排气再循环(EGR)系统原理说明

1、排气再循环系统（EGR）燃烧原理：燃烧温度越高，NOx产生越多，在最适合于燃烧的点火时期点火及最经济的空燃比时，产生的NOx最多。为了减少NOx的排放，应该考虑不利于燃烧的空燃比及点火时期，可是这样又容易产生不完全燃烧，增加HC及CO的排放，还会使发动机的功率下降。可以较好地解决这一矛盾的技术称为排气再循环技术（ExhaustGasRecirculation）,缩写为EGR。EGR可使发动机排出气体的一部分重新进入进气系统，引入不活性气体（主要是CO2）到燃烧室，增加燃烧室内气体的热容量，使最高燃烧温度下降，故可抑制NOx的生成。下面简单介绍一下EGR系统的工作原理：clutchsignalE

2、GR控制系统EGR（废气再循环系统），主要用来降低废气中氮氧化合物的排放量。其原理如上图所示。ECU根据发动机转速、负荷（节气门开度）、温度、进气流量、排气温度控制电磁阀适时地打开，进气管真空经电磁阀进入EGR阀真空膜室，膜片拉杆将EGR阀门打开，排气中的少部分废气经EGR阀进入进气系统，与混合气混合后进入气缸参与燃烧，降低了燃烧时气缸中的温度，因NOx是在高温富氧的条件下生成的，故抑制了NOx的生成，从而降低了废气中的NOx的含量。EGR系统的主要元件是位于进气歧管上的EGR阀。在发动机暖机运转和转速超过怠速时，EGR阀开启，使少量的废气进入进气歧管，与可燃混合气一起进入燃烧室；当发动机在怠

3、速、低速、小负荷、及冷机时，为了避免发动机的动力性能受到影响，ECU控制EGR阀关闭。EGR阀中有一与其做成一体的EGR阀位置传感器（EVPSensor），该传感器是一电位计式位移传感器，用于检测EGR阀的实际位置，输出相应电压信号给控制器，控制器据此判断阀门是否对ECU的指令做出正确响应。同时，它的信号输出也是发动机ECU计算废气再循环流量的依据。通常，EVP传感器是一个三线传感器，一条是发动机ECU提供的电源电压，另外一条是传感器的接地线，第三条是传感器给发动机ECU的反馈信号输出线；在EGR阀关闭时产生1V以下的电压，在EGR阀打开时产生5V以下的电压。它是EGR系统中的重要传感器，一个

4、损坏的EVP传感器会造成喘车现象、发动机产生爆震、怠速不良和其他行驶性能故障，甚至检查维护（I/M）尾气测试也不正常。过度的废气参与再循环，将会影响混合气的着火、性能，从而影响发动机的动力性，特别是在发动机怠速、低速、小负荷及冷机时，再循环的废气会明显地影响发动机性能。所以，当发动机在怠速、低速、小负荷及冷机时，电脑控制废气不参与再循环，避免发动机性能受到影响；当发动机超过一定的转速、负荷及达到一定的温度时，电脑才控制少部分废气参与再循环。而且，参与再循环的废气量根据发动机转速、负荷、温度及废气温度的不同而不同，以达到废气中的NOx最低。EGR阀通常在下列条件下开启：1.发动机热机后运转。2.

5、转速超过怠速。ECM根据发动机冷却水温传感器、节气门位置传感器和空气流量传感器来控制EGR系统。日前，在北京新国际展览中心举办的2008中国国际内燃机展上，上海日野发动机有限公司展出了其满足国W排放的P11系列发动机，并且由于其采用EGR+DOC的技术方案吸引了参观者极大的兴趣。与众不同的国W机型“目前在国内的市场上，大多数国内公司的国W机型采用的都是SCR技术，在本届展览上我只看到国内朝柴有一款国W发动机采用的是EGR技术。”上海日野的总工程师孙崎在接受记者采访时说。这种情况的出现跟国内内燃机行业发展的特殊性有关系。由于国内近年来国家对于柴油发动机尾气排放的规定日益严格，并且实施进程非常快，

