EGR阀设计

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第一章绪论

废气再循环简称EGR系统(Exhaust Gas Recirculation)是目前降低NOx排放的一种有效措施，它是将一部分废气引入进气管与新鲜空气混合后进入气缸内燃烧从而实现废气再循环理论。研究表明EGR系统通过降低燃烧温度和进气中的氧浓度来降低NOx排放，再循环的废气中含有的大量惰性气体对混合气的燃烧化学反应起阻碍作用，使得滞燃期延长燃烧过程变缓和抑制了燃烧温度，同时由于EGR气体取代了一部分新鲜空气降低了迸气中的氧浓度从而降低了NOx排放。

1．1课题背景

随着中国经济的迅速发展和机动车保有量的高速增长，截至2009年6月底，全国机动车保有量约为1.77亿辆。机动车有害排放已成为我国大气环境的主要污染源，并成为一个影响经济发展和人民生命健康的重大问题，一些先进工业国家在起发展过程中曾遭遇到的大气污染问题已有在我国重演的趋势，尤其是城市空气污染这个问题更是突出，并且有日益加重的趋势，其主要原因是大多数机动车都集中在城市，而且．我国的汽车排放控制技术仅相当于国外20世纪70年代的水平。

实际运输领域中，柴油机以其优良的经济性和动力性受到用户的普遍关注，柴油机的油耗及CO2排放量可比同排量的汽油机低30％\％，仅从C02排放性能和经济性能方面的优点来看，柴油机比汽油机具有更广泛的应用前景。但柴油机排出的NOx，有害气体和碳烟数量一直居高不下，是阻碍其进一步推广应用的一个主要原因。从总体上来说，柴油机尾气排放中的主要污染物为C0，HC，NOx和PT，与同类型的汽油机相比，由于柴油机的混合气较稀，使得CO和HC的排放量一般比汽油机低得多，但柴油机的NOx排放较高，潜在的有害微粒排放量很大，微粒排放比汽油机高数十倍。因此N0x和微粒排放成为柴油机有待解决的两大主要污染物，其生成机理与生成环境又基本上相反，二者之间存在着折中关系，如图1—1所示。这成为柴油机排放控制所面临的主要技术难题。柴油机空燃比大，含有大量的氧，从原理上难以使用三元催化剂。因为要求耐久性和可靠性，对排气后处理装置的开发也极为困难．以往控制N0x的传统方法是采用增压中冷和推迟喷油始点，但迟后喷油会使燃油经济性恶化，直接影响到车主的利益，并导致C02排放增加，因此这种措施最终也会被放弃。

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废气再循环(EGR)技术是柴油机各个工况不同负荷下都能大幅度降低柴油机NOx排放的一种有效方式。国外一些汽油机早在七十年代就开始使用EGR系统，目前EGR系统在国外汽油机上的应用己相当普及，并取得了良好的降低NOx排放的效果。九十年代初，EGR技术开始用于柴油机，近年来国外的柴油机普遍地采用了EGR系统。在柴油机废气排放控制方面，我国起步较晚，对柴油机EGR技术的应用研究仍处于不成熟阶段，采用更有效EGR技术降低NOx排放是柴油机领域的一个迫切课题。

1．2 EGR技术概述 1．2．1 EGR技术原理

EGR(Exhaust Gas Recirculation的缩写)技术的基本原理是将部分排气引入进气，以提高混合气中的废气成分，它是通过以下三个方面来减少NOx的形成的：

(1)提高混合气的热容量。废气中含有的水蒸汽和二氧化碳等为三原子分子气体，比热容太，可以有效地降低气缸内最高燃烧温度，抑制NOx的生成；

(2)降低混合气中O2的浓度。废气的稀释作用还可以使氧气的相对浓度下降，从而也能降低NOx的排放；

(3)降低燃烧速度。由于废气中含有大量的氨和二氧化碳等接近惰性的气体，当这些废气部分回流到进气管后起到了稀释新鲜进气的作用，使燃烧反应速率减缓。

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通常，废气再循环的控制指标用EGR率表示：

Gr?100%??100%

Ga?GrVs4npin?cpex?arAr2(pex?pc)120Ra?TinRr?TexarAr2pex(pex?pc)Rr?Tex（1）EGR率?(1—1)

式中：G-质量流量，kg／s；P-绝对压力，Kpa ； R-气体常数kJ／(kg氐)； Vs4-发动机排量，m 3； n-发动机转速，r／min； ?c-充气效率； a-流量系数； T-温度，K； A-截流孔面积，m 2； 下标代号： a-大气压力； in-进气管； ex-排气管处； R-EGR回路； c-废气引出处

（2）EGR率?有EGR时进气只能感的CO2?无EGR时进气中CO2的含量?100%

有EGR时排气中CO2的含量(1—2)

EGR率是衡量NOx排放的重要指标，合理调整EGR率的大小，既能降低机动车排放污染物的含量，又不降低发动机的性能指标。

1．2．2 EGR系统降低NOx排放的机理

图1—2废气再循环系统工作原理

从作用原理上看，如图l一2所示，EGR技术仍是一种“机内\净化方式的机外排放控制装置。EGR系统的作用是将一定量的发动机燃烧废气，引出排气管，并通过一个控制阀将其导入进气管中与新鲜混合气混合，再引入燃烧室中参与燃烧，从而实现循

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环。由于NOx主要是在燃烧期间，燃烧区域附近，特别是在高温和存在02和N2的情况下成的。因此，控制缸内NOx生成需要考虑以下两方面的因素：即与局部氧腻浓度有关的混合及嫩烧过程和局部温度及其变化进程。EGR正是由此达到目的的。

1.3几种典型的EGR 系统 1.3.1根据废气进入气缸的方式

根据废气进入气缸的方式EGR系统可分为内部EGR系统和外部EGR系统。 （1）内部EGR 系统

典型的内部EGR 系统，在进气行程内，排气阀再开启一次，让排气管中的废气流入气缸。该系统结构比较简单，在高负荷时能实现一定的EGR率，但是很难控制高低负荷的EGR 率，也很难对流入气缸的废气进行冷却，实际操作起来难以控制。 （2）进、排气管装节流阀的EGR 系统

