某V型游艇发动机EGR系统中文丘里管的设计

曹合力 高占斌

摘 要：针对某V型柴油机在进行废气再循环时废气压力低于压力从而无法顺利引入废气的问题我们通过使用文丘里管来解决。在设计文丘里管的尺寸时首先结合柴油机具体的工作环境和尺寸然后遵循需要满足的三个工作要求：（1）喉口段形成足够背压从使废气能顺利引入。（2）进气与废气能充分混合。（3）尺寸复合实验台架的实际情况能进行合理布置。尺寸设计完成后制作出实物并进行实验验证能成功引入廢气，完成混合并恢复压力。

关键词：文丘里管;柴油机;废气再循环

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.002

0 引言

在排放法规要求日益严格的今天降低NOx的排放是一个迫切的问题。废气循环技术（EGR）是解决这一问题的有效途径，而成功将足够废气回流到进气管则是EGR技术的关键[1]。当柴油机处于高工况时进气增压压力高于排气压力，必须要想办法克服这一个难题。

我们一般通过安装节气门或者文丘里管来解决问题，相比安装节气门安装文丘里管虽然比较难于安装但不会对增压器产生负面影响不会影响柴油机正常运行是一个更好的选择[2]。

本文会结合某V型游艇发动机的具体尺寸和工作情况设计出文丘里管的具体尺寸并通过实验和仿真的途径来验证设计出来的文丘里管的效果。

1 文丘里管的工作原理和结构

文丘里管是一种缩扩喷管结构，由收缩喷嘴段、喉口混合段和扩压段组成，图1为文丘里管的基本结构简图。

从图中可以看出进气先进入收缩段压力密度温度均会下降，在喉口段形成低背压环境从而完成废气的引入。废气在喉口段与进气部分混合后再进入扩压段，在扩压断继续充分混合的同时气体压力逐渐恢复，温度密度逐渐升高流速减低流入中冷器[3]。为了实现文丘里管的引入废气功能其结构需要满足三个要求：

（1）在喉口段能形成足够大的背压从而使废气能顺利引入。

（2）使进气与废气能充分混合，使管内产生的流动损失和流动分离尽量小。扩压段能有效恢复进气压力，减少进气压力损失。

（3）尺寸复合实验台架的实际情况能进行合理布置。

2 文丘里管尺寸设计

在设计中关于收缩段的α角未避免出现壅赛现象应取10°<α<40°此时总阻力系数最小，如果α过大则收缩段长度太小，在收缩段和喉口段的过渡段会出现流动分离，有较大的压力损失，如果α角过小则会增大气体流体在壁面上的摩擦阻力。为了能在扩压段较好的恢复气体压力β角应取11°<β<18°，当β角过大时气流在紊流过程中附面层从壁面分离加剧，出现漩涡现象，能量损失加大。理论上β角越小，气流混合越完全，能量损失越小，但会使扩压段尺寸上升，所以要考虑实验台具体情况选取β角[4]。

在计算尺寸时，为了使计算不要过于复杂我们将流动考虑为定常流动，运用气体动力学公式：

（1）理想气体状态方程：p--进气压力，单位MPa;--进气密度，单位kg/m3;R--气体常数，J/（kgK）;  T--进气绝对温度，K;

（2） 流量连续方程;m--进气质量流量，kg/s;A管道截面积，m3;--进气流速，m/s;

（3）进气音速方程;--当地音速，m/s;--比热比，无单位;

（4）马赫数计算方程;M--马赫数，无单位。

我们选取柴油机百分百工况（1500r/min，186kW）作为设计工况。这样选是基于：在将管内流动简化为定常流的情况下，当柴油机在设计工况工作，调节EGR阀的开度从全闭到全开时，文丘里管均能起到降压引射的作用且能达到试验需要EGR率，并且当EGR阀全开时文丘里管的喉口部位刚好不发生壅塞现象。

文丘里管进出口直径等于柴油机进气管直径d1=d2=80cm，进气压力P1=0.145MPa，环境温度T=335K，进气流量594.7m3/h，空气密度1.29kg/m3，换算为m=0.214kg/s，废气压力P2=0.139MPa。由公式变形可求得：

M=0.1时P/P0=0.99303，A1/A0=11.5815， M=0.05时P/P0=0.99825，

A1/A0=5.8218，用插值法推出M=0.07698时P/P0=0.99543，A1/A0=8.4735;又可由A1/A0=8.4735推出喉口临界直径mm。

又由经验可知喉口段与涡轮废气的压力差在3-10KPa比较合适，我们取9KPa为设计压差，于是Ph=0.139-0.009=0.13MPa，。

，又查气体动力函数表，再用插值法可求出M=0.4063，，m=34.5mm>d0。

取收缩锥角α=24°收缩段长度，

又考虑到平台的空间我们取整个文丘里管长度L=320mm，喉口段长度Lh=30mm，可推出扩压段长度，则扩压段满足要求。整个文丘里管设计有：收缩段锥角α=24°，收缩段长度107mm，喉口段直径34.5mm，喉口段长度30mm，扩压段锥角14.2°，扩压段长度183mm，总长320mm。

3 文丘里管引流效果检验

我们根据计算出来的数据制造出文丘里管实物如下图所示。通过实验我们可以得出：

原机时在设计工况下空气的进气压力为P1=0.145MPa，而废气压力P2=0.139MPa无法实现自主废气引入。而在加装了带文丘里管的EGR系统后额定工况下当EGR率为2.5%时，收缩段入口处的进气压力为0.1275MPa流入到喉口段时下降到0.1185MPa，收缩段气压下降为0.009MPa，而此时EGR废气气压压力为0.1196Mpa，保证了废气与进气之间的压力差。

而混合气体经过扩压段气体压力恢复到0.1202MPa，有效恢复了气压。而在11%的EGR率时，收缩段入口处的进气压力为0.1218MPa流入到喉口段是下降到0.1122MPa，收缩段气压下降为0.0096MPa.而经过扩压段气压恢复到了0.1143MPa。

4 结论

对某V型柴油机进行外部高压EGR系统改造，需设计其中需要的文丘里管的尺寸。结合柴油机实际尺寸和工作环境设计的文丘里管的尺寸如下：收缩段锥角α=24°，收缩段长度107mm，喉口段直径34.5mm，喉口段长度30mm，扩压段锥角14.2°，扩压段长度183mm，总长320mm。通过实验验证，设计出来的文丘里管具有较好的引流以及气压恢复作用。

参考文献：

[1]刘敬平，杨汉乾，杨靖等.用于内燃机的废气再循环系统[P].中国专利.ZL 201010521187.1，2011-01-26.

[2]吴南.YC6150ZLQ柴油机废气再循环技术应用研究[D].长春：吉林大学，2005.

[3]方祖华，李桂华，上官平.增压直喷柴油机EGR系统结构方案及关键技术[J].内燃机，2003（06）：15-17.

[4]杜骏.V型柴油机采用EGR系统的试验与研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.