车用柴油机废气再循环系统

车用柴油机废气再循环系统(EGR)技术浅析

东风朝阳柴油机有限公司李志广、赵玲关键词:EGR的工作原理；EGR率；车用柴油机EGR的控制;EGR脉谱(MAP)；NOx排放控制摘要：介绍内燃机废气再循环(EGR)的工作原理、EGR率、柴油机的典型EGR脉谱(关键词:EGR的工作原理；EGR率；车用柴油机EGR的控制;EGR脉柴油机具有高热效率、大功率等特点，有着良好的经济性和可靠性，在汽车领域得到了广泛的应用。随着柴油车的增多，柴油机废气对环境造成的污染问题日益突出。内燃机的有害排放物主要是HC、CO、NOx和微粒，柴油机的CO和HC排放量比汽油机少的多，由于柴油机燃烧过程中的混合气成分不均匀，局部燃烧温度较高，生成大量的NOx，NO,与汽油机在同一数量级，因此，柴油机的排放重点是降低NO,。废气再循环(EGR)技术可有效的降低柴油机的NO,排放，日前欧洲大多数轻型柴油车均采用EGR技术来降低NO,排放，国内随着对柴油机排放指标的要求越来越严格，EGR技术也越来越受到重视。1废气再循环(EGR)系统的工作原理废气再循环(EGR)系统是在保证柴油机动力性不降低的前提下，根据内燃机的温度及负荷大小将柴油机排出的废气的一小部分再送回气缸参与燃烧。由于柴油机中富余的氧气较多，而废气中的氧含量很低，含有大量的N2、co2和水蒸气，这三种气体很稳定，不能燃烧，并且可以吸收大量的热量；当这部分废气经过EGR控制阀还流回进气系统与新鲜空气混合后，稀释了新鲜空气中的氧浓度，导致气缸内氧气浓度降低，使燃烧速度减慢。这两个原因都使燃烧温度下降，从而减少有害成分NOx的形成，EGR系统是控制NOx排放的主要措施。2EGR率EGR率指废气再循环量在进入气缸内的气体中所占的比率，即：EGR率二［EGR废气还流量/（进气量+EGR废气还流量）］X100%图1所示为发动机工作时，HC、CO、NO,、比油耗等指标随着EGR率的增加，NO,的含量将迅速下降。HC+CO0EGR（%）图1EGR率发动机采用较高的EGR率以后，虽然有效的降低了NO,的含量，但却在一定程度上使的发动机的动力性、经济性恶化，HC、CO排放增加。例如：在发动机起动、怠速工况使用EGR使发动机起动困难、燃烧不稳定甚至导致缺火；发动机正常工作时，随着EGR率的增加，将使混合气燃烧不稳，油耗增加，HC、CO排放增加；发动机在全符合工作时的最大输出功率会有所下降。为了使EGR系统能够更有效的发挥作用，保证发动机的动力性能，其关键在于根据发动机的温度及负荷的大小来控制EGR率，使之在不同的工况下得到各种性能的最佳折中，实现减少NOx生成量的控制目标。废气再循环阀的开度随发动机负荷的增大而增大，当满足下列条件之一废气再循环阀将关闭：⑴、发动机起动时；⑵、发动机怠速时；⑶、发动机水温低于70°C时；⑷、发动机转速低于900r/min或高于3200r/min。当不满足上述条件时，电子控制装置（ECU）将根据发动机转速和进气量确定EGR率，控制废气再循环阀开度。实践证明，EGR率最好控制在5%〜20%范围内，并同时对点火提前角、空燃比等做必要的调整，使EGR对发动机对性能产生尽可能小的影响下，有效的降低HC的排放。此外，为了精确控制EGR率，最好才用电子控制装置（ECU）来控制EGR阀系统。为了提高降低NOx的排放效果，可采用中冷EGR，把再循环的排气加以冷却，可以使进入缸内的新鲜空气的损失减少，从而避免了大负荷燃油经济性和排气烟度的恶化。3柴油机的最佳EGR脉谱（昭?）