浙訂 大學碩上學位滄文 摘要 隨著汽車工業的飛速發展 汽車保有量的上升 汽車排放物對人類健康的危 害和對環境的污染已經成為一個世界性的問題 各國排放法規的制定也越來越嚴 格 對內燃機的排放提出了更高的要求 e g r e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n 即廢 氣再循環技術經實踐證明是一種可以有效地減少氮氧化合物 n o 排放的方法 有其獨特的優點 但也有一些問題亟需解決 其中提高控制技術 包括控制策略 和e g r 閥的結構設計 的精度是改進e g r 的主要方向之一 研究e g r 閥的結 構設計對控制精度的影響可以從兩方面進行研究 精確控制閥的開啟度和精確控 制通過閥的流量 研究的方法有實驗與仿真這兩種手段 伴隨著計算機技術的飛 速發展 以及有限元 f e a 軟件和計算流體力學 c f d 軟件的逐漸成熟 仿真 手段越來越多的應用到實際問題中去 采用仿真技術手段可以降低產品的研發成 本 縮短產品的設計周期 本文嘗試采用p a m c r a s h 軟件進行e g r 閥膜片有 限元仿真 采用f l u e n t 軟件進行e g r 閥流體仿真 通過實驗驗證了仿真結果 的準確性 證明了采用仿真方法進行e g r 閥研究的可行性 并在此基礎上 開 展了e g r 閥結構對工作性能影響的仿真研究 提出了優化改進建議 本文完成的主要工作有 1 總結了對e g r 閥進行膜片有限元仿真和流體力學仿真計算的理論基礎 2 在p a m c r a s h 軟件中建立了膜片有限元仿真的仿真模型 并對其進行 了有限元仿真 分析了仿真的結果 搭建實驗平臺對膜片有限元仿真進 行驗證 比較仿真結果與試驗結果的差異 驗證了用p a m c r a s h 軟件 進行e g r 閥膜片有限元仿真研究方法的可行性 3 在f l u e n t 軟件中建立了e g r 閥的流體仿真模型 并對其進行了流體 仿真 分析了仿真的結果 搭建實驗平臺對流體仿真進行驗證 比較仿 真結果與試驗結果的差異 驗證了用f l u e n t 軟件進行e g r 閥流體仿 真研究方法的可行性 4 在驗證了仿真研究可靠性的基礎上 改變e g r 閥的一些結構 對其進行 仿真研究 研究了e g r 閥結構對性能的影響 為e g r 閥的改進設計提 浙汀大學碩士學位論文摘要 供一些思路和方法 5 在總結本文研究工作的基礎上 對今后e g r 閥仿真研究提出工作展望 關鍵詞 e g r 閥 f e a c f d 仿真 實驗 浙江人學碩上學位論文 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ei n d u s t r ya n dt h ei n c r e a s eo ft h e n u m b e ro fa u t o m o b i l e v e h i c l ee x h a u s te m i s s i o nh a sb e e naw o r l d w i d ep r o b l e m b e c a u s ei th a r m sh u m a n sh e a l t ha n dp o l l u t e st h ee n v i r o n m e n ts e v e r e l y t h er e g u l a t i o n o fd i f f e r e n tc o u n t r i e sh a sb e e nm o r ea n dm o r es t r i c t t h et e c h n o l o g yo fe g r e x h a u s t g a sr e c i r c u l a t i o n i sp r o v e db ea ne f f e c t i v em e t h o do fr e d u c i n gt h en i t r o g e n o x i d e s n o x b yp r a c t i c e c o m p a r e dw i t ho t h e rt e c h n o l o g yo fr e d u c i n gv e h i c l e e x h a u s te m i s s i o ni th a so w np a r t i c u l a rm e r i t h o w e v e r i ta l s oh a ss o m ep r o b l e mt o s e t t l e e s p e c i a l l yt h ep r o b l e mo ft h ep r e c i s i o no fe g rv a l v ew h i c hi n c l u d e sc o n t r o l s t r a t e g ya n dt h ed e s i g no fs t r u c t u r eo fe g r v a l v e i no r d e rt or e s e a r c ht h ee f f e c t i o no f s t r u c t u r ed e s i g nt ot h ep r e c i s ep r o b l e mo fe g r v a l