一种发动机EGR流体模拟试验台的制作方法

本发明涉及发动机试验技术，具体涉及一种发动机EGR流体模拟试验台.

背景技术：

近年来基于EGR稀释的内燃机高效清洁燃烧技术成为业内研究热点，并在节能减排领域具有较大潜力，其中EGR系统设计与发动机性能匹配成为该技术应用的重要基础。EGR系统主要有EGR控制阀、EGR中冷器、EGR管路等组成，但根据发动机工况特点以及EGR的安装位置则呈现出非常复杂的特点。根据与发动机进气增压系统的相对安装位置划分，EGR系统分为高压EGR系统与低压EGR系统；根据与发动机三元催化器等尾气排放装置的相对安装位置划分，EGR系统分为净端EGR系统与脏端EGR系统；根据是否增设中冷器又分为热EGR系统与冷EGR系统；国外还提出了DEGR系统及多级增压EGR系统的设计。同时考虑发动机宽阔复杂的工况范围以及VVT、艾金森循环等其他发动机技术的应用，EGR技术在发动机上应用面临诸多问题与挑战。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测试功能多、测试数据准确的发动机EGR流体模拟试验台。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种发动机EGR流体模拟试验台，所述试验台包括用于模拟发动机排气的排气模拟单元、EGR中冷器、用于模拟发动机进气的进气模拟单元、模拟气缸单元以及数据采集控制单元，所述排气模拟单元与EGR中冷器连接，EGR中冷器的出口气体与进气模拟单元的出口气体混合后进入模拟气缸单元，排气模拟单元的气体与模拟气缸单元的出气进行热交换。

本发明试验台废气无需化石燃料燃烧获取，而是通过空气与CO2按一定比例混合以及混合气加热模拟废气，加热方式采用电热管加热，气体最高温度可达300℃，此设计有利于试验零排放污染以及排除气体燃烧的不可控性的因素。

所述的排气模拟单元包括二号风机、CO2储气瓶、混合调压装置以及二号三通连接件，所述二号风机将空气送入混合调压装置中，所述CO2储气瓶中的气体通过换热器与所述模拟气缸单元的出气进行热交换后进入混合调压装置，所述混合调压装置的气体出口与二号三通连接件的入口连接，混合调压装置的一个出口与EGR中冷器连接，另一个出口与混合调压装置循环连接。

所述的混合调压装置中设有二号温度传感器、二号压力传感器以及电加热丝。

所述的EGR中冷器的壳程与水箱循环连接，并在连接管路上设置水泵和二号流量计，所述EGR中冷器的管程入口与进气模拟单元连接，出口通过EGR阀与进气模拟单元连接。

所述的水箱的进口和出口均设有一号温度传感器，水箱的内部设有电加热丝。试验台配置了可调温水箱及进出口管道、水泵、流量计等装置，可用于试验测试中冷器冷却效果。同时EGR阀体开度控制可由控制器程序与数采机箱I/O接口进行控制，从而可实现可变EGR率的动态试验。

所述的进气模拟单元包括依次连接的一号风机、一号稳压箱、节气门和一号三通连接件，所述一号三通连接件的另一个气体入口通过EGR阀与EGR中冷器的管程出口连接，一号三通连接件的气体出口连接模拟气缸单元。

本发明试验台中通过一号三通管和二号三通管取代发动机进排气系统，便与观察流体流动情况，其材质为耐高温有机玻璃，化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，是由甲基丙烯酸酯聚合成的高分子化合物，最高温度200摄氏度，最大耐高压25Mpa。所有的连接管路上均设有可开闭的示踪粒子注射口。设置示踪粒子注射口，将示踪粒子注射入管路中，可以通过PIV设备观察管路中气体的流动情况，便于研究汽车发动机排气系统和进气系统中管路结构对气道流动的影响。

所述的气缸单元包括透明缸套、设置在透明缸套顶部的缸盖、设置在透明缸套底部的二号稳压箱、与二号稳压箱连接用于回收示踪粒子的过滤器以及与过滤器连接用于预热进气模拟单元中气体的换热器，所述缸盖与一号三通连接件的气体出口连接。

所述的数据采集控制单元包括用于控制进气模拟单元和排气模拟单元中气体流量的控制器、用于查看管路中示踪粒子运动轨迹的PIV设备、用于测试各管路中气体浓度的排气分析仪以及用于收集进气模拟单元、排气模拟单元和EGR中冷器中温度、压力、流量数据的数据采集箱，所述PIV设备、排气分析仪和数据采集箱均与控制器连接。试验台采用了大量流量计传感器与温度计传感器，相关传感器通过信号线传输至数采机箱，并最终导入控制器进行处理，控制器根据传感器参数合理地调整管道系统的流量与温度，实现自动化控制。

