曹合力 高占斌

摘 要：針對(duì)某V型柴油機(jī)在進(jìn)行廢氣再循環(huán)時(shí)廢氣壓力低于壓力從而無(wú)法順利引入廢氣的問(wèn)題我們通過(guò)使用文丘里管來(lái)解決。在設(shè)計(jì)文丘里管的尺寸時(shí)首先結(jié)合柴油機(jī)具體的工作環(huán)境和尺寸然后遵循需要滿足的三個(gè)工作要求：（1）喉口段形成足夠背壓從使廢氣能順利引入。（2）進(jìn)氣與廢氣能充分混合。（3）尺寸復(fù)合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的實(shí)際情況能進(jìn)行合理布置。尺寸設(shè)計(jì)完成后制作出實(shí)物并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能成功引入廢氣，完成混合并恢復(fù)壓力。

關(guān)鍵詞：文丘里管;柴油機(jī);廢氣再循環(huán)

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

0 引言

在排放法規(guī)要求日益嚴(yán)格的今天降低NOx的排放是一個(gè)迫切的問(wèn)題。廢氣循環(huán)技術(shù)（EGR）是解決這一問(wèn)題的有效途徑，而成功將足夠廢氣回流到進(jìn)氣管則是EGR技術(shù)的關(guān)鍵[1]。當(dāng)柴油機(jī)處于高工況時(shí)進(jìn)氣增壓壓力高于排氣壓力，必須要想辦法克服這一個(gè)難題。

我們一般通過(guò)安裝節(jié)氣門(mén)或者文丘里管來(lái)解決問(wèn)題，相比安裝節(jié)氣門(mén)安裝文丘里管雖然比較難于安裝但不會(huì)對(duì)增壓器產(chǎn)生負(fù)面影響不會(huì)影響柴油機(jī)正常運(yùn)行是一個(gè)更好的選擇[2]。

本文會(huì)結(jié)合某V型游艇發(fā)動(dòng)機(jī)的具體尺寸和工作情況設(shè)計(jì)出文丘里管的具體尺寸并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真的途徑來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)出來(lái)的文丘里管的效果。

1 文丘里管的工作原理和結(jié)構(gòu)

文丘里管是一種縮擴(kuò)噴管結(jié)構(gòu)，由收縮噴嘴段、喉口混合段和擴(kuò)壓段組成，圖1為文丘里管的基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

從圖中可以看出進(jìn)氣先進(jìn)入收縮段壓力密度溫度均會(huì)下降，在喉口段形成低背壓環(huán)境從而完成廢氣的引入。廢氣在喉口段與進(jìn)氣部分混合后再進(jìn)入擴(kuò)壓段，在擴(kuò)壓斷繼續(xù)充分混合的同時(shí)氣體壓力逐漸恢復(fù)，溫度密度逐漸升高流速減低流入中冷器[3]。為了實(shí)現(xiàn)文丘里管的引入廢氣功能其結(jié)構(gòu)需要滿足三個(gè)要求：

（1）在喉口段能形成足夠大的背壓從而使廢氣能順利引入。

（2）使進(jìn)氣與廢氣能充分混合，使管內(nèi)產(chǎn)生的流動(dòng)損失和流動(dòng)分離盡量小。擴(kuò)壓段能有效恢復(fù)進(jìn)氣壓力，減少進(jìn)氣壓力損失。

（3）尺寸復(fù)合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的實(shí)際情況能進(jìn)行合理布置。

2 文丘里管尺寸設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中關(guān)于收縮段的α角未避免出現(xiàn)壅賽現(xiàn)象應(yīng)取10°<α<40°此時(shí)總阻力系數(shù)最小，如果α過(guò)大則收縮段長(zhǎng)度太小，在收縮段和喉口段的過(guò)渡段會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)分離，有較大的壓力損失，如果α角過(guò)小則會(huì)增大氣體流體在壁面上的摩擦阻力。為了能在擴(kuò)壓段較好的恢復(fù)氣體壓力β角應(yīng)取11°<β<18°，當(dāng)β角過(guò)大時(shí)氣流在紊流過(guò)程中附面層從壁面分離加劇，出現(xiàn)漩渦現(xiàn)象，能量損失加大。理論上β角越小，氣流混合越完全，能量損失越小，但會(huì)使擴(kuò)壓段尺寸上升，所以要考慮實(shí)驗(yàn)臺(tái)具體情況選取β角[4]。

在計(jì)算尺寸時(shí)，為了使計(jì)算不要過(guò)于復(fù)雜我們將流動(dòng)考慮為定常流動(dòng)，運(yùn)用氣體動(dòng)力學(xué)公式：

（1）理想氣體狀態(tài)方程：p--進(jìn)氣壓力，單位MPa;--進(jìn)氣密度，單位kg/m3;R--氣體常數(shù)，J/（kgK）;? T--進(jìn)氣絕對(duì)溫度，K;

（2） 流量連續(xù)方程;m--進(jìn)氣質(zhì)量流量，kg/s;A管道截面積，m3;--進(jìn)氣流速，m/s;

（3）進(jìn)氣音速方程;--當(dāng)?shù)匾羲?，m/s;--比熱比，無(wú)單位;

（4）馬赫數(shù)計(jì)算方程;M--馬赫數(shù)，無(wú)單位。

我們選取柴油機(jī)百分百工況（1500r/min，186kW）作為設(shè)計(jì)工況。這樣選是基于：在將管內(nèi)流動(dòng)簡(jiǎn)化為定常流的情況下，當(dāng)柴油機(jī)在設(shè)計(jì)工況工作，調(diào)節(jié)EGR閥的開(kāi)度從全閉到全開(kāi)時(shí)，文丘里管均能起到降壓引射的作用且能達(dá)到試驗(yàn)需要EGR率，并且當(dāng)EGR閥全開(kāi)時(shí)文丘里管的喉口部位剛好不發(fā)生壅塞現(xiàn)象。

文丘里管進(jìn)出口直徑等于柴油機(jī)進(jìn)氣管直徑d1=d2=80cm，進(jìn)氣壓力P1=0.145MPa，環(huán)境溫度T=335K，進(jìn)氣流量594.7m3/h，空氣密度1.29kg/m3，換算為m=0.214kg/s，廢氣壓力P2=0.139MPa。由公式變形可求得：

M=0.1時(shí)P/P0=0.99303，A1/A0=11.5815， M=0.05時(shí)P/P0=0.99825，

A1/A0=5.8218，用插值法推出M=0.07698時(shí)P/P0=0.99543，A1/A0=8.4735;又可由A1/A0=8.4735推出喉口臨界直徑mm。

又由經(jīng)驗(yàn)可知喉口段與渦輪廢氣的壓力差在3-10KPa比較合適，我們?nèi)?KPa為設(shè)計(jì)壓差，于是Ph=0.139-0.009=0.13MPa，。

，又查氣體動(dòng)力函數(shù)表，再用插值法可求出M=0.4063，，m=34.5mm>d0。

取收縮錐角α=24°收縮段長(zhǎng)度，

又考慮到平臺(tái)的空間我們?nèi)≌麄€(gè)文丘里管長(zhǎng)度L=320mm，喉口段長(zhǎng)度Lh=30mm，可推出擴(kuò)壓段長(zhǎng)度，則擴(kuò)壓段滿足要求。整個(gè)文丘里管設(shè)計(jì)有：收縮段錐角α=24°，收縮段長(zhǎng)度107mm，喉口段直徑34.5mm，喉口段長(zhǎng)度30mm，擴(kuò)壓段錐角14.2°，擴(kuò)壓段長(zhǎng)度183mm，總長(zhǎng)320mm。

3 文丘里管引流效果檢驗(yàn)

我們根據(jù)計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)制造出文丘里管實(shí)物如下圖所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們可以得出：

原機(jī)時(shí)在設(shè)計(jì)工況下空氣的進(jìn)氣壓力為P1=0.145MPa，而廢氣壓力P2=0.139MPa無(wú)法實(shí)現(xiàn)自主廢氣引入。而在加裝了帶文丘里管的EGR系統(tǒng)后額定工況下當(dāng)EGR率為2.5%時(shí)，收縮段入口處的進(jìn)氣壓力為0.1275MPa流入到喉口段時(shí)下降到0.1185MPa，收縮段氣壓下降為0.009MPa，而此時(shí)EGR廢氣氣壓壓力為0.1196Mpa，保證了廢氣與進(jìn)氣之間的壓力差。

而混合氣體經(jīng)過(guò)擴(kuò)壓段氣體壓力恢復(fù)到0.1202MPa，有效恢復(fù)了氣壓。而在11%的EGR率時(shí)，收縮段入口處的進(jìn)氣壓力為0.1218MPa流入到喉口段是下降到0.1122MPa，收縮段氣壓下降為0.0096MPa.而經(jīng)過(guò)擴(kuò)壓段氣壓恢復(fù)到了0.1143MPa。

4 結(jié)論

對(duì)某V型柴油機(jī)進(jìn)行外部高壓EGR系統(tǒng)改造，需設(shè)計(jì)其中需要的文丘里管的尺寸。結(jié)合柴油機(jī)實(shí)際尺寸和工作環(huán)境設(shè)計(jì)的文丘里管的尺寸如下：收縮段錐角α=24°，收縮段長(zhǎng)度107mm，喉口段直徑34.5mm，喉口段長(zhǎng)度30mm，擴(kuò)壓段錐角14.2°，擴(kuò)壓段長(zhǎng)度183mm，總長(zhǎng)320mm。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出來(lái)的文丘里管具有較好的引流以及氣壓恢復(fù)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉敬平，楊漢乾，楊靖等.用于內(nèi)燃機(jī)的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)[P].中國(guó)專(zhuān)利.ZL 201010521187.1，2011-01-26.

[2]吳南.YC6150ZLQ柴油機(jī)廢氣再循環(huán)技術(shù)應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2005.

[3]方祖華，李桂華，上官平.增壓直噴柴油機(jī)EGR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案及關(guān)鍵技術(shù)[J].內(nèi)燃機(jī)，2003（06）：15-17.

[4]杜駿.V型柴油機(jī)采用EGR系統(tǒng)的試驗(yàn)與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.