这种方法是将EGR 管的废气引入压气机或中冷器的出口，通过节流提高排气压或降低进气压力来实现废气再循环。 (3)废气引入压气机入口的EGR 系统

废气被引入压气机入口，由于压气机入口处压力较低，在高工况时，废气再循环虽然可以方便的实现，但是压气机是增压器的关键部件，为提高其效率和响应性，其一般是由铝合金做成，因此，进气温度不能太高，同时废气会对压气机产生腐蚀作用，影响压气机的正常运行，此方案一般不会采用。 (4)利用辅助压气机的EGR 系统

这种方法是利用辅助压气机将废气压力提高后，再引入压气机或中冷器出口，从而实现废气再循环。这种方式需要增加一个辅助压缩泵，成本较高，并且要消耗额外的功，故一般也不使用。

(5)利用进排气管压力波动的EGR 系统

这也是最近研究的一个方向，它是利用排气管的压力波动，在排气管平均压力低于进气管平均压力时实现废气再循环。涡轮增压柴油机在高负荷时的排气平均压力虽然低于进气平均压力，但是车用发动机的排气管较小，排气的峰值压力高，每个排气周期中，有相当的时间排气压力高于进气压力。该系统可以使发动机在高负荷时有较高的EGR 率。

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(6)双涡轮的EGR 系统

这一技术采用了两个涡轮。从排气管分出一部分废气带动一小涡轮转动，同时带动同轴的压气机转动，从而将废气压入进气管。这样就不需要增加外部设备而实现废气在循环。但这一系统也有缺陷，由于小的涡轮和小的压气机的压力比并不匹配，故其效率不高，另外尽管废气经过冷却再通过小的压气机，但废气对其的腐蚀作用还是存在的。

(7)EGR 系统采用变截面涡轮

对于使用变截面涡轮增压器的柴油机，高负荷时可以通过减少涡轮的流通面 积来提高排气压力，进而增大高负荷时的EGR 率。这样就能拓宽EGR 的使用工况范围，实现的EGR 率大大提高。

内部EGR通过改变配气正时实现。该系统不需外加其它设备，结构简单，应用方便而且可以避免再循环废气对管道的腐蚀，有利于提高系统耐久性。但由于是在进气行程内直接开启排气阀使废气回流，因此难以精确控制EGR率；同时废气未经冷却直接回流，引起混合气温度升高，这一点又有利于NOx的生成，因此内部EGR对NOx的抑制效果并不显著。但是随着控制技术的不断提高，内部EGR因其简单便利日益受到青睐。外部EGR利用专门的管道将废气引入进气歧管，使废气与新鲜充量在进入气缸前充分混合，其中EGR阀是外部EGR系统控制EGR废气量的关键部件。由于外部EGR不但可以通过电控系统精确控制EGR率，优化发动机性能而且可以在外部系统中通过加装EGR冷却器，有效降低燃烧温度。因此目前较为常用的是外部EGR系统。

根据所使用的EGR阀控制废气量的方式划分，目前国内外市场上出现的外部EGR系统主要有三种：机械式、气电式和电控式。

机械式与气电式在控制对象上可以看成是同一类型——真空式EGR阀：都是通过控制真空室内的真空度来控制阀门的开度。电控式EGR系统与气电式EGR系统的主要区别在于取消了电磁真空阀及真空控制通路，系统中的排气再循环阀的位置直接由电磁阀来控制。

1.3.2 EGR 在柴油机上的应用

EGR 技术先是在汽油机上使用，接着又推广到非增压柴油机上，90 年代初开始用于涡轮增压柴油机。随着越来越严格的排放法规的实施，需要拓宽EGR 使用工况

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的范围，增大相应工况的EGR 率，可进一步降低NOx 的排放。就十三工况而言，在高工况时权重比较大(在最大扭矩转速，75％负荷时权重为8%)，如果在这类高工况时不能实现EGR，将很难满足越来越严格的法规。但对于增压柴油机，在较高工况时，增压器的效率比较高，进气管的平均压力比排气管的高，EGR 难以实现。

柴油机废气再循环与汽油机废气再循环相比，有以下特点:

第一，各工况要求的EGR 率不同。对于汽油机来说，一般在大负荷、起动、暖机、

怠速、小负荷时不宜使用EGR 或只允许较小的EGR，在中等负荷工况允许采用较大的EGR 率。而柴油机则不同，高速大负荷、高速小负荷时进行EGR 由于在燃烧阶段所必需的进气氧气浓度相对减少，助长了碳烟的排放，故应适当限制EGR 率；部分负荷时采用较小的EGR 率除可降低NOx 外，还可以改善燃油经济性，低速小负荷时需要有较大的EGR 率，这是由于柴油机在低速小负荷时过量空气系数比较大，废气中含氧量比较高，故较大的EGR 率不会对发动机的性能产生太大的影响。

第二，从EGR 率来说，由于柴油机总是以稀燃方式运行，其废气中的CO2 和H2O 的

比例要比汽油机低。 因此，为了得到柴油机缸内混合物热容量的实际影响需要比汽油机高得多的EGR 率。一般汽油机的EGR 率最大不超过20%，而直喷式和非直喷式柴油机的EGR 率允许超过40%和25%。

第三，柴油机进气管与排气管之间的压差较小，尤其是在涡轮增压柴油机中，在大、

中负荷工况范围压缩机出口的增压压力往往大于涡轮机出口的排气压力，EGR 难以自动实现，使EGR 的应用范围以及EGR 的还流量均受到限制。

1.4195型柴油机

195型柴油机仍然以固定、非道路移动机械用途为主，所以仍采用卧式、水冷、直喷四冲程型式。新195摒弃了传统S195柴油机的6齿轮系，借鉴采用了我国小柴的曲轴和凸轮轴的双联齿轮系，其结构更加紧凑，如图1所示。由于其转速提高到2 400 r／min，高速振幅会有一定程度的降低，该机又以农用为主，所以采用了单轴平衡，这样使整机结构简单、体积更小、重量更轻，以实现新一代单缸的要求。如此试制出的新195型柴油机只有102 kg，比质量为lo．5 kg／kW，满足国家第二代单缸机比质量≤11．5 kg／kW的要求。而且比老一代195重量减轻了近50 kg。新195外观设计借鉴了国内外较为时尚的风格，油箱与灯具采用“卡通”式，配上“燕尾”形水箱，使

