相继增压柴油机文丘里管EGR系统设计与试验

高占斌， 祖象欢， 杜 骏， 王银燕

(1.哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院， 哈尔滨 150001；2.集美大学 轮机工程学院， 福建 厦门 361021;3.北京市特种设备检测中心, 北京 100029)

随着全球排放法规的日益严格，在保持柴油机动力性和经济性的同时，如何最有效地降低NOx污染物的排放量，成为柴油机燃烧与排放技术所面临的关键难题。[1-3]

废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)是将排气中的一部分废气引进到进气管，同新鲜空气混合后进入气缸重新参与燃烧的过程。[4]EGR技术能有效降低柴油机最高燃烧温度和缸内氧浓度，从而降低NOx污染物的生成，目前,已成为控制船舶柴油机NOx排放物的有效手段之一。[1-8]

为实现EGR技术，增压中冷型柴油机通常使用两种布置回路。一种是低压回路，即将废气从涡轮入口前引入到压气机入口前；另一种是高压回路，即将废气从涡轮入口前引入到压气机出口后。由于低压回路中易出现废气泄漏，并且废气中颗粒物等杂质容易对叶片表面造成损伤，实现较为困难。在高压回路中，当柴油机处于高负荷工作时，往往会出现增压压力高于废气压力，出现废气回流的问题,目前通常在进气管中安装节气门[2-8]或文丘里管结构。[9-16]节气门能方便快速调节管中的气流压力，且构造简单易于操作，但是会对增压器的运行带来负面影响，如恶化柴油机的扫气效果，影响柴油机的运行性能。文丘里管结构利用节流引射作用使得废气进入进气管，对进气压力损失影响较小，但由于尺寸原因，布置比节气门要复杂。

目前，关于EGR研究以直列柴油机为主。直列柴油机具有结构简单和布置相对简便的特点，而V型柴油机，由于结构复杂，使得EGR循环更加困难。V型柴油机的进气管和排气管通常采取两列平行结构，为废气的引出和流入增加难度，如果从单一列进排气管完成废气再循环，将会造成发动机各个缸内燃烧程度不同，使其运行的稳定性遭到破坏。为避免该情况发生，一般将双管道改造成单管道，或在双管道间通过加装旁通阀的方法让两列气流一致，来改善柴油机工作的稳定性。

在一台匹配相继增压系统的TBD234V12增压中冷型柴油机上，设计文丘里管EGR系统，并以改造后的柴油机作为试验台架，进行带文丘里管的高压EGR系统对相继增压柴油机燃烧与排放性能影响的相关试验。该研究为相继增压、V型和较大型船用柴油机EGR系统优化匹配提供依据，具有一定的应用价值。

1 文丘里管EGR系统的设计

试验主要研究增压柴油机TBD234V12的外部高压EGR系统，由原机的试验数据可知，当柴油机在高工况运行时，进气压力明显高于排气压力，此时实现EGR废气回流困难，因此,选择在增压器出口后串接文丘里管，可有效减小对柴油机和涡轮增压器的运行影响。

党的十八大以来，在各项治国理政的实践中，习近平总书记把反腐倡廉建设提高到前所未有的高度，发表了一系列反腐倡廉建设重要讲话，提出了许多新理念、新思想、新观点、新论断，回应了新形势下反腐倡廉建设的重大理论现实问题。这些反腐倡廉的论断有哪些特点，高校的反腐倡廉还存在哪些挑战，就这些问题，本刊记者（以下简称“记”)专访了西安交通大学教授李景平（以下简称“李”）。

2.4.1 HPLC指纹图谱的生成 取5批样品各适量，按“2.2.3”项下方法制备供试品溶液，再按“2.1”项下色谱条件进样测定，采用《中药色谱指纹图谱相似度评价系统（2004 A版）》对5批样品的HPLC图谱进行分析，得HPLC指纹图谱，详见图1、图2。

1.1 文丘里管基本原理

文丘里管采用缩扩形喷管结构，主要结构见图1,主要组成部分分别为收缩喷嘴段、喉口混合段和扩压段。在收缩段气流实现膨胀，流速上升，马赫数变大，流体压力、密度和温度均会降低；而在扩压段中，流体压力逐步上升，温度和密度均逐渐恢复，流速减慢。在膨胀过程中，流体的压力逐渐变小，当到喉口部位时，形成低压区，最终使得废气压力与进气压力之间形成一定的压力差，保证废气从涡轮前引射入进气管。此外，扩压段的混合气流动是一种压缩过程，压力上升，降低压力损失带来的不利影响。对比其余辅助混合技术，文丘里管可在不损失机械功的状况下实现进排气的混合。

