乘用車柴油機進氣節流低壓排氣再循環閥的優化開發

【韓】 S.Lee S.M.Park C.Hwang

廢氣凈化

乘用車柴油機進氣節流低壓排氣再循環閥的優化開發

【韓】 S.Lee S.M.Park C.Hwang

與目前廣泛使用的高壓排氣再循環系統(HP EGR)相比，低壓排氣再循環系統(LP EGR)能使EGR工作區進一步擴大，因此，燃油消耗和排放能得到改善。為了滿足歐5排放法規的要求，采用了1種排氣節流LP EGR系統。與其他車輛相比，采用該系統開發的歐5車輛具有更大的優點。由于排氣節流LP EGR閥是毗鄰后處理系統安裝的，因而為了能承受熱應力，LP EGR閥必須選用不銹鋼材料，相應成本也會增加。為了降低歐6車輛使用成本，開發了1種進氣節流LP EGR系統，以取代排氣節流LP EGR系統。為了采用這種進氣節流LP EGR系統，將EGR閥安裝在渦輪增壓器壓氣機的前面。在這種情況下，材料選擇范圍更廣(例如可選用鋁、鋼)。因此，進氣節流LP EGR閥能同時實現降低成本和質量。介紹這種LP EGR閥的設計方案，它能保持一定的進氣性能、安裝及連接穩定性、熱穩定性和振動強度。為了確保進氣性能，對閥瓣形狀的有效性進行了研究。對LP EGR閥合適的安裝結構進行了研究。通過這些研究，達到了進氣性能、熱應力和振動強度的開發目標要求。因此，實現了進氣節流LP EGR閥及其安裝結構的設計優化。

選擇性催化還原高壓低壓優化

0 前言

滿足日趨嚴格的排放法規正變得愈加困難，此外，人們對燃油效率的關注度也在增加。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，但整個系統的成本卻非常昂貴。因此，是否在車輛上應用SCR系統，是汽車制造商需要充分考慮的問題。

除了SCR系統，排氣再循環(EGR)也被廣泛用來減少NOx的排放。通常，EGR系統可根據2種排氣源來進行區分。一種是高壓EGR(HP EGR)系統，該系統是從渦輪機前端吸入排氣。因此，EGR系統進口與出口之間的排氣壓力差很高， EGR的通路也短，響應相對較快，并且系統結構簡單。但是，在發動機的高轉速和高負荷區域，進口與出口之間的壓力差會減小，因而，會導致EGR的質量流量比所需的EGR質量流量低。此外，在該運轉區域，渦輪機的效率也會下降(圖1)。

圖1 HP EGR系統示意圖

另一種是低壓EGR(LP EGR)系統，是在柴油機顆粒過濾器(DPF)后吸入排氣。因此，LP EGR系統不會對渦輪機的效率造成影響。但是，該系統需要采用1個節流閥來提高EGR閥進、出口之間的壓力差。此前，已有2種在DPF后面安裝節流閥的LP EGR系統成功問世。圖2和圖3分別為這兩種系統的示意圖。

圖2 采用分離式節流閥的LP EGR系統

圖3 采用集成式節流閥的LP EGR系統

如上所述，LP EGR系統節流閥的位置位于DPF之后。因此，這種系統被稱為排氣節流LP EGR系統。在這種情況下，節流閥所用的材料必須具有足夠的強度，應同時能承受熱應力和腐蝕。通常選用不銹鋼作為節流閥材料。

本文介紹了1種新的LP EGR系統，與節流閥一同安裝在渦輪壓氣機的前端，并將EGR閥與節流閥集成在同一個單元。該系統稱之為進氣節流LP EGR系統。采用此系統時，由于通過節流閥的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，使其對成本的影響降到最小。

1 進氣節流LP EGR系統的設計

1.1 系統示意圖和在發動機上的結構布置

如圖4所示，集成式進氣節流LP EGR系統由1個節流閥和1個EGR閥組成，且節流閥和EGR閥集成在1個單元。它位于渦輪壓氣機的前面。在EGR氣體流動的方向，LP EGR閥位于低壓EGR冷卻器的后端。

該系統在發動機上的結構布置，如圖5所示。LP EGR閥利用1個支架安裝在發動機上，并通過連接軟管與渦輪壓氣機連接。進氣軟管直接與LP EGR閥連接。

圖4 集成式進氣節流LP EGR系統

圖5 進氣節流LP EGR系統在發動機上的結構布置

1.2 集成式進氣節流LP EGR閥的結構

集成式進氣節流LP EGR閥由1個閥門和1個閥瓣構成(圖6)[2]。閥門和閥瓣由帶電機的變速器同時驅動。此外，在節流閥瓣后設有1個竄氣進口，以減少竄氣的污染。

圖6 進氣節流LP EGR閥的內部結構

1.3 進氣節流LP EGR閥的開發目標和發動機技術參數

安裝進氣節流LP EGR系統的發動機的技術規格，如表1所示。

該發動機設定的開發目標如下表所述。每項數值都是通過以前的試驗獲得的。

1.4 閥瓣和閥門的尺寸

在本研究中，利用以前的試驗結果來設定節流孔的最佳直徑。流量的基本方程式如下：

Q(流量)=S(閥瓣面積) Xα(流量系數)

表1 發動機技術規格

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 進氣節流LP EGR閥的開發目標

利用以前的試驗結果，得到的目標發動機的最佳直徑，利用該計算方法，節流孔直徑確定為62 mm。

對于EGR閥，通過試驗和計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。每個閥的最大EGR流量由試驗確定，最終數值列于表3。

表3 無進氣節氣節流時的最大EGR流量

此外，考慮到安全性，進氣節流閥瓣即使在其關閉的位置也保持一定的開啟狀態[4]。在保持該開口面積的情況下，計算得到的最終EGR流量見表4。

表4 修正后的EGR流量

根據這一結果，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。連接軟管也能吸收來自渦輪壓氣機的振動。此外，采用安裝支架還能使進氣節流LP EGR閥與排氣歧管保持一定的間距。

2 試驗結果

2.1 EGR流量測定

如圖7所示，試驗樣機的性能與排氣節流LP EGR系統的相同。

圖7 ERG流量測定結果

2.2 溫度測量

為了驗證熱穩定性，在嚴格條件下對進氣LP EGR閥進行了試驗。雖然目標EGR氣體溫度為170 ℃，但是試驗是在210 ℃和250 ℃下進行的，測量點如圖8中所示，測試條件和測定結果分別如表5和表6如示。

圖8 測量點示意圖

工況全速/全負荷最大EGR(狀態1)最大EGR(狀態2)轉速/(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

由以上結果可見，安裝位置和邊界的間距足以滿足進氣節流LP EGR閥的溫度限值要求。

表6 測試結果

圖10 測量結果

2.3 振動測量

為了使LP EGR閥與壓氣機及發動機隔離，采用了1個橡膠連接軟管和厚支架。振動測量的目的是為了驗證每個部件的加速度[5]。測量點如圖9所示，測量結果在圖10中列出。由這些測量結果認為，吸振效果較好。

圖9 測量點示意圖

3 結論

試驗證明，進氣節流LP EGR系統與之前的排氣節流LP EGR系統具有相同的性能。

通過把2個執行器集成在1個單元，能使LP EGR系統的整體結構比較簡單。

試驗證明，合適的LP EGR閥安裝結構和連接，能夠保證熱穩定性和振動穩定性。

[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)