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整机外观舒展流畅、美观大方，另外配以全铝压铸室盖、尼龙发丝滤芯(专利产品)的全塑油浴式空滤器、带冲压排气管的消声器、小巧的减速启动电机，使整机充满动感和现代气息。新195型柴油机外形尺寸如图1-3，主要技术参数如表1。

图 1-3 195型柴油机外形尺寸图

表 1 新195型柴油机主要技术参数 型号 X195 形式 缸径×行程／mm 排量／L 压缩比 12小时功率／kW l小时功率／kW 平均有效胍力／kPa 活塞平均速度／m／s 燃油消耗率／(∥kW·h) 最大扭矩／(N·n1) 噪声／dB(A) 净质苗．／kg 外形尺寸(长×宽×高)／ram

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单缸、卧式、水冷、四冲程、直喷式 95×98 0.694 18 8．82(12 PS)／2 400 r／min 9．7(13．2 PS)／2400 r／min 636 7.84 ≤245 ≥39．3 ≤107 120 700×38l x572 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书

1.5本论文研究的主要工作

针对195型柴油机对内部EGR 系统结构简单，应用方便，项目实施难度低，因此，作为废气再循环系统研究与开发的启动项目，首先选择了内部EGR 系统作为研究对象，在压柴油机上的应，本文主要进行以下工作： 1. EGR对柴油机的影响及模拟计算

如何选取合适的EGR 率，如何实现需求的EGR 率，这是本课题首先要解 决的问题。

2. 内部 EGR 系统的设计

EGR阀基本工作原理及特性分析，EGR阀具体的结构和尺寸，主流孔直径的确定，升程的确定，压力控制及结构方式和研究机械式EGR阀阀杆的运动规律与之尽量逼近靠拢。内部EGR 系统的设计的关键就是确定排气凸轮的几何参数，以实现设定的EGR 率。研究然后保证工作可靠性，进行摩擦附间的接触应力计算校核。 3. EGR 对排放参数和发动机性能影响的试验

进行带EGR 系统的柴油机与原机的对比试验，研究废气再循环对柴油机排放参数及整机性能的影响。并对试验结果进行分析优化，提出改善方案。同时进行欧Ⅲ柴油机上应用EGR 系统的摸底试验，为今后内部EGR 系统如何兼顾或满足柴油机的不同工况打下基础；建立内部EGR 系统与柴油机电控共轨系统参数匹配的初步认识，为今后系列产品的开发或适应更高要求排放法规的新品柴油机开发积累经验。

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第二章EGR对柴油机的影响

要知道EGR对柴油机的实际影响效果，需要在试验中找出各工况所对应的最佳EGR率，并通过试验进行不同EGR率对发动机影响的试验分析，并了解实际控制运行中的规律，不断根据客观实在来改善EGR在柴油机上的应用，不断降低排污给柴油机的应用带来的不利。本章将分析讨论EGR对195型柴油机排放和性能的影响，找出EGR对柴油机排放和性能影响的规律。

2．1 EGR率对柴油机排放和性能的影响

本文以195柴油机12小时功率2400r／min，分析研究不同EGR率对柴油机排放和性

能的影响。

2．1．1中低转速工况(2400r／min)

图2—1 2400r／min EGR率对NOx和烟度的影响

如图2-1 在2400r／min下，25％、50％和75％负荷时，EGR率不断增加后对NOx

排放和烟度的影响。可以看出，随着EGR率的增加，NOx的排放不断下降，负荷越大下降越明显，在EGR率为6.7％时均第一次开始出现较大的下降趋势，其中在75％负荷时下降达18.3％，25％，1 0％负荷略有下降，其变化总体趋势要小，在EGR率为10．2％

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一25．1％时，50％和75％负荷下降虽然要比前段小，但仍比较大，说明在中，高负荷时使用EGR，降低NOx的效果作用明显，这主要是由于小负荷工况时，空燃比较大，EGR废气的引入对空燃比的下降幅度不明显。随着负荷的增大，空燃比逐渐减小，EGR废气对进气中的氧气浓度和进气的比热的影响越大，破坏了NOx的生成条件，限制了NOx的生成。同样，烟度在25％低负荷相比50％，75％负荷时变化要平缓多，但是都会随着EGR率的增加而上升，在16．3％EGR率时中高负荷上升的速度加快，其中75％负荷上升又比50％时要快，在EGR率为29．4％时。烟度排放分别增加了13，9，1．45倍，可以这样认为大负荷时，由于空燃比小，废气的引入会造成氧含量的降低，使燃烧恶化，从而引起烟度的迅速增加，说明在使用EGR率降低NOx排放时确实会使烟度的排放增加，需要我们在使用EGR系统时平衡考虑烟度排放的因素。

图2—2 2400r／min时空燃比和微粒随EGR率变化图

图2—2所示是转速2400r／min时空燃比随EGR量增加的变化图，从中我们可以知道，EGR率增大，空燃比成下降趋势，负荷大空燃比小，25％负荷时在EGR率在15．3％前下降了近24％，其中在13．2到15．3％之间下降更为突出，50％负荷下降的程度要小写但比75％时要多。空燃比是评价发动机燃烧质量的重要指标，会影响到柴油机的油耗，排放，放热等性能的重要原因，所以研究EGR系统对柴油机的影响必须要考虑到对空燃比的变化。从图2—2还以看出微粒随EGR率的变化趋势，在低负荷25％时，微粒排放和原机变化不大，略有增加后回落，在14．8％时增加最多，而在50％，75％负荷时增加就比较明显，基本都是在EGR率到5．3％后开始有大幅改变，负荷越大增加的程度越大，严重影响到柴油机的燃烧质量和放热效率。

