發(fā)動機廢氣文丘里流量計回流結(jié)構(gòu)應(yīng)用分析

安寧，姚旺，張晨，欒軍山

濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

柴油發(fā)動機具有良好的動力性和經(jīng)濟性，廣泛應(yīng)用于各種動力裝置[1]，但也存在著NOx和顆粒物(particulate matter,PM)排放高的缺點。隨著國家標(biāo)準(zhǔn)對車用內(nèi)燃機排放要求越來越高，為有效降低柴油機NOx排放，廢氣再循環(huán)(exhaust gas re-circulation,EGR)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。

EGR系統(tǒng)能夠?qū)⒁徊糠挚諝夂筒裼腿紵蟮膹U氣引入進(jìn)氣系統(tǒng)，使廢氣再次參與燃燒，提高進(jìn)氣系統(tǒng)中水和CO2的比例[2]。由于水和CO2不參與化學(xué)反應(yīng)，從而稀釋了氣缸內(nèi)的混合氣體，增大了混合氣的比熱容，降低了柴油機燃燒過程中缸內(nèi)的峰值溫度，同時 EGR系統(tǒng)的稀釋作用降低了混合氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，破壞 NOx生成所需的高溫、富氧條件，降低了NOx排放[3-4]。因此，EGR技術(shù)已成為控制柴油機NOx排放的有效技術(shù)手段之一。

文丘里效應(yīng)是指流體在流經(jīng)變小的截面面積時出現(xiàn)的流速增大現(xiàn)象。流體流速增大，壓力降低，在截面較小的位置(也稱喉管)產(chǎn)生壓差，形成對周圍流體有吸附作用的負(fù)壓[5]。文丘里流量計作為一種流量測量裝置，廣泛應(yīng)用于發(fā)動機EGR廢氣流量的測量，但由于發(fā)動機排氣時存在壓力脈沖，進(jìn)氣壓力相對穩(wěn)定，EGR廢氣存在瞬時回流現(xiàn)象，導(dǎo)致文丘里流量計測量誤差較大，無法精確測量出此時的廢氣狀態(tài)。

本文中設(shè)計一種具有回流測量結(jié)構(gòu)的文丘里流量計，當(dāng)廢氣正向流動時，與傳統(tǒng)文丘里管相似；當(dāng)廢氣反向流動時，采用皮托管原理判斷氣流流動狀態(tài)，通過發(fā)動機臺架試驗對比有、無回流測量結(jié)構(gòu)的文丘里流量計的測量精度及邊界適應(yīng)性。

1 EGR測量方式及文丘里流量計

1.1 EGR測量方式

為滿足國家排放標(biāo)準(zhǔn)以及整車動力性要求，精確控制通過EGR引入的廢氣至關(guān)重要[6]。

帶EGR系統(tǒng)的發(fā)動機可通過測量新鮮進(jìn)氣量、廢氣流量或廢氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)實現(xiàn)對EGR閥的精確控制，不同測量方式的測量參數(shù)、安裝位置和敏感性如表1所示。由表1可知，廢氣文丘里流量計具有相對良好的測量精度以及發(fā)動機和整車的應(yīng)用邊界適應(yīng)性，廣泛應(yīng)用于柴油機。

表1 不同測量方式的測量參數(shù)、安裝位置和敏感性

1.2 文丘里流量計的結(jié)構(gòu)及測量原理

文丘里流量計主要包括文丘里管、壓差傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器。文丘里管由圓筒段(也稱入口段)、收縮段、喉部和擴散段等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中喉部直徑小于圓筒段直徑，此處的氣體流速大于入口處氣體流速，氣體在管內(nèi)流動時的流速增大，壓力降低[7]，可以根據(jù)A、B2處流速差異產(chǎn)生的壓差計算流經(jīng)文丘里管的流體流量。氣體在收縮形喉口部位流動時速度增加，壓力降低；在擴散段通道內(nèi)流動時，速度減小，壓力升高，從而減小了喉口段帶來的壓力損失[8-10]。

