TRIZ創新方法在EGR閥布置設計中的應用

陳雷

（同濟大學汽車學院，上海200092）

TRIZ創新方法在EGR閥布置設計中的應用

陳雷

（同濟大學汽車學院，上海200092）

基于TRIZ創新方法，分析廢氣再循環（EGR）閥布置中面臨的矛盾和問題，并進行概念設計。在EGR布置概念設計完成后，進行概念設計驗證，確認EGR閥布置設計的開發結果。

廢氣再循環 EGR閥 EGR冷卻器 VGT 進氣節流閥 氮氧化物 EGR率

1 前言

廢氣再循環（EGR）閥是發動機EGR系統的重要部件，其布置設計直接影響了整個系統乃至發動機的可靠性。

隨著排放法規的不斷升級，國Ⅳ以上階段的柴油發動機開發越來越多地使用帶EGR系統的技術措施[1]。其中EGR閥的布置設計，受到諸多因素影響，在具體布置時，存在著一些需要權衡決策的矛盾。

EGR閥布置時的主要矛盾是：EGR閥所處的工作環境溫度高與EGR閥自身能承受有限溫度之間的矛盾、EGR閥置于EGR冷卻器前的熱端布置方案與EGR閥因受高溫需采用耐高溫零部件而帶來高成本之間的矛盾、EGR閥布置在EGR冷卻器后的冷端布置方案的較低成本與EGR閥于此布置而易積碳卡滯之間的矛盾、由布置位置決定的EGR閥可靠性與EGR系統整體可靠性之間的矛盾等。正確處理這些矛盾，是成功開發帶EGR系統發動機的關鍵技術之一。

TRIZ創新方法能夠有效地分析設計開發過程中的矛盾，并指明尋找解決矛盾措施的方向。

2 TRIZ創新方法

TRIZ是發明問題的解決理論[2]。TRIZ認為創造性問題至少包含一個技術矛盾，當技術系統某個特征或參數得到改善時，常常會引起另外的特征或參數劣化。TRIZ理論(2003版)歸納出48個通用工程參數來描述技術矛盾，并給出解決技術矛盾的40項發明原則。40項發明原則如下：（1）分割原則；（2）拆出原則；（3）局部性質原則；（4）不對稱原則；（5）聯合原則；（6）多功能原則；（7）“瑪特廖什卡”原則；（8）反重量原則；（9）預先反作用原則；（10）預先作用原則；（11）“預先放枕頭”原則；（12）等勢原則；（13）“相反”原則；（14）球形原則；（15）動態原則；（16）局部作用或過量作用原則；（17）向另一維度過渡的原則；（18）機械振動原則；（19）周期作用原則；（20）連續有益作用原則；（21）躍過原則；（22）變害為利原則；（23）反向聯系原則；（24）“中介”原則；（25）自我服務原則；（26）復制原則；（27）用廉價的不持久性代替昂貴的持久性原則；（28）代替力學原理原則；（29）利用氣動和液壓結構的原則；（30）利用軟殼和薄膜原則；（31）利用多孔材料原則；（32）改變顏色原則；（33）一致原則；（34）部分剔除和再生原則；（35）改變物體聚合態原則；（36）相變原則；（37）利用熱膨脹原則；（38）利用強氧化劑原則；（39）采用惰性介質原則；（40）利用混合材料原則。實際應用中，首先將組成技術矛盾的雙方內部性能用這48個通用工程參數中的至少2個來表示，這些參數兩兩組合構成了矛盾矩陣，然后在矛盾矩陣中找出解決矛盾的發明原則，并加以運用[3]。

