發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)閥流場(chǎng)特性與多場(chǎng)協(xié)同機(jī)理研究

摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用可以對(duì)燃油效率進(jìn)行提升，同時(shí)還會(huì)更好地降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物的含量，以此能夠進(jìn)一步提升系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。在發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)閥流場(chǎng)特性作用下，廢氣通過EGR閥，在速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)，與多場(chǎng)協(xié)同機(jī)理，部分廢氣進(jìn)到進(jìn)氣管，與進(jìn)到進(jìn)氣管的空氣在氣流的作用下進(jìn)行充分混合，然后進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)，使燃油在氧氣充足的情況下進(jìn)行充分的燃燒，通過廢氣再循環(huán)，燃燒的溫度不會(huì)過高，抑制NOx的生成，減少排污染物的排放，本論文就場(chǎng)協(xié)同機(jī)理等方法對(duì)EGR閥的流場(chǎng)特性進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán);閥流場(chǎng)特性;與多場(chǎng)協(xié)同機(jī)理

0 ?引言

進(jìn)入到新世紀(jì)之后，隨著人們生活水平的提高，汽車的保有量在持續(xù)增長(zhǎng)，使得汽車尾氣污染物的排放在不斷增加。汽車尾氣污染物的排放不僅威脅人類的身體健康，同時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境會(huì)也會(huì)造成不同程度的污染。當(dāng)前急需解決大氣污染嚴(yán)重等重要問題，尤其是城市空氣污染問題變得越來越嚴(yán)重，主要是因?yàn)槊總€(gè)城市的汽車保有量越來越多。通過大量的檢測(cè)分析得出，城市空氣中的CO、NOX等汽車尾氣污染物都出現(xiàn)了明顯超標(biāo)現(xiàn)象，如果對(duì)這些污染物不能夠做到妥善解決，將會(huì)對(duì)人們的身體健康造成嚴(yán)重的威脅。

1 ?氮氧化合物形成的主要機(jī)理分析

1.1 影響氮氧化合物生成的因素分析 ?通過大量的實(shí)踐操作證明，發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣當(dāng)中，NOX占據(jù)著非常大的比例。而影響NOX生成的主要因素，包括以下幾大方面：第一，溫度環(huán)境條件。如果周圍的溫度環(huán)境條件相對(duì)較高，有助于NOX的濃度的提升，同時(shí)生成的速度也較快，特別是在氧氣充足的情況下，溫度條件將會(huì)加速NOX的生成。第二，外在環(huán)境當(dāng)中的氧氣配比。如若在高溫的環(huán)境之下，給予充足的氧氣，將會(huì)加速NOX的生成，所以說氧氣的濃度將會(huì)成為NOX生成的主要因素。反之在溫度較高的環(huán)境之下，氧氣不夠充足，也會(huì)導(dǎo)致NOX的生成速度緩慢。第三，停留的時(shí)間。我們通過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，NOX的合成反應(yīng)相對(duì)于燃燒反應(yīng)存在一定的緩慢性，所以說在高溫高氧的環(huán)境條件之下，NOX的具體生成量也要與停留的反應(yīng)時(shí)間相關(guān)聯(lián)[1]。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)影響氮氧化合物生成因素分析 ?第一，空燃比的影響?？杖急刃∮诶碚撝档臅r(shí)候，并且氣缸內(nèi)部的含氧量出現(xiàn)明顯的不足，溫度不斷的提升，NOX的生產(chǎn)量難以得到有效保障，此時(shí)氧氣的含量將會(huì)起到?jīng)Q定性的作用。但是如果空燃比大于理論值的時(shí)候，NOX的生產(chǎn)量要與當(dāng)時(shí)的溫度息息相關(guān)，溫度的提升將會(huì)加速NOX的生成量。第二，點(diǎn)火提前角的影響。點(diǎn)火提前角的大小對(duì)氣缸內(nèi)的溫度以及NOX的生成有影響。點(diǎn)火提前角過小，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的最高燃燒溫度升高，最高燃燒壓力降低，有助于NOX的生成，將會(huì)增大發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的燃油消耗率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。第三，廢氣濃度所產(chǎn)生的影響。廢氣在汽缸內(nèi)稀釋之前，既要包括再循環(huán)回流的廢氣，同時(shí)也含有前一循環(huán)留下的殘余廢氣，汽缸內(nèi)的廢氣將會(huì)降低燃燒的溫度和減少進(jìn)到汽缸內(nèi)的空氣量，減少氧氣含量，即導(dǎo)致NOX的生成量降低。

