陳雷

（同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海200092）

TRIZ創(chuàng)新方法在EGR閥布置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳雷

（同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海200092）

基于TRIZ創(chuàng)新方法，分析廢氣再循環(huán)（EGR）閥布置中面臨的矛盾和問(wèn)題，并進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。在EGR布置概念設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行概念設(shè)計(jì)驗(yàn)證，確認(rèn)EGR閥布置設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)結(jié)果。

廢氣再循環(huán) EGR閥 EGR冷卻器 VGT 進(jìn)氣節(jié)流閥 氮氧化物 EGR率

1 前言

廢氣再循環(huán)（EGR）閥是發(fā)動(dòng)機(jī)EGR系統(tǒng)的重要部件，其布置設(shè)計(jì)直接影響了整個(gè)系統(tǒng)乃至發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。

隨著排放法規(guī)的不斷升級(jí)，國(guó)Ⅳ以上階段的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)越來(lái)越多地使用帶EGR系統(tǒng)的技術(shù)措施[1]。其中EGR閥的布置設(shè)計(jì)，受到諸多因素影響，在具體布置時(shí)，存在著一些需要權(quán)衡決策的矛盾。

EGR閥布置時(shí)的主要矛盾是：EGR閥所處的工作環(huán)境溫度高與EGR閥自身能承受有限溫度之間的矛盾、EGR閥置于EGR冷卻器前的熱端布置方案與EGR閥因受高溫需采用耐高溫零部件而帶來(lái)高成本之間的矛盾、EGR閥布置在EGR冷卻器后的冷端布置方案的較低成本與EGR閥于此布置而易積碳卡滯之間的矛盾、由布置位置決定的EGR閥可靠性與EGR系統(tǒng)整體可靠性之間的矛盾等。正確處理這些矛盾，是成功開(kāi)發(fā)帶EGR系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

TRIZ創(chuàng)新方法能夠有效地分析設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的矛盾，并指明尋找解決矛盾措施的方向。

2 TRIZ創(chuàng)新方法

TRIZ是發(fā)明問(wèn)題的解決理論[2]。TRIZ認(rèn)為創(chuàng)造性問(wèn)題至少包含一個(gè)技術(shù)矛盾，當(dāng)技術(shù)系統(tǒng)某個(gè)特征或參數(shù)得到改善時(shí)，常常會(huì)引起另外的特征或參數(shù)劣化。TRIZ理論(2003版)歸納出48個(gè)通用工程參數(shù)來(lái)描述技術(shù)矛盾，并給出解決技術(shù)矛盾的40項(xiàng)發(fā)明原則。40項(xiàng)發(fā)明原則如下：（1）分割原則；（2）拆出原則；（3）局部性質(zhì)原則；（4）不對(duì)稱(chēng)原則；（5）聯(lián)合原則；（6）多功能原則；（7）“瑪特廖什卡”原則；（8）反重量原則；（9）預(yù)先反作用原則；（10）預(yù)先作用原則；（11）“預(yù)先放枕頭”原則；（12）等勢(shì)原則；（13）“相反”原則；（14）球形原則；（15）動(dòng)態(tài)原則；（16）局部作用或過(guò)量作用原則；（17）向另一維度過(guò)渡的原則；（18）機(jī)械振動(dòng)原則；（19）周期作用原則；（20）連續(xù)有益作用原則；（21）躍過(guò)原則；（22）變害為利原則；（23）反向聯(lián)系原則；（24）“中介”原則；（25）自我服務(wù)原則；（26）復(fù)制原則；（27）用廉價(jià)的不持久性代替昂貴的持久性原則；（28）代替力學(xué)原理原則；（29）利用氣動(dòng)和液壓結(jié)構(gòu)的原則；（30）利用軟殼和薄膜原則；（31）利用多孔材料原則；（32）改變顏色原則；（33）一致原則；（34）部分剔除和再生原則；（35）改變物體聚合態(tài)原則；（36）相變?cè)瓌t；（37）利用熱膨脹原則；（38）利用強(qiáng)氧化劑原則；（39）采用惰性介質(zhì)原則；（40）利用混合材料原則。實(shí)際應(yīng)用中，首先將組成技術(shù)矛盾的雙方內(nèi)部性能用這48個(gè)通用工程參數(shù)中的至少2個(gè)來(lái)表示，這些參數(shù)兩兩組合構(gòu)成了矛盾矩陣，然后在矛盾矩陣中找出解決矛盾的發(fā)明原則，并加以運(yùn)用[3]。