3 EGR閥布置設計概述

3.1 問題的提出

某柴油機原國Ⅳ階段的EGR閥布置于冷端，如圖1所示。

圖1 EGR閥布置

此國Ⅳ柴油機因EGR閥出現了一些漏油、積碳卡滯、積碳堵塞發動機進氣通道而引起性能下降等故障。EGR閥的漏油和積碳情況如圖2所示。

圖2 EGR閥漏油和積碳情況

如何能杜絕EGR閥漏油、積碳卡滯及積碳堵塞發動機進氣通道而引起發動機性能下降，而又能滿足柴油機排放升級到國V時，EGR流量達到國V排放要求，但成本不大幅增加。為此，在柴油機排放升級開發時，按照TRIZ創新方法的思路對EGR閥布置設計進行重新分析和決策，制定了EGR閥布置方案要求：在杜絕EGR閥漏油、積碳等問題的同時，不大幅度增加EGR閥產品成本；在滿足國V排放要求的EGR廢氣流量同時，使EGR閥易制造并能產品化。

在柴油機冷卻式廢氣再循環系統布置設計中，EGR冷卻器和EGR閥的布置設計對系統的性能影響最大，應根據EGR冷卻器和EGR閥綜合性能、可靠性、成本及壽命要求選定布置方案。

按EGR冷卻器與EGR閥的位置關系，布置設計總體上可以分為EGR閥冷端布置（如圖3）與EGR閥熱端布置（如圖4）兩大類型[4]。

圖3 EGR閥冷端布置

圖4 EGR閥熱端布置

表1是冷端EGR閥布置與熱端EGR閥布置的對比。EGR閥布置于冷端與布置于熱端對EGR流量并無顯著影響，但對EGR系統的可靠性以及相關零部件設計有重大影響。

3.2 問題處置

EGR閥布置設計時出現的矛盾，主要是EGR閥所處的工作環境溫度高與EGR閥自身能承受有限溫度之間的矛盾；將EGR閥置于EGR冷卻器前的熱端布置方案與EGR閥因受高溫需采用耐高溫零部件而帶來高成本之間的矛盾；將EGR閥布置在EGR冷卻器后的冷端布置方案的較低成本與EGR閥易積碳卡滯的矛盾等。

表1 冷端EGR閥布置與熱端EGR閥布置對比

對上述這些矛盾，通過采用TRIZ(2003版)的經典工具——矛盾矩陣來解決。

第1步：發現矛盾，并按照技術參數的性質進行歸類。在本案中，發現了2組矛盾。第1組矛盾：希望在杜絕EGR閥漏油、積碳等問題的同時，不希望大幅增加EGR閥制造成本；第2組矛盾：希望在滿足國V排放要求的EGR廢氣流量的同時，使EGR閥易制造并產品化。

第2步：借助矛盾矩陣，找到能夠解決矛盾的方法。針對這2組矛盾，找到如下的工程參數：（1）參數35——可靠性，與減少積碳和漏油比較吻合；（2）參數10——物質的數量，與控制EGR閥制造成本比較吻合；（3）參數31——有害的副作用，與減少漏油比較吻合；（4）參數22——溫度，與布置位置承受的溫度比較吻合；（5）參數32——制造性，與EGR閥的易制造性比較吻合。

對照實際問題和矛盾矩陣中的參數，便形成以下3對技術矛盾及其對應的解決技術矛盾的發明原理：（1）有害的副作用31與物質的數量10（對應40種發明原則中的1、3、24、35、39、5和9）；（2）可靠性35與物質的數量10（對應40種發明原則中的3、28、40、31、5、25、4和2）；（3）可靠性35與溫度22（對應40種發明原則中的3、35、15、10、30、37、36和1）。第3步：應用所建議的發明原則，實施解決方案。在處理上述技術矛盾（有害的副作用31與物質的數量10、可靠性35與物質的數量10、可靠性35與溫度22）的方法中，共出現了19條發明原則，其中有3條發明原則可以借鑒。接下來的任務就是要深入理解和運用9(預先作用原則)、10（預先反作用原則）、3(局部性質原則)這3個發明原則。

