汽車廢氣再循環(huán)系統(tǒng)EGR閥的計(jì)算設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u2436汽車廢氣再循環(huán)系統(tǒng)EGR閥的計(jì)算設(shè)計(jì) [21]為實(shí)現(xiàn)EGR率的精確控制，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。分為兩種類型：正背壓EGR閥和負(fù)背壓EGR閥。一般由背壓轉(zhuǎn)換器和基本EGR閥兩部分組成。正背壓EGR閥.圖1.1正背壓EGR閥示意圖正背壓EGR閥中軟彈簧使放氣閥保持開啟，然后減小真空室的壓力，通過推桿內(nèi)的通道進(jìn)入廢氣室使動(dòng)作膜片兩側(cè)形成壓差，膜片抬起得更高，帶動(dòng)錐形閥抬高，，EGR閥開啟。有上面原理可知，正背壓EGR閥不適用與排氣背壓較大的發(fā)動(dòng)機(jī)上。負(fù)背壓EGR閥圖1.2負(fù)背壓EGR閥示意圖負(fù)背壓EGR閥適用于排氣背壓較大的發(fā)動(dòng)機(jī)上。由于膜片上的真空壓力較大，克服大彈簧的彈性力，使錐形閥開啟，即EGR閥開啟。由負(fù)背壓EGR閥的原理可知，真空室的真空度必須保持在較大值。由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的變化和EGR率之間沒有明顯比列關(guān)系，而氣動(dòng)式EGR閥無法實(shí)現(xiàn)EGR率與發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況的良好匹配，所以現(xiàn)在運(yùn)用不多。真空電磁控制EGR閥1-空氣通道；2-閥體；3-通大氣；4-去EGR閥；5-電磁閥線圈；6-通進(jìn)氣歧管圖1.3真空電磁控制EGR閥示意圖真空電磁EGR閥的工作原理是REF_Ref41684611\r\h[22]：EGR閥橡膠膜片的一側(cè)與彈簧相連，另一側(cè)與閥桿相連，在靜態(tài)下，由于彈簧的彈性力的作用使閥桿的末端緊壓在閥座上，這個(gè)時(shí)候EGR閥為關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)真空室里壓力足夠大時(shí)，并且大于下方彈簧的彈力時(shí)，閥桿會(huì)被吸向上，從而下方閥座底端EGR口開放，一部分少量廢氣會(huì)從排氣歧管進(jìn)入進(jìn)氣歧管，這個(gè)時(shí)候真空室中壓力變小，小于彈簧彈力，閥桿會(huì)向下移動(dòng)。是EGR閥開度減小直致關(guān)閉，緊壓在閥座上。所以EGR閥的開度由真空口的真空度控制，而真空度的大小直接有ECU控制的EGR電磁閥控制。EGR電磁閥控制過程：通過轉(zhuǎn)速傳感器、水溫傳感器、油門踏板位置傳感器等信號(hào)傳給ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過對比ECU中預(yù)存的EGR率頻譜圖，控制最佳的EGR率，將信號(hào)傳給真空控制電磁閥，以此來控制EGR閥的真空度。當(dāng)閥門開度太小時(shí)，EGR控制電磁閥開啟時(shí)，EGR閥膜片上部真空度減小，從而帶動(dòng)閥桿向上運(yùn)動(dòng)，增大閥門開度。反之當(dāng)閥門開度太大時(shí)，EGR控制電磁閥開啟時(shí)，EGR閥膜片上部真空度增大，從而帶動(dòng)閥桿向下運(yùn)動(dòng)，減小閥門開度。真空電磁控制EGR閥技術(shù)近似于一種純機(jī)械控制方式，技術(shù)較成熟，結(jié)構(gòu)簡單，但是反應(yīng)遲鈍，控制精度低。1.1.3比例電磁控制式EGR閥1-排氣；2-進(jìn)氣；；3--閥桿（永磁鐵鐵芯）；4-螺線管圖1.4比例電磁控制EGR閥比例電磁控制式發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)于低流量要求的發(fā)動(dòng)機(jī)，價(jià)格便宜、響應(yīng)快、精度高、技術(shù)成熟、可閉環(huán)控制，但閥口直徑小、流量低、不適應(yīng)于增壓機(jī)型。1.1.4步進(jìn)電機(jī)控制式EGR閥1-進(jìn)氣；2-排氣；3-回位彈簧；4-閥桿；5-閥芯；6-步進(jìn)電機(jī).圖1.5步進(jìn)電機(jī)控制式EGR閥示意圖步進(jìn)電機(jī)控制式EGR閥是通過電機(jī)提供動(dòng)力，由ECU發(fā)出信號(hào)來控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并且把轉(zhuǎn)動(dòng)變成移動(dòng)，從而來改變閥門的開度。步進(jìn)電機(jī)EGR閥相比較其它EGR閥，并不會(huì)受到不同工況變化的影響，具有良好的開度穩(wěn)定性[23]。直接通過ECU輸出信號(hào)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單；并且轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)精確，不需要位置檢測，可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，降低其硬件和軟件的成本；而且驅(qū)動(dòng)力大，其控制流量是普通閥門的3-4倍，可以實(shí)現(xiàn)大EGR率。1.進(jìn)氣；2.排氣；3.閥桿；1.回位彈簧；5.直流電機(jī).圖1.6直流電機(jī)控制式EGR閥示意圖直流電機(jī)控制式EGR閥REF_Ref41684633\r\h[23]的工作原理與步進(jìn)電機(jī)控制式EGR閥的控制原理類似，但是驅(qū)動(dòng)方式不同，直流電機(jī)控制式EGR閥是用通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而步進(jìn)電機(jī)是通過ECU發(fā)送信號(hào)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。直流電機(jī)控制式EGR閥也有其優(yōu)點(diǎn)：直流電機(jī)能夠迅速切換正反轉(zhuǎn)，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，能夠迅速開啟和關(guān)閉EGR閥，但是電機(jī)里面結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，需要利用閉環(huán)控制，成本高，適用于增壓機(jī)型。目前也有越來越多的商家采用直流電機(jī)控制的EGR閥?？偟膩碚f，機(jī)械式EGR閥，由于控制精度不高，布置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，響應(yīng)時(shí)間長，現(xiàn)在運(yùn)用較少。綜上所述，本課題為EC5發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR閥，不需要增壓，所以采用比例電磁控制式EGR閥作為研究對象。其設(shè)計(jì)圖如下1.7所示。1-閥桿；2-閥座；3-定位螺釘；4-外殼；5-安裝蓋；6-位移傳感器；7-插孔；8-滑動(dòng)變阻器；9-閥芯；10-連接套筒；11-線圈；12-閥體；13-密封塊；14-墊片.圖1.7直流電機(jī)控制式EGR閥示意圖1.2EGR閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇EGR閥是EGR系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，EGR閥主要有閥體，閥座、閥芯，步進(jìn)電機(jī)、連接套筒、電樞等構(gòu)成。本課題采用直線式步進(jìn)電機(jī)是吧脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成微步直線運(yùn)動(dòng)的一種裝置，它可以進(jìn)行精確的直線位移控制，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)以及靜態(tài)定位。1.2.1EGR閥選型（1）EGR閥根據(jù)布置位置的不同分為冷端閥和熱端閥。熱端閥的優(yōu)點(diǎn)：由于廢氣的溫度較高，EGR閥內(nèi)及其相關(guān)密封件結(jié)膠的可能性小，避免EGR冷卻器受到排氣壓力的沖擊。熱端閥的缺點(diǎn)：尺寸大、成本高；需要加裝冷卻裝置和使用耐高溫材料。冷端閥的優(yōu)點(diǎn)：尺寸小、成本低；相對熱端閥工作溫度低，要求材料耐高溫的要求不高，不需要冷卻裝置。冷端閥的缺點(diǎn)：有受到含硫量高的燃油腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。由于本課題討論的是自然吸氣汽油的EGR系統(tǒng)，所以廢氣溫度相對較低，且為了降低成本，采用冷端閥。（2）根據(jù)閥門開啟方式的不同，EGR閥分為蝶閥和提升閥。蝶閥流通面積比較大，產(chǎn)生壓力損失比較小，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。但是蝶閥對于流量調(diào)節(jié)的精度不高，但是因?yàn)椴牧虾徒Y(jié)構(gòu)的原因不適合放再高溫、壓力大的流體物質(zhì)物質(zhì)很中，。提升閥對閥門控制精度較高，可以通過閥桿升程來精確控制流通面積，從而精確控制廢氣流量，以達(dá)到調(diào)整EGR率的目的，且提升閥的結(jié)構(gòu)可以用于高溫中。