（动力机械及工程专业论文）egr阀的数值仿真和实验研究.pdf

浙订 大学硕上学位沧文 摘要 随着汽车工业的飞速发展 汽车保有量的上升 汽车排放物对人类健康的危 害和对环境的污染已经成为一个世界性的问题 各国排放法规的制定也越来越严 格 对内燃机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 即废 气再循环技术经实践证明是一种可以有效地减少氮氧化合物 n o 排放的方法 有其独特的优点 但也有一些问题亟需解决 其中提高控制技术 包括控制策略 和e g r 阀的结构设计 的精度是改进e g r 的主要方向之一 研究e g r 阀的结 构设计对控制精度的影响可以从两方面进行研究 精确控制阀的开启度和精确控 制通过阀的流量 研究的方法有实验与仿真这两种手段 伴随着计算机技术的飞 速发展 以及有限元 f e a 软件和计算流体力学 c f d 软件的逐渐成熟 仿真 手段越来越多的应用到实际问题中去 采用仿真技术手段可以降低产品的研发成 本 缩短产品的设计周期 本文尝试采用p a m c r a s h 软件进行e g r 阀膜片有 限元仿真 采用f l u e n t 软件进行e g r 阀流体仿真 通过实验验证了仿真结果 的准确性 证明了采用仿真方法进行e g r 阀研究的可行性 并在此基础上 开 展了e g r 阀结构对工作性能影响的仿真研究 提出了优化改进建议 本文完成的主要工作有 1 总结了对e g r 阀进行膜片有限元仿真和流体力学仿真计算的理论基础 2 在p a m c r a s h 软件中建立了膜片有限元仿真的仿真模型 并对其进行 了有限元仿真 分析了仿真的结果 搭建实验平台对膜片有限元仿真进 行验证 比较仿真结果与试验结果的差异 验证了用p a m c r a s h 软件 进行e g r 阀膜片有限元仿真研究方法的可行性 3 在f l u e n t 软件中建立了e g r 阀的流体仿真模型 并对其进行了流体 仿真 分析了仿真的结果 搭建实验平台对流体仿真进行验证 比较仿 真结果与试验结果的差异 验证了用f l u e n t 软件进行e g r 阀流体仿 真研究方法的可行性 4 在验证了仿真研究可靠性的基础上 改变e g r 阀的一些结构 对其进行 仿真研究 研究了e g r 阀结构对性能的影响 为e g r 阀的改进设计提 浙汀大学硕士学位论文摘要 供一些思路和方法 5 在总结本文研究工作的基础上 对今后e g r 阀仿真研究提出工作展望 关键词 e g r 阀 f e a c f d 仿真 实验 浙江人学硕上学位论文 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 浙江人学硕 上 z 何论文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 学号2 0 6 0 8 2 2 9 1 一了 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得盘 江叁堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 昌飒 签字日期 砂8 年厂月j j 自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留 使用学位论文的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和 借阅 本人授权逝至三盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 签字日期 沙矽年 导渺协 歹月蛎 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 导师签名 电话 邮编 签字日期 庐 o 