egr技术在汽车尾气排放中的应用

egr技术在汽车尾气排放中的应用

一、柴油化趋势对基因排放的影响发动机具有低油、高效率的特点，具有良好的经济和动力性。根据实验，比汽油车更节能18%28%。由于低于油量，比汽油车更能节省33%40%的燃油成本。因此,现代技术的柴油机正逐渐成为欧美发达国家的主要车用动力,而本世纪车用动力的柴油化趋势也已经成为国际汽车界的共识。但柴油机排放技术的研究落后于汽油机也是不争的事实,高的NOx排放一直是阻碍车辆柴油化的瓶颈。为了解决氮氧化物的排放问题,从机内净化的角度入手,国内外内燃机工作者们做了大量的研究工作,并提出了多种控制措施,如采用废气再循环(EGR)技术、推迟喷油提前角、使用多次喷射、采用高压共轨喷射系统等。其中尤以废气再循环技术的排放效果最为显著,且得益于它对原机改动小,设计自由度大的优点,目前已被广大汽车厂商广泛采用。近年来,由于人们对于环保问题日益重视,排放法规也越来越严格。在我国,北京已于2008年3月1日已经率先使用国四排放标准,全国其他地区也将于2010年迈入国四标准。这些对于EGR技术提出了更高的要求,冷却的EGR系统以其更优的排放质量已经成为了满足排放标准的必要机内净化措施,并已成为国内外汽车发动机满足排放法规的必备装备。二、冷却的egr技术研究表明,高温富氧是汽车尾气排放中NOx主要的产生条件,废气再循环(EGR)技术的基本原理是将部分排气引入进气管,以提高混合气中的废气成分,这样一来,废气对新气的稀释作用意味着降低了氧浓度,破坏了富氧的条件;另一方面,由于废气中含有的水蒸气和二氧化碳等三原子分子,比热容大,可以有效地降低气缸内的最高燃烧温度,破环高温的条件,从而达到降低NOx含量的目的。然而,直接将废气送入进气管的EGR技术增加了进气温度,降低了燃烧效率,因此也降低了燃油的经济性,同时提高了最高燃烧温度,又使NOx的排放量增加。基于此缺点提出的冷却的EGR技术是将再循环废气经冷却器冷却后,再送入进气端,进一步降低进气温度,更有利于降低NOx的排放,同时也改善了燃油的经济性。研究表明:冷却的EGR技术对于NOx,PM的排放以及燃油的消耗率都有积极的影响(如图1所示)。冷却的废气再循环技术并不要求过低的冷却温度,因为过低的EGR温度不仅会导致水蒸气和硫化物的凝结,造成汽缸壁的腐蚀和磨损,而且会导致EGR冷却器尺寸增大,成本增加。另外,还有学者提出:当EGR率较小时,EGR冷却与否对发动机的燃油经济性影响相当,但当EGR率超过7%之后,冷却的EGR对发动机的燃油经济性带来不利影响,而在此范围内,冷却与非冷却对于氮氧化物的排放浓度的影响几乎一致,即没有明显降低氮氧化物的排放却牺牲了燃油的经济性。于是,又有学者对于不同负荷下的EGR冷却温度进行了研究,并设计了EGR冷却温度的控制装置,根据不同的工况,自动控制EGR冷却温度,从而更进一步的降低NOx的排放。三、egr冷却器的性能要求和类型1.冷却条件的要求EGR冷却器是一种换热器,选型的标准很多,最基本的涉及待处理流体的类型、操作压力、温度、热负荷和费用等。另外,用于对废气进行冷却的EGR冷却器不仅要满足热交换器的基本要求,还要满足它自身冷却温度不能过低的特殊要求。过低的冷却温度将使排气中的水蒸气凝结,与排气中的含硫化合物结合形成酸,造成对冷却器及连接管路的酸性腐蚀,降低冷却器的寿命与可靠性。由于EGR冷却器的冷却对象是温度较高的再循环废气,要求冷却器在较小的换热面积下实现大的热量传递,而且必须尽可能提高废气再循环冷却器的冷却效率,同时还要适应发动机振动大的特点。此种工作条件下对冷却器的要求是:(1)冷却器要耐高温、耐腐蚀;(2)体积小、散热效率高、压力损失小、能防堵塞。2.光管式egr冷却器的设计综合考虑以上性能要求,目前应用到EGR冷却器的换热器可以分为两种形式:管壳式换热器和板翅式换热器。管壳式换热器是最传统的通过壁面进行换热的装置,它的研究与发展也最健全,而且得益于管壳式换热器易于制造,生产成本低,选材范围广,传热表面清洗较方便,适应性强,处理量大,具有高度工作可靠性,能承受高温、高压等优点,很好的满足了EGR冷却器的基本工作要求,成为了EGR冷却器最常见的方式,目前可见的管壳式EGR冷却器有以下四种形式:光管式EGR冷却器、螺纹管式EGR冷却器、翅片式EGR冷却器、螺旋折流板式EGR冷却器。另外,板翅式换热器作为高效换热器的一种形式,以其结构紧密,轻巧,传热面积大,传热效率高的特点,亦被许多的EGR冷却器所采用。(1)光管式EGR冷却器光管式EGR冷却器(如图2所示)利用管壁的热传导进行废气和冷却水的热量交换。它的优点是:结构简单,易于制造,成本较低,传热表面清洗方便壳程内流动阻力小,能承受高温,高压;缺点是传热面积不大,传热效率较低。在光管式EGR冷却器的设计中,需要综合考虑管径,管长以及管子的排列方式,以期得到最佳的冷去效果,目前已有学者对于光管式EGR冷却器的优化设计进行了理论和CFD仿真两方面的研究。(2)螺纹管式EGR冷却器将光管壁滚压或扎制成凸凹螺旋形槽纹,即成为螺纹管,用螺纹管代替上述光管做成的EGR冷却器即为螺纹管式EGR冷却器。它利用了表面粗糙化从而加强换热的原理,一方面改变了边界层的结构,另一方面扩展了传热面积,从而增强了换热,但是却使流动阻力增大,损失增加,沉积物增多。有研究表明:螺纹管式EGR冷却器的冷却效率较光管式有明显提高,而且经过内部结构的优化,可以较大程度的减少沉积物。(3)翅片式EGR冷却器在光管上增加翅片,利用翅片扩大换热管表面积和促进介质的紊流,从而提高传热效率是翅片管式EGR冷却器的设计初衷。有学者将翅片管EGR冷却器与光管冷却器的冷却效果进行了对比研究,并通过优化过渡锥形管长度、废气进口截面形状、翅片间距等方式进一步提高了翅片式EGR冷却器的冷却效率。(4)螺旋折流板式EGR冷却器在管壳式换热器中增加折流板能够改变壳程流体流向,促进流体湍流,从而增强传热效率,传统的管壳式换热器采用弓形折流板,它的缺点在于:沿程压降较大;易出现流动死区、旁流和漏流,且容易积垢;较高的质量流速易诱导换热管的振动,缩短了寿命。针对弓形折流板的以上缺点,人们提出了螺旋折流板换热器的概念,它也取代了弓形折流管而成为折流板式EGR冷却器的主要类型。螺旋折流板EGR冷却器(如图3所示)是用连续螺旋状的支撑板支撑换热管,使壳程介质从壳程入口进入时,沿螺旋板形成的螺旋通道斜向前进,将传统的横向折流方式变成纵向螺旋折流方式,在降低壳程阻力的同时,达到强化传热效果。有研究表明:螺旋折流管这种纯粹通过改善流动形式增强换热的方式,换热效率较单纯光管式换热器有着明显的提高。总的来说,螺旋折流管换热器的最大特点是单位压降下的壳侧换热系数高,这就意味着在获得相同的壳侧换热系数条件下,其壳侧阻力将小于弓形折流板换热器的,同时其流量要大于弓形折流板,因此,螺旋折流管换热器在壳侧压力降或污垢热阻限制比较严格的场合,以及流体诱导比较严重的场合尤其显示出其优越性。(5)板翅式EGR冷却器顾名思义,板翅式EGR冷却器(如图4所示)是以平板和翅片作为传热元件的换热器。它的优点是传热效率高,紧凑,轻巧,适应性强。有研究表明:板翅式EGR换热器比螺纹式EGR换热器的效率要高出25%—50%;缺点是制造工艺要求严格,工艺过程复杂,容易堵塞,不耐腐蚀,清洗检修困难。尽管如此,板翅式EGR冷却器还是以其高的传热效率受到了国外研究者的青睐。对于板翅式EGR冷却器,目前的研究工作大多数集中在真空钎焊技术和新型材料的开发研究上。四、翅片管结构的优化EGR冷却器的实质是换热器在冷却EGR技术中的应用。光管式换热器的结构最简单,流动平顺性较好,但它的传热效率潜力并未得到发挥;螺纹管利用表面粗糙化的原理提高了传热效率,但增加了流动的阻力;翅片管同样增加了传热效率,但其结构的优化还有待研究;螺旋折流管换热器相较于弓