3 EGR閥布置設(shè)計(jì)概述

3.1 問(wèn)題的提出

某柴油機(jī)原國(guó)Ⅳ階段的EGR閥布置于冷端，如圖1所示。

圖1 EGR閥布置

此國(guó)Ⅳ柴油機(jī)因EGR閥出現(xiàn)了一些漏油、積碳卡滯、積碳堵塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣通道而引起性能下降等故障。EGR閥的漏油和積碳情況如圖2所示。

圖2 EGR閥漏油和積碳情況

如何能杜絕EGR閥漏油、積碳卡滯及積碳堵塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣通道而引起發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降，而又能滿(mǎn)足柴油機(jī)排放升級(jí)到國(guó)V時(shí)，EGR流量達(dá)到國(guó)V排放要求，但成本不大幅增加。為此，在柴油機(jī)排放升級(jí)開(kāi)發(fā)時(shí)，按照TRIZ創(chuàng)新方法的思路對(duì)EGR閥布置設(shè)計(jì)進(jìn)行重新分析和決策，制定了EGR閥布置方案要求：在杜絕EGR閥漏油、積碳等問(wèn)題的同時(shí)，不大幅度增加EGR閥產(chǎn)品成本；在滿(mǎn)足國(guó)V排放要求的EGR廢氣流量同時(shí)，使EGR閥易制造并能產(chǎn)品化。

在柴油機(jī)冷卻式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)中，EGR冷卻器和EGR閥的布置設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的性能影響最大，應(yīng)根據(jù)EGR冷卻器和EGR閥綜合性能、可靠性、成本及壽命要求選定布置方案。

按EGR冷卻器與EGR閥的位置關(guān)系，布置設(shè)計(jì)總體上可以分為EGR閥冷端布置（如圖3）與EGR閥熱端布置（如圖4）兩大類(lèi)型[4]。

圖3 EGR閥冷端布置

圖4 EGR閥熱端布置

表1是冷端EGR閥布置與熱端EGR閥布置的對(duì)比。EGR閥布置于冷端與布置于熱端對(duì)EGR流量并無(wú)顯著影響，但對(duì)EGR系統(tǒng)的可靠性以及相關(guān)零部件設(shè)計(jì)有重大影響。

3.2 問(wèn)題處置

EGR閥布置設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的矛盾，主要是EGR閥所處的工作環(huán)境溫度高與EGR閥自身能承受有限溫度之間的矛盾；將EGR閥置于EGR冷卻器前的熱端布置方案與EGR閥因受高溫需采用耐高溫零部件而帶來(lái)高成本之間的矛盾；將EGR閥布置在EGR冷卻器后的冷端布置方案的較低成本與EGR閥易積碳卡滯的矛盾等。

表1 冷端EGR閥布置與熱端EGR閥布置對(duì)比

對(duì)上述這些矛盾，通過(guò)采用TRIZ(2003版)的經(jīng)典工具——矛盾矩陣來(lái)解決。

第1步：發(fā)現(xiàn)矛盾，并按照技術(shù)參數(shù)的性質(zhì)進(jìn)行歸類(lèi)。在本案中，發(fā)現(xiàn)了2組矛盾。第1組矛盾：希望在杜絕EGR閥漏油、積碳等問(wèn)題的同時(shí)，不希望大幅增加EGR閥制造成本；第2組矛盾：希望在滿(mǎn)足國(guó)V排放要求的EGR廢氣流量的同時(shí)，使EGR閥易制造并產(chǎn)品化。

第2步：借助矛盾矩陣，找到能夠解決矛盾的方法。針對(duì)這2組矛盾，找到如下的工程參數(shù)：（1）參數(shù)35——可靠性，與減少積碳和漏油比較吻合；（2）參數(shù)10——物質(zhì)的數(shù)量，與控制EGR閥制造成本比較吻合；（3）參數(shù)31——有害的副作用，與減少漏油比較吻合；（4）參數(shù)22——溫度，與布置位置承受的溫度比較吻合；（5）參數(shù)32——制造性，與EGR閥的易制造性比較吻合。

對(duì)照實(shí)際問(wèn)題和矛盾矩陣中的參數(shù)，便形成以下3對(duì)技術(shù)矛盾及其對(duì)應(yīng)的解決技術(shù)矛盾的發(fā)明原理：（1）有害的副作用31與物質(zhì)的數(shù)量10（對(duì)應(yīng)40種發(fā)明原則中的1、3、24、35、39、5和9）；（2）可靠性35與物質(zhì)的數(shù)量10（對(duì)應(yīng)40種發(fā)明原則中的3、28、40、31、5、25、4和2）；（3）可靠性35與溫度22（對(duì)應(yīng)40種發(fā)明原則中的3、35、15、10、30、37、36和1）。第3步：應(yīng)用所建議的發(fā)明原則，實(shí)施解決方案。在處理上述技術(shù)矛盾（有害的副作用31與物質(zhì)的數(shù)量10、可靠性35與物質(zhì)的數(shù)量10、可靠性35與溫度22）的方法中，共出現(xiàn)了19條發(fā)明原則，其中有3條發(fā)明原則可以借鑒。接下來(lái)的任務(wù)就是要深入理解和運(yùn)用9(預(yù)先作用原則)、10（預(yù)先反作用原則）、3(局部性質(zhì)原則)這3個(gè)發(fā)明原則。