够年j 码 厂日 浙江人学硕上学位论文 第 章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 汽车自1 9 世纪末诞生至今1 0 0 余年期间 汽车工业从无到有 以惊人的速 度发展 写下了人类近代文明史的重要篇章 改革开放后 中国融入了全球经济 大循环 迅速发展的国民经济使中国的汽车工业u 新月异 汽车保有量持续增长 根据最新调查研究表明 我国汽车制造业平均每年以2 4 5 的速度增长 目前的 汽车保有量已达3 0 0 0 万辆 2 0 1 0 年将达到5 6 0 0 万辆 到2 0 2 5 年 中国汽车市 场将超过美国成为世界第一大汽车市场 随着汽车的保有量的与日俱增 汽车排 气对人类健康的危害以及对环境的污染也臼甚一日 一些先进工业国家在起发展 过程中曾遭遇到的大气污染问题已有在我国重演的趋势 尤其是城市空气污染这 个问题更是突出 并且有日益加重的趋势 其主要原因是大多数汽车都集中在城 市 而月 我国的汽车排放控制技术仅相当于国外2 0 世纪7 0 年代的水平 目前 我国许多大城市的氮氧化合物 一氧化碳 碳氢化合物等都严重超标 而这些汽 车的排放污染物对人体健康的危害十分严重 l 七j 如上所述 以内燃机为动力的汽车的排放的主要污染物主要有一氧化碳 c o 碳氢化合物 h c 氮氧化合物 n o 和微粒 一氧化碳c o 是一种无 色无味的气体 它和血液中输送氧的载体血红蛋白的亲和力是氧的2 4 0 倍 c o 是与血红蛋白结合生成羟基血红蛋白 就剥夺了血红蛋白对人体组织的供氧能 力 空气中的c o 的体积分数超过o 1 时会导致人体中毒 超过o 3 时 则可在 3 0 m i n 使人致命 h c 包括未燃和未完全燃烧的燃油和润滑油蒸汽 微粒主要是指 柴油机排气中的碳烟 相对而言汽油机的排气微粒微不足道 微粒表面吸附的可 溶性有机物对人的呼吸道有害 氮氧化合物n o 是燃烧过程中形成的多种氮氧化 物 产生于燃烧室内高温富氧的环境中 其中包括n o n 0 2 n 2 0 3 n 2 0 5 等 总称为n o 在内燃机中主要是n o 约占9 5 其次是n 0 2 占5 n o 对人 体的危害主要有破坏血液输氧 肺气肿 支气管炎 瘫痪 痉挛 眼疾病等各种 疾病 严重者甚至会导致死亡 它派生的危害是光化学烟雾 n o 和h c 在对流 浙江人2 硕上学位论文第 章绪论 不畅的特殊地理环境和气温在2 4 c 以上以及日光充足的气象条件下会产生光化 学烟雾 光化学烟雾是 种毒性很大的白色烟雾 3 缶 正因为氮氧化合物n o 对 人类的危害极大 所以各国的排放法规对氮氧化合物都进行了严格的限制 下列 各表分别是美国及加州和欧盟的制定的汽车排放标准 9 1 表1 1 美国及加州1 9 9 0 年 2 0 0 0 年的排放标准 克 公里 h cc o n 0 1 9 9 0 年 美国 0 2 2 52 1 o 6 2 1 9 9 3 年 加里福尼亚洲 0 1 5 5 2 10 2 5 1 9 9 4 年 美国 0 1 5 5 2 10 2 5 1 9 9 4 年 过度性低排放汽车0 0 7 82 10 2 5 19 9 7 年 低排放汽车 0 0 4 72 1o 1 2 5 2 0 0 0 年 超低排放汽车0 0 2 51 0 50 1 2 5 表1 2 欧盟轻型汽油车排放标准 克 公里 标准 生效日期 年 c o h c n o 欧i 1 9 9 22 2 70 9 7 欧i i 1 9 9 52 2 o 5 h c n o 欧i i i2 0 0 02 3 o 20 1 5 欧i v2 0 0 51 00 10 0 8 表1 3 欧盟轻型柴油车排放标准 克 公里 标准 生效日期 年 c o h c n 0 xp m 颗粒 欧i 1 9 9 2 1 9 9 53 1 61 1 30 9 7 欧i i1 9 9 5 1 9 9 91 