摘 要：废气再循环（EGR）阀是废气再循环装置中的关键部件，并对其性能和可靠性有很大影响，本文对EGR蝶阀进行了结构设计，利用计算流体动力学（CFD）软件STAR-CCM+，对EGR阀流体腔内的废气进行了模拟分析，并用实验验证了设计的正确性和模拟分析结果的合理性。

关键字：进口蝶阀

0 引言

EGR技术是目前降低柴油机NOx排放比较有效的措施之一，国内外都对这一技术进行了研究，并且已经将其成功的应用在车辆上。在废气再循环系统中，排气歧管与进气歧管通过一个安装有EGR阀的特殊通道接通，通过控制EGR阀的开度，控制参与再循环的废气量。

1 EGR蝶阀的结构设计

EGR蝶阀具有结构简单、体积小、整体产品质量轻、操作简单和启闭迅速等优点。而得到广泛应用的中线蝶阀的阀杆轴心线与阀门密封副接触面在同一平面上，并与阀体通道对称中心线垂直相交。

根据试验，锡柴的某款四冲程增压中冷发动机EGR流量最大点出现在标定工况，此时标定点的进气量为1.350×10³kg/h。依据经验最大的EGR率为15%，则由进气流量与EGR率的乘积即为EGR流量，可得到EGR最大质量流量Q_质max为2.025×10²kg/h（3.375kg/min）。从EGR排气管中排出的废气密度ρ计算方法如下：

ρ=p/RT    （1）

式中：p为排气背压，kPa；R为热力学常数，287；T为排气温度，℃或K。

利用废气密度，可将EGR最大质量流量转化为最大体积流量Q_体积max：

又因：

    （2）

其中：Q_体积max为蝶阀最大体积流量，m³/s；A为蝶阀的横截面积，m²；u为蝶阀中的平均废气流速，m/s；D为蝶阀主流孔直径，m。根据EGR的最大体积流量和公式（2）可以得到EGR阀蝶板主流孔的当量直径，故应选取直径为50.00mm的蝶阀。

EGR蝶阀的气体流量主要受阀门开度控制（气体温度和进出口压力也对其有一定的影响），当阀门两端压差保持恒定时，蝶板开度在15°～70°范围内时具有良好的线性调节特性。据流体力学的伯努利方程可以得知蝶阀的流量表达式为：

蝶阀流量最大值1.978kg/min低于最大的EGR率为15%时的流量最大值3.375kg/min，故此设计满足实际工况的需求。

实际应用中，阀门泄漏的原因一般有以下点：①阀座密封面未按要求装配或者密封面研磨的不好；②阀体内的污物致使阀门不能关严；③阀杆弯扭，使上下关闭件不对中；④阀瓣与阀杆连接不牢；⑤关闭太快，密封面接触不好或早已损坏；⑥选材不当，导致的腐蚀或者密封面经受不住高速流动介质的冲蚀以及介质冷却产生的冲蚀。

GB/T4213—92规定：当阀座主流孔的直径为50mm时，其泄漏量应为0.450mL/min也即是38.835×10^-8kg/min。

2 EGR蝶阀模拟分析

采用CFD模拟软件STAR-CCM+对EGR蝶阀的流体腔进行模拟分析。将EGR阀的几何模型（如图1）中的流体腔模型（如图2）导入STAR-CCM+中，选取物理模型并确定其边界条件（如表1所示）。

图1 EGR阀的几何模型

图2 流体腔模型

表1 设定的边界值

利用STAR-CCM+软件对EGR阀的流体腔进行模拟分析。建立的网格模型如图3所示；速度矢量场的分布如图4所示；压力场的分布如图5所示；温度矢量场的分布如图6所示。

图3 网格模型

图4 速度矢量场

图5 压力场分布

图6 收敛时的温度场分布

图3所示的多面体网格总数为452755，保证了流体腔的收敛速度和计算精度。当EGR阀稳定运行后，由图4可以看出速度矢量场分布较为均匀，且也大都达到了36.0m/s的预期速度值。

由图5可知，最高压力2.513×10⁵Pa出现在出口处的顶部过渡区，而最低压力1.013×10⁵Pa出现在电磁阀的出口处的肩部位置。

由图6可知，入口处的过渡区温度较高，最高可达到611.14K，而出口处的温度相对低一些。

3 实验验证

麦格思维特（MAXIMATOR）气体增压站以气体增压器为核心，最高设计压力可达2.10×108Pa，设计紧凑、操作简单、运行方便可靠并具有：通过调节驱动空气压力控制工作压力；达到设定压力时，增压站会自动停止运行；无能量消耗的长时间保压；通过泵进行压力补偿的优点。

恩德斯豪斯质量流量计采用一体式结构设计的多变量流量测量。其平衡双管测量系统具有抗振性强的优点；它的结构坚固，能有效抵消外部管路的压力；无需考虑前后直管段长度，安装简便。

采用MAXIMATOR气体增压站和恩德斯豪斯质量流量计对EGR电磁阀的流量和泄漏量进行测量，测量结果如下：

由图7可知，随着背压的升高流量在增大。但都远低于直径为50.00mm蝶阀的流量最大值1.978kg/min。

图7 不同背压下的流量

由图8可知，随着背压的升高泄漏量也在增大。在背压为6.5×10⁵Pa时，泄漏量为33.700×10^-8kg/min，其明显小于GB/T4213—92规定的38.835×10^-8kg/min。

图8 不同背压下的泄漏量

采用美国FLUK公司的Ti200红外热成像仪对运行的EGR阀进行实时检测。该成像仪为业内首创利用激光测距的高精度技术，实现快速精准对焦；500万像素工业级高清数码相机，提供高清现场图片；高温量程高达1200℃；可以应对恶劣工况的优化工业设计；高灵敏电容触摸屏。其所采集的实时温度记录结果如图9所示。

图9 热成像仪的检测结果

由图9可知，EGR阀工作稳定后，温度主要分布在270～330℃（也即543.15～603.15K）之间，且入口处温度比出口处的温度要高，入口处的过渡区域最高温度可达347℃（620.15K）。这与图6中理论计算的结果（611.14K）颇为接近，从而说明模拟分析结果的合理性，以及对实验的指导意义。

4 结束语

a.在给定最大流量条件下，设计出EGR蝶阀的蝶板主流孔直径为50.00mm；

b.根据蝶板主流孔直径设计计算出的EGR阀的流量和泄漏量，经试验验证均符合设计要求。

c.实验验证了模拟计算分析的结果合理性。