v e w ec a ns t a r tt h es t u d yf r o mt w o a s p e c t s o n ei st oc o n t r o lt h eo p e n i n go fv a l v ea c c u r a t e l y a n o t h e ra s p e c ti st oc o n t r o l t h ef l u xa c c u r a t e l y p r e s e n t l y e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o na r et w om a i nm e t h o d so f e g rr e s e a r c h w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h em a t u r i t yo f f e as o f t w a r ea n dc f ds o f t w a r e t h es i m u l a t i o nm e t h o di si n c r e a s i n g l yu s e di na c t u a l p r o b l e m s t oc o m p a r ew i t ht e s ts i m u l a t i o nc a nr e d u c et h ec o s ta n dr e s e a r c hp e r i o d i n t h i sp a p e r p a m c r a s hs o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h em o v e m e n tp r o c e s so ft h e m e m b r a n ei ne g rv a l v e a n df l u e n ts o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h es t a t eo ft h e l i q u i dw h i c hp a s s e st h ee g rv a l v e t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n w e r ev a l i d a t e d b a s e do nt h i sf o u n d a t i o nt h i st h e s i sb e g i n st h es i m u l a t i o ns t u d yo f e g rv a l v es t r u c t u r ea n d p r o p o s e ss o m e v a l u a b l ei m p r o v e da d v i c e t h e f o l l o w i n gw o r k sa r ec o m p l e t e d i nt h i sp a p e r 1 s u m m a r i z et h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h es i m u l a t i o no ff e aa n dc f d 2 s e tu pt h em o d e lo ft h ee g rm e m b r a n ei np a r e c r a s hs o f t w a r ea n dm a k ei t s c o r r e s p o n d i n gf e as i m u l a t i o n b u i l da ne x p e r i m e n tp l a t f o r mf o rt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i st oc a r r yo u tt h ee x p e r i m e n t w h i c hi su s e dt oc o m p a r et h er e s u l t b e t w e e nt h es i m u l a t i o nr e s u l ta n da c t u a lt e s td a t a t h r o u g ht h ec o m p a r i s o n i t 浙江人學碩 上 z 何論文a b s t r a c t p r o v e st h er e l i a b i l i t yo fu s i n gt h ep a m c r a s ht o s i m u l a t et h ee g rv a l v e s w o r k i n gp r o c e s s 3 m a k eaf l u e n ts i m u l a t i o nm o d e lo fe g rv a l v ei nf l u e n ts o f t w a r e a n dm a k e i t sf e ao fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s b u