oo 90 5 h c n o 欧i i i2 0 0 0 2 0 0 50 6 4 o 0 8 o 5o 0 5 欧i v建议0 5o 0 5o 2 50 0 2 5 自2 0 世纪6 0 年代加州政府颁布世界上第 个车辆排放控制标准后 美国联 2 浙汀人学硕 上学位沦文第 章绪论 邦政府从1 9 7 0 年开始制订一系列车辆排放控制标准 从表1 1 中可看出 美国 联邦排放法规越来越严格 特别是新法规规定从1 9 9 8 年开始 针对美国几家主 要的发动机生产厂家包括康明斯 底特律柴油机 福特公司和通用公司等在内 规定这些发动机厂必须将其生产的柴油机的n o 排放量从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 必须降低到1 4 9 9 k w h 欧盟从1 9 7 0 年开始推行汽 车排放标准 在欧i i 标准中对h c 和n o 排放的标准是限制这两项的总和 从欧 i i i 开始对h c 和n o 的排放分别做出了限制 从表1 2 和表1 3 中分别可以看到 汽油车和柴油车的欧i v 排放标准中的n o 排放限值都降低到了欧i i i 的一半 7 1 为保护环境并满足这些日益严格的排放法规 内燃机工作者们作了大量的努 力来降低汽车排放 开发出了几种行之有效的控制方法 如三元触媒净化 推迟 点火 燃油掺水和废气再循环等 比较起来 由于废气再循环 e g r 降低n o 排放效果最为显著 而且对原机改动小 设计自由度大 因而日益受到了人们的 青睐 8 1 我国对排放法规的制定也将逐步与国际接轨 随着国内实施第三阶段排放限 值日期的邻近 排放未达到国标准要求的内燃机将不能在市场上销售和使用 开发 出符合新的排放标准要求的内燃机已成为迫在眉睫的问题 开展废气净化技术的 研究具有重要的现实意义 废气再循环技术作为降低n o 的有效措施在国外已 经得到了广泛的应用 而我国内燃机排放控制技术的研究起步较晚 与发达国家 存在较大的差距 对技术的应用研究也一直未得到足够的重视 随着我国 机动 车排放污染防治技术政策 轻型汽车污染物排放标准 和 汽车排放污染物限 值及测试方法 等法规的进一步实施 e g r 阀将成为发动机必不可少的附件 因 此 开发生产e g r 阀是汽车零部件制造业提高经济效益的又一个增长点 所以说 在国内对于e g r 技术的研究是很有必要的 而且是很有战略意义的1 8 9 1 1 2e g r 技术概述 1 2 1e g r 技术原理及其优点 e g r e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n 的缩写 技术的基本原理是将部分排气引入 3 浙r l 大学硕上学位论文第 章绪论 进气 以提高混合气中的废气成分 它是通过以下三个方面来减少n o 的形成 的 1 提高混合气的热容量 废气中含有的水蒸汽和二氧化碳等为三原子分 子气体 比热容太 可以有效地降低气缸内最高燃烧温度 抑制n o 的生成 2 降低混合气中0 2 的浓度 废气的稀释作用还可以使氧气的相对浓度下 降 从而也能降低n o 的排放 3 降低燃烧速度 由于废气中含有大量的氨和二氧化碳等接近惰性的气 体 当这些废气部分回流到进气管后起到了稀释新鲜进气的作用 使燃烧反应速 率减缓 通常 废气再循环的控制指标用e g r 率表示 e g r 率 e g r 气体流量 吸入空气量 e g r 气体流量 1 0 0 e g r 率是衡量n o 排放的重要指标 合理调整e g r 率的大小 既能降低汽 车排放污染物的含量 又不降低发动机的性能指标 根据废气进入气缸的方式 e g r 系统可分为内部e g r 系统和外部e g r 系 统 内部e g r 通过改变配气正时实现 该系统不需外加其它设备 结构简单 应用方便而且可以避免再循环废气对管道的腐蚀 有利于提高系统耐久性 但由 