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柴油发动机废气再循环技术EGR的应用与工程优化设计研究

文档作者：高舒芳文档来源：山西交通职业技术学院		点击数： 151 1	更新时间： 2022年04月11日
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Internal Combustion Engine＆Parts
·，7·
柴油发动机废气再循环技术(EGR)的应用与工程优化
设计研究
高舒芳
(山西交通职业技术学院，太原030031)
摘要：随着我国逐步进入十三五规划下的社会经济改革，废气再循环(EGR)技术逐步得到更为广泛的应用，这一技术可以有效降
低柴油机主要排放物NOx的排放，而冷EGR技术可以使这一效果明显增强，EGR冷却器性能对降低NOx排放起着重要作用。优化
冷却器结构是提高发动机冷却效率，降低NOx的重要手段。本文在综述前人的研究成果的基础上，提出了对典型结构冷却器进行改
进的方案。
关键词：柴油机；废气再循环技术(EGR)；冷却器；研究进展
1柴油机的发展状况
我国社会经济的不断发展，柴油机排放技术的研究落
后于汽油机是不争的事实，柴油机空气利用率要差，功率
比汽油机要低，低温启动性、加速性能要差，比质量要高，
碳烟和高的NOx排放一直是阻碍柴油机车辆的瓶颈。
我国的实际情况不管是标准的松紧程度，还是道路交
通情况都和欧洲相似。因此，我国的排放法规是以欧洲的
排放法规为蓝本，全面采用了欧盟指令、ECE技术和部分
欧共体法规。我国在近些年来大力提倡节能减排政策并制
定了严格的柴油发动机排放的法例加以规管。为了满足未
来法规的要求，必须同时减少NOx和烟尘的排放。表1为
我国重型柴油机排放标准。
表1我国重型柴油机排放标准
阶段实施年份NOx(g／kWh) PM(g／kWh)
I 2000 8 0．61(三85kw)0．36(>85kw)
Ⅱ 2003 7 0．15
Ⅲ 2007 5 0．1
Ⅳ 2010 3．5 O．02
V 2012 2 O．02
2冷EGR技术概述
2．1 EGR降低柴油机NOx排放的机理
EGR即废气再循环就是将一部分废气引入进气管与
新鲜充量混合后进入气缸进行燃烧。EGR技术有两种实
现方式，一是保留发动机前一工作循环的部分废气，实现
可变气门定时(称内部EGR)；另一种是利用一根EGR管
道将废气引入进气管，再进入发动机下一工作循环参与燃
烧(称外部EGR)。
2．2冷EGR系统概述
冷却的EGR技术是国外控制NOx排放的主要措施
术，已经得到广泛的应用。据相关资料的介绍，EGR冷却
器可有效降低NOx排放的7％～15％。冷EGR系统如图1
所示。
3 EGR国内外研究现状
冷EGR技术是满足欧Ⅲ和欧Ⅳ排放标；隹的新技术，
已是国外汽油发动机机内净化必备措施，然而冷EGR技
术发展还不是很完善，废气温度依然很高。国内外大量研
究工作者从冷却器的材料、结构、制造技术等发面进行改
作者简介：高舒芳(1986一)，女，山西太原人，硕士研究生，毕业于
中北大学，动力机械及工程专业，助讲，研究方向为工
程机械控制。
进，希望得到最理想
的冷却效率和最佳
的排放和性能要求。
侯镁龙等研究
了EGR冷却器的产
生积碳影Ⅱ向因素，以
及积碳带来的不利
影响。从而得出了废
气成分、冷却器结构
和冷却条件影响积
碳产生。并且积碳会
图1冷EGR系统
影Ⅱ向到冷却效率，降低EGR冷却器的工作能力。为构建
EGR冷却器试验台做充足的准备。
孙剑涛等利用微软开发的Excel XP应用软件计算换
热器。采用经验公式并根据EGR冷却器的自身特点，为
YC4112ZLQ增压中冷柴油机设计了EGR冷却器，并进行
了流阻校核计。为本次EGR冷却器的优化设计提供了设
计指南。
王岩松等应用ANSYS软件建立了EGR冷却器流体
热力学有限元模型，并且对不同散热器形状和不同管道数
EGR冷却器的冷却效率进行了对比研究。发现在冷却器
结构设计方面应散热器形状和换热管排布的影响。
王谦等研究了不同结构的换热管对冷却器冷却效率
的影响，并对原有的冷却器结构进行改进。得出通过改变
过渡锥形管长度、废气进口截面形状、翅片间距冷却器
的冷却效率。使得此次优化有了更加明确地方向。
