相繼增壓柴油機文丘里管EGR系統設計與試驗

高占斌， 祖象歡， 杜 駿， 王銀燕

(1.哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院， 哈爾濱 150001；2.集美大學 輪機工程學院， 福建 廈門 361021;3.北京市特種設備檢測中心, 北京 100029)

隨著全球排放法規的日益嚴格，在保持柴油機動力性和經濟性的同時，如何最有效地降低NOx污染物的排放量，成為柴油機燃燒與排放技術所面臨的關鍵難題。[1-3]

廢氣再循環(Exhaust Gas Recirculation，EGR)是將排氣中的一部分廢氣引進到進氣管，同新鮮空氣混合后進入氣缸重新參與燃燒的過程。[4]EGR技術能有效降低柴油機最高燃燒溫度和缸內氧濃度，從而降低NOx污染物的生成，目前,已成為控制船舶柴油機NOx排放物的有效手段之一。[1-8]

為實現EGR技術，增壓中冷型柴油機通常使用兩種布置回路。一種是低壓回路，即將廢氣從渦輪入口前引入到壓氣機入口前；另一種是高壓回路，即將廢氣從渦輪入口前引入到壓氣機出口后。由于低壓回路中易出現廢氣泄漏，并且廢氣中顆粒物等雜質容易對葉片表面造成損傷，實現較為困難。在高壓回路中，當柴油機處于高負荷工作時，往往會出現增壓壓力高于廢氣壓力，出現廢氣回流的問題,目前通常在進氣管中安裝節氣門[2-8]或文丘里管結構。[9-16]節氣門能方便快速調節管中的氣流壓力，且構造簡單易于操作，但是會對增壓器的運行帶來負面影響，如惡化柴油機的掃氣效果，影響柴油機的運行性能。文丘里管結構利用節流引射作用使得廢氣進入進氣管，對進氣壓力損失影響較小，但由于尺寸原因，布置比節氣門要復雜。

目前，關于EGR研究以直列柴油機為主。直列柴油機具有結構簡單和布置相對簡便的特點，而V型柴油機，由于結構復雜，使得EGR循環更加困難。V型柴油機的進氣管和排氣管通常采取兩列平行結構，為廢氣的引出和流入增加難度，如果從單一列進排氣管完成廢氣再循環，將會造成發動機各個缸內燃燒程度不同，使其運行的穩定性遭到破壞。為避免該情況發生，一般將雙管道改造成單管道，或在雙管道間通過加裝旁通閥的方法讓兩列氣流一致，來改善柴油機工作的穩定性。

在一臺匹配相繼增壓系統的TBD234V12增壓中冷型柴油機上，設計文丘里管EGR系統，并以改造后的柴油機作為試驗臺架，進行帶文丘里管的高壓EGR系統對相繼增壓柴油機燃燒與排放性能影響的相關試驗。該研究為相繼增壓、V型和較大型船用柴油機EGR系統優化匹配提供依據，具有一定的應用價值。

1 文丘里管EGR系統的設計

試驗主要研究增壓柴油機TBD234V12的外部高壓EGR系統，由原機的試驗數據可知，當柴油機在高工況運行時，進氣壓力明顯高于排氣壓力，此時實現EGR廢氣回流困難，因此,選擇在增壓器出口后串接文丘里管，可有效減小對柴油機和渦輪增壓器的運行影響。

黨的十八大以來，在各項治國理政的實踐中，習近平總書記把反腐倡廉建設提高到前所未有的高度，發表了一系列反腐倡廉建設重要講話，提出了許多新理念、新思想、新觀點、新論斷，回應了新形勢下反腐倡廉建設的重大理論現實問題。這些反腐倡廉的論斷有哪些特點，高校的反腐倡廉還存在哪些挑戰，就這些問題，本刊記者（以下簡稱“記”)專訪了西安交通大學教授李景平（以下簡稱“李”）。

2.4.1 HPLC指紋圖譜的生成 取5批樣品各適量，按“2.2.3”項下方法制備供試品溶液，再按“2.1”項下色譜條件進樣測定，采用《中藥色譜指紋圖譜相似度評價系統（2004 A版）》對5批樣品的HPLC圖譜進行分析，得HPLC指紋圖譜，詳見圖1、圖2。