于是在进气行程内直接开启排气阀使废气回流 因此难以精确控制e g r 率 同时 废气未经冷却直接回流 引起混合气温度升高 这一点又有利于n o 的生成 因此内部e g r 对n o 的抑制效果并不显著 但是随着控制技术的不断提高 内 部e g r 因其简单便利日益受到青睐 外部e g r 利用专门的管道将废气引入进气歧管 使废气与新鲜充量在进入 气缸前充分混合 其中e g r 阀是外部e g r 系统控制e g r 废气量的关键部件 由于外部e g r 不但可以通过电控系统精确控制e g r 率 优化发动机性能而 且可以在外部系统中通过加装e g r 冷却器 有效降低燃烧温度 因此目前较为 常用的是外部e g r 系统 根据所使用的e g r 阀控制废气量的方式划分 目前国内外市场上出现的外 部e g r 系统主要有三种 机械式 气电式和电控式 1 们 机械式e g r 系统没有e c u 的介入 它只是依据发动机的工作温度和节气门 4 浙j 人学硕上学位论文第 章绪论 的真空度来控制其工作时机和废气再循环量的 显而易见 机械式e g r 系统的 最大优点是结构简单 成本低 容易实施 但其缺点也是显而易见的 那就是系 统缺乏柔性 一旦产品定型 其循环特性便取决于e g r 阀里面的弹簧膜片的物 理弹性系数 难以根据发动机的复杂工况做出灵活应变 因此 一般来讲 机械 式e g r 系统只能发挥出e g r 技术的部分优势 气电式e g r 系统与机械式e g r 系统的主要区别在于真空通路的控制 它采 用v c m 阀 电磁真空阀 取代b v s v 阀 在工作中 e c u 根据发动机进气温 度 冷却水温度 节气门开度和e g r 阀位置传感器送来的信号 准确计算出废 气再循环的时机和最佳控制量 然后再通过对电磁阀的控制来调节e g r 控制阀 里的真空度 从而可以根据发动机工况在一定范围内实现对e g r 率进行调整 系统柔性有了较大改善 机械式与气电式在控制对象上可以看成是同一类型 真空式e g r 阀 都 是通过控制真空室内的真空度来控制阀门的开度 电控式e g r 系统与气电式e g r 系统的主要区别在于取消了电磁真空阀及真 空控制通路 系统中的排气再循环阀的位置直接由电磁阀来控制 与气电式相比 电控式e g r 系统又具有以下优势 1 动态响应好 2 调节精度高 3 排气回流量大 4 结构相对简单 e g r 与其它类似技术相比所具有明显的优势 首先 采用e g r 技术降低 n o 排放的效果最显著 效率最高 e g r 在所有负荷条件下都可以有效抑制n o 的排放 试验研究表明 e g r 率为1 5 时 n o 排放可以减少5 0 以上 而e g r 率为2 5 时 n o 排放可减少8 0 以上 若合理地采用 热e g r 即保持高的 再循环排气温度 还可以同时减少n o 和p m 颗粒 排放 并且不会明显增 加油耗 在中低负荷时净化效果更佳 其次 采用e g r 技术对发动机的改动小 成本低 采用e g r 技术一般并不需要对发动机的燃烧室结构和喷油系统做出重 大改动 再次 采用e g r 技术的方案灵活多样 可简单 可复杂 能根据实际 需要 做出最佳选择 例如 对一般的普通发动机 可采用较简单的气动式e g r 5 浙汀人学硕上学位论文第 章绪论 若设计和匹配得当 同样可显著降低n o 的排放水平而不恶化发动机其它性能 过量的废气在循环中将会影响发动机的正常运行 特别是在怠速及低速小负 荷和发动机处于冷态运行时 再循环的废气将会明显降低发动机的性能 所以必 须合理的匹配废气再循环率 e g r 率 一般的发动机的废气再循环率随发动机负 荷变化的关系曲线如图1 1 所示 从图中可清楚地看出 废气再循环率随发动机负 荷变化的过程 既保证了车辆在行驶中的正常动力 不增加其排放 又使产生量最 少 l l i l4 1 一 图1 1e g r 率随发动机负荷变化的曲线图 