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图2—3 2400r／min时EGR率对扭矩和油耗的影响图

从图2—3看到2400r／min时，扭矩和油耗在EGR率增加时的变化曲线图，25％负荷时，柴油机扭矩的消耗受EGR率增加的影响不大，总体略有减少，在EGR率吵过24．7％这个临界点时，影响的幅度增大，减少了近7．8％，在50％负荷受影响程度比25％稍大，而在75％负荷，EGR率超过13．6％时，扭矩减少程度加剧，幅度达到21．4％，负荷较小时，空燃比较大，废气的引入虽然使空燃比有所下降，但空气量仍然充足，对燃烧没有大的影响。随着负荷的增大，空燃比减小，废气的引入会引起不同程度的缺氧情况，EGR率越大缺氧情况越严重，从而导致燃烧恶化，柴油机动力性下降，扭矩下降。图2—3中还有2400r／min时，油耗随EGR率变化时的变化情况，25％负荷时油耗随着EGR率的增加有所减少，降低程度最大达到6．1％，可见，小负荷工况下，由于空燃比大，废气的引入提高了缸内温度，改善了燃油的蒸发、雾化，改善了发动机的燃烧，从而降低了发动机小负荷的油耗，这时采用EGR还可以改善发动机的燃烧，，而在50％负荷，75％负荷却变化不明显，当EGR率达到10．3％时开始略有增加，其中75％符合时增加幅度和时间都较前者多，大负荷时，由于空燃比小，废气的引入会造成氧含量的降低，使燃烧恶化，从而引起烟度的迅速增加，油耗增加。

EGR系统能在各种工况下成功降低的NOx排放，并且随着EGR率的增加效果越趋明显，负荷越大，减少的越多；小负荷时，空燃比大，烟度和微粒变化小。而大负荷时空燃比小，烟度和微粒在EGR率超过临界点时有点急剧加剧趋势。油耗在小负荷时随着EGR率的增加整体变化不大，只是小负荷时，随着EGR率的增加略有减少，改善燃烧状态的趋势。扭矩随着负荷的增大，受EGR率的影响增大，不断减小，使柴油机动力性下降。

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2．2 最佳EGR率效果脉谱图的确定

根据上面的查阅数据分析中可知，EGR率越大，降低NOx排放的效果越明显。但过大的EGR率将不可避免的对柴油机烟度、颗粒排放以及经济性、动力性造成不利影响。为了平衡EGR对发动机各种性能的影响。为了兼顾各种性能对于不同的柴油机型，需要找出每种工况下较为合理的EGR率取值(或取值范围)，这个值一方面可以使发动机达到NOx的排放标准或最大限度的降低NOx，另一方面又不过分恶化其他性能。这个EGR率取值就称作最佳EGR率。本方案在选取EGR率时，低负荷选取大的EGR率，高负荷选取较小的EGR率，由于全负荷为发动机的最大功率点，为了不影响发动的动力性，全负荷时不进行EGR；同时为了保证发动机的稳定运转，在怠速工况以及转速小于1000r／min的工况下不进行EGR。根据以上原则以及原机的排放值和国Ⅲ标准限值，初步选取了该机型的最佳EGR率，如图2-4所示。

图2-4 EGR率的脉谱图

为了考察EGR系统的效果，本文参考了GBl7961．2005中的ESC循环对EGR后的发动机进行的排放测试，试验结果如下

表2～1排放测试结果对比 排放物 国III 原机 NOxg/kWh 5 6.104 HCg/kWh 0.66 0.172 C0g/kWh 2.1 1.343 微粒g/kWh 0.13 0.114 加权比油g/kWh - 244.15 电控EGR 4.872 0.236 1.617 0.124 253.45 从表2—1中可以看出，EGR系统使原机的NOx排放降低了20．2％，同时带来了其

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他问题：CO上升了23．2％，HC上升了38．7％，微粒上升了11．5％，都还是远低于国III排放标准，但微粒排放与国III标准只差0．006，需要注意继续改善微粒排放，引如EGR后的加权比油耗略微升高，上升了2．7％。实验证明，本文设计的EGR系统能有效大量降低NOx的排放，使各污染物排放值总体低于国Ⅲ标准ESC循环限值，达到了预期的效果。但微粒的排放比较接近标准值，需要在实际控制应用中不断完善与改进。

2．3降低柴油机NOx排放的技术方法

柴油机NOx的形成条件是高温、富氧以及氧与氮在高温下滞留时间，因此理论上任何能够改变其生成条件的措施都影响柴油机NOx的排放。高温及其滞留时间随转速和负荷的增加而迅速增加，两富氧状态则与空燃比直接相关。因此，任何能降低燃烧峰值温度、缩短高温持续时间和采用适当的空燃比都有利与降低NOx的排放。但这些方法往往会引起燃油经济性的降低和微粒、HC排放不同程度的升高。

2. 3. 1柴油机缸内NOx的形成原理

氮氧化合物NOx是燃烧过程中氮的各种氧化物的总称，它包括NO、N02、N204、N20、N203、N205等。其中以N0的量占多数，NO2次之，其余的含量很少。NO2是部分NO再与氧气反应后生成的。实际测量和计算中一般把NO按分子量换算到NO2。根据谢尔多维奇(Zeldovitch)的理论，在柴油机气缸内的高温、高压和供氧的情况下，NO的生成按链反应机理进行，即

??2O 1 O2???NO+N 2 O+N2???NO+O 3 N+O2???NO+H 4 N+OH?N2分子的分解比O2分子的分解要困难的多。所以，链的引发反应是氧分子在高温下分解为氧原子，继两产生直链反应。所以，N0的生成是由原子态的0切断N2分子内的键开始的。反应式2的正向反应速度强烈依赖于温度，因此，柴油机燃烧过程中NO的生成率在很大程度上取决于火焰温度。另外，氧的浓度对NOx的生成率也有相当大的影响。除此之外，化学反应还需要时间，氮和氧在高温中滞留的时间上NOx生成率