1.1 文丘里管基本原理

文丘里管采用縮擴形噴管結構，主要結構見圖1,主要組成部分分別為收縮噴嘴段、喉口混合段和擴壓段。在收縮段氣流實現膨脹，流速上升，馬赫數變大，流體壓力、密度和溫度均會降低；而在擴壓段中，流體壓力逐步上升，溫度和密度均逐漸恢復，流速減慢。在膨脹過程中，流體的壓力逐漸變小，當到喉口部位時，形成低壓區，最終使得廢氣壓力與進氣壓力之間形成一定的壓力差，保證廢氣從渦輪前引射入進氣管。此外，擴壓段的混合氣流動是一種壓縮過程，壓力上升，降低壓力損失帶來的不利影響。對比其余輔助混合技術，文丘里管可在不損失機械功的狀況下實現進排氣的混合。

1.2 文丘里管的布置及尺寸設計

文丘里管同進氣管的連接有串聯和并聯2種形式[16-17]，綜合考慮到柴油機臺架的空間布局和文丘里管尺寸，選擇串聯的文丘里管系統見圖2。

相繼增壓系統的空氣先由2臺并聯的壓氣機進行壓縮，而后經過三叉管道匯合流入到文丘里管的進口截面，當空氣流過收縮段時，流速加大，壓力降低。從排氣管中引出廢氣，經中冷及EGR閥，在喉口部位與進氣混合，壓力在擴壓段又恢復，最終到達各個氣缸實現燃燒。

通過測取的試件中自制測力錨桿各測點應力應變數據，可以得到對應位置錨桿的軸力。依據前文2.2界面剪應力分析，將錨桿軸力作為錨桿、錨固劑復合體承受的軸向載荷，兩測點間錨桿軸力差由錨固劑-圍巖界面剪應力提供，視兩測點間界面剪應力均勻分布，即可得到錨固劑-圍巖界面剪應力沿錨固長度分布情況。以錨固長度0.8 m、張拉載荷為30 kN的C-3試件為例，將理論分析、數值模擬、張拉試驗中得到的錨固劑-圍巖界面剪應力數值進行對比分析，如圖8所示。

由于在設計工況運行的柴油機，調整EGR閥開度由完全封閉到完全打開時，文丘里管都能發揮減壓引射作用，使得試驗預想的EGR率能夠得到保證，而且當EGR閥完全打開時能夠讓文丘里管的喉口部位正好避免壅塞現象，因此,選取額定工況(1 800 r/min，444 kW)作為文丘里管設計工況，設計計算文丘里管有關結構參數為

首先針對本次課的內容列舉幾個(3～5)關鍵問題，讓同學們根據問題看書或借助其他手段找出問題的答案，并將答案記錄在筆記中。由此在課堂上讓同學們既可以動動腦筋思考，又可以讓他們動動手，充分調動同學們的積極性；其次針對關鍵問題組織同學們討論，通過讓同學們積極參與，使同學們對知識有更好的了解；最后老師對這幾個問題總結并對其它一些內容作講解，在講解過程中，要求同學們對筆記中出現的問題作調整，完善筆記的內容；最后在本次課結束前，讓同學們拿出手機登錄網絡教學平臺，完成本次課相關內容的學習，從而進一步深化對本次課程內容的理解和掌握；在下一次課時，用五分鐘左右的時間復習上次課的內容，使同學們溫故而知新。

其次，抗辯權行使內容的限制。合同的當事人實行抗辯權的目的在于要求對方履行合同債務，以保障自己合同債權的實現，進而促進合同目的的實現。所以業主在行使抗辯權的時候，不能影響其他業主的合法權益，也不能影響物業服務企業的日常工作。而且業主也不可以采取法律所禁止或者違反公序良俗的方式行使抗辯權。

p=ρRT

(1)

m=ρAv

(2)

(3)

(4)

式(5)～式(9)中：A*為臨界截面面積，m2；p0為滯止壓力，MPa。由pt/p0的值，查氣體動力函數表，采用線性插值計算為

由上述模擬結果分析可知:該文丘里管具有顯著的減壓能力，符合EGR廢氣的引射條件，在高負荷工況點也可達到預期的EGR率。

由式(1)～式(4)可得：馬赫數Ma=0.086 27；通過馬赫數查氣體動力函數表，用線性插值法計算得

在高中地理教學中，教師要關注學生的人文精神和科學精神的融合情況，還要關注學生價值觀、情感觀方面的變化和進步，關注學生自身的發展。高中地理課堂上，課前引入是融合人文知識最好的情境，通過創設良好的教學情境，激發學生的學習熱情，通過轉承手段，融合人文知識和學生所學習的知識，讓地理知識更加富有感染力和張力。

(5)

(6)

d*=44 mm

(7)

(8)

(9)