1 2 2e g r 技术的国内外研究现状 从六十年代开始 美国 日本 西欧等工业化国家对汽车排气c o h c 和 n o 等有害排放物 以法令的形式规定排放标准 从而直接促进了对低污染车用 发动机和对排气净化措施的研究 e g r 技术在国外首先应用于汽油机 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e g r 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e g r 系统 如今e g r 技术 在国外的汽油车上已得到广泛应用 从七十年代后期开始 国外就有学者将研究 目标转向柴油机e g r 技术 9 0 年代初开始用于涡轮增压柴油机 到目前为止发 展非常快 但其总体应用仍不如汽油机广泛成熟 尤其是对重型柴油机 尤其是 涡轮增压柴油机 来讲 许多问题还有待进一步研究解决 1 5 1 7 1 为了解决涡轮增压柴油机在高负荷时因排气平均压力低于进气压力 废气难 以流进进气管的问题 a v l 研究所对涡轮出口装有节流阀的e g r 系统进行了试验 研究 u 本五十铃汽车公司在1 9 9 8 年推出的4 j x l t c 涡轮增压柴油机的进气管装 6 浙汀人学颁 上 学位论文第一一章绪论 有节流阀 以便于e g r 率的调节 在涡轮出口装节流阀 通过节流提高排气的平均 压力 迫使废气流入进气管 改变节流阀开度可调节高低工况的e g r 率 但节流引 起泵气的损失明显增大 对进气管节流会增加进气损失 为此推出了在进气管装文 丘里管的方案 利用文丘里管喉口的局部压力降 对e g r 管中的废气进行吸引 因 文丘里管喉口之后有较长的扩压段 进气管喉口的压力降可得到部分恢复 与装 节流阀相比 可减少泵气的损失 18 1 国外已对e g r 技术进行了较深入的研究 积累了大量的试验资料 取得了 一些实用性成果 但由于e g r 给发动机带来的影响相当广泛和复杂 牵涉到较 多的因素 另外e g r 本身的精确控制也较复杂 所以国外目前仍然十分重视完 善对e g r 的研究 主要研究方向变为e g r 与发动机各系统的优化匹配以及如何 在精确控制e g r 的前提下 尽量提高e g r 的循环率 一句话 就是要在尽可能 不牺牲发动机经济性 动力性的情况下 充分挖掘e g r 降低排放的潜力 而在 国内一些高校和科研单位已经对e g r 作了一些初步研究 这些研究仅仅停留在 实验室试验阶段 还没有取得重大的进展 在我国e g r 离实用化 商品化尚有 一段距离 1 9 2 3 1 虽然e g r 技术发展至今已取得多个方面的突破 但是到目前为止 还有下 面这一些问题亟需解决 2 4 1 1 采用e g r 系统后 若e g r 率控制不当 极易造成发动机h c 和c o 排放 量增加 燃油经济性恶化 2 在低负荷时 e g r 将影响发动机的工作稳定性 3 在高负荷时 e g r 将影响发动机的动力性 4 e g r 还可能造成发动机活塞环 气缸套等部件的磨损加剧 发动机的可靠 性和寿命可能会受到影响 5 e g r 的废气温度过高 影响发动机的充气效率 若采用e g r 冷循环 会 增加冷却系统和温度控制系统的复杂性 6 由于e g r 给发动机带来的影响卡目当广泛和复杂 牵涉的因素较多 所以对 e g r 本身的精确控制较复杂 7 各缸e g r 分配均匀性和瞬态响应性不易同时兼顾 7 浙江人学硕上学侮论文 第 章绪论 1 3 本文研究的内容 在上述一系列e g r 待解决的问题中 存在共性的问题是e g r 系统的控制技 术 主要包括控制策略和e g r 阀的结构设计 本文主要针对e g r 阀的结构设计 方面 开展数值仿真和实验研究工作 主要研究对象是真空式e g r 阀 具体工 作内容如下 1 建立数学模型 介绍e g r 阀仿真的基础理论 包括有限元理论f e