文丘里管對柴油機(jī)egr引射能力的影響

文丘里管對柴油機(jī)egr引射能力的影響

0排放系統(tǒng)和排壓系統(tǒng)集成國內(nèi)動力壓縮性技術(shù)是目前葉片動力增強(qiáng)中最有效的手段之一。它通過增加每循環(huán)吸入氣缸內(nèi)的空氣量,并增加循環(huán)供油量,以提高發(fā)動機(jī)輸出功率。與此同時,它還改善了柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性,降低了發(fā)動機(jī)比質(zhì)量和廢氣中的有害排放物。目前,絕大部分的大功率柴油機(jī)、半數(shù)以上的車用柴油機(jī)以及相當(dāng)比例的高性能汽油機(jī)均采用了增壓中冷技術(shù)。但是增壓后混合氣中的氧含量增加,導(dǎo)致了增壓發(fā)動機(jī)的氮氧化合物(NOx)排放量增加。目前國內(nèi)外的柴油機(jī)用來降低NOx排放的主要方法之一仍然是廢氣再循環(huán)(exhaustgasrecirculation,EGR)技術(shù)[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。廢氣再循環(huán)是在保證內(nèi)燃機(jī)動力性不明顯降低的前提下,根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的溫度及負(fù)荷大小,將發(fā)動機(jī)排出的廢氣的一部分再送回進(jìn)氣管,并和新鮮空氣混合后再進(jìn)入氣缸內(nèi)參加燃燒,這樣使得燃燒反應(yīng)速度減慢、燃燒溫度降低,從而降低發(fā)動機(jī)的NOx排放,是目前控制中、輕型柴油機(jī)NOx排放的主要措施。為了滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī),進(jìn)一步降低增壓中冷柴油機(jī)的NOx排放,需要引入較多的EGR。但在一些工況下,中冷器后的進(jìn)氣壓力高于渦輪前的排氣壓力,在這種情況下引入EGR氣體困難。針對這種情況,各國學(xué)者提出了多種技術(shù)方案,其中在增壓器出口后端串接文丘里管是比較簡單有效的方法。Luján等對使用在重型柴油上的文丘里管進(jìn)行了建模,并闡明了文丘里管的作用和特性,確定了實際工作條件下文丘里管的特性,基于流體動力學(xué)定律提出了精確的文丘里管模型。文獻(xiàn)對EGR系統(tǒng)中文丘里管對進(jìn)氣管流動的影響進(jìn)行了評價,闡述了對使用在EGR系統(tǒng)中的文丘里管不同的測量方法,可以為進(jìn)氣管和文丘里管連接的優(yōu)化設(shè)計提供參考。楊帥等采用三維數(shù)值模擬軟件Fluent對柴油機(jī)EGR系統(tǒng)文丘里管內(nèi)流動進(jìn)行數(shù)值模擬,研究結(jié)果表明,在保持?jǐn)U壓段長度不變的條件下,文丘里管擴(kuò)壓角可適當(dāng)減小,來實現(xiàn)較大的EGR率。目前,關(guān)于柴油機(jī)EGR系統(tǒng)中文丘里管具體設(shè)計方案的參考資料相對較少,而且上述文獻(xiàn)的研究焦點主要集中在文丘里管內(nèi)部流動特性方面?；诖?本文針對6112增壓中冷柴油機(jī)設(shè)計了3種文丘里管EGR方案,研究在不同工況點文丘里管內(nèi)部各處的壓力變化與壓差變化,對比分析了在大扭矩點工況不同喉口直徑的文丘里管對EGR引射能力的影響。研究結(jié)果可為非道路用增壓中冷柴油機(jī)EGR系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)和參考資料。1丘里管模型原理文丘里管的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要分為3部分,分別是收縮段,混合段和擴(kuò)壓段。氣體在收縮形通道內(nèi)流動時,氣體會加速,馬赫數(shù)會增大,壓力、溫度和密度都會下降;而在擴(kuò)張形通道內(nèi)流動時,氣體會減速,馬赫數(shù)減小,壓力、溫度和密度都升高。文丘里管就是利用這個原理進(jìn)行工作的。當(dāng)氣體在收縮管內(nèi)流動時,氣體壓力減小,在喉口處形成一個較低的壓力,這樣在EGR閥前、后就會形成一個壓差,可將廢氣從渦輪前引射到進(jìn)氣管內(nèi),從而實現(xiàn)廢氣再循環(huán)。在擴(kuò)壓段,新鮮氣體和引射進(jìn)來的廢氣進(jìn)行著壓縮過程,壓力上升,以便減小收縮段帶來的壓力損失。文丘里管與進(jìn)氣管的連接有并聯(lián)和串聯(lián)2種方式,如圖2所示。本文采用并聯(lián)方式。當(dāng)發(fā)動機(jī)在低速工況運行時,可關(guān)閉旁通管路的閥門,使氣流全部流經(jīng)文丘里管,可使文丘里管的流量增大,其EGR引射能力增強(qiáng),能實現(xiàn)相對較高的EGR率。