1.2 文丘里管的布置及尺寸设计

文丘里管同进气管的连接有串联和并联2种形式[16-17]，综合考虑到柴油机台架的空间布局和文丘里管尺寸，选择串联的文丘里管系统见图2。

相继增压系统的空气先由2台并联的压气机进行压缩，而后经过三叉管道汇合流入到文丘里管的进口截面，当空气流过收缩段时，流速加大，压力降低。从排气管中引出废气，经中冷及EGR阀，在喉口部位与进气混合，压力在扩压段又恢复，最终到达各个气缸实现燃烧。

通过测取的试件中自制测力锚杆各测点应力应变数据，可以得到对应位置锚杆的轴力。依据前文2.2界面剪应力分析，将锚杆轴力作为锚杆、锚固剂复合体承受的轴向载荷，两测点间锚杆轴力差由锚固剂-围岩界面剪应力提供，视两测点间界面剪应力均匀分布，即可得到锚固剂-围岩界面剪应力沿锚固长度分布情况。以锚固长度0.8 m、张拉载荷为30 kN的C-3试件为例，将理论分析、数值模拟、张拉试验中得到的锚固剂-围岩界面剪应力数值进行对比分析，如图8所示。

由于在设计工况运行的柴油机，调整EGR阀开度由完全封闭到完全打开时，文丘里管都能发挥减压引射作用，使得试验预想的EGR率能够得到保证，而且当EGR阀完全打开时能够让文丘里管的喉口部位正好避免壅塞现象，因此,选取额定工况(1 800 r/min，444 kW)作为文丘里管设计工况，设计计算文丘里管有关结构参数为

首先针对本次课的内容列举几个(3～5)关键问题，让同学们根据问题看书或借助其他手段找出问题的答案，并将答案记录在笔记中。由此在课堂上让同学们既可以动动脑筋思考，又可以让他们动动手，充分调动同学们的积极性；其次针对关键问题组织同学们讨论，通过让同学们积极参与，使同学们对知识有更好的了解；最后老师对这几个问题总结并对其它一些内容作讲解，在讲解过程中，要求同学们对笔记中出现的问题作调整，完善笔记的内容；最后在本次课结束前，让同学们拿出手机登录网络教学平台，完成本次课相关内容的学习，从而进一步深化对本次课程内容的理解和掌握；在下一次课时，用五分钟左右的时间复习上次课的内容，使同学们温故而知新。

其次，抗辩权行使内容的限制。合同的当事人实行抗辩权的目的在于要求对方履行合同债务，以保障自己合同债权的实现，进而促进合同目的的实现。所以业主在行使抗辩权的时候，不能影响其他业主的合法权益，也不能影响物业服务企业的日常工作。而且业主也不可以采取法律所禁止或者违反公序良俗的方式行使抗辩权。

p=ρRT

(1)

m=ρAv

(2)

(3)

(4)

式(5)～式(9)中：A*为临界截面面积，m2；p0为滞止压力，MPa。由pt/p0的值，查气体动力函数表，采用线性插值计算为

由上述模拟结果分析可知:该文丘里管具有显著的减压能力，符合EGR废气的引射条件，在高负荷工况点也可达到预期的EGR率。

由式(1)～式(4)可得：马赫数Ma=0.086 27；通过马赫数查气体动力函数表，用线性插值法计算得

在高中地理教学中，教师要关注学生的人文精神和科学精神的融合情况，还要关注学生价值观、情感观方面的变化和进步，关注学生自身的发展。高中地理课堂上，课前引入是融合人文知识最好的情境，通过创设良好的教学情境，激发学生的学习热情，通过转承手段，融合人文知识和学生所学习的知识，让地理知识更加富有感染力和张力。

(5)

(6)

d*=44 mm

(7)

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(9)

