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基于DoE技术的增压柴油机高压循环EGR系统优化设计随着环境污染问题的日益严重，汽车发动机的研究也不断发展。
其中，基于DoE技术的增压柴油机高压循环EGR系统优化设计成为汽车工业的一个研究热点。
本文将介绍这一技术的研究背景、原理、以及优化设计方法。
一、研究背景随着汽车的飞速发展，机动车尾气排放成为城市大气污染的主要源头之一。
尤其是柴油机排放的颗粒物和氮氧化物对环境污染影响更加明显。
高压循环EGR技术是减少柴油机排放污染的有效措施之一，它可以通过在发动机的进气系统中注入一定比例的废气，有效降低氮氧化物的产生。
然而，高压循环EGR会降低发动机的燃烧效率和动力性能，因此需要进行优化设计。
二、原理高压循环EGR系统的原理是将废气通过高压泵将废气压缩到与进气道相同的压力，然后再将压缩后的废气注入到进气道中，与新鲜空气混合后进入燃烧室。
这样做可以有效地降低燃烧室中的温度和压力，从而减少NOx的生成。
然而，高压循环EGR会导致燃料进气量减少，影响燃烧效率和动力性能。
三、优化设计方法优化设计的目的是寻找一种最优的高压循环EGR系统方案，即在降低排放的前提下，最大限度地提高柴油机的燃烧效率和动力性能。
为实现这一目标，可以采用基于DoE技术的优化设计方法，该方法可以用于构建多个不同的系统方案并评估它们的性能指标。
1.因素选取通过文献调研和实验设计，确定影响高压循环EGR系统性能的关键因素，比如高压泵压力、气缸压力、废气比例和进气道长度等。
2.响应变量选取根据优化设计目标和系统性能要求，选取相应的变量作为衡量系统性能的指标，例如NOx排放量、燃油消耗量和最大扭矩等。
3.实验设计根据因素和响应变量的选取，构建完整的实验设计方案，包括因素水平、变化范围和实验次数等。
通过实验方法，获得不同方案的响应变量值并进行数据分析，得到每个因素对系统性能的影响。
四、结论基于DoE技术的优化设计方法可以有效地优化高压循环EGR 系统的性能，同时减少柴油机的尾气排放。
某汽油机EGR系统设计及优化李丹丹; 胡景彦; 宋秀英; 郭如强; 赵尤飞【期刊名称】《《汽车零部件》》【年(卷),期】2019(000)009【总页数】5页(P42-46)【关键词】汽油机; EGR; EGR均匀性; EGR系统流通性【作者】李丹丹; 胡景彦; 宋秀英; 郭如强; 赵尤飞【作者单位】宁波市鄞州德来特技术有限公司浙江宁波315100【正文语种】中文【中图分类】U464.1710 引言传统动力车的燃油经济性仍是目前各大车企着手进行技术改进的重点[1]。
EGR技术以其独特优势备受青睐。
引入EGR可以在高负荷时抑制爆震和减少燃料富集区域从而改善燃烧效率，在部分负荷时可减少泵气损失，从而提高整个发动机的燃油经济性[2,5]。
EGR系统作为引入EGR的通道，其合理的设计尤为重要。
当EGR从进气总管处引入时，各缸EGR的均匀性由EGR混合器来保证，合理的EGR混合气设计可实现较好的EGR均匀性，但该引入形式EGR的瞬态响应速度慢。
此设计中，为提高EGR的瞬态响应速度，由各个进气歧管处引入EGR。
合理的EGR系统设计需考虑两点：(1)各缸EGR均匀性，即每循环引入各缸的EGR量是否一致；(2)该系统是否能提供足够的EGR。
作者首先基于GT-SUIT及STAR-CCM+，通过一维三维耦合计算对所设计的EGR稳压腔及EGR支管进行EGR均匀性分析，得到可以满足各缸EGR均匀性的EGR稳压腔和EGR支管的设计；然后基于STAR-CCM+，对整个EGR系统进行CFD分析，获得具有所要求EGR率能力的EGR系统设计；最终完成了满足性能需求的EGR系统的设计。
1 EGR均匀性设计分析1.1 几何模型各缸EGR均匀性由以下因素决定：(1)EGR稳压腔的形状；(2)EGR各支管孔径。
为此先后做了3个设计方案，如图1所示，Case1为方案一，Case2为方案二，Case3为方案三。
图1 不同设计方案的几何模型图1中，Case1和Case2 EGR各支管孔径相同均为16 mm；Case3的EGR各支管孔径不同，一缸至四缸孔径分别为18.5、16、13.5、14.5 mm。
(一) 排气再循环(EGR)1. 排气再循环/废气再循环Exhaust Gas Recirculation (EGR)排气再循环(EGR) 系统被用来降低因燃烧温度超过816°C(1,500°F) 而产生的氮氧化合物(NOx) 的排放水平。
这一点是通过使少量废气返回燃烧室来实现的。
废气吸收一部分燃烧过程中产生的热能从而降低燃烧温度。
排气再循环系统只能在特定的温度、大气压力和发动机负荷下工作，以防止发生操纵性能故障，并提高发动机性能。
发动机控制模块(ECM) 根据以下输入信号来计算所需的排气再循环量：发动机冷却液温度(ECT) 传感器进气温度(IAT) 传感器大气压力(BARO)进气歧管绝对压力(MAP) 传感器节气门位置(TP) 传感器空气流量(MAF) 传感器2. NOx的生成机理及控制NOx的主要成分是NO，有少量的继续氧化产物NO2。
NO是在高温燃烧下（大于2200K），由分解的氧原子和氮原子发生反应而生成的，故NO的生成量在很大程度上取决于燃烧温度，此外还与O2的体积分数直接相关。
在稀燃时，O2体积分数足够大，NO的生成主要取决于燃烧温度；在浓混合气条件下，NO的生成量主要取决于O2的体积分数。
所以，NO体积分数最大点应该出现在混合气略稀、火焰燃烧温度较高的工况点，即过量空气系数（Lambda）在1.1～1.3的区域内，燃烧温度很高的过浓混合气区和O2体积分数大的过稀混合气区都不会产生很高的NO体积分数。
从NO的生成机理可以看出，为了降低发动机NO排放量，可以采取降低燃烧室峰值火焰温度，降低NO生成阶段的O2体积分数，缩短燃烧气体在高温下的滞留时间等3种方法。
显然，O2体积分数的下降使燃烧恶化，限制HC和CO的进一步氧化，这将导致发动机的热效率下降，同时不利于HC和CO的排放。
因此，提高发动机的指示指标及改善发动机HC，CO排放与改善NOx排放之间存在着矛盾，应综合考虑这些因素，并给予必要的折中。
EGR设计指南
一、EGR分类
二、EGR系统的工作原理
三、EGR系统的构成
四、EGR的标定
五、附件——关于493系列柴油机的EGR
一、 EGR的分类
目前EGR主要分为：（1）机械式；（2）电子机械式；（3）电子式。
（1）机械式----直接用真空度来控制EGR
阀门的开启。
（如右图、下图a）
汽油机可以取节气门后的真空度，而柴油机
可以直接从真空泵取真空度来控制EGR的开启。
这种方式工作较粗糙，各种工况分辨率不高、
不细。
a.机械式
（2）电子机械式---- ECU通过整车的工作状况（主要是转速、负载、水温等），向真空电磁阀发出信号，从而控制EGR阀门的开启量。
（如下图2）电子机械式又分为两种形式：1）开式；2)闭式。
1）开式：EGR工作后，标定的值可能和实际的阀门开度值有出入，ECU并没有根据标定的值对实际开度值进行修正。
2）闭式：EGR工作后， ECU根据反馈回ECU的信息，调用标定时相同工况下的值不断的对实际的阀门开度值来进行修正。
b.闭式电子机械式
（3）电子式----在电子机械式的基础上，取消了真空电磁阀的控制，全部由ECU根据实际工况来进行控制。
（如下c图所示）
C.电子控制式
二、 EGR系统的工作原理
EGR(废气再循环)这种使废气重新进入燃烧室并与新鲜空气一起再次燃烧的方法是一种有效降低排放(尤其是氮氧化合物)的措施。