a 和 计算流体力学c f d 2 膜片有限元仿真 在p a m c r a s h 软件中建立膜片仿真所需要的物理模 型 再通过划分单元 设定好边界条件及各项参数后进行仿真 并分析 仿真结果 3 流体仿真 用三维软件建立好物理模型 在f l u e n t 的前处理软件 g a m b i t 中划分好网格再导入f l u e n t 软件中设定边界条件 各项物性 参数及求解器格式 进行仿真并分析仿真结果 4 实验 建立实验台架 依据仿真的所设置的情况 进行不同边界条件下 的实验 得到实验结果 5 仿真的实验验证与e g r 阀结构优化 把实验结果和仿真结果作比较分析 总结偏差产生的原因 验证仿真的可行性与正确性 并在此基础上对不同 结构的e g r 阀进行膜片有限元仿真与流体仿真研究 得出优化结论 6 总结全文研究结果 分析研究过程中的不足 并对今后e g r 阀的仿真研 究提出展望 8 浙江人2 硕上学位论文笫 章e g r 阎数值仿真的理论基础 第二章e g r 阀数值仿真的理论基础 2 1 真空式e g r 阀基本工作原理及特性分析 本文所要仿真的真空式e g r 阀具体的结构和尺寸如图2 1 所示 i v v fi i 咱 弘曲9 o2 一i 一 式瓤协 爿 料 琶磋习 9 r 酬m i卜l 1 l 一 拍 一l 6 0 0 2 囊示位置璇月终于承平 觅瓣纲应者息2 5 m m 4 d 图2 1 真空式e g r 阀结构的具体尺寸图 真空式e g r 阀工作示意图如图2 2 所示 其具体工作过程如下 进气 图2 2 真空式e g r 阀的工作示意图 9 浙江人学硕上学位论文 第 章e g r 阀数值仿真的理论基础 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 5 m m 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e g r 阀的工作原理介绍可知 e g r 阀的工作特性可归纳如下 1 e g r 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e g r 阀的第一个工作特性 本文采用有限元软件 f e a 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 5 m m 就是 阀的开启度 根据e g r 阀的第二个工作特性 本文采用计算流体力学软件 c f d 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 2 2e g r 阀膜片动力学有限元仿真分析的数学模型 建立e g r 阀膜片动力学有限元分析的数学模型需要用到有限元的方法 有 限元方法从2 0 世纪4 0 年代初发展到现在已经非常成熟 对各种物理问题都有很 好的适应性 并且和计算机辅助设计技术好好地相结合 随着现代力学 计算数 学币n i t 算机技术等学科的发展 有限元方法将发挥越来越大的作用 2 引 1 0 浙江人学硕r l 学位沦文第二章e g r 阀数值仿真的理论基础 2 2 1 基本思想及其理论基础 本模型的基本思想也就是有限元的基本思想可以这样归纳 第一步 将表 示结构的连续体离散为若干个子域 单元 单元之间通过其边界上的结点连接 成组合体 接着 再用每个单元内所假设的近似函数分片地表示全求解域内待求 的未知场变量 每个单元内的近似函数用未知量变量函数在单元各个结点上的数 值和与其对应的差值函数表示 由于在连接相邻单元的节点上 场变量函数应具 有相同的数值 因而将它们用作数值求解的基本未知量 将求解原函数的无穷多 自由度问题转换为求解场变量函数节点值的有限自由度问题 最后 通过和原问 题数学模型 基本方程 边界条件 等效的变分原理或加权余量法建立求解基本 未知量 场变量函数的节点值 的代数方程组或常微分方程组 