为了满足不同工况的动力性与经济性的要求，发动机要求在多种工况间不断切换。实践证明，发动机的不同工况对废气再循环EGR）量的要求也不同。对于轻型车或轿车用柴油机来说，常用于中小负荷工况（排放法规定的测试工况测试也以中小负荷为主），这时柴油机平均空燃比很大，可以采用较大的EGR率，所以采用EGR降低NOx，排放的效果较显著。对于重型车用柴油机来说，平均使用负荷较高，而大负荷时空燃比较小，不可能采用较大的EGR率，所以采用EGR降低NO排放的X效果较小。图2表示车用柴油机的典型EGR率Xe脉谱。对轻型车用柴油机来说，主要在低速、低负荷领域进行EGR。对于重型车用柴油机，除全负荷的很小范围外，几乎在整个工况领域均进行EGR。大负荷下用EGR会降低柴油机本来就较低的平均空燃比，使微粒排放增加。在较高的转速下用EGR，也会造成类似的问题。所以最佳的EGR率xe脉谱，要全面考虑NOx和PT排放，并通过标定实验确定。4车用柴油机废气再循环（EGR）的控制柴油机的EGR控制比较复杂，尤其是增压柴油机，一般均采用电子控制。其控制也是分开环控制和闭环控制。（1）、开环控制开环控制一般基于脉谱（MAP）的控制，即通过实验来确定柴油机的典型工况下，达到排放要求的最佳EGR率。这种方法控制简单，目前应用较为普遍，但其准确性依赖于各种工况下的MAP图的准确制取，同时动态的相应比较慢。较典型的开环控制为对混合气的成分加以考虑，根据不同的转速、负荷条件，由进气和排气中的氧气浓度来确定最优的EGR率。如图3所示，电子控制装置（ECU）根据柴油机的转速、负荷，以及进气和排气中的氧气的浓度、温度等传感器的输入信号，按照标定的EGR脉谱对EGR阀、进气节流阀、执行机构进行控制。EGR阀可以是一个真空阀，由电子控制装置（ECU）通过对一个独立的真空源产生的真空度加以调整，来控制真空度的开度，EGR阀也可以是一个电磁阀，由电子控制装置（ECU）通过电信号直接控制。（2）、闭环控制闭环控制可以选择基于排气背压的闭环控制，也可以选择基于排气氧传感器的闭环控制。基于排气氧传感器的闭环控制，选取对发动机性能影响最大的两个参数一进气中和排气中氧气的浓度。基于过量空气系数的EGR控制，是通过过量空气系数来间接测量的排放量，其受EGR律的影响大，可作为EGR闭环控制的反馈信号。闭环控制可以实时根据工况的变化自动调整EGR量，使其达到最佳，因此它比开环控制的效果更好，但其结构也比较复杂。5由废气再循环(EGR)弓|起的异常磨损由于柴油机含有硫份，排气中会生成SO2，最终可能会生成硫酸(H2SO4)，这对系统的管路、阀门及气缸壁面会造成腐蚀，并使润滑油劣化;排气中的微粒还流回气缸，易附在摩擦面上或混入润滑油中。这些都会导致气缸套、活塞环及配气机构的异常磨损。在EGR率为20%时，第一道活塞环和气缸套道磨损量是EGR时的4〜5倍。为了防止磨损，必须降低柴油的含硫量，欧美日等国已将柴油中的含硫量降至0.005%以下。润滑油也应作相应改进，缸套等部件的材料也应考虑耐腐蚀和耐磨损的问题。结束语为了满足更高的排放标准应大力发展车用柴油机EGR技术，由于再循环废气的引入会对柴油机的性能和排放造成一定影响，所以需要对各个工况的最佳EGR率进行细致的匹配，使发动机的综合性能达到最佳状态。在采用EGR技术的同时，对回导的废气进行冷却，即采用中冷EGR，效果最好。采用EGR技术后，相关部件的磨损加大，使用时应充分重视。参考文献：汪卫东.现在汽车排放及控制技术综述.内燃机，2004,(5).杨帅、姚喜贵.EGR结合体外净化技术降低柴油机排放的研究.车用发动机，20