式(1)～式(4)中:p為進氣壓力，MPa；ρ為進氣密度，kg/m3；R為氣體常數，J/(kg·K)；T為進氣絕對溫度，K；m為進氣質量流量，kg/s；A為管道截面積，m2；v為進氣流速，m/s；a為當地音速，m/s；γ為比熱比；Ma為馬赫數。

(10)

(11)

試驗機型為TBD234V12相繼增壓中冷型柴油機，主要技術參數見表2，結構見圖6。

組織專家完成2012年重點縣建設資金省級績效考評；對第三四批重點縣2013年度標準文本，第四批重點縣2014年度標準文本及第五批重點縣3年建設方案進行合規性審查；編制了《中央財政小型農田水利設施建設中一般中型灌區立項指南》和《一般中型灌區配套改造實施方案編寫大綱》。

表1 文丘里管結構尺寸 mm

1.3 文丘里管內部流動計算分析

為驗證所設計文丘里管的引射效果，選取柴油機TBD234V12推進特性下的75%負荷,EGR率分別為5.80%、11.20%時，對其進行三維流場分析。這2個工況點能夠較好代表中等和偏大廢氣回流量的文丘里管混合情況。

試驗主要設備及儀器包括：高溫EGR球閥、長沙湘儀FC2010發動機測控儀、長沙湘儀SG880水力測功器、長沙湘儀FC2210智能油耗儀、瑞士KISTLER 6125C缸壓傳感器、瑞士KISTLER 5011電荷放大器、奧地利AVL INDIMODUL 621燃燒分析儀、奧地利AVL 439 OPACIMETER 不透光式煙度計、奧地利AVL AMAI60廢氣分析儀和德國德圖Testo 煙氣分析儀等。其中:用AVL AMA I60廢氣分析儀來檢測廢氣中NOx、CO2、CO、CH等成分，根據對標準氣的采樣，標定氣體的實際值；進氣中CO2成分利用煙氣分析儀Testo 350檢測。

5.80%的EGR率時文丘里管流動狀態見圖4，由圖4可知:管道內壓力分布總體梯度明顯，過渡平和，空氣從文丘里管進口流入喉口段時，壓力由0.135 6 MPa降至0.125 MPa，降低了0.010 6 MPa，廢氣壓力是0.125 7 MPa，使得其與進氣兩者之間存在壓力梯度，保證廢氣的流入。由圖4b)可知:氣流由壓縮段向喉口段流動時，壓力減小，流速慢慢加大，當流至喉口部位時達到最大，而后氣流流向擴壓段，流速慢慢減小，壓力逐漸增加。

11.20%EGR率時文丘里管流動狀態見圖5，由圖5可知，管內氣體流動趨勢與5.80%EGR率時流動基本保持一致，高壓空氣由文丘里管進口流入到喉口時，流速慢慢加大，壓力均勻下降，從開始的0.131 MPa降至0.118 8 MPa，降低了0.012 2 MPa。而后流向擴壓段，壓力慢慢增大，流速對應也有所降低。因為廢氣與進氣的混合，造成喉口出口和擴壓段部位生成部分低壓區，使得氣流的融合不相同，但是在擴壓段尾部氣體壓力又上升至0.012 2 MPa。

試驗中文丘里管進出口截面直徑應等于進氣管的直徑d1=d2=115 mm，壓氣機出口空氣壓力=0.157 MPa，溫度=345 K，進氣流量=0.529 kg/s，渦前廢氣壓力=0.15 MPa。為保證廢氣有效引射入進氣管，必須讓排氣管與文丘里管喉口部存在壓力差，由經驗數據查得，二者通常需有3～10 kPa的壓力差[9]，因而我們選取pt=0.14 MPa。

分別從兩列廢氣管引出廢氣，由中冷器將其冷卻，氣流的脈沖影響也會在中冷器腔被消除，而后進氣和經過EGR閥到達文丘里管喉口的廢氣進行混合。EGR閥安裝在廢氣引入管道內，而廢氣流量是通過調節閥門的開度來控制的，由此改變EGR率。廢氣引入管與喉口段夾角的最大取值范圍為α/2至90°(α角為收縮段錐角)，通過FLUENT軟件仿真計算可知45°夾角對流體混合有較好的效果，同時考慮到加工難度和平臺尺寸問題，故選擇喉口段與廢氣引入管的夾角為45°。

2 試驗設備及方法

喉口面積明確之后，由經驗公式可知文丘里管噴嘴長度L1、混合段長度Lt和擴壓器長度L2。為讓文丘里管收縮角度及擴張角度在合適錐角范圍以內，由試驗臺架的位置布置，分別計算得到文丘里管收縮段、喉口混合段和擴壓段長度。具體結構參數見表1,實物見圖3。