i l da ne x p e r i m e n tp l a t f o r mf o rt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st oc a r r yo u tt h ee x p e r i m e n t w h i c hi su s e dt oc o m p a r et h e r e s u l tb e t w e e nt h es i m u l a t i o nr e s u l ta n da c t u a lt e s td a t a t h r o u g ht h ec o m p a r i s o n i tp r o v e st h er e l i a b i l i t yo fu s i n gt h ep a m c r a s ht os i m u l a t et h ee g rv a l v e s w o r k i n gp r o c e s s 4 b a s e do nt h e a v a i l a b i l i t y o fs i m u l a t i o n a n a l y s i s m a k e s o m es t r u c t u r e m o d i f i c a t i o na n dm a k et h er e l a t i v es i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ec h a n g e ds t r u c t u r e t h r o u g hc o m p a r i n gd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n a l y s i sr e s u l t s t h i st h e s i sp o i n t so u t s o m ev a l u a b l et h o u g h t sa n di m p r o v i n gm e t h o d 5 m a k ea ne x p e c t a t i o no fe g rv a l v es i m u l a t i o nr e s e a r c ho nt h eb a s i so f c o n c l u s i o n i nt h i sp a p e ra n db r i n gf o r w a r dt h ef a r t h e ri m p r o v e m e n t k e yw o r d s e g rv a l v e f e a c f d s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t i v 學號2 0 6 0 8 2 2 9 1 一了 一 獨創性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研 究成果 據我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包含其他 人已經發表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得盤 江叁堂或其他教育機構的 學位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已 在論文中作了明確的說明并表示謝意 學位論文作者簽名 昌颯 簽字日期 砂8 年廠月j j 自 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解逝姿盤堂有關保留 使用學位論文的規定 有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤 允許論文被查閱和 借閱 本人授權逝至三盤堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進 行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復制手段保存 匯編學位論文 保密的學位論文在解密后適用本授權書 學位論文作者簽名 簽字日期 沙矽年 導渺協 歹月蠣 學位論文作者畢業后去向 工作單位 通訊地址 導師簽名 電話 郵編 簽字日期 廬 o 夠年j 碼 廠日 浙江人學碩上學位論文 第 章緒論 第一章緒論 1 1 課題研究背景及意義 汽車自1 9 世紀末誕生至今1 0 0 余年期間 汽車工業從無到有 以驚人的速 度發展 寫下了人類近代文明史的重要篇章 改革開放后 中國融入了全球經濟 大循環 迅速發展的國民經濟使中國的汽車工業u 新月異 汽車保有量持續增長 根據最新調查研究表明 我國汽車制造業平均每年以2 4 5 的速度增長 目前的 汽車保有量已達3 0 0 0 萬輛 2 0 1 0 年將達到5 6 0 0 萬輛 到2 0 2 5 年 中國汽車市 場將超過美國成為世界第一大汽車市場 隨著汽車的保有量的與日俱增 汽車排 氣對人類健康的危害以及對環境的污染也臼甚一日 一些先進工業國家在起發展 過程中曾遭遇到的大氣污染問題已有在我國重演的趨勢 尤其是城市空氣污染這 