2 ?發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)采取EGR控制排氣污染物排放分析

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的NOX的生成主要機(jī)理和影響要素分析，要減少NOX的生成，常用的主要方法有廢氣再循環(huán)技術(shù)、燃油摻水技術(shù)、三元催化轉(zhuǎn)化技術(shù)。而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣凈化方式主要分為前處理排除凈化方式，機(jī)體內(nèi)部?jī)艋绞揭约皺C(jī)體外部?jī)艋绞健６跈C(jī)體內(nèi)部的凈化方式，主要是從排放物質(zhì)的生成源進(jìn)行考慮，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式進(jìn)行充分的改良，有效的抑制廢氣化合物的生成。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部?jī)艋幚矸绞绞侵卫戆l(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放的有效措施之一。在新技術(shù)的不斷的融合之下，廢氣再循環(huán)凈化方式已經(jīng)成為機(jī)體內(nèi)部的主要凈化措施之一[2]。

應(yīng)用廢氣再循環(huán)技術(shù)，能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的NOX排放量進(jìn)行有效的控制，在具體的運(yùn)用過程當(dāng)中，能夠?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的廢氣引入到相關(guān)的氣管內(nèi)部當(dāng)中，降低汽缸內(nèi)的溫度。通過控制通入不同質(zhì)量百分比的EGR率，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性降低、經(jīng)濟(jì)性提高、動(dòng)力性提高的影響;通過優(yōu)化EGR率，計(jì)算理論控制值，降低缸內(nèi)NOX的生成，達(dá)到機(jī)內(nèi)凈化的目的。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的控制能夠達(dá)到精確的目的，從而能夠保證在可控的范圍之內(nèi)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣當(dāng)中的污染物能夠做到有效的降低，同時(shí)還會(huì)保證在降低NOX生成的過程當(dāng)中不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的原有動(dòng)力性能和操作性能[3]。

2.1 廢氣的流經(jīng)過程和凈化過程 ?用廢氣再循環(huán)技術(shù)對(duì)NOX的排放量進(jìn)行有效控制，廢氣再循環(huán)開啟過程當(dāng)中，將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣部分重新引入到發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)，廢氣的加入稀釋了原來混合氣中的氧濃度，從而使燃燒速度變緩，使燃燒過程中的最高溫度和平均溫度都有所下降，破壞了NOX生成的有利環(huán)境，從而大大降低了NOX的排放。通過EGR率控制廢氣流入汽缸的廢氣量，EGR率隨負(fù)荷和轉(zhuǎn)速而改變NOX的排放，通過相應(yīng)的公式計(jì)算出EGR率，能夠有效的計(jì)算出進(jìn)出口的質(zhì)量流量和回路的質(zhì)量流量。

NOX在高溫富氧環(huán)境下容易生成，燃燒的溫度越高，氧氣提供的越充足，越容易生成NOX。通過廢氣再循環(huán)控制，將燃燒產(chǎn)生的廢氣部分引入汽缸，廢氣對(duì)新鮮空氣有一定的稀釋作用，導(dǎo)致整體的含氧濃度降低，同時(shí)廢氣再循環(huán)中的CO2和水蒸氣大大增加了工質(zhì)的比熱容，將汽缸內(nèi)的溫度降低，汽缸內(nèi)的混合氣在溫度降低，氧氣濃度降低的情況下，減少了NOX的生成。對(duì)這種全面稀釋之后的廢氣混合氣體進(jìn)行加熱，需要提供較大的熱量，因此可以有效的降低最高點(diǎn)的燃燒溫度，從而抑制NOX的生成，對(duì)于NOX排放量能夠做到有效的降低[4]。

2.2 廢氣再循環(huán)過程中采取的主要控制策略 ?如果EGR率在不斷的提升，既可能出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的情況，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)燃燒波動(dòng)的情況，出現(xiàn)大量的HC，燃燒功率也在不斷的下降，燃油的經(jīng)濟(jì)性也會(huì)較差。如果廢氣再循環(huán)流入汽缸的廢氣量過多，使得汽缸的可燃?xì)怏w過稀，燃燒輸出動(dòng)力不足以維持發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)有可能出現(xiàn)失火情況，還會(huì)加大HC的排放量。而在全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，雖然能夠提供良好的動(dòng)力性，但是會(huì)使得再循環(huán)燃燒功率下降，動(dòng)力不足。因此需要對(duì)EGR率進(jìn)行控制，在各種不同的工況條件下，EGR率進(jìn)行理論控制，對(duì)NOX的排放量進(jìn)行精確的控制。