當(dāng)發(fā)動機(jī)在高速工況運行時,由于氣體流量較大,若此時氣體全部從文丘里管流過,則可能會發(fā)生壅塞現(xiàn)象,造成能量損失。這時可打開旁通閥的閥門,使部分空氣流經(jīng)旁通閥,這樣就可以避免壅塞現(xiàn)象,從而實現(xiàn)高低工況的兼顧。2喉口尺寸尺寸設(shè)計因為發(fā)動機(jī)工作在大扭矩點工況時,渦輪前壓力低于或者接近于發(fā)動機(jī)的增壓壓力,較難引入EGR,因此本文選擇6112非道路增壓中冷柴油機(jī)大扭矩點(1600r/min,860N·m)為參考工況,對文丘里管的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計算。相關(guān)計算公式如式(1)~式(4)所示。式中,p1為進(jìn)氣壓力,Pa;ρ1為進(jìn)氣密度,kg/m3;R為氣體常數(shù),本文取287J/(kg·K);T1為進(jìn)氣溫度,K;m1為進(jìn)氣流量,kg/s;A1為管道入口截面積,m2;d1為管道入口直徑,m;v1為進(jìn)氣流速,m/s;a1為當(dāng)?shù)匾羲?m/s;k為比熱比,空氣取1.4;M1為進(jìn)氣馬赫數(shù)。試驗中進(jìn)氣壓力為2.15×105Pa,進(jìn)氣溫度為310K,進(jìn)氣流量為0.185kg/s,管道入口直徑為72mm,柴油機(jī)的渦前壓力為2.00×105Pa。為了能夠使廢氣順利引射進(jìn)入進(jìn)氣管,喉口部分的進(jìn)氣壓力必須低于廢氣壓力,一般取3×103Pa的壓差,因此喉口的設(shè)計壓力為pt=1.97×105Pa。由式(1)~式(4)計算得到,進(jìn)氣馬赫數(shù)M1為0.0533,通過查氣體動力函數(shù)表并采用線性插值計算得到p1/p0=0.9963,A1/Acr=10.752。其中,p0為滯止壓力,Pa;Acr為臨界截面面積,m2。根據(jù)pt/p0的值,查氣體動力函數(shù)表并采用線性插值計算得到At/Acr=10.752,At為喉口設(shè)計壓力pt=1.97×105Pa時對應(yīng)的喉口截面積,m2。為了能夠保證進(jìn)氣不發(fā)生壅塞,參照計算結(jié)果設(shè)計了3種結(jié)構(gòu)尺寸的文丘里管,其喉口直徑分別為29,32和36mm。同時,為了保證文丘里管的收縮角度和擴(kuò)張角度在合理的錐角范圍之內(nèi)(減少流動損失和增加壓力恢復(fù)),根據(jù)文丘里管在發(fā)動機(jī)上實際安裝尺寸大小的限制,分別設(shè)計了文丘里管的收縮段,喉口混合段和擴(kuò)壓段的長度。3種文丘里管的基本結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。3試驗設(shè)備和設(shè)備本研究的試驗臺架系統(tǒng)如圖3所示。試驗用主要儀器設(shè)備包括控制和測量分析2大類,表2給出了本研究的主要儀器設(shè)備。4結(jié)果與分析4.1轉(zhuǎn)速對實驗結(jié)果的影響圖4是使用喉口直徑為36mm的文丘里管時,文丘里管前、后,喉口和EGR閥前的壓力pb、pd、pa和pc及壓差隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況。在試驗時,油門固定在標(biāo)定工況位置上。由圖4a可以看出,隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高,文丘里管前、后,喉口和EGR閥前壓力均隨之升高,這是由于隨轉(zhuǎn)速升高,氣體流量的增加引起的。文丘里管前與文丘里管喉口的壓差表示文丘里管的降壓作用。由圖4b可知,該壓差也隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增大,這是因為轉(zhuǎn)速升高,流經(jīng)文丘里管的氣體流速和質(zhì)量流量都增大,而文丘里管的降壓作用與流經(jīng)文丘里管的氣體的質(zhì)量流量密切相關(guān)。EGR閥前與文丘里管喉口的壓差表示文丘里管的EGR引射能力。由圖4b可知,該壓差先減小后增大,在1100到1600r/min的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi),該壓差為負(fù)值。這意味著在這個轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi),EGR閥前的壓力低于文丘里管喉口處壓力,不能順利引入EGR氣體或引入的EGR氣體較少。文丘里管前與文丘里管后的壓差表示氣體流經(jīng)文丘里管后的壓力損失。同樣由圖4b可知,該壓差隨著轉(zhuǎn)速的升高有所波動,尤其是在轉(zhuǎn)速大于1800r/min以后,但總體呈現(xiàn)隨轉(zhuǎn)速升高而壓差增大的趨勢,即流經(jīng)文丘里管的壓力損失隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大,這是由流速升高引起的流動阻力增大造成的。