個問題更是突出 并且有日益加重的趨勢 其主要原因是大多數汽車都集中在城 市 而月 我國的汽車排放控制技術僅相當于國外2 0 世紀7 0 年代的水平 目前 我國許多大城市的氮氧化合物 一氧化碳 碳氫化合物等都嚴重超標 而這些汽 車的排放污染物對人體健康的危害十分嚴重 l 七j 如上所述 以內燃機為動力的汽車的排放的主要污染物主要有一氧化碳 c o 碳氫化合物 h c 氮氧化合物 n o 和微粒 一氧化碳c o 是一種無 色無味的氣體 它和血液中輸送氧的載體血紅蛋白的親和力是氧的2 4 0 倍 c o 是與血紅蛋白結合生成羥基血紅蛋白 就剝奪了血紅蛋白對人體組織的供氧能 力 空氣中的c o 的體積分數超過o 1 時會導致人體中毒 超過o 3 時 則可在 3 0 m i n 使人致命 h c 包括未燃和未完全燃燒的燃油和潤滑油蒸汽 微粒主要是指 柴油機排氣中的碳煙 相對而言汽油機的排氣微粒微不足道 微粒表面吸附的可 溶性有機物對人的呼吸道有害 氮氧化合物n o 是燃燒過程中形成的多種氮氧化 物 產生于燃燒室內高溫富氧的環境中 其中包括n o n 0 2 n 2 0 3 n 2 0 5 等 總稱為n o 在內燃機中主要是n o 約占9 5 其次是n 0 2 占5 n o 對人 體的危害主要有破壞血液輸氧 肺氣腫 支氣管炎 癱瘓 痙攣 眼疾病等各種 疾病 嚴重者甚至會導致死亡 它派生的危害是光化學煙霧 n o 和h c 在對流 浙江人2 碩上學位論文第 章緒論 不暢的特殊地理環境和氣溫在2 4 c 以上以及日光充足的氣象條件下會產生光化 學煙霧 光化學煙霧是 種毒性很大的白色煙霧 3 缶 正因為氮氧化合物n o 對 人類的危害極大 所以各國的排放法規對氮氧化合物都進行了嚴格的限制 下列 各表分別是美國及加州和歐盟的制定的汽車排放標準 9 1 表1 1 美國及加州1 9 9 0 年 2 0 0 0 年的排放標準 克 公里 h cc o n 0 1 9 9 0 年 美國 0 2 2 52 1 o 6 2 1 9 9 3 年 加里福尼亞洲 0 1 5 5 2 10 2 5 1 9 9 4 年 美國 0 1 5 5 2 10 2 5 1 9 9 4 年 過度性低排放汽車0 0 7 82 10 2 5 19 9 7 年 低排放汽車 0 0 4 72 1o 1 2 5 2 0 0 0 年 超低排放汽車0 0 2 51 0 50 1 2 5 表1 2 歐盟輕型汽油車排放標準 克 公里 標準 生效日期 年 c o h c n o 歐i 1 9 9 22 2 70 9 7 歐i i 1 9 9 52 2 o 5 h c n o 歐i i i2 0 0 02 3 o 20 1 5 歐i v2 0 0 51 00 10 0 8 表1 3 歐盟輕型柴油車排放標準 克 公里 標準 生效日期 年 c o h c n 0 xp m 顆粒 歐i 1 9 9 2 1 9 9 53 1 61 1 30 9 7 歐i i1 9 9 5 1 9 9 91 oo 90 5 h c n o 歐i i i2 0 0 0 2 0 0 50 6 4 o 0 8 o 5o 0 5 歐i v建議0 5o 0 5o 2 50 0 2 5 自2 0 世紀6 0 年代加州政府頒布世界上第 個車輛排放控制標準后 美國聯 2 浙汀人學碩 上學位淪文第 章緒論 邦政府從1 9 7 0 年開始制訂一系列車輛排放控制標準 從表1 1 中可看出 美國 聯邦排放法規越來越嚴格 特別是新法規規定從1 9 9 8 年開始 針對美國幾家主 要的發動機生產廠家包括康明斯 底特律柴油機 福特公司和通用公司等在內 規定這些發動機廠必須將其生產的柴油機的n o 排放量從3 7 3 9 k w h 降低到 2 9 8 9 k w h 到2 0 0 4 年n o 必須降低到1 4 9 9 k w h 歐盟從1 9 7 0 年開始推行汽 車排放標準 在歐i i 標準中對h c 和n o 排放的標準是限制這兩項的總和 從歐 i i i 開始對h c 和n o 的排放分別做出了限制 從表1 2 和表1 3 中分別可以看到 汽油車和柴油車的歐i v 排放標準中的n o 排放限值都降低到了歐i i i 的一半 7 1 為保護環境并滿足這些日益嚴格的排放法規 內燃機工作者們作了大量的努 力來降低汽車排放 開發出了幾種行之有效的控制方法 如三元觸媒凈化 推遲 點火 燃油摻水和廢氣再循環等 比較起來 由于廢氣再循環 e g r 降低n o 排放效果最為顯著 而且對原機改動小 設計自由度大 因而日益受到了人們的 青睞 8 1 我國對排放法規的制定也將逐步與國際接軌 隨著國內實施第三階段排放限 值日期的鄰近 排放未達到國標準要求的內燃機將不能在市場上銷售和使用 開發 出符合新的排放標準要求的內燃機已成為迫在眉睫的問題 開展廢氣凈化技術的 研究具有重要的現實意義 廢氣再循環技術作為降低n o 的有效措施在國外已 經得到了廣泛的應用 而我國內燃機排放控制技術的研究起步較晚 與發達國家 存在較大的差距 對技術的應用研究也一直未得到足夠的重視 隨著我國 機動 車排放污染防治技術政策 輕型汽車污染物排放標準 和 汽車排放污染物限 值及測試方法 等法規的進一步實施 e g r 閥將成為發動機必不可少的附件 因 此 開發生產e g r 閥是汽車零部件制造業提高經濟效益的又一個增長點 所以說 在國內對于e g r 