綜上所述，本課題采用提升閥的結(jié)構(gòu)形式。1.2.1閥座的設(shè)計(jì)（1）閥座材料的選擇閥座作為EGR閥的底座，具有固定支撐和連接進(jìn)氣歧管的作用。閥座進(jìn)氣孔和排氣孔的大小取決于EGR閥的最大流量及進(jìn)排氣的壓力差。一般來說，閥座的設(shè)計(jì)需要把閥座口徑尺寸的下偏差放大一點(diǎn)。由于閥座長時(shí)間處在高溫和具有腐蝕性的廢氣工作環(huán)境中，所以必須采用一些耐高溫和耐腐蝕的材料，且在高溫情況下的熱硬度好，變形小，一般的金屬不能滿足其要求，可以采用不銹鋼材質(zhì)。如：5Cr21Mn9Ni4N、1Cr18Ni9Ti等。（2）進(jìn)排氣孔的設(shè)計(jì)進(jìn)、排氣孔的布置形式有兩種：同側(cè)布置和異側(cè)布置。且一般排氣孔的直徑比進(jìn)氣孔的直徑大1.2-1.4倍。圖1.8進(jìn)、排氣孔同側(cè)布置圖1.9進(jìn)、排氣孔異側(cè)布置同側(cè)布置，有較大的穩(wěn)壓箱，適合氣壓波動(dòng)較大的發(fā)動(dòng)機(jī)使用，所以適用于汽油機(jī)。異側(cè)布置，穩(wěn)壓箱相對較小，適合于柴油機(jī)。根據(jù)上面的討論，本課題選用同側(cè)布置比較合理，如圖1.10閥座示意圖所示。圖1.10閥座示意圖1.2.2閥桿的設(shè)計(jì)閥桿也是EGR閥的重要組成部件，閥桿的上下移動(dòng)控制EGR閥的開啟和關(guān)閉。閥桿下端也經(jīng)常處于高溫環(huán)境中，且與廢氣直接接觸，所以閥桿材質(zhì)的選擇也需要耐高溫和耐腐蝕，且閥桿的長度大，直接小，所以需要具備一定的強(qiáng)度和剛度。且閥桿和閥座之間存在動(dòng)密封要求，為了滿足軟硬密封原則，需要選擇不同的材料。20CrMo是一種地毯合金鋼，具有良好的耐腐蝕性，所以本課題中EGR閥的閥桿采用20CrMo這種材料。1.2.3閥桿與閥座的配合閥桿與閥座的配合包括密封形式的選擇和啟閉方式的選擇。閥桿與閥座的密封形式選擇不恰當(dāng)會(huì)使閥門關(guān)閉不嚴(yán)而發(fā)生漏氣，EGR率的控制不精確。而閥桿與閥座啟閉方式的選擇不恰當(dāng)會(huì)使廢氣流動(dòng)性變差以及閥的總體結(jié)構(gòu)布置變大。（1）密封方式的選擇保證單個(gè)零部件的尺寸合格是保證密封的關(guān)鍵，但是零部件之間良好的配合也是保證密封的關(guān)鍵REF_Ref41684648\r\h[24]。配合方式一共有三種，球面、錐面以及平面密封。其中球面密封的比較適合，而且滿足較大多數(shù)條件，但是，球面密封的制造比較困難；而平面密封對預(yù)緊力的要求比較高，需要比較多的零件，并且平面密封方式對密封圈的要求高；錐面密封方式相對球面密封的零件少，預(yù)緊力要求也沒那么高，制造還簡單方便，且對中性能良好。所以本設(shè)計(jì)的EGR閥選擇錐面密封方式。其結(jié)構(gòu)如下圖1.11、1.12和1.13所示。圖1.11球面密封圖1.12錐面密封圖1.13平面密封綜合考慮，本課題采用錐面密封方式，如圖1.12。圖1.14閥桿與閥座的密封結(jié)構(gòu)圖（2）啟閉方式的選擇閥桿和閥座的啟閉方式包括內(nèi)沿式和外伸式。內(nèi)沿式是指閥桿由于向閥體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)而使閥門開啟的方式，內(nèi)沿式的閥桿閥座配合方式，對閥門沖擊載荷小，能減小閥的總體布。但是內(nèi)沿式穩(wěn)壓腔空氣擾動(dòng)比較大，管路噪聲大穩(wěn)壓效果差，容易積碳。外伸式的管內(nèi)噪聲比較小，穩(wěn)壓作用比較好，且出口管路的流動(dòng)損失小，但是外伸式對閥門具有嚴(yán)重的沖擊，閥桿載荷比較大并且閥的總體長度空間變長。其結(jié)構(gòu)如下圖1.15和1.16所示。圖1.15外伸式啟閉方式圖1.16內(nèi)沿式啟閉方式1.2.4密封結(jié)構(gòu)由于廢氣從閥座下端的進(jìn)氣孔進(jìn)入，從出氣孔排出，而閥座上端需要設(shè)置一開口，使閥桿通過，由于閥座密封環(huán)境多油、高溫以及會(huì)和氣液接觸，所以閥座上端的密封條件顯得尤為重要。密封墊片的材料一般有聚硫橡膠，有機(jī)硅橡膠，丁腈橡膠，尼龍等，再結(jié)合密封材料的性能，本課題采用丁腈橡膠的密封墊片進(jìn)行密封。1.3EGR率的計(jì)算對進(jìn)入系統(tǒng)的廢氣量進(jìn)行最佳控制式EGR系統(tǒng)的主要任務(wù)，不同工況下需要不同EGR率，不同工況下的最佳EGR率會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放物中氮氧化合物的比列。