圖1 文丘里管結(jié)構(gòu)圖

基于伯努利原理改變流體流速產(chǎn)生靜壓壓差[11]，根據(jù)傳感器測量結(jié)果計算得到EGR廢氣的質(zhì)量流量。

廢氣質(zhì)量流量

(1)

式中：d為文丘里管喉口直徑，m；C為通過裝置的實際流量與理論流量之間關(guān)系的因數(shù)；β為文丘里管喉口直徑與入口直徑的比；ε為膨脹因數(shù)；Δp為文丘里管入口與喉口的靜壓差，Pa，由文丘里壓差傳感器測量得到；ρ1為廢氣密度，kg/m3，通過廢氣溫度和壓力計算。

1.3 文丘里管結(jié)構(gòu)對比

實現(xiàn)EGR的前提條件為發(fā)動機排氣壓力高于進(jìn)氣壓力，但由于發(fā)動機排氣時存在壓力脈沖，雖然平均排氣壓力高于進(jìn)氣壓力，理論上廢氣由排氣側(cè)到進(jìn)氣側(cè)，但在部分負(fù)荷工況點會出現(xiàn)中冷器后進(jìn)氣壓力高于渦輪前壓力[12]，此時排氣壓力處于波谷，存在瞬時反向回流，若無法識別該狀態(tài)會影響廢氣流量的測量精度。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的文丘里流量計(無測量回流結(jié)構(gòu))測量壓差時，流體的正向流動和反向回流測量壓差均為正，即使氣流反向流動，喉口處流速依然大于入口流速，入口壓力大于喉口壓力。基于皮托管原理在文丘里管喉口處設(shè)計回流測量結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)反向流動時，在喉口處測量廢氣總壓，入口處為靜壓，此時壓差測量結(jié)果為負(fù)，通過壓差傳感器采集該信號計算流量，可以提高測量精度。

有、無回流測量結(jié)構(gòu)的廢氣文丘里管結(jié)構(gòu)對比如圖2所示。

a)無測量回流結(jié)構(gòu) b)有測量回流結(jié)構(gòu)

2 試驗驗證

2.1 文丘里流量因數(shù)標(biāo)定

文丘里結(jié)構(gòu)確定后，式(1)中的β、d為定值，ε根據(jù)文獻(xiàn)[13]進(jìn)行標(biāo)定，壓差和流體密度由壓差傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器測量計算得到，根據(jù)式(1)計算廢氣質(zhì)量流量。控制發(fā)動機運行在高速高負(fù)荷工況，調(diào)節(jié)EGR閥開度，根據(jù)臺架測量EGR率和進(jìn)氣量計算實際的廢氣流量，與文丘里計算結(jié)果對比，標(biāo)定流量因數(shù)C。C與文丘里管結(jié)構(gòu)和流體相關(guān)，具體取值通過試驗確定[14]。由于發(fā)動機實際運行過程中存在瞬時回流，設(shè)計基于雷諾數(shù)的正向流量因數(shù)和負(fù)向流量因數(shù)。完成標(biāo)定的正向流量因數(shù)如圖3所示，由于正常使用過程中瞬時負(fù)向流動占比很少，因此負(fù)向流量因數(shù)標(biāo)定為常數(shù)1。

圖3 文丘里流量因數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

2.2 測量精度對比

不同負(fù)荷下的發(fā)動機排氣脈沖不同，單一工況標(biāo)定的流量因數(shù)C可能不適用于全部工況，因此EGR控制策略中增加基于轉(zhuǎn)速和廢氣流量的修正脈譜，滿足全工況范圍的精度要求。增加基于轉(zhuǎn)速和廢氣流量的修正脈譜，在式(1)的基礎(chǔ)上與修正因數(shù)相乘，得到當(dāng)前工況的廢氣流量，保證與臺架計算結(jié)果相同。有、無回流測量結(jié)構(gòu)的文丘里的修正脈譜如圖4所示。

a)無回流測量結(jié)構(gòu) b)有回流測量結(jié)構(gòu)