技術的研究是很有必要的 而且是很有戰略意義的1 8 9 1 1 2e g r 技術概述 1 2 1e g r 技術原理及其優點 e g r e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n 的縮寫 技術的基本原理是將部分排氣引入 3 浙r l 大學碩上學位論文第 章緒論 進氣 以提高混合氣中的廢氣成分 它是通過以下三個方面來減少n o 的形成 的 1 提高混合氣的熱容量 廢氣中含有的水蒸汽和二氧化碳等為三原子分 子氣體 比熱容太 可以有效地降低氣缸內最高燃燒溫度 抑制n o 的生成 2 降低混合氣中0 2 的濃度 廢氣的稀釋作用還可以使氧氣的相對濃度下 降 從而也能降低n o 的排放 3 降低燃燒速度 由于廢氣中含有大量的氨和二氧化碳等接近惰性的氣 體 當這些廢氣部分回流到進氣管后起到了稀釋新鮮進氣的作用 使燃燒反應速 率減緩 通常 廢氣再循環的控制指標用e g r 率表示 e g r 率 e g r 氣體流量 吸入空氣量 e g r 氣體流量 1 0 0 e g r 率是衡量n o 排放的重要指標 合理調整e g r 率的大小 既能降低汽 車排放污染物的含量 又不降低發動機的性能指標 根據廢氣進入氣缸的方式 e g r 系統可分為內部e g r 系統和外部e g r 系 統 內部e g r 通過改變配氣正時實現 該系統不需外加其它設備 結構簡單 應用方便而且可以避免再循環廢氣對管道的腐蝕 有利于提高系統耐久性 但由 于是在進氣行程內直接開啟排氣閥使廢氣回流 因此難以精確控制e g r 率 同時 廢氣未經冷卻直接回流 引起混合氣溫度升高 這一點又有利于n o 的生成 因此內部e g r 對n o 的抑制效果并不顯著 但是隨著控制技術的不斷提高 內 部e g r 因其簡單便利日益受到青睞 外部e g r 利用專門的管道將廢氣引入進氣歧管 使廢氣與新鮮充量在進入 氣缸前充分混合 其中e g r 閥是外部e g r 系統控制e g r 廢氣量的關鍵部件 由于外部e g r 不但可以通過電控系統精確控制e g r 率 優化發動機性能而 且可以在外部系統中通過加裝e g r 冷卻器 有效降低燃燒溫度 因此目前較為 常用的是外部e g r 系統 根據所使用的e g r 閥控制廢氣量的方式劃分 目前國內外市場上出現的外 部e g r 系統主要有三種 機械式 氣電式和電控式 1 們 機械式e g r 系統沒有e c u 的介入 它只是依據發動機的工作溫度和節氣門 4 浙j 人學碩上學位論文第 章緒論 的真空度來控制其工作時機和廢氣再循環量的 顯而易見 機械式e g r 系統的 最大優點是結構簡單 成本低 容易實施 但其缺點也是顯而易見的 那就是系 統缺乏柔性 一旦產品定型 其循環特性便取決于e g r 閥里面的彈簧膜片的物 理彈性系數 難以根據發動機的復雜工況做出靈活應變 因此 一般來講 機械 式e g r 系統只能發揮出e g r 技術的部分優勢 氣電式e g r 系統與機械式e g r 系統的主要區別在于真空通路的控制 它采 用v c m 閥 電磁真空閥 取代b v s v 閥 在工作中 e c u 根據發動機進氣溫 度 冷卻水溫度 節氣門開度和e g r 閥位置傳感器送來的信號 準確計算出廢 氣再循環的時機和最佳控制量 然后再通過對電磁閥的控制來調節e g r 控制閥 里的真空度 從而可以根據發動機工況在一定范圍內實現對e g r 率進行調整 系統柔性有了較大改善 機械式與氣電式在控制對象上可以看成是同一類型 真空式e g r 閥 都 是通過控制真空室內的真空度來控制閥門的開度 電控式e g r 系統與氣電式e g r 系統的主要區別在于取消了電磁真空閥及真 空控制通路 系統中的排氣再循環閥的位置直接由電磁閥來控制 與氣電式相比 電控式e g r 系統又具有以下優勢 1 動態響應好 2 調節精度高 3 排氣回流量大 4 結構相對簡單 e g r 與其它類似技術相比所具有明顯的優勢 首先 采用e g r 技術降低 n o 排放的效果最顯著 效率最高 e g r 在所有負荷條件下都可以有效抑制n o 的排放 試驗研究表明 e g r 率為1 5 時 n o 排放可以減少5 0 以上 而e g r 率為2 5 時 n o 排放可減少8 0 以上 若合理地采用 熱e g r 即保持高的 再循環排氣溫度 還可以同時減少n o 和p m 顆粒 排放 并且不會明顯增 加油耗 在中低負荷時凈化效果更佳 其次 采用e g r 技術對發動機的改動小 成本低 采用e g r 技術一般并不需要對發動機的燃燒室結構和噴油系統做出重 大改動 再次 采用e g r 技術的方案靈活多樣 可簡單 可復雜 能根據實際 需要 做出最佳選擇 例如 對一般的普通發動機 可采用較簡單的氣動式e g r 5 浙汀人學碩上學位論文第 章緒論 若設計和匹配得當 同樣可顯著降低n o 的排放水平而不惡化發動機其它性能 過量的廢氣在循環中將會影響發動機的正常運行 特別是在怠速及低速小負 荷和發動機處于冷態運行時 再循環的廢氣將會明顯降低發動機的性能 所以必 須合理的匹配廢氣再循環率 e g r 率 一般的發動機的廢氣再循環率隨發動機負 荷變化的關系曲線如圖1 1 所示 從圖中可清楚地看出 廢氣再循環率隨發動機負 荷變化的過程 既保證了車輛在行駛中的正常動力 不增加其排放 又使產生量最 少 