由于NOx产生的条件有二个：一是高温，二是多氧，将一定的燃烧后废气通过控制阀引入进气管与新鲜气体混合后进入气缸燃烧，这一部分惰性废气可减缓燃烧速度、降低最高燃烧温度，起到减少 NOx的作用。
这就是氮氧化合物会减少的主要原因。
另外，提高废气再循环率会使总的废气流量(mass flow) 减少，因此废气排放中总的污染物输出将会相对减少。
EGR 的应用容易实现，对发动机改动很少，技术要求不高，但是它将导致动力经济性的下降，如果匹配不当还会造成 CO、HC的增加。
从本质上说 EGR系统的任务就是使废气的再循环量在每一个工作点都达到最佳状况，从而使燃烧过程始终处于最理想的情况，最终保证排放物中的污染成份最低。
由于废气再循环量的改变对不同的污染成份可能产生截然相反的影响，因此所谓的最佳状况往往是一种折衷的，使相关污染物总的排放达到最佳的方案。
比方说，尽管提高废气再循环率对减少NOx 的排放有积极的影响, 但同时这也会对颗粒物和其他污染成份的减少产生消极的影响。
由上可知EGR不是所有工况都工作，而是：①低速，水温低于20℃时废气不循环，防止失速或冒黑烟现象的产生；②高速、中负荷时一般具备了产生NOx 的条件，EGR阀投入工作，控制NOx排放的污染值。
下图d所示是NO产生的一些条件和化学反应过程，以及和NO相关因素的曲
线图。
d.NO的相关曲线
三、 EGR系统的构成
动力源
真空源（负压）或气源（正压）给EGR阀提供驱动力
真空或气压调节器
EGR真空或气压调节器为电磁式开关阀，其作用是控制加在EGR阀密腔内的真空或气压。
该电磁阀由控制器（ECU）控制，电磁线圈通电时，阀门打开，于是进排气口之间的通道便接通。
EGR阀
该阀位于进气歧管，其作用是使一定量的废气流入进气歧管进行再循环。
EGR阀膜片的一侧连接一根枢轴杆，另一侧与弹簧相连(弹簧使阀门保持常闭)。
当加在膜片上的真空压力（或气压）大于弹簧力时，枢轴杆被拉离原位，通道打开，使废气进入再循环系统。
再循环的废气量与进气量直接相关。
EGR阀升程传感器
该传感器利用由一个柱塞推动的电位计向ECU传送ECR阀的实际升程信
号。
ECU可据此判断EGR阀是否处在最佳升程量并进行控制。
ECU及传感器
ECU是EGR系统的控制核心，一方面根据传感器的信号判断发动机的实际工况，另一方面将其与MAP相比较，输出并控制EGR阀的相应开度，使EGR阀开度与发动机工况相适应。
传感器主要有:温度、油门位置、发动机转速和EGR阀升程等传感器。
它们是用来反应发动机的实际工况，ECU据此查MAP并输出与之相应的控制量。
四、 EGR的标定
（1）其标定过程简述如下：
1）整车做第一次原机的排放试验，排放过程中使用标定程序进行监控。
2）监控过程确定加速段、匀速段等在MAP图上的工作区间。
3）根据测量结果来确定MAP图中的数据。
4）经过反复修改使排放值到达最优化。
为了保证整车的动力型和经济型，EGR阀一般都设在城市工况下多开一些（大的EGR率），城郊工况下少开，高速阶段不开。
急加速阶段一般不加废气。
保证生产一致性的方法是，发动机批量出厂时的状态（各种状态）应和试验标定时的样机状态一样。
EGR系统在整车上标定后对发动机的性能不会影响（但细节上不可避免的会有所变化）。
（2）标定的map图（如下图）
说明：横坐标为油门位置信号
纵坐标为转速信号
表格内的值为EGR的开度值
根据程序要求所有数值均转换成0－255
五、附件——关于493系列柴油机的EGR
目前国内欧2以上4JB1系列柴油机大都加了EGR,主要采用了机械式和电子机械式两种EGR。
机械式的EGR工作粗糙，经常发生焦蚀卡死、不通，所以作用不是很大。
对于2008年之前欧2法规检测不是很严的情况下，机械式可以投放市场；但是对于2008年以后欧3法规的严检，我个人认为我们还是必须得采用电子机械式、。