4.2負(fù)荷變化時的情況下,egr閥前與文丘里管喉口的壓差隨負(fù)荷的變化情況。根據(jù)壓力的變化情況,各圖5是在發(fā)動機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速2200r/min、使用喉口直徑為36mm的文丘里管時,隨著負(fù)荷的增加文丘里管前、后,喉口和EGR閥前的壓力及其相關(guān)壓差的變化情況。由圖可以看出,文丘里管前、文丘里管喉口、文丘里管后和EGR閥前的壓力均隨著負(fù)荷的增加而上升,且EGR閥前的壓力始終大于文丘里管前的壓力。這說明在2200r/min的標(biāo)定轉(zhuǎn)速時,即使不借助文丘里管收縮段的降壓作用,該發(fā)動機(jī)也可以依靠二者的壓差順利引入EGR;但是二者的壓差又隨著負(fù)荷的增大而減小,因此,EGR率會隨著負(fù)荷的增加而下降。由5b可知,文丘里管前和文丘里管喉口的壓差表明了文丘里管的降壓作用的強(qiáng)弱,且隨著負(fù)荷的增加,該壓差越來越大,這是因為負(fù)荷增大,進(jìn)氣流量增大,流經(jīng)文丘里管的空氣量增多,而文丘里管的降壓作用與流經(jīng)管內(nèi)的空氣流量有關(guān)。EGR閥前與文丘里管喉口的壓差隨著負(fù)荷的變化變化不大,可見使用文丘里管后,對EGR的引入起到了促進(jìn)作用。EGR閥前與文丘里管前的壓差逐漸降低,說明隨負(fù)荷的增加,引入EGR的難度增大。文丘里管后的壓力總是小于文丘里管前的壓力,說明由文丘里管造成的壓力損失并沒有得到完全恢復(fù)。4.3不同負(fù)荷對egr率的影響圖6是3種不同尺寸文丘里管對EGR氣體的引射能力隨發(fā)動機(jī)負(fù)荷的變化情況。在圖6a標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2200r/min時,隨著負(fù)荷的增大,喉口直徑為29和36mm的文丘里管的EGR引射能力均增強(qiáng),而喉口直徑為32mm的文丘里管的EGR引射能力先降低后增加,且隨發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增大,3種文丘里管的EGR引射能力均有增強(qiáng)的趨勢。同時,由圖6a可知,喉口直徑為29mm的文丘里管的壓差曲線位于其余2條壓差曲線的上方,其壓差遠(yuǎn)大于其他2種,說明喉口直徑小的文丘里管的EGR引射能力強(qiáng),能夠引入較多的EGR,實現(xiàn)較高的EGR率。在圖6b發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1600r/min時,隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增大,3種文丘里管的EGR閥前與喉口的壓差均變小,即隨著負(fù)荷的增大,實現(xiàn)廢氣再循環(huán)越來越困難,其變化趨勢與圖6a正好相反,說明文丘里管的EGR引射能力及變化趨勢還與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。其中喉口直徑為36mm的文丘里管的EGR引射能力最差,且在發(fā)動機(jī)扭矩超過500N·m后,EGR閥前與喉口壓差為負(fù),不能再引入或引入的EGR較少。而喉口直徑為32mm的文丘里管,在扭矩不超過470N·m時,其引射能力高于喉口直徑為29mm的文丘里管,但是當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)增大時,其EGR引射能力逐漸變?nèi)?且當(dāng)負(fù)荷大于700N·m后,不能再引入或引入的EGR較少。綜合上述試驗結(jié)果,該發(fā)動機(jī)匹配喉口直徑為29mm的文丘里管比較合適。5壓力對于egr的影響在6122增壓中冷柴油機(jī)EGR系統(tǒng)設(shè)置并聯(lián)方式的3種喉口直徑的文丘里管,其試驗結(jié)果表明:1)采用喉口直徑為36mm的文丘里管,文丘里管的降壓作用隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高有增大的趨勢。隨著轉(zhuǎn)速升高,EGR閥前與文丘里管喉口的壓差先減小后增大,在1100到1600r/min的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi),較難引入EGR。2)采用喉口直徑為36mm的文丘里管,在2200r/min時,文丘里管的降壓作用隨著負(fù)荷的增加而增大。在不同負(fù)荷下,EGR閥前與文丘里管前的壓差均為正值,說明此工況下即使不使用文丘里管,也可順利引入EGR,但使用文丘里管可以增大EGR率。3)在試驗的3種喉口直徑(29,