乘用车柴油机进气节流低压排气再循环阀的优化开发

【韩】 S.Lee S.M.Park C.Hwang

废气净化

乘用车柴油机进气节流低压排气再循环阀的优化开发

【韩】 S.Lee S.M.Park C.Hwang

与目前广泛使用的高压排气再循环系统(HP EGR)相比，低压排气再循环系统(LP EGR)能使EGR工作区进一步扩大，因此，燃油消耗和排放能得到改善。为了满足欧5排放法规的要求，采用了1种排气节流LP EGR系统。与其他车辆相比，采用该系统开发的欧5车辆具有更大的优点。由于排气节流LP EGR阀是毗邻后处理系统安装的，因而为了能承受热应力，LP EGR阀必须选用不锈钢材料，相应成本也会增加。为了降低欧6车辆使用成本，开发了1种进气节流LP EGR系统，以取代排气节流LP EGR系统。为了采用这种进气节流LP EGR系统，将EGR阀安装在涡轮增压器压气机的前面。在这种情况下，材料选择范围更广(例如可选用铝、钢)。因此，进气节流LP EGR阀能同时实现降低成本和质量。介绍这种LP EGR阀的设计方案，它能保持一定的进气性能、安装及连接稳定性、热稳定性和振动强度。为了确保进气性能，对阀瓣形状的有效性进行了研究。对LP EGR阀合适的安装结构进行了研究。通过这些研究，达到了进气性能、热应力和振动强度的开发目标要求。因此，实现了进气节流LP EGR阀及其安装结构的设计优化。

选择性催化还原高压低压优化

0 前言

满足日趋严格的排放法规正变得愈加困难，此外，人们对燃油效率的关注度也在增加。众所周知，减少氮氧化物(NOx)的排放的难度在于平衡好成本与性能的关系[1]。例如，选择性催化还原(SCR)是一种能够降低NOx排放的有效后处理装置，但整个系统的成本却非常昂贵。因此，是否在车辆上应用SCR系统，是汽车制造商需要充分考虑的问题。

除了SCR系统，排气再循环(EGR)也被广泛用来减少NOx的排放。通常，EGR系统可根据2种排气源来进行区分。一种是高压EGR(HP EGR)系统，该系统是从涡轮机前端吸入排气。因此，EGR系统进口与出口之间的排气压力差很高， EGR的通路也短，响应相对较快，并且系统结构简单。但是，在发动机的高转速和高负荷区域，进口与出口之间的压力差会减小，因而，会导致EGR的质量流量比所需的EGR质量流量低。此外，在该运转区域，涡轮机的效率也会下降(图1)。

图1 HP EGR系统示意图

另一种是低压EGR(LP EGR)系统，是在柴油机颗粒过滤器(DPF)后吸入排气。因此，LP EGR系统不会对涡轮机的效率造成影响。但是，该系统需要采用1个节流阀来提高EGR阀进、出口之间的压力差。此前，已有2种在DPF后面安装节流阀的LP EGR系统成功问世。图2和图3分别为这两种系统的示意图。

图2 采用分离式节流阀的LP EGR系统

图3 采用集成式节流阀的LP EGR系统

如上所述，LP EGR系统节流阀的位置位于DPF之后。因此，这种系统被称为排气节流LP EGR系统。在这种情况下，节流阀所用的材料必须具有足够的强度，应同时能承受热应力和腐蚀。通常选用不锈钢作为节流阀材料。

本文介绍了1种新的LP EGR系统，与节流阀一同安装在涡轮压气机的前端，并将EGR阀与节流阀集成在同一个单元。该系统称之为进气节流LP EGR系统。采用此系统时，由于通过节流阀的EGR气体温度较低，所以材料的选择较为容易，在保持相同性能的同时，使其对成本的影响降到最小。