黄德军等在实验的基础上得出冷EGR对发动机性能
的影响，以及各负荷下冷EGR的使用情况，并且得出结论，
冷EGR是满足越来越严格的排放标准的必备装备之一。
李爱娟等人设计了一套冷EGR系统，验证与热EGR
相比冷EGR对降低NOx排放的作用。
向飞等人研究了现如今冷却器的发展现状并介绍了
冷却的EGR技术中各种EGR冷却器的结构和性能特
点，指出了EGR冷却器设计的发展趋势。
日本五十铃公司生产的采用可变喷嘴截面涡轮增压
器的柴油机6AWl(12L，280kW)、新型的4HFl和4HGl
非增压柴油机(功率分别为95．6和103kW)、6HHl和
6HLl等增压中冷柴油机、通用公司生产的6．5L柴油机、
洋马的TESl50型柴油机、德国大众公司从1997年推出
的Golf和Jetta以及1998年度推出的新型Passat等轿车、
万方数据
·8· 内燃机与配件
2000年推出的LUPO三升汽车等使用的废气涡轮增压的
高速直喷式柴油机(带可变喷嘴和中冷)等都采用了冷
EGR技术来满足严格的排放法规的要求。根据有关资料
介绍，现在欧洲所有轿车柴油机上都采用了冷EGR技术。
在重型柴油机方面，VOLVO卡车北美公司称，所有在
2002年第四季度订购的装用VOLVO柴油动力的卡车都
采用了称为V脉冲的冷EGR系统，以保证现有发动机的
平台而无须采用后处理技术，从而满足美国2004年的排
放标准。美国的Cummins公司在上个世纪90年代中叶已
将冷却EGR技术用于包括B系列在内的所有中型和重型
柴油机上。采用该技术后，与原有产品相比，燃油消耗下降
了2％，NOX减少了50％，无辅助冷启动时间减少了80％。
Cummins公司的副总裁兼首席技术官John Wall指出，
Cummins公司对EGR技术的研究结果非常满意、充满信
心，可用于所有Cummins公司的车用发动机平台。他认为
目前既要使NOX+NMHC排放达到2．59／bhp—hr的限值标
准，又要使得燃油耗和成本低、Ⅱ向应和其他发动机性能好
的目标，除了采用EGR技术没有更好的措施。
从以上不难看出，目前在汽车的主要生产和消费地
区，部分欧2机型和几乎所有排放达到欧3的中重型柴油
机都运用了冷却EGR技术，许多轿车用柴油机在欧1排
放阶段已经采用该技术，用来降低NOx和改善经济性，而
且这是柴油机达到今后更高排放标准时，不可缺少的一项
重要技术。
4 EGR工程优化设计研究
可以研制开发一种能与给定发动机相匹配EGR冷却
器，优化冷却器的结构，使EGR的废气温度在发动机的
各种工况下都能自动调节到既有较低的NOx排放又具有
良好的综合性能的温度值。为EGR冷却器的进一步优化
打下基础，满足越来越严格的排放要求。
EGR冷却器不但要满足热交换器的基本要求，还要
满足自身冷却温度不能过低的要求。冷却器内的气体流动
处于湍流状态，它的基本控制方程包括连续性方程、动量
守恒方程、能量方程。
连续性方程：盟里坚止=0
0xj 动量方程：丛掣=生(u粤)一粤
oxj xj oxj 0xi 能量守恒方程：堕掣=当(导芸)
Oxj OXi tp OXj
湍流模拟是目前模拟优化技术研究最多，困难最多的
一个领域。EGR冷却器内的湍流模拟是基于基本的能量
守恒定律来进行数学求解。考虑到紊流的影Ⅱ向，采用紊流
模型的不可压缩性描述。本次模拟也采用这种模型，该模
型所对应的方程为：
{}(pk)+—毒I_(pkui)=_譬一((u+旦L){生)+Gk+Gb—pe—
Ot OXi oxj Uk OXj
Y—SK
粤(pe)+丢(peui)=丢((u十里)粤)+c。÷(G。+
0t OXi oxj HB oxj K
^2
C抽Gb)一C盐p旱一+S。
K
k-e模型中系数值参见表2。
对于柴油机械的燃烧优化研究，点火延迟和喷射之间
表2
cp cel C吐C臼C醇o-k 仃B 盯o
O．09 L56 1．89 O．76 0．38 1 1．27 O．8
看似偶然，其实它们都与时间有着密切的联系。因此，我们
可以通过燃料量和湍动能密度来控制放热情况，如下所
示：是土L=c删·f1(M，，Q)·f2(k，V)
Q‘D
其¨(MFlQ)-M广告f2(k,V)一exp(‰。游)
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