所述的PIV设备设有摄像头。设置PIV设备们可以测量滚流比与流量系数，从而开展分层EGR等基础课题的科学研究。

本发明的试验台可以支持以下几种EGR率测试方法：

(1)CO2浓度测试EGR率:

本试验台可通过CO2按照一定比例与大气混合的方式模拟废气，并通过排气分析仪来测量CO2的浓度。根据浓度的变化来测量EGR率，设外界大气中CO2比例为R1，模拟废气中CO2的比例为R2，在进气道混合后的CO2浓度为R3，模拟废气EGR率计算公式如下：

EGR Rate＝(R3-R1)/(R2-R1)*100％。

一般二氧化碳(CO2)约占大气组分的0.031％，为了更高的精确度，建议模拟废气中CO2浓度设置高一些，但从试验成本及CO2使用量角度考虑也不宜CO2浓度设置的太高。

(2)流量计测量EGR率

本试验台可以通过精确的流量测量实现EGR率的计算，使用该方法则可以不需要加入CO2模拟废气。设进气道空气流量为M1，流经EGR阀的流量为M2，则EGR率的计算公式如下

EGR Rate＝M2/(M1+M2)*100％。

(3)温差测量EGR率

当模拟废气的温度较高时，本试验台可以利用热力学第一定律通过温差计算求解EGR率，为了提高实验精度。设进气道气体压力和温度为Ti，模拟废气的压力和温度为Te，混合后的气体压力和温度为Tm，则EGR率的计算公式为

EGR rate＝(Tm-Ti)/(Te-Ti)*100％。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：本发明是应用于动力机械及工程学科领域的试验测控平台，可有效模拟发动机进排气系统的流体运动，并结合EGR系统模拟边界条件开展不同工况下的废气再循环模拟试验，有助于促进发动机流体试验创新，有助于促进发动机EGR系统研究，具备丰富的试验功能，可用于EGR循环模拟、进排气道流量系数测量、EGR率测量与控制、气流运动及组织形式研究。

附图说明

图1为本发明的连接示意图。

其中，1为一号风机，2为一号流量控制阀，3为一号稳压箱，4为一号压力传感器，5为节气门，6为一号流量计，7为一号三通连接件，8为缸盖，9为透明缸套，10为二号稳压箱，11为过滤器，12为换热器，13为CO2储气瓶，14为二号流量控制阀，15为二号风机，16为三号流量控制阀，17为混合调压装置，18为二号压力传感器，19为二号温度传感器，20为二号三通连接件，21为回流阀，22为EGR中冷器，23为二号流量计，24为水泵，25为三号流量计，26为水箱，27为一号温度传感器，28为EGR阀，29为数据采集箱，30为控制器，31为PIV设备，32为摄像头，33为排气分析仪。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种发动机EGR流体模拟试验台，试验台包括用于模拟发动机排气的排气模拟单元、EGR中冷器22、用于模拟发动机进气的进气模拟单元、模拟气缸单元以及数据采集控制单元，排气模拟单元与EGR中冷器22连接，EGR中冷器22的出口气体与进气模拟单元的出口气体混合后进入模拟气缸单元，排气模拟单元的气体与模拟气缸单元的出气进行热交换。

本实施例试验台废气无需化石燃料燃烧获取，而是通过空气与CO2按一定比例混合以及混合气加热模拟废气，加热方式采用电热管加热，气体最高温度可达300℃，此设计有利于试验零排放污染以及排除气体燃烧的不可控性的因素。

排气模拟单元包括二号风机15、CO2储气瓶13、混合调压装置17以及二号三通连接件20，二号风机15将空气送入混合调压装置17中，CO2储气瓶13中的气体通过换热器12与模拟气缸单元的出气进行热交换后进入混合调压装置17，混合调压装置17的气体出口与二号三通连接件20的入口连接，混合调压装置17的一个出口与EGR中冷器22连接，另一个出口与混合调压装置17循环连接，并在循环管路上设置回流阀21。CO2储气瓶13和二号风机15与混合调压装置17的连接管路上分别设置二号流量控制阀14和三号流量控制阀16，设置换热器12是为了通过模拟气缸的尾气去预热CO2气体，节约能量。

