内蒙古工业大学本科毕业设计说明书
第三章EGR 系统设计
3．1.1EGR系统构思
EGR系统机械的设计关键是要巧妙利用相关的压力平衡因素，通过它们来控制EGR阀通道的喉口面积，使其面积变化曲线与目标曲线相接近，从而达到控制EGR流量，逼近柴油机最佳EGR率，降低排放的目的。相关压力参数必须是针对具体机型，通过样机试验来获取，而喉口面积变化的目标曲线则是通过试验所得的最佳EGR率脉谱图，推算出最佳EGR流量的脉谱图，再结合进排气压力和温度换算得到EGR阀喉口面积的理想变化曲线。由面积曲线可以算出满足各特征工况点最佳EGR率要求的EGR阀主流孔直径，择其中的最大值作为本案EGR阀的主流孔直径。主流孔直径初步确定后，再结合EGR阀喉口面积变化曲线，可以得到所要设计的EGR阀阀杆升程的目标控制曲线。有了EGR阀阀杆升程的目标控制曲线，综合该柴油机的进排气压力曲线以及进排气压力差曲线变化趋势，从中找出一种适当的EGR阀压力控制和结构方式，再建立数学模型，确定具体结构参数，最终完成设计任务。
3．1.2EGR阀基本工作原理及特性分析
本文所要设计的EGR阀具体的结构尺寸见图3-1 EGR阀工作示意图见图3-2所示，具体工作过程如下：
(1)静止状态。在弹簧的预紧力作用下，膜片中心区域向下产生2．5mm的形变，阀
座紧贴在阀体进气口壁上，此时无气体通过。
(2)工作状态：开启与闭合。真空管将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气，便使膜片的上下表面产生压力差，其数值等于真空度值。当膜片上下表面的压力差大于弹簧的预紧力时，膜片产生形变，向上拱起，进而带动阀座上升，阀门开启。从而来自排气管的废气就能够通过阀门与进气混合进入燃烧室阀门开度直接受真空度大小控制，真空度越则开度越大，反之越小。当真空度小至使膜片上下表面压力差低于弹簧预紧力时，阀门关闭。
根据上述对EGR阀的工作原理介绍可知，EGR阀的工作特性可归纳如下： (1)EGR阀工作时，阀门开度除直接由真空度控制之外，还决定于膜片的特性和弹
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簧的弹性系数。
(2)通过阀门的气体流量大小除直接由阀门开度控制之外，还决定于通过阀门的气体温度和进出口压力等。
根据上面EGR阀的第一个工作特性，本文采用有限元软件(FEA)在不同真空度下，对膜片进行有限元动力学仿真，从而得到膜片在平衡位置时候的变形情况，其中膜片中心区域的形变位移加上弹簧预紧力产生的位移(2．5mm)就是阀的开启度。根据EGR阀的第二个工作特性，本文采用计算流体力学软件(CFD)在不同阀的开启度以及确定的温度和压力下，对通过阀的气体进行流体仿真，从而得到通过阀的气体流量。
EGR阀工作示意图见图3-2
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3．2 EGR阀的具体设计过程 3．2．1 EGR阀主流孔直径的确定
通过查阅试验结果，对照该柴油机在各种工况下的最佳EGR率脉谱图（图2-4）。400r／min的负荷特性时的最佳GR率曲线如图3-3
图3—3 2400r／min时的最佳EGR率曲线
由EGR率的定义知：
EGR流量?EGR率?Gin (3—1)
其中，Gin为进气流量，其数值由试验测得。
由此可得到各工况下的最佳EGR流量脉谱图，2400r／min时的最佳EGR流量曲线如图3—4所示。
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图3—4 2400r／min时的最佳EGR流量曲线
另外，根据流动连续性方程和贝努利方程以及气体状态方程式，可以导出EGR 流量的基本方程式：
GM?arA2Pex(pex?pin) （3—2）
Rex?Tex式中：
Gm - EGR质量流量，kg／s P - 绝对压力，kPa R - 气体常数，kJ／(kg·k) a - 流量系数 T - 温度， K
A - EGR阀喉口处流通面积，m
下标代号： in - 进气管 ex - 排气管 r - EGR回路
公式中，Gm代表EGR流量，为己知量。绝对压力和温度在试验中已测得，气体常数通过实测到的排气状态和流量数据可返算得到，流量系数根据有关文献可估计为O.75。由此可以算出各工况下最佳EGR流量所要求的喉口通过面积A，它限定了各工况下最佳EGR流量所要求的主流孔面积最小值。即:
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A?GMar2Pex(Pex?pin)Rex?Tex (3-3)
=176.71?10-6 m2
再由面积公式：
1Ar??Dr2 (3—4)
4式中：
A - 主流孔面积，m2 D - 主流孔当量直径，m
得到各工况下最佳EGR流量所要求的主流孔直径，所设计的主流孔直径应当选它们中的最大值，否则在某些工况下EGR阀将无法达到最佳EGR率。根据计算结果，算得的Dr最大值为18．76mm，圆整为19mm。即所设计的主流孔直径定为19mm．
3．2．2 EGR阀升程的确定
根据如图3—5所示的EGR阀阀口结构示意图可知，EGR阀喉口处流通面积与阀杆升程的关系为：
A??DrL (3-5)
其中： 图3—5 EGR阀阀口结构示意图
A—EGR阀喉口处流通面积，m2
D—EGR阀主流孔当量直径，m
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