在“預先作用原則”這個發明原則下，新布置設計將EGR閥從布置在EGR冷卻器冷端改為布置在熱端，讓EGR閥直接面對熱的EGR廢氣，執行其開關動作，完成所需要的作用，從而避開油氣環境，避免漏油。在“預先反作用原則”這個發明原則下，新布置設計考慮到EGR閥直接面對高溫氣體，預先在EGR閥體內設置冷卻水套，對EGR閥進行冷卻，確保EGR閥所受溫度在常規EGR閥能承受的范圍內。在“局部性質原則”這個發明原則下，新布置設計充分發揮物體各個部分應有的不同功能，妥善設計EGR閥直徑及升程，并賦予EGR閥不同部位的零部件采用合適的不同性質材料，確保EGR閥滿足功能要求的同時，做到制造成本最優化。

4 EGR閥布置設計計算

設計并確定了國V EGR布置方案，對原機的EGR布置方案作了較大的改進，不僅杜絕了漏油、積碳等問題，而且EGR閥制造成本增加有限；不僅滿足了國V排放要求的EGR廢氣流量要求，而且EGR閥易制造并能產品化。

4.1 EGR閥耐溫要求

常規的電動EGR閥，其各零部件對耐溫都有一定的要求。圖5和表2分別給出EGR閥需耐溫的零部件和EGR閥零部件耐溫要求。

圖5 EGR閥需耐溫的零部件

4.2 EGR閥CFD分析

為了避免使用高成本的耐高溫合金殼體材料及密封圈，在EGR閥內部設置了冷卻水套。用CFD熱耦合模擬計算法對冷卻水套及EGR閥體部分溫度場分布進行計算分析。表3是EGR閥CFD分析輸入參數。通過計算得到EGR閥CFD溫度場模擬分析結果，如圖6所示。

表2 EGR閥零部件耐溫要求

表3 EGR閥CFD分析輸入參數

鋁制閥體，要求的溫度為-40～300℃，模擬計算得到鋁制閥體最高溫度為296.18℃，滿足要求；閥桿、閥片等金屬部分，要求的溫度為400℃，模擬計算得到金屬部分的最高溫度為599.28℃，不能滿足要求。經核實柴油機EGR廢氣流量實際不超過100 kg/h，因此對EGR閥實物溫度場進行測試，作為評估基準。

5 EGR閥布置設計驗證

在電控EGR閥實物樣品試制完成后，進行了實物樣品溫度場測量試驗。圖7為電控EGR閥溫度場測點位置示意圖。

表4為EGR閥溫度場測試結果。由表4可見，對比試驗數據與常規電控EGR閥的溫度限制，表明在標定工況下，EGR模塊溫度無異常。

從試驗結果來看，符合EGR閥的溫要求，使用無風險。

在制造成本方面，由于EGR閥體、閥桿等均使用非耐高溫的材料，EGR閥的成本與冷端電控EGR閥的相當，僅相當于傳統熱端電控EGR閥的1/2。

圖6 EGR閥CFD溫度場

圖7 電控EGR閥溫度場測點位置示意圖

在滿足國V排放要求的EGR廢氣流量方面，采用計算與試驗驗證相結合的方法。根據發動機性能需求輸入，最大EGR流量為100 kg/h。EGR閥工作時，通過閥門的氣體流量大小取決于EGR閥直徑、EGR閥開度、以及通過閥門的氣體溫度和進出口壓力。根據流動連續性方程、貝努利方程和氣體狀態方程式，可以導出EGR流量的基本方程式[5]：

表4 EGR閥溫度場測試結果

式中：

Gm——EGR質量流量，kg/s；

pin——進氣管絕對壓力，kPa；

pex——排氣管絕對壓力，kPa；

Rex——排氣管氣體常數，kJ/(kg·K)

ar——EGR回路流量因數；

Tex——排氣管熱力學溫度，K；

Ar——EGR閥喉口處流通面積，m2。

公式中，Gm代表EGR流量為己知量，發動機進排氣管絕對壓力和溫度在試驗中已測得，氣體常數通過實測到的排氣狀態和流量數據可返算得到，流量因數根據有關文獻可估計為O.75。由此可以算出各工況下的最佳EGR流量所要求的喉口通過面積Ar，它是各工況下的最佳EGR流量所要求的入口面積最小值。即:

再由面積公式：

式中：

Ar——EGR閥喉口處流通面積，m2；

Dr——EGR閥入口當量直徑，m。

得到各工況下的最佳EGR流量所要求的入口直徑。所設計的入口直徑應當選它們中的最大值，否則在某些工況下EGR閥將無法達到最佳EGR率。根據計算結果，得Dr的最大值，根據Dr的最大值設計EGR閥的最小入口直徑。

然后確定EGR閥升程。圖8為EGR閥閥口結構示意圖。由圖8可知，EGR閥喉口處流通面積與閥桿升程的關系為：

Ar=πDrLr(4)

式中：

Ar——EGR閥喉口處流通面積，m2；

Dr——EGR閥入口當量直徑，m；

Lr——EGR閥閥桿升程，m。

根據實際EGR閥的入口直徑，計算得到需求的最大升程[6]。

圖8 EGR閥進出口結構示意圖

在發動機性能試驗中實測EGR率、排放等指標，以確認所計算的結果是否達到設計要求。測試結果表明，通過EGR閥的廢氣流量能夠滿足發動機性能要求。EGR率實測分布如圖9所示。

圖9 EGR率實測分布

綜上所述，EGR閥布置在EGR冷卻器熱端，如圖10所示。其結構和材料設計沒有選用極端耐高溫材料，閥的尺寸規格在可選范圍內，實現了在杜絕漏油、積碳等問題（如圖11）的同時，不大幅增加制造成本，符合成本目標；在滿足國Ⅴ排放要求的EGR廢氣流量同時，使EGR閥易制造并產品化，達到了預期效果。目前該EGR閥已投入批產。

圖10 新設計EGR閥布置方案

圖11 整車耐久后的EGR閥

6 結論

正確運用“TRIZ”創新方法，分析EGR閥布置時的矛盾，得到解決矛盾的方案。通過設計新的熱端布置EGR閥方案，并合理設計EGR閥內置冷卻水套，以降低對零部件的材料要求，控制了零件制造成本，杜絕積碳卡滯等質量問題。這個案例可以為該發動機后續排放升級等開發項目提供參考借鑒作用，并推廣。

[1]李愛娟，李舜酩，魏民祥，等.車用柴油機冷EGR系統的設計與試驗[J].南京航空航天大學學報（社科版），2010，42(5)：650-655．

[2]宋保華.發明問題解決理論TRIZ介紹[J].智能制造，2004(5)：108-109.

[3]李明華．TRIZ創新方法在柴油機研發領域中的應用[J].柴油機，2011，33(03)：5-7.

[4]朱昌吉.車用柴油機電控EGR系統設計及性能研究[D].吉林：吉林大學，2005．

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[6]張軍杰.直線步進電機驅動的EGR閥設計與研究[EB/OL].北京：中國科技論文在線[2006-08-10].http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/200608-111.

Application of TRIZ to Design ofEGRValve Arrangement

Chen Lei
（SchoolofAutomotives Studies,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

This paper presents the analysis of the contradictions and problems in the design of EGR valve arrangementbased on the TRIZ innovationmethod.The conceptual design of EGR valve arrangement was carried out to address the problems while subjecting to the contradictions.The verification of the conceptual design wasmade with simulation and testing,and the development results of the EGR valve layoutdesignwere confirmed.

exhaustgas recirculation(EGR),EGR valve,EGR cooler,VGT,electronic throttle,nitrogen oxide,EGR rate

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.04.004

來稿日期：2017-09-11

陳雷（1985-），男，主任工程師，主要研究方向為發動機結構設計開發和EGR系統匹配應用。