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的又一重要因素。综上所述，高温、富氧以及氧与氮在高温下滞留时闻是决定柴油机燃烧过程中NOx生成率大小的三要素。

2．3．2从控制燃烧的角度降低NOx的生成

从工作过程的角度，为实现高的燃油经济性和低污染排放。在预混合燃烧阶段，放热率和放热量都要尽量减少，燃烧速度要平滑增长，从而降低压力升高率和最高燃烧压力，降低该阶段产生的局部高温。扩散燃烧阶段，要实现高扩散燃烧速度，缩短燃烧持续期，使燃烧快速彻底。

2．3. 3从后处理的角度减少NOx排放

柴油机是富氧燃烧，排气中氧的含量很高，因此HC和CO含量很低。降低汽油机排气中的NOx排放的三效催化转化器技术对柴油机不适用。采用化学方法降低NOx的方法主要有NOx的分解、氧化和还原。在室温和柴油机排温条件下NOx的分解十分困难。NOx的氧化在发电厂曾经使用过，但其产物是固体物质，对车用柴油机不适合。NOx的还原主要有选择性非催化还原、非选择性催化还原、选择性催化还原、吸附憔催化还原。但到目前为止，用于降低柴油机NOx排放的后处理装置还存在着转化效率低、装置体积大、造价高等特点，还不能大范围应用。

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L—EGR阀阀杆升程，m

图3—6 2400r／min时的EGR理想升程曲线

由此计算得到各工况下与最佳EGR率相对应的EGR阀阀杆升程脉谱图。2400r／min时EGR阀阀杆的理想升程曲线就如图3—6所示。

3．2.3 EGR阀的压力控制及结构方式

有了EGR阀阀杆的升程脉谱图，下面的主要设计任务就是要想办法使机械式EGR阀阀杆的运动规律与之尽量逼近靠拢。参考有关验数据，可以绘出该柴油机的排气压力曲线，进气压力曲线以及进排压力差曲线。仔细观察比较升程脉谱图，进排气压力曲线以及进排气压力差曲线，可以发现：在整个工况范围内，EGR阀的升程变化趋势与进排气压力差的变化趋势相同，与进排气压力的变化趋势相反。由此，定出EGR阀的压力控制方式，即以压差控制为主，压力控制为辅。进排气压力之差随着负荷的增大而减小，主要代表了工况中的负荷影响因素，是EGR流量的主控变量。对于压力控制，这里为了结构简便，选用排气压力控制，它随着转速的升高而增大，主要代表了工况中的转速影响因素，是EGR流量的辅控变量。所以与传统的单膜片EGR阀不同，本

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EGR阀将采用双膜片结构，主辅之分通过各自作用的膜片面积大小来体现，压差控制的膜片面积大，影响系数大，压力控制的膜片面积小，影响系数小。这种EGR阀将不再需要真空调节阀等其他控制元件，而是把它们的功能揉进自身的结构之中，靠自身的结构方式和结构参数优化来满足特定发动机对EGR流量的需求。整个EGR阀的结构示意图如图3—7所示。

图3—7 EGR阀结构示意图

3.2.4弹簧的设计计算

弹簧是一种机械零件，它利用材料的弹性和结构特点，在工作时产生变形，把机械功或动能转变为变形能(位能)，或把变形能(位能)转变为机械功或动能。在设计弹簧时，应该考虑的基本工作性能有以下凡方面：1)弹簧的特性线，即载荷和变形的关系；2)弹簧的变形能；3)弹簧的自振频率；4)弹簧受迫振动时的振幅。由于圆柱螺旋压缩弹簧应用最为广泛，其价格也便宜、易加工等优点，下面就按照圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算法来进行弹簧的设计计算。其设计步骤如下：首先根据工作条件选择材

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料，确定出许用切应力[?]。然后初步选取弹簧旋绕比C=5～8，根据公式计算出弹簧材料的直径d，原整为标准值；由D=Cd计算出D。根据《弹簧手册》中标8-13计算出工作圈数n。验算弹簧的试验载荷和疲劳强度。最后计算出有关几{可参数：节距t、螺旋角a、内径D1外径D2、自由高度H。和弹簧材料的长度L等。必要时应进行弹簧的稳定性验算。在设计弹簧时，往往先选几个C值同时计算，将结果进行比较，最惹选择适宜的数值。

对于弹簧的计算公式我们可以从《弹簧手册》中查到。设计时应特别注意弹簧与活塞的配合，不能使活塞直径太小，这样容易使弹簧在受压时弯曲，也不能使活塞直径太大，这样会使弹簧设计起来比较困难。还要注意弹簧预压缩量的计算，也就是给弹簧一个预压缩量，使阀门不至于在低转速下就可以打开。通过参考试验可知，EGR阀在工作中所受的最大工作载荷为

F???R2?Pa???rh2?P???242?10?6?90?103???(12.5)2?10?6?48?103?186.4N （3—6）

。但为了工作可靠，我们选取187N。即最Pa最大真空度，rh为活塞杆头部的半径大工作载荷为187N。理论上在187N时，弹簧达到最大压缩量15mm(即活塞杆头部最大行程加上弹簧的预压缩量)。所以弹簧设计出来的刚度大概为12．5N／mm。 1)选择材料和许用应力

根据弹簧所受载荷特性及要求，在表(见手册表2-33)中选用B组不锈弹簧钢丝(1Crl8Ni9)或(OCrl9Nil0)。许用应力[?]?0.45?b。材料抗拉强度?b与钢丝壹径d有关，先假设钢丝直径d≈2-3mm，其对应的?b?1569?1814MPa。根据表(见手册表2-103)得切变模量G=71．5×103Pa。取试验切应力

