車用柴油機廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

車用柴油機廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)技術淺析

東風朝陽柴油機有限公司李志廣、趙玲關鍵詞:EGR的工作原理；EGR率；車用柴油機EGR的控制;EGR脈譜(MAP)；NOx排放控制摘要：介紹內(nèi)燃機廢氣再循環(huán)(EGR)的工作原理、EGR率、柴油機的典型EGR脈譜(關鍵詞:EGR的工作原理；EGR率；車用柴油機EGR的控制;EGR脈柴油機具有高熱效率、大功率等特點，有著良好的經(jīng)濟性和可靠性，在汽車領域得到了廣泛的應用。隨著柴油車的增多，柴油機廢氣對環(huán)境造成的污染問題日益突出。內(nèi)燃機的有害排放物主要是HC、CO、NOx和微粒，柴油機的CO和HC排放量比汽油機少的多，由于柴油機燃燒過程中的混合氣成分不均勻，局部燃燒溫度較高，生成大量的NOx，NO,與汽油機在同一數(shù)量級，因此，柴油機的排放重點是降低NO,。廢氣再循環(huán)(EGR)技術可有效的降低柴油機的NO,排放，日前歐洲大多數(shù)輕型柴油車均采用EGR技術來降低NO,排放，國內(nèi)隨著對柴油機排放指標的要求越來越嚴格，EGR技術也越來越受到重視。1廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)的工作原理廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)是在保證柴油機動力性不降低的前提下，根據(jù)內(nèi)燃機的溫度及負荷大小將柴油機排出的廢氣的一小部分再送回氣缸參與燃燒。由于柴油機中富余的氧氣較多，而廢氣中的氧含量很低，含有大量的N2、co2和水蒸氣，這三種氣體很穩(wěn)定，不能燃燒，并且可以吸收大量的熱量；當這部分廢氣經(jīng)過EGR控制閥還流回進氣系統(tǒng)與新鮮空氣混合后，稀釋了新鮮空氣中的氧濃度，導致氣缸內(nèi)氧氣濃度降低，使燃燒速度減慢。這兩個原因都使燃燒溫度下降，從而減少有害成分NOx的形成，EGR系統(tǒng)是控制NOx排放的主要措施。2EGR率EGR率指廢氣再循環(huán)量在進入氣缸內(nèi)的氣體中所占的比率，即：EGR率二［EGR廢氣還流量/（進氣量+EGR廢氣還流量）］X100%圖1所示為發(fā)動機工作時，HC、CO、NO,、比油耗等指標隨著EGR率的增加，NO,的含量將迅速下降。HC+CO0EGR（%）圖1EGR率發(fā)動機采用較高的EGR率以后，雖然有效的降低了NO,的含量，但卻在一定程度上使的發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性惡化，HC、CO排放增加。例如：在發(fā)動機起動、怠速工況使用EGR使發(fā)動機起動困難、燃燒不穩(wěn)定甚至導致缺火；發(fā)動機正常工作時，隨著EGR率的增加，將使混合氣燃燒不穩(wěn)，油耗增加，HC、CO排放增加；發(fā)動機在全符合工作時的最大輸出功率會有所下降。為了使EGR系統(tǒng)能夠更有效的發(fā)揮作用，保證發(fā)動機的動力性能，其關鍵在于根據(jù)發(fā)動機的溫度及負荷的大小來控制EGR率，使之在不同的工況下得到各種性能的最佳折中，實現(xiàn)減少NOx生成量的控制目標。廢氣再循環(huán)閥的開度隨發(fā)動機負荷的增大而增大，當滿足下列條件之一廢氣再循環(huán)閥將關閉：⑴、發(fā)動機起動時；⑵、發(fā)動機怠速時；⑶、發(fā)動機水溫低于70°C時；⑷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于900r/min或高于3200r/min。當不滿足上述條件時，電子控制裝置（ECU）將根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和進氣量確定EGR率，控制廢氣再循環(huán)閥開度。實踐證明，EGR率最好控制在5%?20%范圍內(nèi)，并同時對點火提前角、空燃比等做必要的調(diào)整，使EGR對發(fā)動機對性能產(chǎn)生盡可能小的影響下，有效的降低HC的排放。此外，為了精確控制EGR率，最好才用電子控制裝置（ECU）來控制EGR閥系統(tǒng)。為了提高降低NOx的排放效果，可采用中冷EGR，把再循環(huán)的排氣加以冷卻，可以使進入缸內(nèi)的新鮮空氣的損失減少，從而避免了大負荷燃油經(jīng)濟性和排氣煙度的惡化。3柴油機的最佳EGR脈譜（昭?）為了滿足不同工況的動力性與經(jīng)濟性的要求，發(fā)動機要求在多種工況間不斷切換。實踐證明，發(fā)動機的不同工況對廢氣再循環(huán)EGR）量的要求也不同。對于輕型車或轎車用柴油機來說，常用于中小負荷工況（排放法規(guī)定的測試工況測試也以中小負荷為主），這時柴油機平均空燃比很大，可以采用較大的EGR率，所以采用EGR降低NOx，排放的效果較顯著。對于重型車用柴油機來說，平均使用負荷較高，而大負荷時空燃比較小，不可能采用較大的EGR率，所以采用EGR降低NO排放的X效果較小。圖2表示車用柴油機的典型EGR率Xe脈譜。對輕型車用柴油機來說，主要在低速、低負荷領域進行EGR。對于重型車用柴油機，除全負荷的很小范圍外，幾乎在整個工況領域均進行EGR。大負荷下用EGR會降低柴油機本來就較低的平均空燃比，使微粒排放增加。在較高的轉(zhuