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1、基于发动机废气再循环冷却控制系统的研究1. 引言1.1汽车业发展现状及汽车的有害排放随着汽车业的迅猛发展，我国从2009年开始连续两年超过美国，成为全球第一大汽车产销国，据统计，全国机动车保有量达到2.19亿辆。其中，摩托车占54.12%，约为1.19亿辆。汽车保有量占机动车总量的45.88%，刚刚超过1亿辆。然而，在这个庞大的数据后面，汽车给我们带来的负面影响也是非常震惊的，尤其是汽车排放出大量尾气，这些排放物流动性大，数量多，集中在居民稠密区，而且是低空排放，对人体的危害非常大。由此造成的环境污染也日益严重，汽车排放污染物己经成为城市大气污染的主要来源。有资料表明，国内一些大城市的汽车排放
2、污染物对多项大气污染的指标贡献率己经超过60%，直接危害城市居民的身体健康。控制机动车有害物的排放问题已刻不容缓。在汽车排气中主要有害物质包括:一氧化碳(CO)、未燃碳氢化合物(HC)、醛类化合物、氮氧化物(Nox)及微粒物(PM)等多种有害成分。空气中CO的含量超过0.1%，就会导致人体中毒;微粒吸入人的肺叶会造成肺组织的摩擦损伤，微粒碳核上吸收的其它有毒物质也会对人体造成伤害。氮氧化物包括No、No2、N2o3、N2o5等，总称NOx。Nox可刺激肺部，使人较难抵抗感冒之类的呼吸系统疾病。研究指出长期吸入氮氧化物可能会导致肺部构造改变。而且，以一氧化氮和二氧化氮为主的氮氧化物是形成光化学烟
3、雾和酸雨的一个重要原因，光化学烟雾具有特殊气味，刺激眼睛，伤害植物，并能使大气能见度降低,另外,氮氧化物与空气中的水反应生成的硝酸和亚硝酸是酸雨的成分，大气中的氮氧化物主要源于石油燃料的燃烧和植物体的焚烧，以及农田土壤和动物排泄物中含氮化合物的转化。为了有效地控制汽车尾气的排放，减少汽车尾气排放所造成的危害，世界许多国家和地区都先后制定了限制汽车废气排放的限量值，从60年代开始，美国、日本、西欧等工业化国家对汽车排气的有害排放物以法令的形式规定了排放标准，并逐渐形成三个排放法规体系，从而直接促进了对低污染车用发动机和排气净化措施的研究。1.2国外废气再循环技术的研究与使用情况废气再循环在国外的
4、汽油车上己经作为成熟技术而广泛使用，己经形成了一套比较系统的理论，并成功研制出了一系列废气再循环装置。废气再循环控制阀最初只是纯气动式，且不带冷却循环，后来发展了带冷却循环的废气再循环，再后来与电控技术相结合，转而开发出带闭环控制的气电式或电磁式废气再循环系统。国外为了增大废气再循环得以实现的可能范围，人们采取了种种办法，如在进排气管装节流阀使排气压力高于进气压力;在进气管设置一个文曲利管(Venturi pipe)利用它的局部压差吸引废气，而吸入喉管后扩压部分可以使压力适当恢复，保证高负荷时所需要的压力差。这些方法扩大了废气再循环的工作范围，而后者优于前者。荷兰TNO研究所提出的废气再循环系
5、统是文曲利管与进气管串联方式，废气再循环率的调节依靠废气再循环管路的流量控制阀。如图文曲管结构图1-1，荷兰TNO设计的废气再循环系统图1-2，为了便于调节不同工况时的废气再循环率和兼顾高低工况的流动性。AVL研究所研究出文曲利管与进气管并联的废气再循环系统，在进气管上装有一个蝶形阀，可以用于调节流经文曲利管的流量，从而调节废气再循环率。文曲利管的并联布置有利于兼顾高低工况的流动特性，高工况流量大时，可开大蝶阀，让大部分气体流经进气管;少部分气体流经文曲利管;低工况小流量时，可关小蝶阀，让大部分气体流经文曲利管。AVL研究所的废气再循环系统如图1-3所示如图文曲管结构图1-1 荷兰TNO设计的
6、废气再循环系统图1-2AVL研究所的废气再循环系统如图1-3所示1.3我国废气再循环技术的发展现状我国汽车的发展起步晚,迟于发达国家将近有半个多世纪,对此项技术的研究及产品开发更加落后，自己的技术生产能力不高。尤其是在冷却的废气再循环系统的研究上，对其精确控制，使废气再循环与内燃机进行合理匹配大多是在理论上的探讨，也有不少科研单位正在进行研究，但是没有抵得上国外的成熟产品，需要我们进一步的进行研究和实践，不断促进废气再循环冷却控制技术的发展，目前我国车用柴油机排放控制技术大致借鉴于国外的水平，国外的核心技术不能仿照，不能复制，只能购买他们的产品，自己国内的技术还需要相当长的时间进行研究。1.4
7、课题研究的目的和意义本课题旨在研制开发一种能根据发动机具体工况调节外部废气再循环冷却控制系统，使废气再循环废气温度在发动机的每种工况下都能自动调节到既有较低的Nox、排放又具有良好的综合性能的温度值。从而更好地实现冷却废气再循环的智能控制和精确控制打好基础。减少汽车尾气中Nox的含量，从而减少汽车排放污染。1.5课题内容及研究方法1.5.1课题任务：论述了降低发动机排放的冷却废气再循环(废气再循环)技术。由于发动机在不同的工况下既能有较好的动力性又能有较好的排放所要求的废气再循环温度不同，所以有必要对实际运行时的废气再循环温度进行控制，以满足发动机不同工况的要求，使其在动力性、Nox和其它有害
8、气体的排放上达到最佳的综合效果。1.5.2重点研究内容：1、在选定型号的发动机上做各种工况的废气再循环试验，通过比较找出各工况废气再循环冷却温度与降低NO、排放的规律，也就是找出在各种工况下，既能有效降低NO、的排放又能使废气再循环对发动机负面影响最小的废气再循环温度范围。设计废气再循环总体布局和废气再循环冷却器，设计废气再循环冷却的实现方式。2、根据要实现的功能和理论分析确定传感器(温度、转速、负荷等)类型和单片机的型号，选择废气再循环阀的类型和电动水泵的型号。3、合理设计废气再循环冷却系统的控制电路，设计电路的软件程序。1.5.3实现途径:1、通过进一步理论联系实践，通过实践确定最终方案。
9、2、利用现有条件，在选用的汽油机上安装废气再循环线路进行实验，改变发动机的转速与负荷，使用五组份排气分析仪测试废气再循环废气温度不同时NOx的排放量，找出废气再循环冷却温度与降低发动机NOx、排放的规律，完成数据搜集。3、根据找出的废气再循环冷却温度与降低Nox排放的规律，利用单片机和辅助电路通过控制废气再循环冷却系电动水泵的转速，进而控制冷却水流量，调节冷却温度，初步实现对废气再循环冷却系统的自动控制。2.废气再循环的系统设计计算 2.1废气再循环的冷却系统的总体设计该废气再循环冷却系统的设计思路是把废气再循环冷却系作为发动机的一个分支,介质水由水泵驱动,进行强制循环流动。并采用电控单元EC
10、U自动控制水泵转速,从而通过调整冷却水循环量的方法来控制废气再循环废气的温度。冷却系统原理图冷却系统原理图2-21电控单元2文曲利管3旁通阀4发动机5控制阀6冷却器7废气温度传感器8伺服电动机9单向阀10散热器 图中废气再循环冷却系统利用废气再循环阀5后面的冷却器6对废气进行单独冷却。废气再循环冷却水引自发动机散热器10的出水口，冷却水经过废气再循环冷却器再流回发动机散热器，由于从发动机散热器流出的水是冷却系统中温度最低的，可以提高冷却效率。直流伺服电动水泵8装配在废气再循环冷却器冷却水入口管路上，用来控制水的循环。单向阀9用来减少因冷却液回流而对废气再循环冷却带来的不利影响。这种布局对原冷却
11、系统改动小，结构比较简单，易于设计研究。2.2冷却系的选型与设计 2.2.1冷却系的选型废气再循环冷却器是一种热交换器，选型的标准很多，最基本的涉及待处理流体的类型、操作压力、温度、热负荷和费用等。用于对废气进行冷却的废气再循环冷却器不仅要满足热交换器的基本要求，还要满足它自身冷却温度不能过低的特殊要求。由于废气再循环冷却器的冷却对象是温度较高的再循环废气，要求冷却器在较小的换热面积下实现大的热量传递，而且必须尽可能提高废气再循环冷却器的冷却效率，同时还要适应发动机振动大的特点。此种工作条件下对冷却器的要求是:(1)冷却器要耐高温、耐腐蚀;(2)体积小、散热效率高、压力损失小、能防堵塞。废气再
