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                                                      柴油发动机废气再循环技术(EGR)的应用与工程

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                                                      1 柴油机的发展状况

                                                      我国社会经济的不断发展,柴油机排放技术的研究落后于汽油机是不争的事实,柴油机空气利用率要差,功率比汽油机要低,低温启动性、加速性能要差,比质量要高,碳烟和高的NOx排放一直是阻碍柴油机车辆的瓶颈。

                                                      我国的实际情况不管是标准的松紧程度,还是道路交通情况都和欧洲相似。因此,我国的排放法规是以欧洲的排放法规为蓝本,全面采用了欧盟指令、ECE技术和部分欧共体法规。我国在近些年来大力提倡节能减排政策并制定了严格的柴油发动机排放的法例加以规管。为了满足未来法规的要求,必须同时减少NOx和烟尘的排放。表1为我国重型柴油机排放标准。

                                                      表1 我国重型柴油机排放标准

                                                      2 冷EGR技术概述

                                                      2.1 EGR降低柴油机NOx排放的机理

                                                      EGR即废气再循环就是将一部分废气引入进气管与新鲜充量混合后进入气缸进行燃烧。EGR技术有两种实现方式,一是保留发动机前一工作循环的部分废气,实现可变气门定时(称内部EGR);另一种是利用一根EGR管道将废气引入进气管,再进入发动机下一工作循环参与燃烧(称外部EGR)。

                                                      2.2 冷EGR系统概述

                                                      冷却的EGR技术是国外控制NOx排放的主要措施术,已经得到广泛的应用。据相关资料的介绍,EGR冷却器可有效降低NOx排放的7%耀15%。冷EGR系统如图1所示。

                                                      3 EGR国内外研究现状

                                                      冷EGR技术是满足欧芋和欧郁排放标准的新技术,已是国外汽油发动机机内净化必备措施,然而冷EGR技术发展还不是很完善,废气温度±然很高。国内外大量研究工作者从冷却器的材料、结构、制造技术等发面进行改进,希望得到最理想的冷却效率和最佳的排放和性能要求。

                                                      侯镁龙等研究了EGR冷却器的产生积碳影响因素,以及积碳带来的不利影响。从而得出了废气成分、冷却器结构和冷却条件影响积碳产生。并且积碳会影响到冷却效率,降低EGR冷却器的工作能力。为构建EGR冷却器试验台做充足的准备。

                                                      孙剑涛等利用微软开发的Excel XP应用软件计算换热器。采用经验公式并根据EGR冷却器的自身特点,为YC4112ZLQ增压中冷柴油机设计了EGR冷却器,并进行了流阻校核计。为本次EGR冷却器的优化设计提供了设计指南。

                                                      王岩松等应用ANSYS软件建立了EGR冷却器流体热力学有限元模型,并且对不同散热器形状和不同管道数EGR冷却器的冷却效率进行了对比研究。发现在冷却器结构设计方面应散热器形状和换热管排布的影响。

                                                      图1 冷EGR系统

                                                      王谦等研究了不同结构的换热管对冷却器冷却效率的影响,并对原有的冷却器结构进行改进。得出通过改变过渡锥形管长度、废气进口截面形状、翅片间距冷却器的冷却效率。使得此次优化有了更加明确地方向。

                                                      黄德军等在实验的基础上得出冷EGR对发动机性能的影响,以及各负荷下冷EGR的使用情况,并且得出结论,冷EGR是满足越来越严格的排放标准的必备装备之一。

                                                      李爱娟等人设计了一套冷EGR系统,验证与热EGR相比冷EGR对降低NOx排放的作用。

                                                      向飞等人研究了现如今冷却器的发展现状并介绍了冷却的EGR技术中各种EGR冷却器的结构和性能特点,指出了EGR冷却器设计的发展趋势。

                                                      日本五十铃公司生产的采用可变喷嘴截面涡轮增压器的柴油机6AW 1(12L,28OkW)、新型的4HF1和4HG1非增压柴油机(功率分别为95.6和103kW)、6HH1和6HL1等增压中冷柴油机、通用公司生产的6.5L柴油机、洋马的TES150型柴油机、德国大众公司从1997年推出的Golf和Jetta以及1998年度推出的新型Passat等轿车、2000年推出的LUPO三升汽车等使用的废气涡轮增压的高速直喷式柴油机(带可变喷嘴和中冷)等都采用了冷EGR技术来满足严格的排放法规的要求。根据有关资料介绍,现在欧洲所有轿车柴油机上都采用了冷EGR技术。

                                                      在重型柴油机方面,VOLVO卡车北美公司称,所有在2002年第四季度订购的装用VOLVO柴油动力的卡车都采用了称为V脉冲的冷EGR系统,以保证现有发动机的平台而无须采用后处理技术,从而满足美国2004年的排放标准。美国的Cummins公司在上个世纪90年代中叶已将冷却EGR技术用于包括B系列在内的所有中型和重型柴油机上。采用该技术后,与原有产品相比,燃油消耗下降了2%,NOX减少了50%,无辅助冷启动时间减少了80%。Cummins公司的副总裁兼首席技术官John Wall指出,Cummins公司对EGR技术的研究结果非常满意、充满信心,可用于所有Cummins公司的车用发动机平台。他认为目前既要使NOX+NMHC排放达到2.5g/bhp-hr的限值标准,又要使得燃油耗和成本低、响应和其他发动机性能好的目标,除了采用EGR技术没有更好的措施。

                                                      从以上不难看出,目前在汽车的主要生产和消费地区,部分欧2机型和几乎所有排放达到欧3的中重型柴油机都运用了冷却EGR技术,许多轿车用柴油机在欧1排放阶段已经采用该技术,用来降低NOx和改善经济性,而且这是柴油机达到今后更高排放标准时,不可缺少的一项重要技术。

                                                      表2

                                                      4 EGR工程优化设计研究

                                                      可以研制开发一种能与给定发动机相匹配EGR冷却器,优化冷却器的结构,使EGR的废气温度在发动机的各种工况下都能自动调节到既有较低的NOx排放又具有良好的综合性能的温度值。为EGR冷却器的进一步优化打下基础,满足越来越严格的排放要求。

                                                      EGR冷却器不但要满足热交换器的基本要求,还要满足自身冷却温度不能过低的要求。冷却器内的气体流动处于湍流状态,它的基本控制方程包括连续性方程、动量守恒方程、能量方程。

                                                      湍流模拟是目前模拟优化技术研究最多,困难最多的一个领域。EGR冷却器内的湍流模拟是基于基本的能量守恒定律来进行数学求解。考虑到紊流的影响,采用紊流模型的不可压缩性描述。本次模拟也采用这种模型,该模型所对应的方程为:

                                                      k-着模型中系数值参见表2。

                                                      对于柴油机械的燃烧优化研究,点火延迟和喷射之间看似偶然,其实它们都与时间有着密切的联系。因此,我们可以通过燃料量和湍动能密度来控制放热情况,如下所示

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