l l i l4 1 一 圖1 1e g r 率隨發動機負荷變化的曲線圖 1 2 2e g r 技術的國內外研究現狀 從六十年代開始 美國 日本 西歐等工業化國家對汽車排氣c o h c 和 n o 等有害排放物 以法令的形式規定排放標準 從而直接促進了對低污染車用 發動機和對排氣凈化措施的研究 e g r 技術在國外首先應用于汽油機 最初只 是純氣動式且不帶冷卻循環 后來發展了帶冷卻循環的e g r 再后來與電控技 術相結合 轉而開發出帶閉環控制的氣電式或電磁式e g r 系統 如今e g r 技術 在國外的汽油車上已得到廣泛應用 從七十年代后期開始 國外就有學者將研究 目標轉向柴油機e g r 技術 9 0 年代初開始用于渦輪增壓柴油機 到目前為止發 展非常快 但其總體應用仍不如汽油機廣泛成熟 尤其是對重型柴油機 尤其是 渦輪增壓柴油機 來講 許多問題還有待進一步研究解決 1 5 1 7 1 為了解決渦輪增壓柴油機在高負荷時因排氣平均壓力低于進氣壓力 廢氣難 以流進進氣管的問題 a v l 研究所對渦輪出口裝有節流閥的e g r 系統進行了試驗 研究 u 本五十鈴汽車公司在1 9 9 8 年推出的4 j x l t c 渦輪增壓柴油機的進氣管裝 6 浙汀人學頒 上 學位論文第一一章緒論 有節流閥 以便于e g r 率的調節 在渦輪出口裝節流閥 通過節流提高排氣的平均 壓力 迫使廢氣流入進氣管 改變節流閥開度可調節高低工況的e g r 率 但節流引 起泵氣的損失明顯增大 對進氣管節流會增加進氣損失 為此推出了在進氣管裝文 丘里管的方案 利用文丘里管喉口的局部壓力降 對e g r 管中的廢氣進行吸引 因 文丘里管喉口之后有較長的擴壓段 進氣管喉口的壓力降可得到部分恢復 與裝 節流閥相比 可減少泵氣的損失 18 1 國外已對e g r 技術進行了較深入的研究 積累了大量的試驗資料 取得了 一些實用性成果 但由于e g r 給發動機帶來的影響相當廣泛和復雜 牽涉到較 多的因素 另外e g r 本身的精確控制也較復雜 所以國外目前仍然十分重視完 善對e g r 的研究 主要研究方向變為e g r 與發動機各系統的優化匹配以及如何 在精確控制e g r 的前提下 盡量提高e g r 的循環率 一句話 就是要在盡可能 不犧牲發動機經濟性 動力性的情況下 充分挖掘e g r 降低排放的潛力 而在 國內一些高校和科研單位已經對e g r 作了一些初步研究 這些研究僅僅停留在 實驗室試驗階段 還沒有取得重大的進展 在我國e g r 離實用化 商品化尚有 一段距離 1 9 2 3 1 雖然e g r 技術發展至今已取得多個方面的突破 但是到目前為止 還有下 面這一些問題亟需解決 2 4 1 1 采用e g r 系統后 若e g r 率控制不當 極易造成發動機h c 和c o 排放 量增加 燃油經濟性惡化 2 在低負荷時 e g r 將影響發動機的工作穩定性 3 在高負荷時 e g r 將影響發動機的動力性 4 e g r 還可能造成發動機活塞環 氣缸套等部件的磨損加劇 發動機的可靠 性和壽命可能會受到影響 5 e g r 的廢氣溫度過高 影響發動機的充氣效率 若采用e g r 冷循環 會 增加冷卻系統和溫度控制系統的復雜性 6 由于e g r 給發動機帶來的影響卡目當廣泛和復雜 牽涉的因素較多 所以對 e g r 本身的精確控制較復雜 7 各缸e g r 分配均勻性和瞬態響應性不易同時兼顧 7 浙江人學碩上學侮論文 第 章緒論 1 3 本文研究的內容 在上述一系列e g r 待解決的問題中 存在共性的問題是e g r 系統的控制技 術 主要包括控制策略和e g r 閥的結構設計 本文主要針對e g r 閥的結構設計 方面 開展數值仿真和實驗研究工作 主要研究對象是真空式e g r 閥 具體工 作內容如下 1 建立數學模型 介紹e g r 閥仿真的基礎理論 包括有限元理論f e a 和 計算流體力學c f d 2 膜片有限元仿真 在p a m c r a s h 軟件中建立膜片仿真所需要的物理模 型 再通過劃分單元 設定好邊界條件及各項參數后進行仿真 并分析 仿真結果 3 流體仿真 用三維軟件建立好物理模型 在f l u e n t 的前處理軟件 g a m b i t 中劃分好網格再導入f l u e n t 軟件中設定邊界條件 各項物性 參數及求解器格式 進行仿真并分析仿真結果 4 實驗 建立實驗臺架 依據仿真的所設置的情況 進行不同邊界條件下 的實驗 得到實驗結果 5 仿真的實驗驗證與e g r 閥結構優化 把實驗結果和仿真結果作比較分析 總結偏差產生的原因 驗證仿真的可行性與正確性 并在此基礎上對不同 結構的e g r 閥進行膜片有限元仿真與流體仿真研究 得出優化結論 6 總結全文研究結果 分析研究過程中的不足 并對今后e g r 閥的仿真研 究提出展望 8 浙江人2 碩上學位論文笫 章e g r 閻數值仿真的理論基礎 第二章e g r 閥數值仿真的理論基礎 2 1 真空式e g r 閥基本工作原理及特性分析 本文所要仿真的真空式e g r 閥具體的結構和尺寸如圖2 1 所示 i v v fi i 咱 弘曲9 o2 一i 一 式瓤協 爿 料 琶磋習 9 r 酬m i卜l 1 l 一 拍 一l 6 0 0 2 囊示位置璇月終于承平 覓瓣綱應者息2 5 m m 4 d 圖2 1 真空式e g r 