【韓】 S.Lee S.M.Park C.Hwang

廢氣凈化

乘用車柴油機(jī)進(jìn)氣節(jié)流低壓排氣再循環(huán)閥的優(yōu)化開(kāi)發(fā)

【韓】 S.Lee S.M.Park C.Hwang

與目前廣泛使用的高壓排氣再循環(huán)系統(tǒng)(HP EGR)相比，低壓排氣再循環(huán)系統(tǒng)(LP EGR)能使EGR工作區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，因此，燃油消耗和排放能得到改善。為了滿足歐5排放法規(guī)的要求，采用了1種排氣節(jié)流LP EGR系統(tǒng)。與其他車輛相比，采用該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的歐5車輛具有更大的優(yōu)點(diǎn)。由于排氣節(jié)流LP EGR閥是毗鄰后處理系統(tǒng)安裝的，因而為了能承受熱應(yīng)力，LP EGR閥必須選用不銹鋼材料，相應(yīng)成本也會(huì)增加。為了降低歐6車輛使用成本，開(kāi)發(fā)了1種進(jìn)氣節(jié)流LP EGR系統(tǒng)，以取代排氣節(jié)流LP EGR系統(tǒng)。為了采用這種進(jìn)氣節(jié)流LP EGR系統(tǒng)，將EGR閥安裝在渦輪增壓器壓氣機(jī)的前面。在這種情況下，材料選擇范圍更廣(例如可選用鋁、鋼)。因此，進(jìn)氣節(jié)流LP EGR閥能同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低成本和質(zhì)量。介紹這種LP EGR閥的設(shè)計(jì)方案，它能保持一定的進(jìn)氣性能、安裝及連接穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和振動(dòng)強(qiáng)度。為了確保進(jìn)氣性能，對(duì)閥瓣形狀的有效性進(jìn)行了研究。對(duì)LP EGR閥合適的安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。通過(guò)這些研究，達(dá)到了進(jìn)氣性能、熱應(yīng)力和振動(dòng)強(qiáng)度的開(kāi)發(fā)目標(biāo)要求。因此，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)氣節(jié)流LP EGR閥及其安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

選擇性催化還原高壓低壓優(yōu)化

0 前言

滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)正變得愈加困難，此外，人們對(duì)燃油效率的關(guān)注度也在增加。眾所周知，減少氮氧化物(NOx)的排放的難度在于平衡好成本與性能的關(guān)系[1]。例如，選擇性催化還原(SCR)是一種能夠降低NOx排放的有效后處理裝置，但整個(gè)系統(tǒng)的成本卻非常昂貴。因此，是否在車輛上應(yīng)用SCR系統(tǒng)，是汽車制造商需要充分考慮的問(wèn)題。

除了SCR系統(tǒng)，排氣再循環(huán)(EGR)也被廣泛用來(lái)減少NOx的排放。通常，EGR系統(tǒng)可根據(jù)2種排氣源來(lái)進(jìn)行區(qū)分。一種是高壓EGR(HP EGR)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是從渦輪機(jī)前端吸入排氣。因此，EGR系統(tǒng)進(jìn)口與出口之間的排氣壓力差很高， EGR的通路也短，響應(yīng)相對(duì)較快，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但是，在發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速和高負(fù)荷區(qū)域，進(jìn)口與出口之間的壓力差會(huì)減小，因而，會(huì)導(dǎo)致EGR的質(zhì)量流量比所需的EGR質(zhì)量流量低。此外，在該運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域，渦輪機(jī)的效率也會(huì)下降(圖1)。

圖1 HP EGR系統(tǒng)示意圖

另一種是低壓EGR(LP EGR)系統(tǒng)，是在柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器(DPF)后吸入排氣。因此，LP EGR系統(tǒng)不會(huì)對(duì)渦輪機(jī)的效率造成影響。但是，該系統(tǒng)需要采用1個(gè)節(jié)流閥來(lái)提高EGR閥進(jìn)、出口之間的壓力差。此前，已有2種在DPF后面安裝節(jié)流閥的LP EGR系統(tǒng)成功問(wèn)世。圖2和圖3分別為這兩種系統(tǒng)的示意圖。

圖2 采用分離式節(jié)流閥的LP EGR系統(tǒng)

圖3 采用集成式節(jié)流閥的LP EGR系統(tǒng)

如上所述，LP EGR系統(tǒng)節(jié)流閥的位置位于DPF之后。因此，這種系統(tǒng)被稱為排氣節(jié)流LP EGR系統(tǒng)。在這種情況下，節(jié)流閥所用的材料必須具有足夠的強(qiáng)度，應(yīng)同時(shí)能承受熱應(yīng)力和腐蝕。通常選用不銹鋼作為節(jié)流閥材料。

本文介紹了1種新的LP EGR系統(tǒng)，與節(jié)流閥一同安裝在渦輪壓氣機(jī)的前端，并將EGR閥與節(jié)流閥集成在同一個(gè)單元。該系統(tǒng)稱之為進(jìn)氣節(jié)流LP EGR系統(tǒng)。采用此系統(tǒng)時(shí)，由于通過(guò)節(jié)流閥的EGR氣體溫度較低，所以材料的選擇較為容易，在保持相同性能的同時(shí)，使其對(duì)成本的影響降到最小。

1 進(jìn)氣節(jié)流LP EGR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)示意圖和在發(fā)動(dòng)機(jī)上的結(jié)構(gòu)布置

如圖4所示，集成式進(jìn)氣節(jié)流LP EGR系統(tǒng)由1個(gè)節(jié)流閥和1個(gè)EGR閥組成，且節(jié)流閥和EGR閥集成在1個(gè)單元。它位于渦輪壓氣機(jī)的前面。在EGR氣體流動(dòng)的方向，LP EGR閥位于低壓EGR冷卻器的后端。

該系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的結(jié)構(gòu)布置，如圖5所示。LP EGR閥利用1個(gè)支架安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，并通過(guò)連接軟管與渦輪壓氣機(jī)連接。進(jìn)氣軟管直接與LP EGR閥連接。

圖4 集成式進(jìn)氣節(jié)流LP EGR系統(tǒng)

圖5 進(jìn)氣節(jié)流LP EGR系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的結(jié)構(gòu)布置

1.2 集成式進(jìn)氣節(jié)流LP EGR閥的結(jié)構(gòu)

集成式進(jìn)氣節(jié)流LP EGR閥由1個(gè)閥門和1個(gè)閥瓣構(gòu)成(圖6)[2]。閥門和閥瓣由帶電機(jī)的變速器同時(shí)驅(qū)動(dòng)。此外，在節(jié)流閥瓣后設(shè)有1個(gè)竄氣進(jìn)口，以減少竄氣的污染。

圖6 進(jìn)氣節(jié)流LP EGR閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3 進(jìn)氣節(jié)流LP EGR閥的開(kāi)發(fā)目標(biāo)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

安裝進(jìn)氣節(jié)流LP EGR系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)規(guī)格，如表1所示。

該發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定的開(kāi)發(fā)目標(biāo)如下表所述。每項(xiàng)數(shù)值都是通過(guò)以前的試驗(yàn)獲得的。

1.4 閥瓣和閥門的尺寸

在本研究中，利用以前的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)設(shè)定節(jié)流孔的最佳直徑。流量的基本方程式如下：

Q(流量)=S(閥瓣面積) Xα(流量系數(shù))

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)格

為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

表2 進(jìn)氣節(jié)流LP EGR閥的開(kāi)發(fā)目標(biāo)

利用以前的試驗(yàn)結(jié)果，得到的目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳直徑，利用該計(jì)算方法，節(jié)流孔直徑確定為62 mm。

對(duì)于EGR閥，通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算確定了最佳的直徑[3]。受EGR管直徑的限制，EGR閥的直徑確定為38 mm和42 mm。每個(gè)閥的最大EGR流量由試驗(yàn)確定，最終數(shù)值列于表3。

表3 無(wú)進(jìn)氣節(jié)氣節(jié)流時(shí)的最大EGR流量

此外，考慮到安全性，進(jìn)氣節(jié)流閥瓣即使在其關(guān)閉的位置也保持一定的開(kāi)啟狀態(tài)[4]。在保持該開(kāi)口面積的情況下，計(jì)算得到的最終EGR流量見(jiàn)表4。

表4 修正后的EGR流量

根據(jù)這一結(jié)果，可以確定直徑38 mm足以滿足EGR流量的要求。

1.5 安裝與連接

如圖5所示，采用連接軟管和安裝支架是為了滿足可靠性的目標(biāo)。連接軟管也能吸收來(lái)自渦輪壓氣機(jī)的振動(dòng)。此外，采用安裝支架還能使進(jìn)氣節(jié)流LP EGR閥與排氣歧管保持一定的間距。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 EGR流量測(cè)定

如圖7所示，試驗(yàn)樣機(jī)的性能與排氣節(jié)流LP EGR系統(tǒng)的相同。

圖7 ERG流量測(cè)定結(jié)果

2.2 溫度測(cè)量

為了驗(yàn)證熱穩(wěn)定性，在嚴(yán)格條件下對(duì)進(jìn)氣LP EGR閥進(jìn)行了試驗(yàn)。雖然目標(biāo)EGR氣體溫度為170 ℃，但是試驗(yàn)是在210 ℃和250 ℃下進(jìn)行的，測(cè)量點(diǎn)如圖8中所示，測(cè)試條件和測(cè)定結(jié)果分別如表5和表6如示。

圖8 測(cè)量點(diǎn)示意圖

工況全速/全負(fù)荷最大EGR(狀態(tài)1)最大EGR(狀態(tài)2)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)380021502100每行程噴油量/mg7040.541LPEGR率/%0100100LPEGR氣體溫度/℃63210250LPEGR氣體流量/(kg·h-1)05070

由以上結(jié)果可見(jiàn)，安裝位置和邊界的間距足以滿足進(jìn)氣節(jié)流LP EGR閥的溫度限值要求。

表6 測(cè)試結(jié)果

圖10 測(cè)量結(jié)果

2.3 振動(dòng)測(cè)量

為了使LP EGR閥與壓氣機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)隔離，采用了1個(gè)橡膠連接軟管和厚支架。振動(dòng)測(cè)量的目的是為了驗(yàn)證每個(gè)部件的加速度[5]。測(cè)量點(diǎn)如圖9所示，測(cè)量結(jié)果在圖10中列出。由這些測(cè)量結(jié)果認(rèn)為，吸振效果較好。

圖9 測(cè)量點(diǎn)示意圖

3 結(jié)論

試驗(yàn)證明，進(jìn)氣節(jié)流LP EGR系統(tǒng)與之前的排氣節(jié)流LP EGR系統(tǒng)具有相同的性能。

通過(guò)把2個(gè)執(zhí)行器集成在1個(gè)單元，能使LP EGR系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。

試驗(yàn)證明，合適的LP EGR閥安裝結(jié)構(gòu)和連接，能夠保證熱穩(wěn)定性和振動(dòng)穩(wěn)定性。

[1] Yamano J, et al. The new "earth dreams technology i-DTEC" 1.6L diesel engine from Honda[C]. International Wiener Motorensymposium， 2013.

[2] Chatterjee S, Conway R, Viswanathan S, et al. NOx and PM control from heavy duty diesel engines using a combination of low pressure EGR and continuously regenerating diesel particulate filter[C]. SAE Paper 2003-01-0048.

[3] Braun T, Rabl H, Mayer W. Emission reduction potential by means of high boost and injection pressure at low- and mid-load for a common rail diesel engine under high EGR rates[C]. SAE Paper 2013-01-2541.

[4] Nishio Y, Hasegawa M, Tsutsumi K, et al. Model based control for dual EGR system with intake throttlein new generation 1.6L diesel engine[C]. SAE Paper 2013-24-0133.

[5] Vigild C W. The internal combustion engine-modeling[C]. Estimation and Control Issues Technical, University of Denmark, 2001.

張文琪 譯自 SAE Paper 2016-01-1071

朱炳全 校

虞 展 編輯

2016-12-29)