6、所以对于目前已经实施的国III排放，国内的柴油发动机企业都是刚刚通过一轮技术改造才完成。电控系统、4气门结构等等涉及到发动机本体结构的改造也刚刚完成，所以在针对国W的解决方案中，国内的企业大多选择了对本体机无需做大改动的SCR技术。而EGR技术由于要增加废气再循环系统，需要改动原有国III发动机的结构，再进行大量的实验才能达到标准，因而也就不被大多数企业所选择。因需而定的技术方向而对于为何在国W阶段会产生几种不同的技术方向，还要从柴油发动机的工作原理说起。柴油发动机的尾气中污染物主要有两种，即氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）。由于柴油机工作的特点，使微粒和氮氧化物两种主要排放污染物的生成环境

7、彼此对立。提高缸内燃烧温度，燃料充分燃烧时颗粒物会被降低，但氮氧化物会由于高温的环境生成较多。反之亦然，是一种此消彼长的现象。在排放标准达到欧W之前，开发设计人员在控制柴油机燃烧时，通过在两者之间进行平衡，达到氮氧化物和微粒排放都不超过限值。但排放标准提升到欧W之后，则需要机内控制结合机外后处理方式才能达标。目前被国内大多数企业所使用的SCR技术是通过强化发动机机内燃烧来降低微粒的生成，然后利用尿素溶液对氮氧化物进行机外催化氧化。而另外一种EGR则相反，在机内控制氮氧化物的生成，然后在排气阶段再减少颗粒物。同时EGR技术又可细分为EGR+DOC和EGR+DPF这两种，分别利用DOC（柴油催化氧

8、化器）或DPF（微粒捕集器）对生成的微粒进行后处理。由于DPF需要再生，DOC不需要，上海日野的国W机型采用EGR+DOC这种解决方案。SCR技术的最大缺点是需要在车上增加催化剂储存箱和催化反应器，而且需要加油站等社会配套设施提供相应的催化剂补充液。由于卡车、客车的流动性和不同地区排放标准的差异性，造成了尿素催化剂添加的不便性。而EGR技术的缺点在于改动原有欧III发动机的结构，增加废气再循环系统。由于引入废气，废气中的酸碱性物质会对发动机内部的机件产生影响，制造商必须在抗腐蚀方面进行加强。同时，由于需要控制氮氧化物生成，对燃烧过程的最高温度和持续时间都必须进行严格控制，因此对发动机效率和经济

9、性会产生一定的负面影响。“由于EGR技术有这样的制约，所以上海日野此次展出的国W发动机采用超高压燃烧，同时配合可变截面的混流涡轮增压器来增强发动机的性能。通过进一步提高燃油喷射压力，进一步提高压缩比来改进机内燃烧，这些措施的共同使用，能够使发动机在机内便同时降低颗粒物和氮氧化物，再配合DOC的使用消除少量残余颗粒可以达到国W排放标准。并且燃油经济性不会受到很大的影响。”监管问题不过，对于SCR来说，还有一个困难之处在于使用中的监管和使用者的社会责任，即使用者如果在尿素耗尽后不添加怎么办（目前国内尿素价格约9元/升，高于柴油价格）。孙崎介绍，在欧洲环保机构使用OBD（On-BoardDiagno

10、stics，中文译为“车载自动诊断系统”）来约束，其最早采用灯光提示，如果尾气不达标便不断地提示驾驶员。而在欧W阶段采用的OBD系统中则带有扭矩限制，如排放指标超过欧III限值时，发动机的功率由系统设置下降为原功率的60%70%，强制驾驶员添加尿素液或进行失效检查。而目前我国车用柴油机OBD技术和标准还刚刚起步，国家环保部刚刚在2008年7月1日实施基于17691柴油机排放限值的“车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断系统技术要求”，对于OBD系统提出了各阶段要求。“对于不需要添加消耗型尿素的EGR技术发动机，使用中比较方便，这对于长途运输行业是比较适合的。”EGR发展现状从20世纪7

