發(fā)動機廢氣再循環(huán)閥流場特性與多場協(xié)同機理研究

摘要：發(fā)動機廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用可以對燃油效率進行提升，同時還會更好地降低發(fā)動機排氣污染物的含量，以此能夠進一步提升系統(tǒng)的應(yīng)用價值。在發(fā)動機廢氣再循環(huán)閥流場特性作用下，廢氣通過EGR閥，在速度場、溫度場、壓力場，與多場協(xié)同機理，部分廢氣進到進氣管，與進到進氣管的空氣在氣流的作用下進行充分混合，然后進入到發(fā)動機汽缸內(nèi)，使燃油在氧氣充足的情況下進行充分的燃燒，通過廢氣再循環(huán)，燃燒的溫度不會過高，抑制NOx的生成，減少排污染物的排放，本論文就場協(xié)同機理等方法對EGR閥的流場特性進行研究。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機廢氣再循環(huán);閥流場特性;與多場協(xié)同機理

0 ?引言

進入到新世紀之后，隨著人們生活水平的提高，汽車的保有量在持續(xù)增長，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，同時對生態(tài)環(huán)境會也會造成不同程度的污染。當前急需解決大氣污染嚴重等重要問題，尤其是城市空氣污染問題變得越來越嚴重，主要是因為每個城市的汽車保有量越來越多。通過大量的檢測分析得出，城市空氣中的CO、NOX等汽車尾氣污染物都出現(xiàn)了明顯超標現(xiàn)象，如果對這些污染物不能夠做到妥善解決，將會對人們的身體健康造成嚴重的威脅。

1 ?氮氧化合物形成的主要機理分析

1.1 影響氮氧化合物生成的因素分析 ?通過大量的實踐操作證明，發(fā)動機排放的廢氣當中，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)境條件相對較高，有助于NOX的濃度的提升，同時生成的速度也較快，特別是在氧氣充足的情況下，溫度條件將會加速NOX的生成。第二，外在環(huán)境當中的氧氣配比。如若在高溫的環(huán)境之下，給予充足的氧氣，將會加速NOX的生成，所以說氧氣的濃度將會成為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，也會導(dǎo)致NOX的生成速度緩慢。第三，停留的時間。我們通過實驗分析發(fā)現(xiàn)，NOX的合成反應(yīng)相對于燃燒反應(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)時間相關(guān)聯(lián)[1]。

1.2 發(fā)動機汽缸內(nèi)影響氮氧化合物生成因素分析 ?第一，空燃比的影響。空燃比小于理論值的時候，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，此時氧氣的含量將會起到?jīng)Q定性的作用。但是如果空燃比大于理論值的時候，NOX的生產(chǎn)量要與當時的溫度息息相關(guān)，溫度的提升將會加速NOX的生成量。第二，點火提前角的影響。點火提前角的大小對氣缸內(nèi)的溫度以及NOX的生成有影響。點火提前角過小，會使發(fā)動機汽缸內(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，將會增大發(fā)動機內(nèi)部的燃油消耗率，降低發(fā)動機的動力輸出。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，同時也含有前一循環(huán)留下的殘余廢氣，汽缸內(nèi)的廢氣將會降低燃燒的溫度和減少進到汽缸內(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)動機缸內(nèi)采取EGR控制排氣污染物排放分析

根據(jù)發(fā)動機排放的NOX的生成主要機理和影響要素分析，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)。而對于發(fā)動機的排氣凈化方式主要分為前處理排除凈化方式，機體內(nèi)部凈化方式以及機體外部凈化方式。而在機體內(nèi)部的凈化方式，主要是從排放物質(zhì)的生成源進行考慮，對發(fā)動機的燃燒方式進行充分的改良，有效的抑制廢氣化合物的生成。發(fā)動機內(nèi)部凈化處理方式是治理發(fā)動機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)動機內(nèi)部的NOX排放量進行有效的控制，在具體的運用過程當中，能夠?qū)l(fā)動機內(nèi)部的廢氣引入到相關(guān)的氣管內(nèi)部當中，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，實現(xiàn)對發(fā)動機的排放性降低、經(jīng)濟性提高、動力性提高的影響;通過優(yōu)化EGR率，計算理論控制值，降低缸內(nèi)NOX的生成，達到機內(nèi)凈化的目的。對于發(fā)動機內(nèi)部的控制能夠達到精確的目的，從而能夠保證在可控的范圍之內(nèi)，對于發(fā)動機尾氣當中的污染物能夠做到有效的降低，同時還會保證在降低NOX生成的過程當中不會影響發(fā)動機的原有動力性能和操作性能[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NOX的排放量進行有效控制，廢氣再循環(huán)開啟過程當中，將發(fā)動機排出的廢氣部分重新引入到發(fā)動機汽缸內(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率隨負荷和轉(zhuǎn)速而改變NOX的排放，通過相應(yīng)的公式計算出EGR率，能夠有效的計算出進出口的質(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。對這種全面稀釋之后的廢氣混合氣體進行加熱，需要提供較大的熱量，因此可以有效的降低最高點的燃燒溫度，從而抑制NOX的生成，對于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，同時還會出現(xiàn)燃燒波動的情況，出現(xiàn)大量的HC，燃燒功率也在不斷的下降，燃油的經(jīng)濟性也會較差。如果廢氣再循環(huán)流入汽缸的廢氣量過多，使得汽缸的可燃氣體過稀，燃燒輸出動力不足以維持發(fā)動機運轉(zhuǎn)，發(fā)動機有可能出現(xiàn)失火情況，還會加大HC的排放量。而在全負荷運轉(zhuǎn)的時候，雖然能夠提供良好的動力性，但是會使得再循環(huán)燃燒功率下降，動力不足。因此需要對EGR率進行控制，在各種不同的工況條件下，EGR率進行理論控制，對NOX的排放量進行精確的控制。

