發動機廢氣文丘里流量計回流結構應用分析

安寧，姚旺，張晨，欒軍山

濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

柴油發動機具有良好的動力性和經濟性，廣泛應用于各種動力裝置[1]，但也存在著NOx和顆粒物(particulate matter,PM)排放高的缺點。隨著國家標準對車用內燃機排放要求越來越高，為有效降低柴油機NOx排放，廢氣再循環(exhaust gas re-circulation,EGR)技術的應用越來越廣泛。

EGR系統能夠將一部分空氣和柴油燃燒后的廢氣引入進氣系統，使廢氣再次參與燃燒，提高進氣系統中水和CO2的比例[2]。由于水和CO2不參與化學反應，從而稀釋了氣缸內的混合氣體，增大了混合氣的比熱容，降低了柴油機燃燒過程中缸內的峰值溫度，同時 EGR系統的稀釋作用降低了混合氣中氧氣的體積分數，破壞 NOx生成所需的高溫、富氧條件，降低了NOx排放[3-4]。因此，EGR技術已成為控制柴油機NOx排放的有效技術手段之一。

文丘里效應是指流體在流經變小的截面面積時出現的流速增大現象。流體流速增大，壓力降低，在截面較小的位置(也稱喉管)產生壓差，形成對周圍流體有吸附作用的負壓[5]。文丘里流量計作為一種流量測量裝置，廣泛應用于發動機EGR廢氣流量的測量，但由于發動機排氣時存在壓力脈沖，進氣壓力相對穩定，EGR廢氣存在瞬時回流現象，導致文丘里流量計測量誤差較大，無法精確測量出此時的廢氣狀態。

本文中設計一種具有回流測量結構的文丘里流量計，當廢氣正向流動時，與傳統文丘里管相似；當廢氣反向流動時，采用皮托管原理判斷氣流流動狀態，通過發動機臺架試驗對比有、無回流測量結構的文丘里流量計的測量精度及邊界適應性。

1 EGR測量方式及文丘里流量計

1.1 EGR測量方式

為滿足國家排放標準以及整車動力性要求，精確控制通過EGR引入的廢氣至關重要[6]。

帶EGR系統的發動機可通過測量新鮮進氣量、廢氣流量或廢氣中氧氣的體積分數等參數實現對EGR閥的精確控制，不同測量方式的測量參數、安裝位置和敏感性如表1所示。由表1可知，廢氣文丘里流量計具有相對良好的測量精度以及發動機和整車的應用邊界適應性，廣泛應用于柴油機。

表1 不同測量方式的測量參數、安裝位置和敏感性

1.2 文丘里流量計的結構及測量原理

文丘里流量計主要包括文丘里管、壓差傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器。文丘里管由圓筒段(也稱入口段)、收縮段、喉部和擴散段等組成，結構如圖1所示，其中喉部直徑小于圓筒段直徑，此處的氣體流速大于入口處氣體流速，氣體在管內流動時的流速增大，壓力降低[7]，可以根據A、B2處流速差異產生的壓差計算流經文丘里管的流體流量。氣體在收縮形喉口部位流動時速度增加，壓力降低；在擴散段通道內流動時，速度減小，壓力升高，從而減小了喉口段帶來的壓力損失[8-10]。

圖1 文丘里管結構圖

基于伯努利原理改變流體流速產生靜壓壓差[11]，根據傳感器測量結果計算得到EGR廢氣的質量流量。

廢氣質量流量

(1)

式中：d為文丘里管喉口直徑，m；C為通過裝置的實際流量與理論流量之間關系的因數；β為文丘里管喉口直徑與入口直徑的比；ε為膨脹因數；Δp為文丘里管入口與喉口的靜壓差，Pa，由文丘里壓差傳感器測量得到；ρ1為廢氣密度，kg/m3，通過廢氣溫度和壓力計算。

1.3 文丘里管結構對比

實現EGR的前提條件為發動機排氣壓力高于進氣壓力，但由于發動機排氣時存在壓力脈沖，雖然平均排氣壓力高于進氣壓力，理論上廢氣由排氣側到進氣側，但在部分負荷工況點會出現中冷器后進氣壓力高于渦輪前壓力[12]，此時排氣壓力處于波谷，存在瞬時反向回流，若無法識別該狀態會影響廢氣流量的測量精度。

傳統結構的文丘里流量計(無測量回流結構)測量壓差時，流體的正向流動和反向回流測量壓差均為正，即使氣流反向流動，喉口處流速依然大于入口流速，入口壓力大于喉口壓力。基于皮托管原理在文丘里管喉口處設計回流測量結構，當出現反向流動時，在喉口處測量廢氣總壓，入口處為靜壓，此時壓差測量結果為負，通過壓差傳感器采集該信號計算流量，可以提高測量精度。