1 进气节流LP EGR系统的设计

1.1 系统示意图和在发动机上的结构布置

如图4所示，集成式进气节流LP EGR系统由1个节流阀和1个EGR阀组成，且节流阀和EGR阀集成在1个单元。它位于涡轮压气机的前面。在EGR气体流动的方向，LP EGR阀位于低压EGR冷却器的后端。

该系统在发动机上的结构布置，如图5所示。LP EGR阀利用1个支架安装在发动机上，并通过连接软管与涡轮压气机连接。进气软管直接与LP EGR阀连接。

图4 集成式进气节流LP EGR系统

图5 进气节流LP EGR系统在发动机上的结构布置

1.2 集成式进气节流LP EGR阀的结构

集成式进气节流LP EGR阀由1个阀门和1个阀瓣构成(图6)[2]。阀门和阀瓣由带电机的变速器同时驱动。此外，在节流阀瓣后设有1个窜气进口，以减少窜气的污染。

图6 进气节流LP EGR阀的内部结构

1.3 进气节流LP EGR阀的开发目标和发动机技术参数

安装进气节流LP EGR系统的发动机的技术规格，如表1所示。

该发动机设定的开发目标如下表所述。每项数值都是通过以前的试验获得的。

1.4 阀瓣和阀门的尺寸

在本研究中，利用以前的试验结果来设定节流孔的最佳直径。流量的基本方程式如下：

Q(流量)=S(阀瓣面积) Xα(流量系数)

表1 发动机技术规格

为了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。

表2 进气节流LP EGR阀的开发目标

利用以前的试验结果，得到的目标发动机的最佳直径，利用该计算方法，节流孔直径确定为62 mm。

对于EGR阀，通过试验和计算确定了最佳的直径[3]。受EGR管直径的限制，EGR阀的直径确定为38 mm和42 mm。每个阀的最大EGR流量由试验确定，最终数值列于表3。

表3 无进气节气节流时的最大EGR流量

此外，考虑到安全性，进气节流阀瓣即使在其关闭的位置也保持一定的开启状态[4]。在保持该开口面积的情况下，计算得到的最终EGR流量见表4。

表4 修正后的EGR流量

根据这一结果，可以确定直径38 mm足以满足EGR流量的要求。

1.5 安装与连接

如图5所示，采用连接软管和安装支架是为了满足可靠性的目标。连接软管也能吸收来自涡轮压气机的振动。此外，采用安装支架还能使进气节流LP EGR阀与排气歧管保持一定的间距。

2 试验结果

2.1 EGR流量测定

如图7所示，试验样机的性能与排气节流LP EGR系统的相同。

图7 ERG流量测定结果

2.2 温度测量

为了验证热稳定性，在严格条件下对进气LP EGR阀进行了试验。虽然目标EGR气体温度为170 ℃，但是试验是在210 ℃和250 ℃下进行的，测量点如图8中所示，测试条件和测定结果分别如表5和表6如示。

图8 测量点示意图

工况全速/全负荷最大EGR(状态1)最大EGR(状态2)转速/(r·min-1)380021502100每行程喷油量/mg7040.541LPEGR率/%0100100LPEGR气体温度/℃63210250LPEGR气体流量/(kg·h-1)05070

由以上结果可见，安装位置和边界的间距足以满足进气节流LP EGR阀的温度限值要求。

表6 测试结果

图10 测量结果

2.3 振动测量

为了使LP EGR阀与压气机及发动机隔离，采用了1个橡胶连接软管和厚支架。振动测量的目的是为了验证每个部件的加速度[5]。测量点如图9所示，测量结果在图10中列出。由这些测量结果认为，吸振效果较好。

图9 测量点示意图

3 结论

试验证明，进气节流LP EGR系统与之前的排气节流LP EGR系统具有相同的性能。

通过把2个执行器集成在1个单元，能使LP EGR系统的整体结构比较简单。

试验证明，合适的LP EGR阀安装结构和连接，能够保证热稳定性和振动稳定性。

[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.

张文琪 译自 SAE Paper 2016-01-1071

朱炳全 校

虞 展 编辑

2016-12-29)