表2 TBD234V12柴油機主要技術參數

試驗柴油機是V型機，進氣管與排氣管都獨立布置為2列。該結構對廢氣回流造成一定困難，所以將原雙進氣道改成單進氣總管，并且把旁通管加裝在2列排氣管間，使用三通結構由旁通管把廢氣引出，從而保證2列渦輪增壓器穩定運行及廢氣回流至每缸的均勻性。受限原機構造，將采取中冷前高壓廢氣循環系統。受V型柴油機狹小空間布置的限制，冷卻器的尺寸不能過大。參照經驗數據可知，EGR溫度應冷卻至120～160 ℃范圍內最為理想。試驗臺架系統見圖7。

1270 基于“和諧使命－2017”任務醫院船海外醫療服務中超聲工作的思考 宋家琳，蔣 棟，法 凱，查長松

試驗選取該柴油機高、中、低3種轉速進行，以部分工況為重點研究對象，選取轉速900 r/min和1 500 r/min下25%、50%、75%、100%負荷等8個工況點。每個工況點通過調節EGR閥門開度獲得不同EGR率，同時為保證該柴油機其他廢氣排放及穩定運轉，并保證NOx的有效降低，試驗中將EGR率控制在15%之內。

3 試驗結果和分析

3.1 EGR率對缸內壓力的影響

900 r/min的25%負荷、1 500 r/min的25%負荷，EGR率對缸內壓力的影響見圖8。從圖8分析可知:相同工況下缸壓曲線變化趨勢保持一致。伴隨EGR率上升，缸壓峰值呈減小趨勢。如圖8a)中轉速900 r/min，25%負荷工況點，峰值減小了0.64 MPa。這是因為從渦前引出回流廢氣增加，減少廢氣渦輪所需的能量，因此增大EGR率最終會造成進氣量減少，壓力降低，缸內初始壓力及壓力峰值降低。進一步分析，缸壓在低轉速工況下為單峰、高轉速下為雙峰，燃燒所形成的波峰值大致在上止點后2°～8°。圖8b)中缸壓為雙峰，第1峰值大致出現在上止點后2°，燃燒在上止點前。由于EGR率的上升，進氣量降低，使得第1峰值由EGR率的增加而減小。第2峰發生于上止點后8°，活塞運行到上止點后開始下行，下行造成缸壓減小，但燃燒使得壓力增大速率比活塞下行造成的壓力降低速率大，便有了第2峰。由于EGR率的上升，該工況下進入缸內的廢氣量變大，導致氣體比熱容上升，延長滯燃期，最后延遲燃燒始點。因此,EGR系統導致缸壓曲線總體由上止點向后偏移。

3.2 EGR率對油耗的影響

900 r/min和1 500 r/min轉速下，負荷分別為25%、50%、75%、100%時油耗率隨EGR率的變化見圖9。由圖9可知:在負荷相同時，提高EGR率，廢氣引入量上升，燃燒惡化，但動力輸出保持不變，故油耗與EGR率兩者呈線性關系。小負荷時EGR的引入導致的空燃比變化不大，因此燃油消耗率變化緩慢。如1 500 r/min轉速、25%負荷時，當EGR率由0上升至10.8%時，油耗率由257.5 g/(kW·h)上升至268.1 g/(kW·h)，增加了4.12%;高負荷時，因為EGR引入造成空燃比顯著減小，缸內局部混合氣濃度過高，致使發生缺氧情況，伴隨EGR率上升，混合氣濃度持續變大，最后造成燃燒不斷惡化。由于后燃加劇，因此,有一定量燃油在活塞下行過程中燃燒，放熱率最大值向后偏移，造成柴油機做功能力下降，因此大負荷時扭矩減小速率比小負荷扭矩減小速率大，柴油機工作時為彌補損耗功率，必須增加噴油量來保證理想的輸出功率，所以油耗隨EGR率上升而增加。如在1 500 r/min轉速、100%負荷時，當EGR率由0上升至10.8%時，油耗率由206.6 g/(kW·h)上升至225.4 g/(kW·h)，增加了9.10%；小負荷時，扭矩降低不大，因此耗油增加趨勢比大負荷緩慢。