11、0年代开始，国外就开始了废气再循环系统的研究，现在一些柴油车上已经安装了EGR系统，为柴油车达到欧W标准奠定了基础。对于增压中冷柴油机，通常有以下两种方式：从涡轮前取气回流到压气机后的EGR系统；从涡轮后取气回流到压气机前的EGR系统。涡轮增压柴油机的冷却再循环结构设计适宜采用前一种方式，可避免出现再循环废气污染压气机和中冷器，减少淤塞和腐蚀问题，同时避免EGR随工况变化响应滞后。由于柴油机过氧燃烧，直喷式柴油机的EGR率超过40%，非直喷式可达25%。为防止微粒产生，中、低负荷常采用较大的EGR率，全负荷不采用EGR,以保证发动机的动力性和燃油经济性。当转速提高时降低EGR率，保证较多新鲜空

12、气的进入，由实验标定测得最佳的EGR脉谱。对EGR率的精准控制多采用电子信号。根据发动机的转速信号、油泵齿条信号（即供油量）和水温信号等，按预先设定好的脉谱改变EGR率。因柴油进、排气管间压差较小，柴油机的E-GR回流管直径较大，且柴油机所需的EGR率较高，可在进气管上加节气门，低负荷时，通过进气节流达到增加进、排气管间压差。同时，采用冷EGR，可进一步降低NOx的排放。柴油机排气中的SO2会生成硫酸，对EGR系统的管路和阀门以及气缸壁面形成腐蚀，应选用高品质润滑油和低硫柴油。废气再循环对排放的影响2.2.1对NOx排放的影响废气再循环技术降低了燃烧室内可达到的最高燃烧温度，减少了进气充量，从

13、而抑制NOx的排放。实验表明，当发动机的转速一定时，废气中NOx的比例，会随废气再循环率的增加而降低。当发动机处于不同负荷时，NOx排放下降率与EGR率呈近似线性关系。较大的废气再循环率会导致柴油机动力下降，在中高负荷时，EGR率较低，在小负荷时，EGR率较高，根据不同的工况，选择适当的EGR率。2.2.2对微粒排放的影响当发动机的转速一定时，微粒排放量会随EGR率的变化而变化。一般来说，废气的引入会造成进入气缸的新鲜空气降低，易造成局部缺氧和燃料燃烧不完全，引起微粒的增加。随着EGR率的增加，发动机排出的微粒也随之增加。但实际上中、高负荷时，喷油较多，燃烧时间较短，E-GR率对过量空气系数的

14、影响较大，微粒增加幅度较大。在小负荷时，喷油较少，EGR率对过量空气系数的影响相对减弱，微粒增加的趋势也相对较小。与NOx的线性关系不同，微粒排放量增加率与EGR率关系为二次响应，因此微粒增加比例相对更大。随着废气的引入，NOx排放会降低，微粒值会升高，负荷较大的工况微粒增加的趋势很明显，应限制高负荷工况下的EGR率。同时，带有EGR系统的发动机排气微粒中的HC成分较少。需综合NOx和微粒两方面选择适当的EGR率。2.2.3对HC、CO排放的影响随着EGR率的增加，发动机尾气中HC与CO的排放变化关系较为一致，呈现上升趋势。在发动机转速一定的情况下，随着EGR率增加，HC和CO均为燃料燃烧不充

15、分所产生的排放物。当充入气缸内的废气增加，必然导致参与燃烧的氧气量相对减少，燃料燃烧条件恶化。HC排放在中高负荷时呈现增加趋势，在小负荷时呈现下降趋势。HC排放主要来自滞燃期内形成的极稀混合气，因此HC排放与滞燃期时间长短有关。负荷越低，滞燃期内形成的极稀混合气越多，发动机排气中HC的浓度越高。在同样低负荷时，废气回流率越大，加热进气的作用越明显，滞燃期将缩短，对改善HC排放有利。2.2.4对CO2及燃油消耗率的影响试验表明，当发动机的废气再循环率增加，过量空气系数有所降低，但CO2的排放量及燃油消耗率只有很小波动，基本保持不变。/P2.3EGR未来发展趋势在欧美发达国家，EGR在汽油机和轻型柴油机领域已是一种成熟的工业技术，发展方向是将其完善：如何将EGR技术与颗粒捕捉技术、电控高压喷油技术、进气富氧技术等密切结合起来，使各种有害排放物全面降低；如何实现EGR率变工况时