增压柴油机EGR系统开发及试验研究

摘要

在汽车产业飞速发展的同时，汽车尾气排放带来的污染已经严重影响到人类的生存环境。就柴油机而言，可优化燃烧过程的废气再循环技术(Exhaust Gas Recirculation：EGR)已经成为控制柴油机NOx排放最重要的手段之一。而对于增压柴油机，选择合理的EGR回路和设备，对柴油机顺利实现EGR尤为重要。因此，本文以DK4A增压柴油机为基础，设计了基于文丘里原理的射流式可变EGR率的EGR装置及回路，利用CFD手段对装置进行了优化设计，搭建了带有EGR回路的发动机台架并进行相关试验，探究了该EGR回路对柴油机性能的影响。
　　本文通过三维CFD软件Fluent对装置进行仿真计算，利用所设计的验证试验验证明了计算模型的可靠性。仿真计算主要分析了不同结构参数下，装置内气体的流场情况，探究了装置结构参数以及边界条件对装置最大可实现EGR率(EGRmax)的影响。计算结果表明：装置的收缩段宽度与空气进口直径越小，装置的EGRmax越大；废气进气管向内移动时，装置的EGRmax增大，而收缩角对EGRmax无太大影响；废气入口处与出口处压力差越小，装置实现EGR则越困难；收缩段宽度减小、收缩角减小和扩压角减小有利于废气和空气的混合；较小的收缩段宽度、较大的空气进口直径会带来较大的能量损失。最终依据仿真计算的结果，并结合试验发动机台架的尺寸条件，确定了EGR装置的最终尺寸，并加工得到试验用装置实物。
　　为探究本文所设计EGR装置及实验回路对柴油机性能的影响，主要选择了试验柴油机小负荷工况下的部分工况点，探究了装置的边界压力特性及不同EGR率时EGR系统对该发动机动力性、经济性及排放性的影响，试验结果表明：
　　发动机转速及负荷的升高使EGR装置进出口边界上的压力不断升高，而废气进口处压力与出口处压力的压差却不断减小，造成了装置的EGRmax不断下降。当压差为-0.02bar时，发动机不能实现EGR。装置废气进气管向内移动15mm后,装置实现EGR的能力明显增强。通过垫片调节废气进气管相对位置可以达到调节EGRmax的目的，向内移动时EGRmax增大，向外移动时减小。EGR率增加后，缸内最高爆发压力与放热率峰值下降，其出现时对应的曲轴转角推迟；发动机的有效燃油消耗率随EGR率的升高而升高，而在同一EGR率下，装置废气进气管向内移动后发动机油耗率上升，向外移动后油耗下降；随着EGR率的升高，发动机NOx排放大幅下降，而碳烟排放值趋势相反。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 柴油机排放法规现状

1.3 废气再循环技术

1.4 废气再循环技术国内外研究现状

1.5 本课题研究内容及意义

2 EGR系统的设计

2.1 EGR系统布置方案及工作原理

2.2 EGR装置结构参数设计

2.3 仿真模型的建立

2.4 本章小结

3 装置关键参数的优化设计

3.1 仿真模型的验证实验

3.2 装置结构参数对EGR率的影响

3.3 结构参数对废气均匀性的影响

3.4 边界条件对EGR率的影响

3.5 可变EGR率装置的优化设计

3.6 本章小结

4 EGR装置发动机台架试验研究

4.1 试验方案的整体设计及装置设备

4.2 EGR装置特性研究

4.3 EGR率对柴油机性能特性的影响

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及科研成果

致谢