3.3 EGR率對NOx的影響

900 r/min和1 500 r/min轉速下，負荷分別為25%、50%、75%、100%時NOx排放隨EGR率的變化見圖10。由圖10可知:EGR廢氣的引入可以顯著改善NOx的排放，特別在高負荷時效果更加明顯。如在1 500 r/min，75%負荷工況時，當EGR率從0.6%變化到10.1%時，NOx排放從0.210 1%降低到0.146 5%，共下降了30.27%。這是由于EGR廢氣比熱容較大，導致缸內燃燒初始階段放熱率減小，燃燒溫度降低，并且廢氣引入會使空燃比減小，氧氣濃度會隨著EGR率的增加又急劇減小，因此在高負荷時NOx下降速率更大。在低轉速工況工作時，NOx排放隨著EGR率的增加先下降后上升。如在900 r/min轉速、25%負荷時，開始呈下降趨勢，NOx從0.037 699%下降至0.025 12%，但是當EGR率由10.40%持續增加到11.60%時，NOx增多了0.001 01%，這是由于在低轉速工況點時，EGR起到減小氧濃度作用，伴隨廢氣量的逐漸升高，缸內溫度升高，同樣高溫持續時間延長，與此同時消除了氧濃度降低的效果，因此EGR對NOx產生不利影響，NOx排放略微上升。當柴油機轉速上升至1 500 r/min時，廢氣當中的惰性氣體開始發揮明顯作用，對燃燒的快速發生造成障礙，缸內溫度下降，因為生成NOx的速度較燃燒反應速度小，所以只有少量NOx在火焰的外焰區生成，且轉速不斷增加，高溫持續時間減小，使得NOx的生成無法達到平衡，因此NOx生成量隨廢氣量的上升不斷降低。

3.4 EGR率對煙度的影響

900 r/min和1 500 r/min轉速下，負荷分別為25%、50%、75%、100%時煙度隨EGR率的變化見圖11。由圖11可知:小負荷時，煙度值基本不會隨EGR率的變化而產生明顯變化。如900 r/min、25%負荷時，EGR率改變初期，煙度大小基本不變，當EGR率上升至9%時，煙度值才有顯著上升趨勢，此后隨著EGR率的持續上升，煙度大致呈指數曲線急劇上升。當EGR率不斷上升時，與低負荷工況相比較，高負荷工況下的煙度值突變點也對應向前移動，在900 r/min，75%負荷工況下，EGR率達到5.40%時煙度值突然變化，顯著上升，而100%負荷下煙度隨EGR率增加急劇上升。這是因為在同等轉速下，負荷越大，空燃比就越低，EGR率對燃燒造成的影響就越明顯，此時缸內溫度的升高使得碳的二次燃燒加劇，導致該工況下煙度上升。在相同轉速下，高煙度區朝高負荷和高EGR率區移動，其影響因素主要有空燃比和缸內局部溫度。

4 結束語

1) 以TBD234V12相繼增壓柴油機為研究對象，以原機額定工況點為設計工況點，計算出能夠匹配的文丘里管構造，并參考V型柴油機進排氣管的位置分布，完成文丘里管EGR系統的設計。

2) 仿真計算分析推進特性75%負荷下的兩個不同EGR率時文丘里管的內部流動，驗證文丘里管的良好降壓作用，可滿足較高的EGR率要求。

3) 當該機按負荷特性穩定工作時，采取EGR循環，可有效地降低NOx的排放，特別是在高轉速時效果更為明顯，NOx的生成量隨EGR率的上升而大幅降低，當EGR率升高到8%左右，NOx均能得到25%左右的降幅，而煙度和油耗等只有小幅度增長。

針對“認知領域—情感領域—精神運動領域”3個方面，以解決情感問題為目標實施“多元化”的評價方案[4]，有利于在學生參與“館校合作”科學活動中，給予恰當的過程性評價。這種過程性的評價可以是教師給予學生，或由學生互評、學生自評；評價也可是針對學生的學習成果、成績。我校在“館校合作”科學活動方案中，是對學生在學習態度、合作交流、實踐能力和成果展示四個方面的表現，設計了活動評價表。

4) EGR率的升高會使缸內爆壓降低，延長滯燃期，燃燒始點及終點都會出現一定的延遲。低負荷時，油耗呈小幅度升高，在同一轉速下，油耗在高負荷工況點升高較低負荷明顯。

與類似，當和分別等于零時，式(12)中的P、Lv和Mv分別為0，可得其交點軸線T-Map的3維空間域邊界方程分別為：

5) 在低負荷工況時，煙度受到EGR率的影響效果并不明顯；當EGR率增大到9%左右時，隨著EGR率的加大，煙度上升幅度明顯增加；與低負荷工況相比，高負荷下煙度值突變點向前移動。