?s?[?]?0.45?b?1569?705MPa （3—7）

2)选择旋绕比

旋绕比C值越小，曲率越大，卷制越困难，工作时弹簧材料截面内侧的切应力大于平均应力越多，弹簧的刚度也越大。C值大，则相反。根据表(见手册表8-4)初步选取旋绕比C=9 3)计算钢丝直径

根据式(见手册表8-18)可得计算钢丝直径公式为

d?1.6KFC （3—8） [?] 23

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由于所受载荷为动载荷，但可近似看成静载荷(因为载荷变化频率很低)，所以取曲度系数K=1。

d?1.61?187?9?2.5mm （3—9）

705钢丝直径在假设的范围内，根据表(见手册表8-2)选取d=3mm。 4)弹簧的中径

弹簧中径D为弹簧的公称直径，其值应符合标准，并应严格控制外径或内径的偏差，其偏差值可按国际查出。为了保证有足够的空间，应考虑弹簧受载荷后，簧圈增大其增大值可按式(弹簧手册7-27)来计算。按表(见手册表8-3)取系列值D=26mm。 5)计算弹簧圈数

弹簧的有效工作圈数n应符合弹簧手册中的系列值。为了避免由于载荷偏心引起过大的附加力，最少工作圈数为2，但一般不少于3圈。支撑圈的圈数取决于端圆结构形式。总圈数等于两者之和，其尾数宜取0．25、0．5或整圈。根据表(见手册表8-13)得

Gd4f71500?34?15n???3.3圈 （3—10） 338FD8?187?26按表(见手册表8-5)系列值，取n=4圈，两端各取l豳支撑圈，则弹簧的总圈数

n1?n?nz?4?2?6圈 (3—11)

6)计算试验载荷

试验载荷为测定弹簧特性时，弹簧允许承受的最大载荷，其值可按下式来计算，如由于原材料及工艺的原因，在计算时，对于旋绕比小于6的弹簧也可按照下式计算。根据式(见手册式8-3)，得试验载荷(即为测定弹簧特性时，弹簧允许承受的最大载荷)

FS??d38D?s???338?26?662?270N (3—12)

7)自由高度

压缩弹簧的自由高度H0是指囟由状态下的高度。其值受端部结构的影响，难以计算出精确值，其近似值可以按照下式来计算。为了增加其受力均匀性，采用YI型端部结构两端并紧并磨平，按表(见手册8-6)可知其自由高度：

H0?nt?1.5d (3—13)

取?1?0.1dd，按式(见手搿公式8-11)初估计节距

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t?d?f15??1?3??0.1?3?7.05mm (3—14) n4代入上式得自由高度

H0?3?7.05?1.5?3?25.65mm （3—15）

按表(见手册表8-7)，取H0=30mm。 8)弹簧的节距

根据表(见手册表8-8)，可得节距

t?H0?1.5d30?1.5?3??8.5mm （3—16） n49)弹簧的螺旋角

按式(见手册公式8-9)可褥螺旋是

t8.5a?arctan?arctan?arctan0.14?5.70 （3—17）

?D??26此值符合一般要求a?50?90。如果超过90的时候就要考虑螺旋角的影响。 10)弹簧的稳定性验算

采用两端固定支承。其高径比

b?H030??1.2 （3—18） D26按表(见手册表7-3)可知b<5.3, 满足稳定性要求。 11)弹簧材料展开长度’

根据式(见手册公式8-13)可得材料展开长度

L??Dn1cosa???26?5cosa?410mm （3—19）

12)弹簧的实际性能参数

根据表(见手册表8-13)可知弹簧刚度

Gd471.5?103?34F???13.7N/mm (3—20) 338Dn8?26?3对应于变形f=15mm的弹簧载荷

F?F?f?13.7?15?205.5N （3—21）

弹簧的试验变形

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fS?FS270??19.7mm （3—22） F13.73.2.5膜片的设计计算

由于膜片及膜盒对压力反映灵敏，因此其原作用是在不大的几何尺寸下，可获得显著的较高的自振频率和输出力，用作气体或液体压力测量装置的敏感元件。膜片可分为平面膜片和波纹膜片两种。平面膜片一般用于中心位移小、特性稳定度要求不严格、压力与中心位移大致呈抛物线关系的测量装置中。波纹膜片是一个带有环状同心波纹的薄圆片，按波纹的类型可分为正弦影、梯形、锯齿形、圆形和弧形等。

波纹膜片与平面膜片比较有以下优点；

1)中心位移大。即材料一定时，不产生塑性变形的中心扰度较大； 2)压力位移特性可以呈线性关系或非线性关系； 3)特性稳定，边缘固定时，可能产生的扭曲较小：

4)由于波纹的形状不同，压力与中心位移的关系可以是多种多样的。

因此，有可能按需要的特性曲线来设计膜片，以满足不同的测量要求。膜片的计算主要包括膜片材料的选择和膜片的设计计算。影响膜片的性质主要有以下几项：波纹深度、波纹形状、波纹数、边缘波纹的影响，以及膜片的厚度和直径。对于膜盒的选择决定采用单片膜盒，原因是结构简单，材料选择暂不定，要等到温度试验做了之庸，厂家根据温度而定。

波纹膜片的特性曲线主要决定于膜片的截面形状，从实验结果来看，主要 有以下几个影响方面。

1)波纹深度的影响 在其它因素不变的情况下随着波纹深度的加大，特性曲线逐渐平直。波纹深度较大时可以得到线形的特性曲线。

2)波纹形状的影响 波纹形状对特性曲线的影响较小。在一定压力的作用下，正弦形膜片具有较大的扰度，锯齿形波纹膜片扰度最小，但后者的特性曲线比较接近直线，梯形波纹膜片的特性介乎两者之间。

3)波纹数的影响 在波纹深度不变的情况下，改变波纹数目对特性随线影响很小。 4)边缘波纹的影响 边缘波纹对膜片的特性影响甚大。有边缘波纹的膜片中心点位移要比无边缘波纹的大几倍，实验结果表明，略为增减边缘波纹的半径时，将显著改变膜片的特性，因为这种膜片的位移主要是由边缘波纹所决定，中部波纹所起的作