在“預(yù)先作用原則”這個(gè)發(fā)明原則下，新布置設(shè)計(jì)將EGR閥從布置在EGR冷卻器冷端改為布置在熱端，讓EGR閥直接面對(duì)熱的EGR廢氣，執(zhí)行其開(kāi)關(guān)動(dòng)作，完成所需要的作用，從而避開(kāi)油氣環(huán)境，避免漏油。在“預(yù)先反作用原則”這個(gè)發(fā)明原則下，新布置設(shè)計(jì)考慮到EGR閥直接面對(duì)高溫氣體，預(yù)先在EGR閥體內(nèi)設(shè)置冷卻水套，對(duì)EGR閥進(jìn)行冷卻，確保EGR閥所受溫度在常規(guī)EGR閥能承受的范圍內(nèi)。在“局部性質(zhì)原則”這個(gè)發(fā)明原則下，新布置設(shè)計(jì)充分發(fā)揮物體各個(gè)部分應(yīng)有的不同功能，妥善設(shè)計(jì)EGR閥直徑及升程，并賦予EGR閥不同部位的零部件采用合適的不同性質(zhì)材料，確保EGR閥滿(mǎn)足功能要求的同時(shí)，做到制造成本最優(yōu)化。

4 EGR閥布置設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)并確定了國(guó)V EGR布置方案，對(duì)原機(jī)的EGR布置方案作了較大的改進(jìn)，不僅杜絕了漏油、積碳等問(wèn)題，而且EGR閥制造成本增加有限；不僅滿(mǎn)足了國(guó)V排放要求的EGR廢氣流量要求，而且EGR閥易制造并能產(chǎn)品化。

4.1 EGR閥耐溫要求

常規(guī)的電動(dòng)EGR閥，其各零部件對(duì)耐溫都有一定的要求。圖5和表2分別給出EGR閥需耐溫的零部件和EGR閥零部件耐溫要求。

圖5 EGR閥需耐溫的零部件

4.2 EGR閥CFD分析

為了避免使用高成本的耐高溫合金殼體材料及密封圈，在EGR閥內(nèi)部設(shè)置了冷卻水套。用CFD熱耦合模擬計(jì)算法對(duì)冷卻水套及EGR閥體部分溫度場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算分析。表3是EGR閥CFD分析輸入?yún)?shù)。通過(guò)計(jì)算得到EGR閥CFD溫度場(chǎng)模擬分析結(jié)果，如圖6所示。

表2 EGR閥零部件耐溫要求

表3 EGR閥CFD分析輸入?yún)?shù)

鋁制閥體，要求的溫度為-40～300℃，模擬計(jì)算得到鋁制閥體最高溫度為296.18℃，滿(mǎn)足要求；閥桿、閥片等金屬部分，要求的溫度為400℃，模擬計(jì)算得到金屬部分的最高溫度為599.28℃，不能滿(mǎn)足要求。經(jīng)核實(shí)柴油機(jī)EGR廢氣流量實(shí)際不超過(guò)100 kg/h，因此對(duì)EGR閥實(shí)物溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，作為評(píng)估基準(zhǔn)。

5 EGR閥布置設(shè)計(jì)驗(yàn)證

在電控EGR閥實(shí)物樣品試制完成后，進(jìn)行了實(shí)物樣品溫度場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)。圖7為電控EGR閥溫度場(chǎng)測(cè)點(diǎn)位置示意圖。

表4為EGR閥溫度場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。由表4可見(jiàn)，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)與常規(guī)電控EGR閥的溫度限制，表明在標(biāo)定工況下，EGR模塊溫度無(wú)異常。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，符合EGR閥的溫要求，使用無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。

在制造成本方面，由于EGR閥體、閥桿等均使用非耐高溫的材料，EGR閥的成本與冷端電控EGR閥的相當(dāng)，僅相當(dāng)于傳統(tǒng)熱端電控EGR閥的1/2。

圖6 EGR閥CFD溫度場(chǎng)

圖7 電控EGR閥溫度場(chǎng)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

在滿(mǎn)足國(guó)V排放要求的EGR廢氣流量方面，采用計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能需求輸入，最大EGR流量為100 kg/h。EGR閥工作時(shí)，通過(guò)閥門(mén)的氣體流量大小取決于EGR閥直徑、EGR閥開(kāi)度、以及通過(guò)閥門(mén)的氣體溫度和進(jìn)出口壓力。根據(jù)流動(dòng)連續(xù)性方程、貝努利方程和氣體狀態(tài)方程式，可以導(dǎo)出EGR流量的基本方程式[5]：