混合调压装置17中设有二号温度传感器19、二号压力传感器18以及电加热丝。

高压CO2储气瓶13和二号风机15共同作用模拟废气，两者可通过二号流量控制阀14、三号流量控制阀16调节气体组分的比例，在不通过排气分析仪测量CO2浓度时，二号流量控制阀14关闭。另外二氧化碳的临界温度为31.2℃左右，临界压力是7.38MPa，就是说，温度高于31.2℃，压力再大也不会液化；二氧化碳液化临界点为27℃，6.7MPa，20℃，5.7MPa 10℃，4.5MPa。需要高压CO2储气瓶中温度和压力保持在非液化条件。混合调压装置17主要通过二号压力传感器18和二号温度传感器19测量控制废气压力，而且混合调压装置17内置电加热丝，可对废气进行加热，从而模拟不同温度废气。废气通过二号三通连接件20对外输出废气，该连接件可用于观察废气分流情况，且部分废气可通过回流阀21回流至混合调压装置17。以上部件与EGR中冷器22、EGR阀28共同构建了发动机排气管路。

EGR中冷器22的壳程与水箱26循环连接，并在连接管路上设置水泵24和二号流量计23，EGR中冷器22的管程入口与进气模拟单元连接，出口通过EGR阀28与进气模拟单元连接，且EGR中冷器22与EGR阀28的连接管路上设置三号流量计25。

水箱26的进口和出口均设有水箱27，水箱26的内部设有电加热丝。试验台配置了可调温水箱26及进出口管道、水泵24、流量计等装置，可用于试验测试中冷器冷却效果。同时EGR阀28体开度控制可由控制器30程序与数采机箱I/O接口进行控制，从而可实现可变EGR率的动态试验。其中水箱自带电加热丝可控制水温，一般发动机水温为80～100℃。本试验台可实现水温20～100℃范围控制。

进气模拟单元包括依次连接的一号风机1、一号稳压箱3、节气门5和一号三通连接件7，一号风机1和一号稳压箱3之间的连接管路上设有一号流量控制阀2，一号稳压箱3上设有一号压力传感器4，一号三通连接件7的另一个气体入口通过EGR阀28与EGR中冷器22的管程出口连接，一号三通连接件7的气体出口连接模拟气缸单元。

一号风机1由于模拟进气，气压范围为0.1～0.3Mpa，一号流量控制阀2用于微调整气压压力，一号稳压箱3用于稳定进气压力，一号压力传感器4用于监测稳压腔压力。节气门5为发动机实际节气门，可根据不同发动机型号选择，用于模拟控制进气流量，一号流量计6用于测量进气流量，一号三通连接件7用于观测进气与排气混合情况，根据发动机具体布置及管路参数设计。缸盖8可为实际缸盖也可以根据几何参数通过3D打印机打印出进排气歧管及燃烧室顶部，透明缸套9可用于观测缸内气体流动情况。二号稳压箱10用于避免压力波动应该缸内气流运动，过滤器11实现颗粒物的搜集再利用(主要是用于示踪粒子搜集回收)，换热器12主要用于热EGR试验时，对模拟排气CO2进行初步加热，节约能量。以上部件共同构建了发动机进气管路。

本实施例试验台中通过一号三通管和二号三通管取代发动机进排气系统，便与观察流体流动情况，其材质为耐高温有机玻璃，化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，是由甲基丙烯酸酯聚合成的高分子化合物，最高温度200摄氏度，最大耐高压25Mpa。所有的连接管路上均设有可开闭的示踪粒子注射口。设置示踪粒子注射口，将示踪粒子注射入管路中，可以通过PIV设备31观察管路中气体的流动情况，便于研究汽车发动机排气系统和进气系统中管路结构对气道流动的影响。

气缸单元包括透明缸套9、设置在透明缸套9顶部的缸盖8、设置在透明缸套9底部的二号稳压箱10、与二号稳压箱10连接用于回收示踪粒子的过滤器11以及与过滤器11连接用于预热进气模拟单元中气体的换热器12，缸盖8与一号三通连接件7的气体出口连接。由于示踪粒子对环境具有一定的危害，所以测试结束后，试验台中的气体排空之前需要对示踪粒子进行回收，这就需要过滤器11完成。

数据采集控制单元包括用于控制一号流量控制阀2、二号流量控制阀14和三号流量控制阀16开度的控制器30、用于查看管路中示踪粒子运动轨迹的PIV设备31、用于测试各管路中气体浓度的排气分析仪33以及用于收集进气模拟单元、排气模拟单元和EGR中冷器22中温度、压力、流量数据的数据采集箱29，PIV设备31、排气分析仪33和数据采集箱29均与控制器30连接。试验台采用了大量流量计传感器与温度计传感器，相关传感器通过信号线传输至数采机箱，并最终导入控制器30进行处理，控制器30根据传感器参数合理地调整管道系统的流量与温度，实现自动化控制。

PIV设备31设有摄像头32。设置PIV设备31们可以测量滚流比与流量系数，从而开展分层EGR等基础课题的科学研究。