發動機廢氣再循環閥流場特性與多場協同機理研究

摘要：發動機廢氣再循環系統的應用可以對燃油效率進行提升，同時還會更好地降低發動機排氣污染物的含量，以此能夠進一步提升系統的應用價值。在發動機廢氣再循環閥流場特性作用下，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，然后進入到發動機汽缸內，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，燃燒的溫度不會過高，抑制NOx的生成，減少排污染物的排放，本論文就場協同機理等方法對EGR閥的流場特性進行研究。

關鍵詞：發動機廢氣再循環;閥流場特性;與多場協同機理

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，同時對生態環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了明顯超標現象，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，發動機排放的廢氣當中，NOX占據著非常大的比例。而影響NOX生成的主要因素，包括以下幾大方面：第一，溫度環境條件。如果周圍的溫度環境條件相對較高，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，外在環境當中的氧氣配比。如若在高溫的環境之下，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境之下，氧氣不夠充足，也會導致NOX的生成速度緩慢。第三，停留的時間。我們通過實驗分析發現，NOX的合成反應相對于燃燒反應存在一定的緩慢性，所以說在高溫高氧的環境條件之下，NOX的具體生成量也要與停留的反應時間相關聯[1]。

1.2 發動機汽缸內影響氮氧化合物生成因素分析 ?第一，空燃比的影響?？杖急刃∮诶碚撝档臅r候，并且氣缸內部的含氧量出現明顯的不足，溫度不斷的提升，NOX的生產量難以得到有效保障，此時氧氣的含量將會起到決定性的作用。但是如果空燃比大于理論值的時候，NOX的生產量要與當時的溫度息息相關，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的溫度以及NOX的生成有影響。點火提前角過小，會使發動機汽缸內的最高燃燒溫度升高，最高燃燒壓力降低，有助于NOX的生成，將會增大發動機內部的燃油消耗率，降低發動機的動力輸出。第三，廢氣濃度所產生的影響。廢氣在汽缸內稀釋之前，既要包括再循環回流的廢氣，同時也含有前一循環留下的殘余廢氣，汽缸內的廢氣將會降低燃燒的溫度和減少進到汽缸內的空氣量，減少氧氣含量，即導致NOX的生成量降低。

2 ?發動機缸內采取EGR控制排氣污染物排放分析

根據發動機排放的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技術、燃油摻水技術、三元催化轉化技術。而對于發動機的排氣凈化方式主要分為前處理排除凈化方式，機體內部凈化方式以及機體外部凈化方式。而在機體內部的凈化方式，主要是從排放物質的生成源進行考慮，對發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。發動機內部凈化處理方式是治理發動機排氣污染物排放的有效措施之一。在新技術的不斷的融合之下，廢氣再循環凈化方式已經成為機體內部的主要凈化措施之一[2]。

應用廢氣再循環技術，能夠對發動機內部的NOX排放量進行有效的控制，在具體的運用過程當中，能夠將發動機內部的廢氣引入到相關的氣管內部當中，降低汽缸內的溫度。通過控制通入不同質量百分比的EGR率，實現對發動機的排放性降低、經濟性提高、動力性提高的影響;通過優化EGR率，計算理論控制值，降低缸內NOX的生成，達到機內凈化的目的。對于發動機內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，對于發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動機的原有動力性能和操作性能[3]。

2.1 廢氣的流經過程和凈化過程 ?用廢氣再循環技術對NOX的排放量進行有效控制，廢氣再循環開啟過程當中，將發動機排出的廢氣部分重新引入到發動機汽缸內，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率隨負荷和轉速而改變NOX的排放，通過相應的公式計算出EGR率，能夠有效的計算出進出口的質量流量和回路的質量流量。

NOX在高溫富氧環境下容易生成，燃燒的溫度越高，氧氣提供的越充足，越容易生成NOX。通過廢氣再循環控制，將燃燒產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，導致整體的含氧濃度降低，同時廢氣再循環中的CO2和水蒸氣大大增加了工質的比熱容，將汽缸內的溫度降低，汽缸內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，既可能出現燃燒不穩定的情況，同時還會出現燃燒波動的情況，出現大量的HC，燃燒功率也在不斷的下降，燃油的經濟性也會較差。如果廢氣再循環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動機運轉，發動機有可能出現失火情況，還會加大HC的排放量。而在全負荷運轉的時候，雖然能夠提供良好的動力性，但是會使得再循環燃燒功率下降，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 ?廢氣再循環閥流場特性分析

當發動機的EGR閥在排氣過程當中將會產生不同成分的氣流，將會使得流到內壁和閥門底座，產生不一樣的容積效果，通常我們將這種稱為開放的熱力學系統，需要對內部的廢氣再循環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，產生互不混合的現象，這種質點的流動軌跡會表現出一定的平滑曲線，不會因為時間的變化而出現緩慢的現象，而將這種流動狀態稱為層流狀態，同時也被稱為穩流或者片流。第二，如果整體的流動速度過快，應用的速度已經達到臨界值，流體已經達到了湍流的流動狀態，那么將會導致整體的質點軌跡變得更加的混亂，并且隨著時間的不斷的變化，相鄰質點會出現混合的狀態。但是流動過程當中，整個流管的應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 ?廢氣再循環多場協同機理的分析

在近幾年發展過程當中，大部分的學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熱源的導熱發展過程，從而引發出了多場協同應用理論。就是流體在傳熱過程當中，不僅要跟流體的溫差有關，同時還要與本質特性以及流速息息相關。因此提高熱量的傳導，不僅要提高流速，同時要更好的控制物體內部的特性以及溫度。只有這樣才能夠更好的改變氣流場的協同效果。

4.1 對流傳熱場所的充分分析 ?在流體的對流導熱過程當中要加強進一步的研究，同時根據牛頓定律作為主要的應用原理，通過表面的傳導系數，對于流體的流速以及傳導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，更好的表述了相關之間的聯系。此外流體的對流導熱現象比較復雜，需要采取分層次的研究，并能夠根據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 對流傳熱場的協同分析 ?當流體的內在特性和流速趨于穩定的情況下，邊界層的換熱強度要與流體的熱源強度息息相關。通過傳熱學的理論分析得出，當流體內部的雷諾數和普朗特數穩定的情況下，流體內的努塞爾系數要取決于熱量源，流動性要與流質的熱量源、流質的速度和流質的溫度息息相關。同時還要取決于速度場和溫度場所設定的夾角關系，同時還要保證各個數量超值保持一定的穩定，使其整體的應用搭配更加的合理。這樣才能夠得到氣流的導熱性得到進一步的增強。

5 ?結束語

當下全世界都提出了低碳節能環保發展需求，所以我們加大汽車的管控，以此能夠對廢氣的排放進行有效控制，并能夠對發動機廢氣再循環流技術進行不斷改造完善，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，對于汽車的環保價值和經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習，以此能夠彌補我們在此方面存在的不足，真正意義上實現取長補短，保證我們擁有的技術也能處在世界領先的行列當中。

參考文獻：

[1]李鯤.發動機廢氣再循環閥流場特性與多場協同機理研究[D].2017.

[2]韓丹丹.廢氣再循環冷卻器換熱特性與多場協同機理研究[D].2018.

[3]田麗亭，雷勇剛，何雅玲.汽車發動機廢氣處理與多場協同機理分析[C].傳熱傳質學學術會議，2018.

[4]孫學敏，宋文武，劉育，等.發動機廢氣再循環閥流場特性新設計[J].熱能動力工程，2018，029（006）：657-663.

課題項目：院級科研項目《廢氣再循環技術在天燃氣發動機排放升級中的應用研究》，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。