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用较小。

5)膜片厚度的影响 膜片厚度对其特性影响较大，增加膜片厚度，将使刚度增大。 6)膜片直径的影响 增大蛊径，将使灵敏度增加。

从以上的说明可知，改变膜片的几何参数，可使膜片具有各种不同的特性。但是用改变波纹形状及其它参数来对膜片特性作实验研究，以获得所需的特性，实际上是困难的。因此，设计时多数从已有实际膜片形状中选择合适的或稍作修改。多种式样的标准膜片，有对压力为线形的，有对空速为线形的，有对高度为线考选用。

选取工作直径2R=48mm，硬心直径2r=30mm，膜片厚度h=0.10mm，波纹深度H=0．3mm，波纹的斜角?0?300 (用的比较多)，波纹数n=4，泊松数u=0.3，

弹性模量为E=1.35×105MPa，截面形状为锯齿形。

H0.3??3 （3—23） h0.1锯齿形波纹膜片的系数a和b，可由弹簧手册的图所列的曲线求得，对于正弦形波纹，这些系数由深度比H／h和H／t决定；对于锯齿形波纹，则由H／h和波纹斜角?0决定。

按图(见弹簧手册20-13)越线a=a(H／h)和b=b(H／h)，根据波纹斜角?0?300的锯齿形波纹和已知的比值H／h查得系数a和b为：

a=19．5 b=O．40 根据公式：

p?Eh(ah2f0?bf03) （3—24） 4R1.35?105?0.123p?(19.5?0.1?f?0.27?f)004 24?0.008f0?0.01f03给出若干个fo的值，求出对应于这些位移fo的压力 ；

表3-1位移与压力的关系

1 2 4 5 6 f0/mm 8 5.184 10 10.08 p?103MPa 0.018 0.096 0.627 1.29 2.208 27

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从以上数据可知，膜片的灵敏度不大，也就是要使阀门打开还要克服膜片 本身的反作用力。

膜片的外径和膜片硬心直径是膜片设计时极为重要的参数。在膜片的厚度、外径一定时，d越大，耐压力虽然增大，但位移量变小，并且弯曲性能也变坏。对于硬心直径的选择是否恰当，还需要试验的进一步确定。

膜片有效面积不是常数，它随膜片的位移和压力与位移的特性而变。当膜片特性为线形融，可以认为有效面积是一个常数，可由下式近似的求得：

A?F?常数 (3—25) p式中 P—作用在膜片上的压力差

F—作用到膜片中心上的力，并能将在P作用下的位移f0恢复至起始位置。 在实际计算中，由于有效面积在工作范围内的变化相对来说是不大的，对于这个微小的变化可忽略不计，近似地认为它是个常数，其计算为：

11A??(R2?Rr?r2)??(242?24?15?152)?1215.2mm2 (3—26)

33式中 R—膜片工作半径 r—硬心直径

3.2.6 EGR 管路出入口位置的确定

EGR 是降低NOx排放的有效措施, 但若将未经过滤的柴油机排气直接引入进气中, 排气中的微粒物会造成进气系统侵蚀、润滑油污染及发动机运动件磨损等, 因此, 要使用微粒过滤器过滤掉微粒以后的干净废气作为再循环废气。为此, 再循环废气要从微粒过滤器出口处引出。由于微粒过滤器的阻力作用, 微粒过滤出口处的静压力很低, 接近于大气压力, 这对推动废气的再循环极为不利。为了使废气的再循环顺利进行, 并使再循环废气能够达到预期的流量, 必须采取相应的措施, 使排气压力高于进气压力。最简单的措施是采用进气节流阀或排气节流阀增加排气管和进气管间的压力差, 从而增加EGR率, 但会增加泵气功损失, 恶化柴油机性能。在进气管中增设一个文丘里管是在进气管内生成低压区域的有效方法, 将废气循环到低压区域可增加EGR 率, 但文丘里管的制造加工费用较高。在废气再循环管路中加装一个EGR 泵可增加EGR 率和提高EGR 系统的瞬态响应能力, 但增加了系统的复杂程度和功率消耗。综合分析各种方案后, 本文采用皮托管方案。微粒过滤器出口处的静压力虽然很低, 但流速较高,

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具有较大的动能。将再循环废气管路的入口设计成皮托管, 将排气的动能转换为压力能。该方案泵气功损失小、结构简单、对排气背压的影响小, 适合于和微粒过滤器一同工作。再循环废气管路出口的位置有两种选择, 一是位于空气滤清器后, 一是位于其前。再循环废气从空气滤清器后面导入进气管, 其主要优点是能充分利用空气滤清器后面产生的低压区, 加大了排气管和进气管间的压力差, 有利于提高EGR 率。再循环废气从空气滤清器前面导入进气管, 则空气滤清器就给柴油机提供第二级保护, 防止在微粒过滤器破损时未经过滤的废气直接进入进气管, 并且加长了循环废气与新鲜空气的混合时间, 有利于充分混合。本文采用第一种方案。

3.2.7排气管直径

对于脉冲排气系统，当排气管长度一定，减小排气管容积有利于增强排气压力波。排气管截面积过大，容易产生排气旋涡，造成压力能量的损失。排气管截面积过小，会引起管道内气流速度过高，流动损失增加，同时还会使涡轮机超速运转，降低使用寿命，因此排气管截面积的选取应该兼顾这两方面进行优化。取标定工况作为模拟分析的基础点，排气管直径的变化范围选择为30mm-45mm, 设定发动机功率、排气温度、空气流量作为输出的结果，其计算结果见图3-8从计算结果看出排气总管直径在36mm-40mm之间，发动机功率和空气流量均较大，同时排温上升幅度不是很明显，因此排气管直径应该选择在这个区域范围内，原机排气管直径为40mm, 基本上是合理的。