表4 EGR閥溫度場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

式中：

Gm——EGR質(zhì)量流量，kg/s；

pin——進(jìn)氣管絕對(duì)壓力，kPa；

pex——排氣管絕對(duì)壓力，kPa；

Rex——排氣管氣體常數(shù)，kJ/(kg·K)

ar——EGR回路流量因數(shù)；

Tex——排氣管熱力學(xué)溫度，K；

Ar——EGR閥喉口處流通面積，m2。

公式中，Gm代表EGR流量為己知量，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣管絕對(duì)壓力和溫度在試驗(yàn)中已測(cè)得，氣體常數(shù)通過(guò)實(shí)測(cè)到的排氣狀態(tài)和流量數(shù)據(jù)可返算得到，流量因數(shù)根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)可估計(jì)為O.75。由此可以算出各工況下的最佳EGR流量所要求的喉口通過(guò)面積Ar，它是各工況下的最佳EGR流量所要求的入口面積最小值。即:

再由面積公式：

式中：

Ar——EGR閥喉口處流通面積，m2；

Dr——EGR閥入口當(dāng)量直徑，m。

得到各工況下的最佳EGR流量所要求的入口直徑。所設(shè)計(jì)的入口直徑應(yīng)當(dāng)選它們中的最大值，否則在某些工況下EGR閥將無(wú)法達(dá)到最佳EGR率。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得Dr的最大值，根據(jù)Dr的最大值設(shè)計(jì)EGR閥的最小入口直徑。

然后確定EGR閥升程。圖8為EGR閥閥口結(jié)構(gòu)示意圖。由圖8可知，EGR閥喉口處流通面積與閥桿升程的關(guān)系為：

Ar=πDrLr(4)

式中：

Ar——EGR閥喉口處流通面積，m2；

Dr——EGR閥入口當(dāng)量直徑，m；

Lr——EGR閥閥桿升程，m。

根據(jù)實(shí)際EGR閥的入口直徑，計(jì)算得到需求的最大升程[6]。

圖8 EGR閥進(jìn)出口結(jié)構(gòu)示意圖

在發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)中實(shí)測(cè)EGR率、排放等指標(biāo)，以確認(rèn)所計(jì)算的結(jié)果是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)EGR閥的廢氣流量能夠滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求。EGR率實(shí)測(cè)分布如圖9所示。

圖9 EGR率實(shí)測(cè)分布

綜上所述，EGR閥布置在EGR冷卻器熱端，如圖10所示。其結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)沒(méi)有選用極端耐高溫材料，閥的尺寸規(guī)格在可選范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了在杜絕漏油、積碳等問(wèn)題（如圖11）的同時(shí)，不大幅增加制造成本，符合成本目標(biāo)；在滿(mǎn)足國(guó)Ⅴ排放要求的EGR廢氣流量同時(shí)，使EGR閥易制造并產(chǎn)品化，達(dá)到了預(yù)期效果。目前該EGR閥已投入批產(chǎn)。

圖10 新設(shè)計(jì)EGR閥布置方案

圖11 整車(chē)耐久后的EGR閥

6 結(jié)論

正確運(yùn)用“TRIZ”創(chuàng)新方法，分析EGR閥布置時(shí)的矛盾，得到解決矛盾的方案。通過(guò)設(shè)計(jì)新的熱端布置EGR閥方案，并合理設(shè)計(jì)EGR閥內(nèi)置冷卻水套，以降低對(duì)零部件的材料要求，控制了零件制造成本，杜絕積碳卡滯等質(zhì)量問(wèn)題。這個(gè)案例可以為該發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)排放升級(jí)等開(kāi)發(fā)項(xiàng)目提供參考借鑒作用，并推廣。

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Application of TRIZ to Design ofEGRValve Arrangement

Chen Lei
（SchoolofAutomotives Studies,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

This paper presents the analysis of the contradictions and problems in the design of EGR valve arrangementbased on the TRIZ innovationmethod.The conceptual design of EGR valve arrangement was carried out to address the problems while subjecting to the contradictions.The verification of the conceptual design wasmade with simulation and testing,and the development results of the EGR valve layoutdesignwere confirmed.

exhaustgas recirculation(EGR),EGR valve,EGR cooler,VGT,electronic throttle,nitrogen oxide,EGR rate

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.04.004

來(lái)稿日期：2017-09-11

陳雷（1985-），男，主任工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和EGR系統(tǒng)匹配應(yīng)用。