某V型游艇發(fā)動(dòng)機(jī)EGR系統(tǒng)中文丘里管的設(shè)計(jì)

曹合力 高占斌

摘 要：針對(duì)某V型柴油機(jī)在進(jìn)行廢氣再循環(huán)時(shí)廢氣壓力低于壓力從而無法順利引入廢氣的問題我們通過使用文丘里管來解決。在設(shè)計(jì)文丘里管的尺寸時(shí)首先結(jié)合柴油機(jī)具體的工作環(huán)境和尺寸然后遵循需要滿足的三個(gè)工作要求：（1）喉口段形成足夠背壓從使廢氣能順利引入。（2）進(jìn)氣與廢氣能充分混合。（3）尺寸復(fù)合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的實(shí)際情況能進(jìn)行合理布置。尺寸設(shè)計(jì)完成后制作出實(shí)物并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能成功引入廢氣，完成混合并恢復(fù)壓力。

關(guān)鍵詞：文丘里管;柴油機(jī);廢氣再循環(huán)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.002

0 引言

在排放法規(guī)要求日益嚴(yán)格的今天降低NOx的排放是一個(gè)迫切的問題。廢氣循環(huán)技術(shù)（EGR）是解決這一問題的有效途徑，而成功將足夠廢氣回流到進(jìn)氣管則是EGR技術(shù)的關(guān)鍵[1]。當(dāng)柴油機(jī)處于高工況時(shí)進(jìn)氣增壓壓力高于排氣壓力，必須要想辦法克服這一個(gè)難題。

我們一般通過安裝節(jié)氣門或者文丘里管來解決問題，相比安裝節(jié)氣門安裝文丘里管雖然比較難于安裝但不會(huì)對(duì)增壓器產(chǎn)生負(fù)面影響不會(huì)影響柴油機(jī)正常運(yùn)行是一個(gè)更好的選擇[2]。

本文會(huì)結(jié)合某V型游艇發(fā)動(dòng)機(jī)的具體尺寸和工作情況設(shè)計(jì)出文丘里管的具體尺寸并通過實(shí)驗(yàn)和仿真的途徑來驗(yàn)證設(shè)計(jì)出來的文丘里管的效果。

1 文丘里管的工作原理和結(jié)構(gòu)

文丘里管是一種縮擴(kuò)噴管結(jié)構(gòu)，由收縮噴嘴段、喉口混合段和擴(kuò)壓段組成，圖1為文丘里管的基本結(jié)構(gòu)簡圖。

從圖中可以看出進(jìn)氣先進(jìn)入收縮段壓力密度溫度均會(huì)下降，在喉口段形成低背壓環(huán)境從而完成廢氣的引入。廢氣在喉口段與進(jìn)氣部分混合后再進(jìn)入擴(kuò)壓段，在擴(kuò)壓斷繼續(xù)充分混合的同時(shí)氣體壓力逐漸恢復(fù)，溫度密度逐漸升高流速減低流入中冷器[3]。為了實(shí)現(xiàn)文丘里管的引入廢氣功能其結(jié)構(gòu)需要滿足三個(gè)要求：

（1）在喉口段能形成足夠大的背壓從而使廢氣能順利引入。

（2）使進(jìn)氣與廢氣能充分混合，使管內(nèi)產(chǎn)生的流動(dòng)損失和流動(dòng)分離盡量小。擴(kuò)壓段能有效恢復(fù)進(jìn)氣壓力，減少進(jìn)氣壓力損失。

（3）尺寸復(fù)合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的實(shí)際情況能進(jìn)行合理布置。

2 文丘里管尺寸設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中關(guān)于收縮段的α角未避免出現(xiàn)壅賽現(xiàn)象應(yīng)取10°<α<40°此時(shí)總阻力系數(shù)最小，如果α過大則收縮段長度太小，在收縮段和喉口段的過渡段會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)分離，有較大的壓力損失，如果α角過小則會(huì)增大氣體流體在壁面上的摩擦阻力。為了能在擴(kuò)壓段較好的恢復(fù)氣體壓力β角應(yīng)取11°<β<18°，當(dāng)β角過大時(shí)氣流在紊流過程中附面層從壁面分離加劇，出現(xiàn)漩渦現(xiàn)象，能量損失加大。理論上β角越小，氣流混合越完全，能量損失越小，但會(huì)使擴(kuò)壓段尺寸上升，所以要考慮實(shí)驗(yàn)臺(tái)具體情況選取β角[4]。

在計(jì)算尺寸時(shí)，為了使計(jì)算不要過于復(fù)雜我們將流動(dòng)考慮為定常流動(dòng)，運(yùn)用氣體動(dòng)力學(xué)公式：

（1）理想氣體狀態(tài)方程：p--進(jìn)氣壓力，單位MPa;--進(jìn)氣密度，單位kg/m3;R--氣體常數(shù)，J/（kgK）;? T--進(jìn)氣絕對(duì)溫度，K;

（2） 流量連續(xù)方程;m--進(jìn)氣質(zhì)量流量，kg/s;A管道截面積，m3;--進(jìn)氣流速，m/s;