有、無回流測量結構的廢氣文丘里管結構對比如圖2所示。

a)無測量回流結構 b)有測量回流結構

2 試驗驗證

2.1 文丘里流量因數標定

文丘里結構確定后，式(1)中的β、d為定值，ε根據文獻[13]進行標定，壓差和流體密度由壓差傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器測量計算得到，根據式(1)計算廢氣質量流量。控制發動機運行在高速高負荷工況，調節EGR閥開度，根據臺架測量EGR率和進氣量計算實際的廢氣流量，與文丘里計算結果對比，標定流量因數C。C與文丘里管結構和流體相關，具體取值通過試驗確定[14]。由于發動機實際運行過程中存在瞬時回流，設計基于雷諾數的正向流量因數和負向流量因數。完成標定的正向流量因數如圖3所示，由于正常使用過程中瞬時負向流動占比很少，因此負向流量因數標定為常數1。

圖3 文丘里流量因數與雷諾數的關系

2.2 測量精度對比

不同負荷下的發動機排氣脈沖不同，單一工況標定的流量因數C可能不適用于全部工況，因此EGR控制策略中增加基于轉速和廢氣流量的修正脈譜，滿足全工況范圍的精度要求。增加基于轉速和廢氣流量的修正脈譜，在式(1)的基礎上與修正因數相乘，得到當前工況的廢氣流量，保證與臺架計算結果相同。有、無回流測量結構的文丘里的修正脈譜如圖4所示。

a)無回流測量結構 b)有回流測量結構

由圖4可知：不帶回流測量結構的文丘里管的修正脈譜最小標定因數為0.5，當發動機運行在中、低轉速和中、高廢氣流量工況時，EGR驅動壓差為負，無回流測量結構無法準確測量排氣脈沖狀態，導致在標定時將修正因數設為較小數值才能使文丘里計算的廢氣流量和實際測量的廢氣流量相吻合；有回流測量結構的修正脈譜標定因數為0.9～1.1。因此，在發動機同一工況標定流量因數后，有回流測量結構的文丘里管測量精度高于無回流測量結構。

根據發動機發火順序，有、無回流測量結構文丘里流量計測量的6缸發動機的第1～3缸的排氣脈沖壓差隨曲軸轉角的變化如圖5所示，排氣沖程起點從每個周期的波谷開始，循環往復[15]。由圖5可知：無回流測量結構的文丘里管壓差傳感器測量的壓差大于有回流測量結構的，根據式(1)計算的廢氣質量流量偏高，應采用更小的修正因數才能與臺架氣體分析儀測量的實際廢氣流量相等。這是因為當排氣脈沖處于波谷時，存在瞬時的回流趨勢，但未達到真正的回流，此時無回流測量結構無法測量脈沖在波谷時的壓差，使在脈沖波谷時壓差測量結果偏高，計算的廢氣流量偏高。帶回流測量結構的文丘里管能夠有效測量瞬時排氣脈沖時的壓差信號，實時準確測量廢氣流經文丘里管時的狀態，有效提升測量精度。

圖5 有、無回流測量結構文丘里壓差變化曲線

2.3 邊界適應性對比

發動機正常工作模式下，標定文丘里流量因數以及修正脈譜，即使修正因數比較小，也可以保證發動機整個工況范圍內廢氣流量的精度。但在加熱模式(提排溫模式)下，需關閉部分進氣節流閥，減少進氣量，使燃燒過程惡化，從而提升排氣溫度，滿足后處理需求。加熱模式下有無、回流測量結構修正脈譜如圖6所示。

a)無回流測量結構 b)有回流測量結構

由圖6可知：發動機加熱模式下，進氣節流閥起作用區域的中、低速大流量(中、低負荷)工況的修正因數與正常模式下的修正因數相差較大。當發動機進、排氣壓差變化時，無回流測量結構的文丘里管測量精度受到較大影響，如采用與正常模式相同的修正脈譜無法滿足要求，需要重新標定該脈譜。而帶回流測量結構文丘里管的修正脈譜采用與正常模式相同的修正數據也能夠滿足要求。由于能夠有效識別排氣脈沖狀態，帶回流測量結構文丘里管有良好的進、排氣壓差適應性。

3 結論

1)發動機廢氣文丘里流量計增加回流測量結構后能夠有效測量瞬時排氣脈沖，實時準確測量廢氣流經文丘里管時的狀態，有效提升測量精度。

2)文丘里流量計增加回流測量結構后，由于能夠有效識別排氣脈沖狀態，有良好的進、排氣壓差邊界適應性。