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图3—8标定工况下不同排气管直径的计算结果

3．3进气管结构参数

进气管结构主要对充气效率有很重要的影响，影响因素有进气口方向、进气口截面积、稳压腔容积、进气支管长度和截面积等，其中进气支管长度影响进气动态效应，稳压腔容积影响谐振效应。稳压腔内压力环境相对比较稳定，可以消除各缸进气干扰，为进气动态效应提供良好条件，同时也可以改善各缸进气均匀性。发生进气谐振的发动机转速主要与进气支管长度和稳压腔容积有关，因此有必要选择进气支管长度和稳压腔容积作为重点的优化对象。

3．4冲转换器喉口收缩比的优化

脉冲转换器喉口收缩比为喉口处的截面积比上排气歧管的截面积，它对发动机的性能影响很大，若收缩比太小，排气阻力增加，节流损失增加，对发动机空气流量影响也较大：若收缩比太大，则会降低引射作用，对脉冲能量的利用不利。模拟中分别对收缩比从0．5到1．0进行计算。脉冲转换器喉口收缩比对柴油机的功率影响不大，收缩比的变化主要影响柴油机的进气流量和排气温度，且随着收缩比的增加而增加，

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这主要是因为在大的喉口收缩比的情况下，喉口的节流作用减弱，排气阻力降低，排气比较畅通，同时增压器的转速增加，进气流量增加。但是大的喉口收缩比使引射作用减弱，排气背压相对增加，进气扫气作用减弱，缸内残余废气量增加。因此，在保证空气流量的条件下，应适当减小收缩比。根据计算结果和实际使用经验，喉口收缩比选择为0．5-0．7是比较合适的。

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第四章总结与展望

随着人们对环境越来越重视，汽车的排放问题越来越受到关注，各国的排放法规也越来越严格。我国对排放法规的制定也将逐步与国际接轨，随着国内实施第三阶段排放限值日期的邻近，排放未达到国标准要求的内燃机将不能在市场上销售和使用，开发出符合新的排放标准要求的内燃机已成为迫在眉睫的问题。开展废气净化技术的研究具有重要的现实意义，废气再循环技术作为降低NO、的有效措施在国外已经得到了广泛的应用，而我国内燃机排放控制技术的研究起步较晚，与发达国家存在较大的差距，对技术的应用研究也一直未得到足够的重视，随着我国“机动车排放污染防治技术政策”、“轻型汽车污染物排放标准\和“汽车排放污染物限值及测试方法”等法规的进一步实施，EGR阀将成为发动机必不可少的附件。开发生产EGR阀是汽车零部件制造业提高经济效益的又一个增长点。所以说在国内对于EGR技术的研究是很有必要的，而且是很有战略意义的。

4.1全文总结

由于时间与条件水平等的限制，本文所做的研究工作十分有限。N0x是发动机

废气排放中的主要污染物之一，它危害较大，却不容易控制，EGR技术是目前控制发动机NOx排放最实用、最有效的技术之一。本文针对195柴油机研究了EGR对柴油机的影响，围绕EGR技术主要完成了以下工作：

(1) 从理论方面阐述了EGR系统

(2) 研究了EGR系统降低NOx排放的机理及技术措施。 (3) 设计了EGR系统部分部件。

4.2前景展望

采用废气再循环以后改变了柴油机的燃烧特性，需要研究燃烧变化规律，并针对EGR优化燃烧室结构，提高喷油压力并增加喷嘴的喷孔数目，增强燃油与空气混合的均匀性，对柴油机供油系统和增压器进行匹配研究，来降低HC和PT排放。

对于EGR系统的研究还有许多工作可以拓展研究。大致有以下几点：

1、 可深入进行不同 EGR 率的对柴油机排放和性能的影响的研究，建立该

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机型的相关数据库，更好地研究和发现其中的规律。最优EGR 率的选择需要进一步的试验。

2、 EGR 技术在柴油机上的应用研究才刚刚开始，对其特性和规律尚无感性认识，针对气道参数、供应系统参数与EGR的匹配还需要通过后期大量的试验研究。

3、 可进行研究EGR阀结构对性能的影响时，研究膜片杨氏模量、弹簧弹性系数和入口面积等几个方面对EGR阀工作性能的影响，在今后的研究中还可研究阀座的厚度，倒角的大小以及阀杆的粗细等方面对EGR阀工作性能的影响。

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致 谢

时光飞逝、岁月如梭。在没蒙古工业大学的四年大学学习生活一转眼就要结束。

首先，我要衷心地感谢我的指导老师东雪青老师在本文写作当中和日常的学习当中给予的帮助和细心指导。虽然有繁忙的工作，但仍抽出时间给予我学术上的指导和帮助，使我从中获益不浅。东雪青老师对学生认真负责的态度、严谨的科学研究方法、勤勉的工作作风以及工作精神是我永远学习的榜样。在此，谨向东雪青师致以深深的敬意和由衷的感谢。

感谢能动学院的各位老师给予的帮助和四年来的教诲，各位老师不仅是我学习工作上的老师，更是我做人方面的老师，老师们不但有极其渊博的学识、丰富的经验、严谨求实的治学态度，而且在他们平时的生活中都对学生更有无微不至的关怀，在以后的生活里，会一直是我前进的方向，学生唯有以不断努力进取来回报恩师的厚爱!

感谢没蒙古工业大学为我提供了良好的学习环境，即将离开工大校园，离开能动学院，我会谨记恩师们和其他各位领导老师的教诲，脚踏实地地走好人生的每一步。

感谢06级热动系的每一位同学，在我们一起学习，一起相处的日子，大家给予我的理解和帮助。是你们的存在，让我感受到团队力量的强大和集体生活的温馨，同时也使我的大学生活变得更加丰富多彩!

感谢我的家人和亲朋好友，是你们的支持和鼓励使我能够战胜一个又一个困难，安心完成学业!

最后，感谢各位教授导师在百忙之中对我的设计进行评阅，我相信一定会从各位导师的批评指正中受到深刻的教益。祝愿各位健康快乐、幸福平安！谢谢!

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