閥結構的具體尺寸圖 真空式e g r 閥工作示意圖如圖2 2 所示 其具體工作過程如下 進氣 圖2 2 真空式e g r 閥的工作示意圖 9 浙江人學碩上學位論文 第 章e g r 閥數值仿真的理論基礎 1 靜止狀態 在彈簧的預緊力作用下 膜片中心區域向下產生2 5 m m 的形變 閥座緊貼在閥體進氣口壁上 此時無氣體通過 2 工作狀態 開啟與閉合 真空管將外面的真空度引入膜片上方的真空 室 因膜片的下面直通大氣 便使膜片的上下表面產生壓力差 其數 值等于真空度值 當膜片上下表面的壓力差大于彈簧的預緊力時 膜 片產生形變 向上拱起 進而帶動閥座上升 閥門開啟 從而來自排 氣管的廢氣就能夠通過閥門與進氣混合進入燃燒室閥門開度直接受 真空度大小控制 真空度越則開度越大 反之越小 當真空度小至使 膜片上下表面壓力差低于彈簧預緊力時 閥門關閉 根據上述對e g r 閥的工作原理介紹可知 e g r 閥的工作特性可歸納如下 1 e g r 閥工作時 閥門開度除直接由真空度控制之外 還決定于膜片的 特性和彈簧的彈性系數 2 通過閥門的氣體流量大小除直接由閥門開度控制之外 還決定于通過 閥門的氣體溫度和進出口壓力等 根據上面e g r 閥的第一個工作特性 本文采用有限元軟件 f e a 在不同 真空度下 對膜片進行有限元動力學仿真 從而得到膜片在平衡位置時候的變形 情況 其中膜片中心區域的形變位移加上彈簧預緊力產生的位移 2 5 m m 就是 閥的開啟度 根據e g r 閥的第二個工作特性 本文采用計算流體力學軟件 c f d 在不 同閥的開啟度以及確定的溫度和壓力下 對通過閥的氣體進行流體仿真 從而得 到通過閥的氣體流量 2 2e g r 閥膜片動力學有限元仿真分析的數學模型 建立e g r 閥膜片動力學有限元分析的數學模型需要用到有限元的方法 有 限元方法從2 0 世紀4 0 年代初發展到現在已經非常成熟 對各種物理問題都有很 好的適應性 并且和計算機輔助設計技術好好地相結合 隨著現代力學 計算數 學幣n i t 算機技術等學科的發展 有限元方法將發揮越來越大的作用 2 引 1 0 浙江人學碩r l 學位淪文第二章e g r 閥數值仿真的理論基礎 2 2 1 基本思想及其理論基礎 本模型的基本思想也就是有限元的基本思想可以這樣歸納 第一步 將表 示結構的連續體離散為若干個子域 單元 單元之間通過其邊界上的結點連接 成組合體 接著 再用每個單元內所假設的近似函數分片地表示全求解域內待求 的未知場變量 每個單元內的近似函數用未知量變量函數在單元各個結點上的數 值和與其對應的差值函數表示 由于在連接相鄰單元的節點上 場變量函數應具 有相同的數值 因而將它們用作數值求解的基本未知量 將求解原函數的無窮多 自由度問題轉換為求解場變量函數節點值的有限自由度問題 最后 通過和原問 題數學模型 基本方程 邊界條件 等效的變分原理或加權余量法建立求解基本 未知量 場變量函數的節點值 的代數方程組或常微分方程組 應用數值方法求 解 從而得到問題的解答 2 6 有限元方法的理論基礎包括加權余量法和變分原理 1 加權余量法 加權余量法是有限元概念的一般化理論基礎 在介紹加權余量法之前先談下 微分方程的等效積分形式 工程技術或物理學中許多問題都以未知場函數應滿足 的微分方程和邊界條件的形式提出 一般可表示為未知函數萬應滿足微分方程組 彳 萬 4 萬 4 萬 b 占 b 萬 反 萬 0 在域q 內 2 i 0 在邊界r 上 2 2 域q 體積域或面積域 邊界r 域q 的邊界 所求的未知函數萬可以是標量 也可以是若干變量組成的一個向量 微分方 程可以是單個方程或一組方程 所以式 2 1 在域q 中每一點都為零 于是有 v7 彳 萬 d q 蘭上 4 萬 也4 萬 d q 三o 2 3 浙 f 人 碩 2 學位論文第二奄e g r 閥數值仿真的理論基礎 式中 v v lv 2 心 r 為任一函數向量 其個數等于方程數 式 2 3 是與式 2 1 完全等效的積分形式 若積分方程式 2 3 對任一1 都能成立 則微分方程式 2 1 必定在域內 任一點都能滿足 這一結論很顯然 假如在域中的任意一點或部分子域有 a 8 0 則可以找到一個函數v 使式 2 3 的積分不等于零 同理 對邊界條件 2 2 有積分表達式 f i r 口 萬 d r 暑f e j z b 6 j r 三0 2 4 合并式 2 2 1 和式 2 2 2 積分表達式 l v7 彳 萬 d q f 石7 8 8 d r 0 2 5 對任一v 和v 都滿足上式即等價于滿足微分方程式 2 1 和邊界條件式 2 2 式 2 5 稱為微分方程的等效積分形式 而加權余量法就是等效積分形式的近似方程 在求解域q 及其邊界上的任一 點都滿足微分方程式 2 1 和邊界條件式 2 2 將未知函數萬采用近似函數 表示 萬 否 m 口 n a 2 6 1 上式中 a i 待定系數 m 給定的形函數 l 待定函數的個數 在n 為有限項數的情況下 近似解不能完全滿足微分方程式 2 1 和式 2 2 即產生殘差 記 一r a 盹 2 7 r b n a 殘差尺 月稱為余量 取有限個給定的函數代替式 2 5 中任意的函數v v 有 1 2 浙捫 大學碩士學位論文第 章e g r 閥數值仿真的理論摹礎 v 1 2 8 代入式 2 5 近似的等效積分形式為 杉廠a n a d f 2 工瓦7 b n a d f 0 1 2 玎 2 9 寫成余量的形式 則有 l 7a r d e 2 j i 瓦2r a t 0 2 1 0 式 2 1 0 為余量的加權積分 和彬稱為權函數 這就是加權余量法名稱的 e h 來 由余量的加權積分為零 確定近似函數萬或殘量中的待定系數珥 得到原問 題的近似解 加權余量法是求解微分方程近似解的一種有效方法 由于任何對了的函數 和 可作為權函數 選擇不同的加權余量 其計算方法有不同的名稱 如配 點法 子域法 最d 乘法 力矩法和伽遼金法 在這里介紹一下伽遼金法 它 是將原來的形函數作為權函數 即 n j 在邊界r 上 一 一也于是 式 2 9 可寫為 l r a 喜m 口 d q 一工 哆b 喜m 口 f c 1 2 z c 2 一 伽遼金方法求解方程的系數矩陣往往是對稱的 因此在用加權余數法建立有 限元時候 一般采用伽遼金法求解 用伽遼金法的求解的時候 一般項數越高 所得到的近似解精度就越高 2 變分原理 變分原理是有限元中彈性連續體的理論基礎 在介紹變分原理之前先介紹下 泛函 泛函的定義如下 設 y 石 為給定的某類函數 如果對這類函數中的每個 函數y x 有某個數兀與之對應 則稱兀為函數的泛函 記為f i n y x y x 稱為自變函數 兀稱為泛函數或泛函 1 3 浙江人學碩上學化論文第二章e g r 閥數值仿真的琿論基礎 變分法是研究泛函數的極大值或極小值的一種方法 變分計算的目的就是把 滿足具體邊界條件的極值函數y y x 找出來 若泛函兀 r l y x 有變分 且在y y o x 上達到極大值或極小值 則在 y y o x 上一階變分6 1 i 0 函數y y o 工 稱為極值函數 泛函變分問題與微分方程邊值問題是等價的 可證明如下 設泛函 r i y x r 2f i x 少 x y x k 2 1 2 式中 匙 y x 枷 x 孚的函數 假定泛函兀有極值 即铘 0 的條件是 铘 e 陪書舯 7 7 石 為任意的 可知泛函r l 兀 y x 在少 石 上達到極值的必要條件是 一a f 一旦f 望1 0 2 1 3 卻d xr a y l 式 2 1 3 是一個微分方程 是歐拉有泛函求極值得到的 且只有一個獨立 變量x 稱為一維歐拉方程 微分方程式 2 1 3 的邊值問題的解 等價于相應泛函式 r i y x 2 州x y x y x 出求極值問題的解 這種等價性或相關性 通常稱 為變分原理 應用這種等價性 就可以把類似于式 2 1 3 的微分方程邊值的求 解問題轉化為相應泛函求極值的問題 介紹完泛函和變分 回到實際當中 當物體受到外力作用時 就會發送變形 如果忽略物體在加載和卸載時的能量的損失 則載荷在結構上所做的功將全部轉 換為結構形變勢能 而在載荷卸除后它將產生使結構恢復原狀的能力 這就是能 量原理的物理依據 當結構系統是保守系統 外力在變形位移方向上對彈性體做功 則對這樣的 物體在變形時所做的功 可以看成是儲存在物體中的能量 稱為應變能 因此 應變能可以看成是彈性體變形時 它所吸收的能量 在討論彈性系統和能量時 1 4 浙江人學碩上 位論文第二奄e g r 閥數值仿真的理論基礎 不僅要考慮外力所做的功 即應變能 對應于系統勢能的 稱為外力勢能 虛位移是指任意的 微小的可能位移 它具有任意性 對任意物體 它受到 外力f 作用 在外力作用下 物體產生的應力為仃 假設物體發生虛位移萬宰 虛位移所產生的應變為占木 在產生虛位移的同時 外力已經能夠作用于物體 且在虛位移過程中 外力 保持不變 因此 外力在虛位移上所做的虛功是 w 擴 r f 2 1 4 在單位體積內 應力在虛應變上的虛應變能為 占宰 7 1 9 則整個物體的虛應 變能為 u 肌木 r a d x d y d z 2 1 5 虛位移原理表明 如果在虛位移發生之前 物體處于平衡狀態 那么在虛位 移發生時 外力所做的虛功等于物體的虛應變能 即 萬木 r f 肛木 r t r d x d y d z 2 1 6 而物體的勢能有可由下面式子所表示 兀 u v 2 1 7 由于外力所做的功和應變能均是位移的函數 而位移又是坐標x y z 的函 數 因此物體的勢能是一個函數的函數 即泛函 彈性體在外力作用下發生變形 則在所滿足邊界條件和協調要求的可能位移 中 使總勢能為最小值的位移滿足靜力平衡條件 即為最小勢能原理 最小勢能原理表現為物體勢能泛函去駐值 即勢能的變分等于零 方程式 2 1 7 稱為變分方程 相對于問題的微分方程提法 變分原理稱為問題的泛函變分提法 采用變分法近似求解 要求在整個求解區域內預先給出滿足邊界條件的場函 數 通常很困難 將整個求解區域分割成若干個子域 用分片連續的場函數代替 整個域內的場函數 這就是有限元的基本思想 勢能變分原理是有限元的主要理 論基礎 1 5 浙江人學碩上學位論文第 章e g r 閥數值仿真的理論基礎 2 2 2 基本方程 6 諺 c mm a 麥 萬 該單元中任意一點 2 1 8 對于平面應力情況 萬 x y l 2 1 9 v x y j 式 2 2 表示單元中任意一點 x y 的水平位移及垂直位移 4 鼢 億2 式 2 3 表示單元中結點i 的水平位移及垂直位移 函數 f m 的選擇原則 在式 2 1 8 中分別帶入各結點的坐標時 將 得到相應結點的位移 故有 m 咒 單元矩陣 m 薯 y i l y 0 函數n 稱為性質函數 它在有限元分析中