3 ?廢氣再循環(huán)閥流場特性分析

當發(fā)動機的EGR閥在排氣過程當中將會產(chǎn)生不同成分的氣流，將會使得流到內(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)，需要對內(nèi)部的廢氣再循環(huán)流的特性進行充分的分析。當流體流動過程當中，主要分為兩種不同的流動形式。當流速相對較小的時候，流體會分布不同的軌跡，進行分層次的流動，產(chǎn)生互不混合的現(xiàn)象，這種質(zhì)點的流動軌跡會表現(xiàn)出一定的平滑曲線，不會因為時間的變化而出現(xiàn)緩慢的現(xiàn)象，而將這種流動狀態(tài)稱為層流狀態(tài)，同時也被稱為穩(wěn)流或者片流。第二，如果整體的流動速度過快，應(yīng)用的速度已經(jīng)達到臨界值，流體已經(jīng)達到了湍流的流動狀態(tài)，那么將會導(dǎo)致整體的質(zhì)點軌跡變得更加的混亂，并且隨著時間的不斷的變化，相鄰質(zhì)點會出現(xiàn)混合的狀態(tài)。但是流動過程當中，整個流管的應(yīng)用速度將會變得越來越快。這種流動方式也被稱為擾流或者亂流。

4 ?廢氣再循環(huán)多場協(xié)同機理的分析

在近幾年發(fā)展過程當中，大部分的學(xué)者都對廢氣流的換熱能量進行了充分的分析，并不斷的加強從場的角度控制研究，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)出了多場協(xié)同應(yīng)用理論。就是流體在傳熱過程當中，不僅要跟流體的溫差有關(guān)，同時還要與本質(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的協(xié)同效果。

4.1 對流傳熱場所的充分分析 ?在流體的對流導(dǎo)熱過程當中要加強進一步的研究，同時根據(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)，對于流體的流速以及傳導(dǎo)強度進行充分的分析。為了能夠更好的證明該理論的實效性，引進了一些無因次量，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)不同的分流形式進行充分的分析，然后能夠提出更加全面的換熱表達方式。

4.2 對流傳熱場的協(xié)同分析 ?當流體的內(nèi)在特性和流速趨于穩(wěn)定的情況下，邊界層的換熱強度要與流體的熱源強度息息相關(guān)。通過傳熱學(xué)的理論分析得出，當流體內(nèi)部的雷諾數(shù)和普朗特數(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)。同時還要取決于速度場和溫度場所設(shè)定的夾角關(guān)系，同時還要保證各個數(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)熱性得到進一步的增強。

5 ?結(jié)束語

當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氣的排放進行有效控制，并能夠?qū)Πl(fā)動機廢氣再循環(huán)流技術(shù)進行不斷改造完善，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，對于汽車的環(huán)保價值和經(jīng)濟價值都會做出顯著的提升。同時我們還需要同國外先進的國家進行不斷的交流與學(xué)習(xí)，以此能夠彌補我們在此方面存在的不足，真正意義上實現(xiàn)取長補短，保證我們擁有的技術(shù)也能處在世界領(lǐng)先的行列當中。

參考文獻：

[1]李鯤.發(fā)動機廢氣再循環(huán)閥流場特性與多場協(xié)同機理研究[D].2017.

[2]韓丹丹.廢氣再循環(huán)冷卻器換熱特性與多場協(xié)同機理研究[D].2018.

[3]田麗亭，雷勇剛，何雅玲.汽車發(fā)動機廢氣處理與多場協(xié)同機理分析[C].傳熱傳質(zhì)學(xué)學(xué)術(shù)會議，2018.

[4]孫學(xué)敏，宋文武，劉育，等.發(fā)動機廢氣再循環(huán)閥流場特性新設(shè)計[J].熱能動力工程，2018，029（006）：657-663.

課題項目：院級科研項目《廢氣再循環(huán)技術(shù)在天燃氣發(fā)動機排放升級中的應(yīng)用研究》，項目編號：2018-YJKJ-2。

作者簡介：唐新華（1978-），女，廣西桂林人，專職教師，講師，研究方向為汽車電子技術(shù)。