由圖4可知：不帶回流測量結(jié)構(gòu)的文丘里管的修正脈譜最小標(biāo)定因數(shù)為0.5，當(dāng)發(fā)動機運行在中、低轉(zhuǎn)速和中、高廢氣流量工況時，EGR驅(qū)動壓差為負(fù)，無回流測量結(jié)構(gòu)無法準(zhǔn)確測量排氣脈沖狀態(tài)，導(dǎo)致在標(biāo)定時將修正因數(shù)設(shè)為較小數(shù)值才能使文丘里計算的廢氣流量和實際測量的廢氣流量相吻合；有回流測量結(jié)構(gòu)的修正脈譜標(biāo)定因數(shù)為0.9～1.1。因此，在發(fā)動機同一工況標(biāo)定流量因數(shù)后，有回流測量結(jié)構(gòu)的文丘里管測量精度高于無回流測量結(jié)構(gòu)。

根據(jù)發(fā)動機發(fā)火順序，有、無回流測量結(jié)構(gòu)文丘里流量計測量的6缸發(fā)動機的第1～3缸的排氣脈沖壓差隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化如圖5所示，排氣沖程起點從每個周期的波谷開始，循環(huán)往復(fù)[15]。由圖5可知：無回流測量結(jié)構(gòu)的文丘里管壓差傳感器測量的壓差大于有回流測量結(jié)構(gòu)的，根據(jù)式(1)計算的廢氣質(zhì)量流量偏高，應(yīng)采用更小的修正因數(shù)才能與臺架氣體分析儀測量的實際廢氣流量相等。這是因為當(dāng)排氣脈沖處于波谷時，存在瞬時的回流趨勢，但未達(dá)到真正的回流，此時無回流測量結(jié)構(gòu)無法測量脈沖在波谷時的壓差，使在脈沖波谷時壓差測量結(jié)果偏高，計算的廢氣流量偏高。帶回流測量結(jié)構(gòu)的文丘里管能夠有效測量瞬時排氣脈沖時的壓差信號，實時準(zhǔn)確測量廢氣流經(jīng)文丘里管時的狀態(tài)，有效提升測量精度。

圖5 有、無回流測量結(jié)構(gòu)文丘里壓差變化曲線

2.3 邊界適應(yīng)性對比

發(fā)動機正常工作模式下，標(biāo)定文丘里流量因數(shù)以及修正脈譜，即使修正因數(shù)比較小，也可以保證發(fā)動機整個工況范圍內(nèi)廢氣流量的精度。但在加熱模式(提排溫模式)下，需關(guān)閉部分進(jìn)氣節(jié)流閥，減少進(jìn)氣量，使燃燒過程惡化，從而提升排氣溫度，滿足后處理需求。加熱模式下有無、回流測量結(jié)構(gòu)修正脈譜如圖6所示。

a)無回流測量結(jié)構(gòu) b)有回流測量結(jié)構(gòu)

由圖6可知：發(fā)動機加熱模式下，進(jìn)氣節(jié)流閥起作用區(qū)域的中、低速大流量(中、低負(fù)荷)工況的修正因數(shù)與正常模式下的修正因數(shù)相差較大。當(dāng)發(fā)動機進(jìn)、排氣壓差變化時，無回流測量結(jié)構(gòu)的文丘里管測量精度受到較大影響，如采用與正常模式相同的修正脈譜無法滿足要求，需要重新標(biāo)定該脈譜。而帶回流測量結(jié)構(gòu)文丘里管的修正脈譜采用與正常模式相同的修正數(shù)據(jù)也能夠滿足要求。由于能夠有效識別排氣脈沖狀態(tài)，帶回流測量結(jié)構(gòu)文丘里管有良好的進(jìn)、排氣壓差適應(yīng)性。

3 結(jié)論

1)發(fā)動機廢氣文丘里流量計增加回流測量結(jié)構(gòu)后能夠有效測量瞬時排氣脈沖，實時準(zhǔn)確測量廢氣流經(jīng)文丘里管時的狀態(tài)，有效提升測量精度。

2)文丘里流量計增加回流測量結(jié)構(gòu)后，由于能夠有效識別排氣脈沖狀態(tài)，有良好的進(jìn)、排氣壓差邊界適應(yīng)性。