式(1)～式(4)中:p为进气压力，MPa；ρ为进气密度，kg/m3；R为气体常数，J/(kg·K)；T为进气绝对温度，K；m为进气质量流量，kg/s；A为管道截面积，m2；v为进气流速，m/s；a为当地音速，m/s；γ为比热比；Ma为马赫数。

(10)

(11)

试验机型为TBD234V12相继增压中冷型柴油机，主要技术参数见表2，结构见图6。

组织专家完成2012年重点县建设资金省级绩效考评；对第三四批重点县2013年度标准文本，第四批重点县2014年度标准文本及第五批重点县3年建设方案进行合规性审查；编制了《中央财政小型农田水利设施建设中一般中型灌区立项指南》和《一般中型灌区配套改造实施方案编写大纲》。

表1 文丘里管结构尺寸 mm

1.3 文丘里管内部流动计算分析

为验证所设计文丘里管的引射效果，选取柴油机TBD234V12推进特性下的75%负荷,EGR率分别为5.80%、11.20%时，对其进行三维流场分析。这2个工况点能够较好代表中等和偏大废气回流量的文丘里管混合情况。

试验主要设备及仪器包括：高温EGR球阀、长沙湘仪FC2010发动机测控仪、长沙湘仪SG880水力测功器、长沙湘仪FC2210智能油耗仪、瑞士KISTLER 6125C缸压传感器、瑞士KISTLER 5011电荷放大器、奥地利AVL INDIMODUL 621燃烧分析仪、奥地利AVL 439 OPACIMETER 不透光式烟度计、奥地利AVL AMAI60废气分析仪和德国德图Testo 烟气分析仪等。其中:用AVL AMA I60废气分析仪来检测废气中NOx、CO2、CO、CH等成分，根据对标准气的采样，标定气体的实际值；进气中CO2成分利用烟气分析仪Testo 350检测。

5.80%的EGR率时文丘里管流动状态见图4，由图4可知:管道内压力分布总体梯度明显，过渡平和，空气从文丘里管进口流入喉口段时，压力由0.135 6 MPa降至0.125 MPa，降低了0.010 6 MPa，废气压力是0.125 7 MPa，使得其与进气两者之间存在压力梯度，保证废气的流入。由图4b)可知:气流由压缩段向喉口段流动时，压力减小，流速慢慢加大，当流至喉口部位时达到最大，而后气流流向扩压段，流速慢慢减小，压力逐渐增加。

11.20%EGR率时文丘里管流动状态见图5，由图5可知，管内气体流动趋势与5.80%EGR率时流动基本保持一致，高压空气由文丘里管进口流入到喉口时，流速慢慢加大，压力均匀下降，从开始的0.131 MPa降至0.118 8 MPa，降低了0.012 2 MPa。而后流向扩压段，压力慢慢增大，流速对应也有所降低。因为废气与进气的混合，造成喉口出口和扩压段部位生成部分低压区，使得气流的融合不相同，但是在扩压段尾部气体压力又上升至0.012 2 MPa。

试验中文丘里管进出口截面直径应等于进气管的直径d1=d2=115 mm，压气机出口空气压力=0.157 MPa，温度=345 K，进气流量=0.529 kg/s，涡前废气压力=0.15 MPa。为保证废气有效引射入进气管，必须让排气管与文丘里管喉口部存在压力差，由经验数据查得，二者通常需有3～10 kPa的压力差[9]，因而我们选取pt=0.14 MPa。

分别从两列废气管引出废气，由中冷器将其冷却，气流的脉冲影响也会在中冷器腔被消除，而后进气和经过EGR阀到达文丘里管喉口的废气进行混合。EGR阀安装在废气引入管道内，而废气流量是通过调节阀门的开度来控制的，由此改变EGR率。废气引入管与喉口段夹角的最大取值范围为α/2至90°(α角为收缩段锥角)，通过FLUENT软件仿真计算可知45°夹角对流体混合有较好的效果，同时考虑到加工难度和平台尺寸问题，故选择喉口段与废气引入管的夹角为45°。

2 试验设备及方法

喉口面积明确之后，由经验公式可知文丘里管喷嘴长度L1、混合段长度Lt和扩压器长度L2。为让文丘里管收缩角度及扩张角度在合适锥角范围以内，由试验台架的位置布置，分别计算得到文丘里管收缩段、喉口混合段和扩压段长度。具体结构参数见表1,实物见图3。