应用数值方法求 解 从而得到问题的解答 2 6 有限元方法的理论基础包括加权余量法和变分原理 1 加权余量法 加权余量法是有限元概念的一般化理论基础 在介绍加权余量法之前先谈下 微分方程的等效积分形式 工程技术或物理学中许多问题都以未知场函数应满足 的微分方程和边界条件的形式提出 一般可表示为未知函数万应满足微分方程组 彳 万 4 万 4 万 b 占 b 万 反 万 0 在域q 内 2 i 0 在边界r 上 2 2 域q 体积域或面积域 边界r 域q 的边界 所求的未知函数万可以是标量 也可以是若干变量组成的一个向量 微分方 程可以是单个方程或一组方程 所以式 2 1 在域q 中每一点都为零 于是有 v7 彳 万 d q 兰上 4 万 也4 万 d q 三o 2 3 浙 f 人 硕 2 学位论文第二奄e g r 阀数值仿真的理论基础 式中 v v lv 2 心 r 为任一函数向量 其个数等于方程数 式 2 3 是与式 2 1 完全等效的积分形式 若积分方程式 2 3 对任一1 都能成立 则微分方程式 2 1 必定在域内 任一点都能满足 这一结论很显然 假如在域中的任意一点或部分子域有 a 8 0 则可以找到一个函数v 使式 2 3 的积分不等于零 同理 对边界条件 2 2 有积分表达式 f i r 口 万 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 积分表达式 l v7 彳 万 d q f 石7 8 8 d r 0 2 5 对任一v 和v 都满足上式即等价于满足微分方程式 2 1 和边界条件式 2 2 式 2 5 称为微分方程的等效积分形式 而加权余量法就是等效积分形式的近似方程 在求解域q 及其边界上的任一 点都满足微分方程式 2 1 和边界条件式 2 2 将未知函数万采用近似函数 表示 万 否 m 口 n a 2 6 1 上式中 a i 待定系数 m 给定的形函数 l 待定函数的个数 在n 为有限项数的情况下 近似解不能完全满足微分方程式 2 1 和式 2 2 即产生残差 记 一r a 盹 2 7 r b n a 残差尺 月称为余量 取有限个给定的函数代替式 2 5 中任意的函数v v 有 1 2 浙扪 大学硕士学位论文第 章e g r 阀数值仿真的理论摹础 v 1 2 8 代入式 2 5 近似的等效积分形式为 杉厂a n a d f 2 工瓦7 b n a d f 0 1 2 玎 2 9 写成余量的形式 则有 l 7a r d e 2 j i 瓦2r a t 0 2 1 0 式 2 1 0 为余量的加权积分 和彬称为权函数 这就是加权余量法名称的 e h 来 由余量的加权积分为零 确定近似函数万或残量中的待定系数珥 得到原问 题的近似解 加权余量法是求解微分方程近似解的一种有效方法 由于任何对了的函数 和 可作为权函数 选择不同的加权余量 其计算方法有不同的名称 如配 点法 子域法 最d 乘法 力矩法和伽辽金法 在这里介绍一下伽辽金法 它 是将原来的形函数作为权函数 即 n j 在边界r 上 一 一也于是 式 2 9 可写为 l r a 喜m 口 d q 一工 哆b 喜m 口 f c 1 2 z c 2 一 伽辽金方法求解方程的系数矩阵往往是对称的 因此在用加权余数法建立有 限元时候 一般采用伽辽金法求解 用伽辽金法的求解的时候 一般项数越高 所得到的近似解精度就越高 2 变分原理 变分原理是有限元中弹性连续体的理论基础 在介绍变分原理之前先介绍下 泛函 泛函的定义如下 设 y 石 为给定的某类函数 如果对这类函数中的每个 函数y x 有某个数兀与之对应 则称兀为函数的泛函 记为f i n y x y x 称为自变函数 兀称为泛函数或泛函 1 3 浙江人学硕上学化论文第二章e g r 阀数值仿真的珲论基础 变分法是研究泛函数的极大值或极小值的一种方法 变分计算的目的就是把 满足具体边界条件的极值函数y