一般有三種方法用來計(jì)算EGR率方法一：空燃比法：ηEGR=其中，Mi代表EGR閥中新鮮空氣的量，M方法二：二氧化碳法：ηEGR=其中?CO2air、?CO方法三：混合溫度法廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的過程就是氣體的絕熱變化的過程，將廢氣和吸進(jìn)來的空氣混合進(jìn)行再循環(huán)。假設(shè)，回流的廢氣溫度的壓力分別是T1，P1，新鮮空氣的溫度和壓力分別是T2，P2，根據(jù)熱力學(xué)平衡公式可以得到：T?通過（4-1）（4-3）式可以導(dǎo)出新的公式：EGR=由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的相同，可以忽略壓力和溫度的因素，即Cp1=Cp2，可以導(dǎo)出下面的公式EGR=T?如果說進(jìn)氣口和排氣口溫差不大時(shí)，這些公式計(jì)算誤差會(huì)變得很大，這是這種計(jì)算方法的一個(gè)極大的缺點(diǎn)，所以不適合比較嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)，最終結(jié)果也會(huì)因?yàn)檎`差太大而無法使用。通過對比，最終本課題選用空燃比法對EGR率進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)資料顯示，步進(jìn)電機(jī)控制式的EGR率在不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況下的范圍如下表4-2所示：表4-2不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的最佳EGR率發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）負(fù)荷最佳EGR率200010%3%-9%200025%7%200055%13%250025%15%-18%250050%13%300025%12%-16%300050%10%300075%7%根據(jù)文獻(xiàn)資料顯示，EGR率如果太高，將會(huì)產(chǎn)生過多的廢氣，這些廢氣會(huì)對發(fā)動(dòng)機(jī)造成損傷可能會(huì)引起爆震，效率下降甚至?xí)ɑ鸬默F(xiàn)象。但是當(dāng)EGR率過低時(shí)，廢氣中氮氧化合物含量會(huì)變得更高，甚至?xí)茐陌l(fā)動(dòng)機(jī)里面的零件。當(dāng)最佳EGR率達(dá)到15%時(shí)，NOX可以減少50%左右，甚至更高。因此需要運(yùn)用汽車電子控制技術(shù)來對EGR閥來進(jìn)行合理控制，在滿足氮氧化合物排放降低的同時(shí)，又要對發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行保障。1.4EGR閥門開度及閥桿直徑的設(shè)計(jì)EGR系統(tǒng)對EGR率的控制主要取決于對EGR閥閥門開度的設(shè)計(jì)和計(jì)算。由上面的討論可知，本課題閥桿與閥座的密封方式采用的是錐面密封。當(dāng)EGR關(guān)閉時(shí)，如圖1.17所示：圖1.17閥門關(guān)閉示意圖當(dāng)閥門部分開啟時(shí)，如圖1.18所示：圖1.18閥門部分開啟示意圖當(dāng)EGR率達(dá)到15%時(shí)，閥門全部開啟，如圖1.19所示圖1.19閥門全部開啟示意圖在閥桿閥座設(shè)計(jì)完畢后，需要對閥門的開啟程度進(jìn)行驗(yàn)算，必須保證在EGR閥關(guān)閉時(shí)，閥門也能完全關(guān)閉，而且最佳EGR率時(shí)，閥門內(nèi)的流量不能超過最大的EGR的流量。進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的新鮮空氣質(zhì)量計(jì)算：Mi式中：ηV為充氣效率；ρ0為空氣密度；聯(lián)立（4-1）式和（4-6）式，可以算出進(jìn)入氣缸的廢氣量，通過控制EGR閥門的開度，來精確控制進(jìn)入氣缸的廢氣量。本課題研究的是基于東風(fēng)標(biāo)致1.6升自然吸氣汽油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為：EC5。由上面的討論可知，EC5發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為2500r/min，負(fù)荷為25%時(shí)，最佳EGR率的最大值設(shè)定為15%。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的吸氣方式為自然吸氣，所以充氣效率取0.8。沒有增壓，所以增壓的效率取1。