表2 TBD234V12柴油机主要技术参数

试验柴油机是V型机，进气管与排气管都独立布置为2列。该结构对废气回流造成一定困难，所以将原双进气道改成单进气总管，并且把旁通管加装在2列排气管间，使用三通结构由旁通管把废气引出，从而保证2列涡轮增压器稳定运行及废气回流至每缸的均匀性。受限原机构造，将采取中冷前高压废气循环系统。受V型柴油机狭小空间布置的限制，冷却器的尺寸不能过大。参照经验数据可知，EGR温度应冷却至120～160 ℃范围内最为理想。试验台架系统见图7。

1270 基于“和谐使命－2017”任务医院船海外医疗服务中超声工作的思考 宋家琳，蒋 栋，法 凯，查长松

试验选取该柴油机高、中、低3种转速进行，以部分工况为重点研究对象，选取转速900 r/min和1 500 r/min下25%、50%、75%、100%负荷等8个工况点。每个工况点通过调节EGR阀门开度获得不同EGR率，同时为保证该柴油机其他废气排放及稳定运转，并保证NOx的有效降低，试验中将EGR率控制在15%之内。

3 试验结果和分析

3.1 EGR率对缸内压力的影响

900 r/min的25%负荷、1 500 r/min的25%负荷，EGR率对缸内压力的影响见图8。从图8分析可知:相同工况下缸压曲线变化趋势保持一致。伴随EGR率上升，缸压峰值呈减小趋势。如图8a)中转速900 r/min，25%负荷工况点，峰值减小了0.64 MPa。这是因为从涡前引出回流废气增加，减少废气涡轮所需的能量，因此增大EGR率最终会造成进气量减少，压力降低，缸内初始压力及压力峰值降低。进一步分析，缸压在低转速工况下为单峰、高转速下为双峰，燃烧所形成的波峰值大致在上止点后2°～8°。图8b)中缸压为双峰，第1峰值大致出现在上止点后2°，燃烧在上止点前。由于EGR率的上升，进气量降低，使得第1峰值由EGR率的增加而减小。第2峰发生于上止点后8°，活塞运行到上止点后开始下行，下行造成缸压减小，但燃烧使得压力增大速率比活塞下行造成的压力降低速率大，便有了第2峰。由于EGR率的上升，该工况下进入缸内的废气量变大，导致气体比热容上升，延长滞燃期，最后延迟燃烧始点。因此,EGR系统导致缸压曲线总体由上止点向后偏移。

3.2 EGR率对油耗的影响

900 r/min和1 500 r/min转速下，负荷分别为25%、50%、75%、100%时油耗率随EGR率的变化见图9。由图9可知:在负荷相同时，提高EGR率，废气引入量上升，燃烧恶化，但动力输出保持不变，故油耗与EGR率两者呈线性关系。小负荷时EGR的引入导致的空燃比变化不大，因此燃油消耗率变化缓慢。如1 500 r/min转速、25%负荷时，当EGR率由0上升至10.8%时，油耗率由257.5 g/(kW·h)上升至268.1 g/(kW·h)，增加了4.12%;高负荷时，因为EGR引入造成空燃比显著减小，缸内局部混合气浓度过高，致使发生缺氧情况，伴随EGR率上升，混合气浓度持续变大，最后造成燃烧不断恶化。由于后燃加剧，因此,有一定量燃油在活塞下行过程中燃烧，放热率最大值向后偏移，造成柴油机做功能力下降，因此大负荷时扭矩减小速率比小负荷扭矩减小速率大，柴油机工作时为弥补损耗功率，必须增加喷油量来保证理想的输出功率，所以油耗随EGR率上升而增加。如在1 500 r/min转速、100%负荷时，当EGR率由0上升至10.8%时，油耗率由206.6 g/(kW·h)上升至225.4 g/(kW·h)，增加了9.10%；小负荷时，扭矩降低不大，因此耗油增加趋势比大负荷缓慢。

