴油機(jī)、
洋馬的TESl50型柴油機(jī)、德國(guó)大眾公司從1997年推出
的Golf和Jetta以及1998年度推出的新型Passat等轎車、
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
·8· 內(nèi)燃機(jī)與配件
2000年推出的LUPO三升汽車等使用的廢氣渦輪增壓的
高速直噴式柴油機(jī)(帶可變噴嘴和中冷)等都采用了冷
EGR技術(shù)來(lái)滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求。根據(jù)有關(guān)資料
介紹，現(xiàn)在歐洲所有轎車柴油機(jī)上都采用了冷EGR技術(shù)。
在重型柴油機(jī)方面，VOLVO卡車北美公司稱，所有在
2002年第四季度訂購(gòu)的裝用VOLVO柴油動(dòng)力的卡車都
采用了稱為V脈沖的冷EGR系統(tǒng)，以保證現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的
平臺(tái)而無(wú)須采用后處理技術(shù)，從而滿足美國(guó)2004年的排
放標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)的Cummins公司在上個(gè)世紀(jì)90年代中葉已
將冷卻EGR技術(shù)用于包括B系列在內(nèi)的所有中型和重型
柴油機(jī)上。采用該技術(shù)后，與原有產(chǎn)品相比，燃油消耗下降
了2％，NOX減少了50％，無(wú)輔助冷啟動(dòng)時(shí)間減少了80％。
Cummins公司的副總裁兼首席技術(shù)官John Wall指出，
Cummins公司對(duì)EGR技術(shù)的研究結(jié)果非常滿意、充滿信
心，可用于所有Cummins公司的車用發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)。他認(rèn)為
目前既要使NOX+NMHC排放達(dá)到2．59／bhp—hr的限值標(biāo)
準(zhǔn)，又要使得燃油耗和成本低、Ⅱ向應(yīng)和其他發(fā)動(dòng)機(jī)性能好
的目標(biāo)，除了采用EGR技術(shù)沒有更好的措施。
從以上不難看出，目前在汽車的主要生產(chǎn)和消費(fèi)地
區(qū)，部分歐2機(jī)型和幾乎所有排放達(dá)到歐3的中重型柴油
機(jī)都運(yùn)用了冷卻EGR技術(shù)，許多轎車用柴油機(jī)在歐1排
放階段已經(jīng)采用該技術(shù)，用來(lái)降低NOx和改善經(jīng)濟(jì)性，而
且這是柴油機(jī)達(dá)到今后更高排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不可缺少的一項(xiàng)
重要技術(shù)。
4 EGR工程優(yōu)化設(shè)計(jì)研究
可以研制開發(fā)一種能與給定發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配EGR冷卻
器，優(yōu)化冷卻器的結(jié)構(gòu)，使EGR的廢氣溫度在發(fā)動(dòng)機(jī)的
各種工況下都能自動(dòng)調(diào)節(jié)到既有較低的NOx排放又具有
良好的綜合性能的溫度值。為EGR冷卻器的進(jìn)一步優(yōu)化
打下基礎(chǔ)，滿足越來(lái)越嚴(yán)格的排放要求。
EGR冷卻器不但要滿足熱交換器的基本要求，還要
滿足自身冷卻溫度不能過(guò)低的要求。冷卻器內(nèi)的氣體流動(dòng)
處于湍流狀態(tài)，它的基本控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量
守恒方程、能量方程。
連續(xù)性方程：盟里堅(jiān)止=0
0xj 動(dòng)量方程：叢掣=生(u粵)一粵
oxj xj oxj 0xi 能量守恒方程：墮掣=當(dāng)(導(dǎo)蕓)
Oxj OXi tp OXj
湍流模擬是目前模擬優(yōu)化技術(shù)研究最多，困難最多的
一個(gè)領(lǐng)域。EGR冷卻器內(nèi)的湍流模擬是基于基本的能量
守恒定律來(lái)進(jìn)行數(shù)學(xué)求解?？紤]到紊流的影Ⅱ向，采用紊流
模型的不可壓縮性描述。本次模擬也采用這種模型，該模
型所對(duì)應(yīng)的方程為：
{}(pk)+—毒I_(pkui)=_譬一((u+旦L){生)+Gk+Gb—pe—
Ot OXi oxj Uk OXj
Y—SK
粵(pe)+丟(peui)=丟((u十里)粵)+c。÷(G。+
0t OXi oxj HB oxj K
^2
C抽Gb)一C鹽p旱一+S。
K
k-e模型中系數(shù)值參見表2。
對(duì)于柴油機(jī)械的燃燒優(yōu)化研究，點(diǎn)火延遲和噴射之間
表2
cp cel C吐C臼C醇o(jì)-k 仃B 盯o
O．09 L56 1．89 O．76 0．38 1 1．27 O．8
看似偶然，其實(shí)它們都與時(shí)間有著密切的聯(lián)系。因此，我們
可以通過(guò)燃料量和湍動(dòng)能密度來(lái)控制放熱情況，如下所
示：是土L=c刪·f1(M，，Q)·f2(k，V)
Q‘D
其¨(MFlQ)-M廣告f2(k,V)一exp(‰。游)
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