（3）進(jìn)氣音速方程;--當(dāng)?shù)匾羲伲琺/s;--比熱比，無單位;

（4）馬赫數(shù)計(jì)算方程;M--馬赫數(shù)，無單位。

我們選取柴油機(jī)百分百工況（1500r/min，186kW）作為設(shè)計(jì)工況。這樣選是基于：在將管內(nèi)流動(dòng)簡化為定常流的情況下，當(dāng)柴油機(jī)在設(shè)計(jì)工況工作，調(diào)節(jié)EGR閥的開度從全閉到全開時(shí)，文丘里管均能起到降壓引射的作用且能達(dá)到試驗(yàn)需要EGR率，并且當(dāng)EGR閥全開時(shí)文丘里管的喉口部位剛好不發(fā)生壅塞現(xiàn)象。

文丘里管進(jìn)出口直徑等于柴油機(jī)進(jìn)氣管直徑d1=d2=80cm，進(jìn)氣壓力P1=0.145MPa，環(huán)境溫度T=335K，進(jìn)氣流量594.7m3/h，空氣密度1.29kg/m3，換算為m=0.214kg/s，廢氣壓力P2=0.139MPa。由公式變形可求得：

M=0.1時(shí)P/P0=0.99303，A1/A0=11.5815， M=0.05時(shí)P/P0=0.99825，

A1/A0=5.8218，用插值法推出M=0.07698時(shí)P/P0=0.99543，A1/A0=8.4735;又可由A1/A0=8.4735推出喉口臨界直徑mm。

又由經(jīng)驗(yàn)可知喉口段與渦輪廢氣的壓力差在3-10KPa比較合適，我們?nèi)?KPa為設(shè)計(jì)壓差，于是Ph=0.139-0.009=0.13MPa，。

，又查氣體動(dòng)力函數(shù)表，再用插值法可求出M=0.4063，，m=34.5mm>d0。

取收縮錐角α=24°收縮段長度，

又考慮到平臺(tái)的空間我們?nèi)≌麄€(gè)文丘里管長度L=320mm，喉口段長度Lh=30mm，可推出擴(kuò)壓段長度，則擴(kuò)壓段滿足要求。整個(gè)文丘里管設(shè)計(jì)有：收縮段錐角α=24°，收縮段長度107mm，喉口段直徑34.5mm，喉口段長度30mm，擴(kuò)壓段錐角14.2°，擴(kuò)壓段長度183mm，總長320mm。

3 文丘里管引流效果檢驗(yàn)

我們根據(jù)計(jì)算出來的數(shù)據(jù)制造出文丘里管實(shí)物如下圖所示。通過實(shí)驗(yàn)我們可以得出：

原機(jī)時(shí)在設(shè)計(jì)工況下空氣的進(jìn)氣壓力為P1=0.145MPa，而廢氣壓力P2=0.139MPa無法實(shí)現(xiàn)自主廢氣引入。而在加裝了帶文丘里管的EGR系統(tǒng)后額定工況下當(dāng)EGR率為2.5%時(shí)，收縮段入口處的進(jìn)氣壓力為0.1275MPa流入到喉口段時(shí)下降到0.1185MPa，收縮段氣壓下降為0.009MPa，而此時(shí)EGR廢氣氣壓壓力為0.1196Mpa，保證了廢氣與進(jìn)氣之間的壓力差。

而混合氣體經(jīng)過擴(kuò)壓段氣體壓力恢復(fù)到0.1202MPa，有效恢復(fù)了氣壓。而在11%的EGR率時(shí)，收縮段入口處的進(jìn)氣壓力為0.1218MPa流入到喉口段是下降到0.1122MPa，收縮段氣壓下降為0.0096MPa.而經(jīng)過擴(kuò)壓段氣壓恢復(fù)到了0.1143MPa。

4 結(jié)論

對(duì)某V型柴油機(jī)進(jìn)行外部高壓EGR系統(tǒng)改造，需設(shè)計(jì)其中需要的文丘里管的尺寸。結(jié)合柴油機(jī)實(shí)際尺寸和工作環(huán)境設(shè)計(jì)的文丘里管的尺寸如下：收縮段錐角α=24°，收縮段長度107mm，喉口段直徑34.5mm，喉口段長度30mm，擴(kuò)壓段錐角14.2°，擴(kuò)壓段長度183mm，總長320mm。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出來的文丘里管具有較好的引流以及氣壓恢復(fù)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉敬平，楊漢乾，楊靖等.用于內(nèi)燃機(jī)的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)[P].中國專利.ZL 201010521187.1，2011-01-26.

[2]吳南.YC6150ZLQ柴油機(jī)廢氣再循環(huán)技術(shù)應(yīng)用研究[D].長春：吉林大學(xué)，2005.

[3]方祖華，李桂華，上官平.增壓直噴柴油機(jī)EGR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案及關(guān)鍵技術(shù)[J].內(nèi)燃機(jī)，2003（06）：15-17.

[4]杜駿.V型柴油機(jī)采用EGR系統(tǒng)的試驗(yàn)與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.