3.3 EGR率对NOx的影响

900 r/min和1 500 r/min转速下，负荷分别为25%、50%、75%、100%时NOx排放随EGR率的变化见图10。由图10可知:EGR废气的引入可以显著改善NOx的排放，特别在高负荷时效果更加明显。如在1 500 r/min，75%负荷工况时，当EGR率从0.6%变化到10.1%时，NOx排放从0.210 1%降低到0.146 5%，共下降了30.27%。这是由于EGR废气比热容较大，导致缸内燃烧初始阶段放热率减小，燃烧温度降低，并且废气引入会使空燃比减小，氧气浓度会随着EGR率的增加又急剧减小，因此在高负荷时NOx下降速率更大。在低转速工况工作时，NOx排放随着EGR率的增加先下降后上升。如在900 r/min转速、25%负荷时，开始呈下降趋势，NOx从0.037 699%下降至0.025 12%，但是当EGR率由10.40%持续增加到11.60%时，NOx增多了0.001 01%，这是由于在低转速工况点时，EGR起到减小氧浓度作用，伴随废气量的逐渐升高，缸内温度升高，同样高温持续时间延长，与此同时消除了氧浓度降低的效果，因此EGR对NOx产生不利影响，NOx排放略微上升。当柴油机转速上升至1 500 r/min时，废气当中的惰性气体开始发挥明显作用，对燃烧的快速发生造成障碍，缸内温度下降，因为生成NOx的速度较燃烧反应速度小，所以只有少量NOx在火焰的外焰区生成，且转速不断增加，高温持续时间减小，使得NOx的生成无法达到平衡，因此NOx生成量随废气量的上升不断降低。

3.4 EGR率对烟度的影响

900 r/min和1 500 r/min转速下，负荷分别为25%、50%、75%、100%时烟度随EGR率的变化见图11。由图11可知:小负荷时，烟度值基本不会随EGR率的变化而产生明显变化。如900 r/min、25%负荷时，EGR率改变初期，烟度大小基本不变，当EGR率上升至9%时，烟度值才有显著上升趋势，此后随着EGR率的持续上升，烟度大致呈指数曲线急剧上升。当EGR率不断上升时，与低负荷工况相比较，高负荷工况下的烟度值突变点也对应向前移动，在900 r/min，75%负荷工况下，EGR率达到5.40%时烟度值突然变化，显著上升，而100%负荷下烟度随EGR率增加急剧上升。这是因为在同等转速下，负荷越大，空燃比就越低，EGR率对燃烧造成的影响就越明显，此时缸内温度的升高使得碳的二次燃烧加剧，导致该工况下烟度上升。在相同转速下，高烟度区朝高负荷和高EGR率区移动，其影响因素主要有空燃比和缸内局部温度。

4 结束语

1) 以TBD234V12相继增压柴油机为研究对象，以原机额定工况点为设计工况点，计算出能够匹配的文丘里管构造，并参考V型柴油机进排气管的位置分布，完成文丘里管EGR系统的设计。

2) 仿真计算分析推进特性75%负荷下的两个不同EGR率时文丘里管的内部流动，验证文丘里管的良好降压作用，可满足较高的EGR率要求。

3) 当该机按负荷特性稳定工作时，采取EGR循环，可有效地降低NOx的排放，特别是在高转速时效果更为明显，NOx的生成量随EGR率的上升而大幅降低，当EGR率升高到8%左右，NOx均能得到25%左右的降幅，而烟度和油耗等只有小幅度增长。

针对“认知领域—情感领域—精神运动领域”3个方面，以解决情感问题为目标实施“多元化”的评价方案[4]，有利于在学生参与“馆校合作”科学活动中，给予恰当的过程性评价。这种过程性的评价可以是教师给予学生，或由学生互评、学生自评；评价也可是针对学生的学习成果、成绩。我校在“馆校合作”科学活动方案中，是对学生在学习态度、合作交流、实践能力和成果展示四个方面的表现，设计了活动评价表。

4) EGR率的升高会使缸内爆压降低，延长滞燃期，燃烧始点及终点都会出现一定的延迟。低负荷时，油耗呈小幅度升高，在同一转速下，油耗在高负荷工况点升高较低负荷明显。

与类似，当和分别等于零时，式(12)中的P、Lv和Mv分别为0，可得其交点轴线T-Map的3维空间域边界方程分别为：

5) 在低负荷工况时，烟度受到EGR率的影响效果并不明显；当EGR率增大到9%左右时，随着EGR率的加大，烟度上升幅度明显增加；与低负荷工况相比，高负荷下烟度值突变点向前移动。