y x 找出来 若泛函兀 r l y x 有变分 且在y y o x 上达到极大值或极小值 则在 y y o x 上一阶变分6 1 i 0 函数y y o 工 称为极值函数 泛函变分问题与微分方程边值问题是等价的 可证明如下 设泛函 r i y x r 2f i x 少 x y x k 2 1 2 式中 匙 y x 枷 x 孚的函数 假定泛函兀有极值 即铘 0 的条件是 铘 e 陪书舯 7 7 石 为任意的 可知泛函r l 兀 y x 在少 石 上达到极值的必要条件是 一a f 一旦f 望1 0 2 1 3 却d xr a y l 式 2 1 3 是一个微分方程 是欧拉有泛函求极值得到的 且只有一个独立 变量x 称为一维欧拉方程 微分方程式 2 1 3 的边值问题的解 等价于相应泛函式 r i y x 2 州x y x y x 出求极值问题的解 这种等价性或相关性 通常称 为变分原理 应用这种等价性 就可以把类似于式 2 1 3 的微分方程边值的求 解问题转化为相应泛函求极值的问题 介绍完泛函和变分 回到实际当中 当物体受到外力作用时 就会发送变形 如果忽略物体在加载和卸载时的能量的损失 则载荷在结构上所做的功将全部转 换为结构形变势能 而在载荷卸除后它将产生使结构恢复原状的能力 这就是能 量原理的物理依据 当结构系统是保守系统 外力在变形位移方向上对弹性体做功 则对这样的 物体在变形时所做的功 可以看成是储存在物体中的能量 称为应变能 因此 应变能可以看成是弹性体变形时 它所吸收的能量 在讨论弹性系统和能量时 1 4 浙江人学硕上 位论文第二奄e g r 阀数值仿真的理论基础 不仅要考虑外力所做的功 即应变能 对应于系统势能的 称为外力势能 虚位移是指任意的 微小的可能位移 它具有任意性 对任意物体 它受到 外力f 作用 在外力作用下 物体产生的应力为仃 假设物体发生虚位移万宰 虚位移所产生的应变为占木 在产生虚位移的同时 外力已经能够作用于物体 且在虚位移过程中 外力 保持不变 因此 外力在虚位移上所做的虚功是 w 扩 r f 2 1 4 在单位体积内 应力在虚应变上的虚应变能为 占宰 7 1 9 则整个物体的虚应 变能为 u 肌木 r a d x d y d z 2 1 5 虚位移原理表明 如果在虚位移发生之前 物体处于平衡状态 那么在虚位 移发生时 外力所做的虚功等于物体的虚应变能 即 万木 r f 肛木 r t r d x d y d z 2 1 6 而物体的势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应变能均是位移的函数 而位移又是坐标x y z 的函 数 因此物体的势能是一个函数的函数 即泛函 弹性体在外力作用下发生变形 则在所满足边界条件和协调要求的可能位移 中 使总势能为最小值的位移满足静力平衡条件 即为最小势能原理 最小势能原理表现为物体势能泛函去驻值 即势能的变分等于零 方程式 2 1 7 称为变分方程 相对于问题的微分方程提法 变分原理称为问题的泛函变分提法 采用变分法近似求解 要求在整个求解区域内预先给出满足边界条件的场函 数 通常很困难 将整个求解区域分割成若干个子域 用分片连续的场函数代替 整个域内的场函数 这就是有限元的基本思想 势能变分原理是有限元的主要理 论基础 1 5 浙江人学硕上学位论文第 章e g r 阀数值仿真的理论基础 2 2 2 基本方程 6 谚 c mm a 麦 万 该单元中任意一点 2 1 8 对于平面应力情况 万 x y l 2 1 9 v x y j 式 2 2 表示单元中任意一点 x y 的水平位移及垂直位移 4 鼢 亿2 式 2 3 表示单元中结点i 的水平位移及垂直位移 函数 f m 的选择原则 在式 2 1 8 中分别带入各结点的坐标时 将 得到相应结点的位移 故有 m 咒 单元矩阵 m 薯 y i l y 0 函数n 称为性质函数 它在有限元分析中