3 ?廢氣再循環(huán)閥流場(chǎng)特性分析

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR閥在排氣過程當(dāng)中將會(huì)產(chǎn)生不同成分的氣流，將會(huì)使得流到內(nèi)壁和閥門底座，產(chǎn)生不一樣的容積效果，通常我們將這種稱為開放的熱力學(xué)系統(tǒng)，需要對(duì)內(nèi)部的廢氣再循環(huán)流的特性進(jìn)行充分的分析。當(dāng)流體流動(dòng)過程當(dāng)中，主要分為兩種不同的流動(dòng)形式。當(dāng)流速相對(duì)較小的時(shí)候，流體會(huì)分布不同的軌跡，進(jìn)行分層次的流動(dòng)，產(chǎn)生互不混合的現(xiàn)象，這種質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)軌跡會(huì)表現(xiàn)出一定的平滑曲線，不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間的變化而出現(xiàn)緩慢的現(xiàn)象，而將這種流動(dòng)狀態(tài)稱為層流狀態(tài)，同時(shí)也被稱為穩(wěn)流或者片流。第二，如果整體的流動(dòng)速度過快，應(yīng)用的速度已經(jīng)達(dá)到臨界值，流體已經(jīng)達(dá)到了湍流的流動(dòng)狀態(tài)，那么將會(huì)導(dǎo)致整體的質(zhì)點(diǎn)軌跡變得更加的混亂，并且隨著時(shí)間的不斷的變化，相鄰質(zhì)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)混合的狀態(tài)。但是流動(dòng)過程當(dāng)中，整個(gè)流管的應(yīng)用速度將會(huì)變得越來越快。這種流動(dòng)方式也被稱為擾流或者亂流。

4 ?廢氣再循環(huán)多場(chǎng)協(xié)同機(jī)理的分析

在近幾年發(fā)展過程當(dāng)中，大部分的學(xué)者都對(duì)廢氣流的換熱能量進(jìn)行了充分的分析，并不斷的加強(qiáng)從場(chǎng)的角度控制研究，充分證明了流熱交換或者就是內(nèi)熱源的導(dǎo)熱發(fā)展過程，從而引發(fā)出了多場(chǎng)協(xié)同應(yīng)用理論。就是流體在傳熱過程當(dāng)中，不僅要跟流體的溫差有關(guān)，同時(shí)還要與本質(zhì)特性以及流速息息相關(guān)。因此提高熱量的傳導(dǎo)，不僅要提高流速，同時(shí)要更好的控制物體內(nèi)部的特性以及溫度。只有這樣才能夠更好的改變氣流場(chǎng)的協(xié)同效果。

4.1 對(duì)流傳熱場(chǎng)所的充分分析 ?在流體的對(duì)流導(dǎo)熱過程當(dāng)中要加強(qiáng)進(jìn)一步的研究，同時(shí)根據(jù)牛頓定律作為主要的應(yīng)用原理，通過表面的傳導(dǎo)系數(shù)，對(duì)于流體的流速以及傳導(dǎo)強(qiáng)度進(jìn)行充分的分析。為了能夠更好的證明該理論的實(shí)效性，引進(jìn)了一些無因次量，更好的表述了相關(guān)之間的聯(lián)系。此外流體的對(duì)流導(dǎo)熱現(xiàn)象比較復(fù)雜，需要采取分層次的研究，并能夠根據(jù)不同的分流形式進(jìn)行充分的分析，然后能夠提出更加全面的換熱表達(dá)方式。

4.2 對(duì)流傳熱場(chǎng)的協(xié)同分析 ?當(dāng)流體的內(nèi)在特性和流速趨于穩(wěn)定的情況下，邊界層的換熱強(qiáng)度要與流體的熱源強(qiáng)度息息相關(guān)。通過傳熱學(xué)的理論分析得出，當(dāng)流體內(nèi)部的雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)穩(wěn)定的情況下，流體內(nèi)的努塞爾系數(shù)要取決于熱量源，流動(dòng)性要與流質(zhì)的熱量源、流質(zhì)的速度和流質(zhì)的溫度息息相關(guān)。同時(shí)還要取決于速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)所設(shè)定的夾角關(guān)系，同時(shí)還要保證各個(gè)數(shù)量超值保持一定的穩(wěn)定，使其整體的應(yīng)用搭配更加的合理。這樣才能夠得到氣流的導(dǎo)熱性得到進(jìn)一步的增強(qiáng)。

5 ?結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)下全世界都提出了低碳節(jié)能環(huán)保發(fā)展需求，所以我們加大汽車的管控，以此能夠?qū)U氣的排放進(jìn)行有效控制，并能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)流技術(shù)進(jìn)行不斷改造完善，以此能夠突顯出良好的作用和意義，更好地降低汽車污染物的排放量，對(duì)于汽車的環(huán)保價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值都會(huì)做出顯著的提升。同時(shí)我們還需要同國(guó)外先進(jìn)的國(guó)家進(jìn)行不斷的交流與學(xué)習(xí)，以此能夠彌補(bǔ)我們?cè)诖朔矫娲嬖诘牟蛔?，真正意義上實(shí)現(xiàn)取長(zhǎng)補(bǔ)短，保證我們擁有的技術(shù)也能處在世界領(lǐng)先的行列當(dāng)中。

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課題項(xiàng)目：院級(jí)科研項(xiàng)目《廢氣再循環(huán)技術(shù)在天燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)排放升級(jí)中的應(yīng)用研究》，項(xiàng)目編號(hào)：2018-YJKJ-2。

作者簡(jiǎn)介：唐新華（1978-），女，廣西桂林人，專職教師，講師，研究方向?yàn)槠囯娮蛹夹g(shù)。