12、循环冷却器换热的对象是粘度比较低的水和废气，对于低粘度流体-低粘度流体，高温高压场合用管壳式(STHE)换热器。而且管壳式冷却器结构简单，体积小，造价低，散热效率高，可以设计成各种尺寸及型式，对其操作温度和压力也没有太多限制，可用任何能抗腐蚀的材料制造，所以它成为废气再循环冷却器的基本形式，必要时可以在壳体内加装紊流装置以提高热交换效率。为满足耐高温、耐腐蚀要求，全部零部件均选用304, 304L, 306, 306L及316L不锈钢精密铸件及型材。国外公司制造的两种废气再循环冷却器图德国2-2管壳式冷却器, 图2-3是日本五十铃载货汽车冷却器。 图2-2德国管壳式冷却器 图2-3日本五十铃载
13、货冷却器2.2.1.1根据规格尺寸初选冷却器(1)热交换管热交换直径:废气再循环冷却器中使用大量横截面呈圆形的小直径、薄壁管。从传热的角度来看，小管径的管子能获得较高的传热系数，从而换热器也较紧凑，但是管径愈小的换热器的压降将愈大，几乎所有的换热器的管子外径在1/4in(6.35mm)与2in（50.8mm)之间。这里管子外径选择1Omm，壁厚lmm。管长:由于无相变换热时，管子较长则传热系数也增加，在相同的传热面积情况下，采用长管则流动截面积小，流速大，管程数小，而且采用长管时每平方米传热面的比价也低，所以对于一定的换热面积，最经济的换热器是用壳体直径尽可能小，管子尽可能长，并与制造或使用现
14、场的空间相符合的原则制造，这里预选250mm长的换热管。管子根数:管子根数取决于流体流量和允许的压降，通常要使得管侧水或类似流体的流速为3-8ft/s(0.9-2.4m/s)，壳侧流速为2-5ft/s(0.6-1.5m/s)。最低流速是为了防止结垢，最高流速是为了避免管侧腐蚀、对壳侧的撞击和流动诱发振动。由经验，换热管数初选19根。(2)管子排列方式管子布局:管子在管板上的排列型式主要有正方形、三角形和同心圆排列。同心圆排列较紧凑，主要用于小直径的换热器，在换热直径较小时，可安排的换热管数也最多，而且在靠近壳体的地方布管均匀，介质不易走短路，所以选用了同心圆排列法。换热管排列方式如图2-4所示
15、。无论哪种排列方法，通常其最外圈换热管的外壁与壳体内壁间的距离不应小于换热管外径1/4，且不小于8-1Omm。这里初步选8mm。如图2-4换热管排列方式管心距:管心距的确定要兼顾提高壳侧传热的传热面的紧凑性，较大的管心距可以降低壳侧压降，并能减少结垢，易于清洗。大部分的管壳式换热器中，管心距至少为管外径的1.25倍。由前面所选参数，这里管心距为12.5mm。(3)冷却器的流动方式采用冷热流体逆流的方式，如图2-5(a)，即在换热器中，两股流体平行流动，但方向相反。理想情况下，单流道的这种流动方式的换热器在相同参数时效率最高。在同一个热流体状态和同一个初温的冷流体下，采用逆流可比顺流加热到更高的
16、终温，交换相同的热量时，采用逆流的换热器所需要的换热面积就较小，而使换热器紧凑轻便。如图2-5(a)流体在管中的流动方式（a）逆流式（b）顺流式（c）差流式以选型的标准是如何确定的2.2.2冷却系的设计计算采用平均-温差法, 在设计计算时需要的参数主要是冷热流体的进、出口温度。确定换热器达到所要求的冷却需要多大的传热面积，并计算阻力损失。2.2.2.1废气最大需冷却量的确定汽油机排气温度变化范围很大，从怠速时的300-400到全负荷时的900，常用工况的排气温度为400-600。对于试验用的卡罗拉1-ZR发动机，废气再循环热流量最大点出现在标定转速2500r/min工况下，废气再循环流量为0.039kg/s、温度为403、热流量为7000W.2.2
