增压柴油机EGR系统开发及试验研究

发布时间：2017-10-03 18:03

  本文关键词：增压柴油机EGR系统开发及试验研究

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【摘要】：在汽车产业飞速发展的同时,汽车尾气排放带来的污染已经严重影响到人类的生存环境。就柴油机而言,可优化燃烧过程的废气再循环技术(Exhaust Gas Recirculation:EGR)已经成为控制柴油机NOx排放最重要的手段之一。而对于增压柴油机,选择合理的EGR回路和设备,对柴油机顺利实现EGR尤为重要。因此,本文以DK4A增压柴油机为基础,设计了基于文丘里原理的射流式可变EGR率的EGR装置及回路,利用CFD手段对装置进行了优化设计,搭建了带有EGR回路的发动机台架并进行相关试验,探究了该EGR回路对柴油机性能的影响。本文通过三维CFD软件Fluent对装置进行仿真计算,利用所设计的验证试验验证明了计算模型的可靠性。仿真计算主要分析了不同结构参数下,装置内气体的流场情况,探究了装置结构参数以及边界条件对装置最大可实现EGR率(EGRmax)的影响。计算结果表明:装置的收缩段宽度与空气进口直径越小,装置的EGRmax越大;废气进气管向内移动时,装置的EGRmax增大,而收缩角对EGRmax无太大影响;废气入口处与出口处压力差越小,装置实现EGR则越困难;收缩段宽度减小、收缩角减小和扩压角减小有利于废气和空气的混合;较小的收缩段宽度、较大的空气进口直径会带来较大的能量损失。最终依据仿真计算的结果,并结合试验发动机台架的尺寸条件,确定了EGR装置的最终尺寸,并加工得到试验用装置实物。为探究本文所设计EGR装置及实验回路对柴油机性能的影响,主要选择了试验柴油机小负荷工况下的部分工况点,探究了装置的边界压力特性及不同EGR率时EGR系统对该发动机动力性、经济性及排放性的影响,试验结果表明:发动机转速及负荷的升高使EGR装置进出口边界上的压力不断升高,而废气进口处压力与出口处压力的压差却不断减小,造成了装置的EGRmax不断下降。当压差为-0.02bar时,发动机不能实现EGR。装置废气进气管向内移动15mm后,装置实现EGR的能力明显增强。通过垫片调节废气进气管相对位置可以达到调节EGRmax的目的,向内移动时EGRmax增大,向外移动时减小。EGR率增加后,缸内最高爆发压力与放热率峰值下降,其出现时对应的曲轴转角推迟;发动机的有效燃油消耗率随EGR率的升高而升高,而在同一EGR率下,装置废气进气管向内移动后发动机油耗率上升,向外移动后油耗下降;随着EGR率的升高,发动机NOx排放大幅下降,而碳烟排放值趋势相反。
【关键词】：废气再循环 射流式EGR装置 CFD 边界压力特性 可变EGR率
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U464.172
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-22
• 1.1 引言9-10
• 1.2 柴油机排放法规现状10-12
• 1.3 废气再循环技术12-16
• 1.3.1 EGR技术原理12-13
• 1.3.2 EGR技术分类13-16
• 1.3.3 EGR对柴油机性能的影响16
• 1.4 废气再循环技术国内外研究现状16-20
• 1.4.1 船用EGR技术进展17-18
• 1.4.2 车用EGR技术进展18-19
• 1.4.3 带文丘里装置EGR技术研究19-20
• 1.5 本课题研究内容及意义20-22
• 2 EGR系统的设计22-34
• 2.1 EGR系统布置方案及工作原理22-23
• 2.2 EGR装置结构参数设计23-26
• 2.3 仿真模型的建立26-33
• 2.3.1 三维模型27-28
• 2.3.2 网格划分28-29
• 2.3.3 控制方程及湍流模型29-31
• 2.3.4 计算设置及边界条件31-33
• 2.4 本章小结33-34
• 3 装置关键参数的优化设计34-54
• 3.1 仿真模型的验证实验34-36
• 3.2 装置结构参数对EGR率的影响36-44
• 3.2.1 收缩段宽度S对EGR率的影响36-38
• 3.2.2 空气进口直径d1对EGR率的影响38-40
• 3.2.3 收缩段角度 α 对EGR率的影响40-42
• 3.2.4 废气进气管相对位置对EGR率的影响42-44
• 3.3 结构参数对废气均匀性的影响44-47
• 3.3.1 扩压角对装置出口处流场的影响45-46
• 3.3.2 收缩段宽度对装置出口处流场的影响46-47
• 3.3.3 收缩角对装置出口处流场的影响47
• 3.4 边界条件对EGR率的影响47-50
• 3.4.1 边界条件对不同收缩段宽度的装置EGR率的影响48-49
• 3.4.2 边界条件对不同空气进口直径的装置EGR率的影响49
• 3.4.3 边界条件对不同扩压角的装置EGR率的影响49-50
• 3.5 可变EGR率装置的优化设计50-53
• 3.5.1 废气进气管相对位置的确定50-51
• 3.5.2 结构参数的确定及加工装配图51-53
• 3.6 本章小结53-54
• 4 EGR装置发动机台架试验研究54-66
• 4.1 试验方案的整体设计及装置设备54-58
• 4.1.1 试验方案设计及实验目的54
• 4.1.2 试验发动机参数54-55
• 4.1.3 试验用台架及主要仪器设备55-58
• 4.2 EGR装置特性研究58-62
• 4.2.1 不同转速下装置压力变化58-60
• 4.2.2 不同扭矩下装置压力变化60-62
• 4.2.3 不同废气进气管相对位置下EGR率变化62
• 4.3 EGR率对柴油机性能特性的影响62-65
• 4.3.1 不同EGR率对柴油机燃烧过程的影响62-63
• 4.3.2 不同EGR率对柴油机经济性的影响63-64
• 4.3.3 不同EGR率对柴油机排放性的影响64-65
• 4.4 本章小结65-66
• 5 总结与展望66-68
• 5.1 全文总结66-67
• 5.2 工作展望67-68
• 参考文献68-71
• 攻读硕士学位期间发表论文及科研成果71-72
• 致谢72-73

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本文编号：965909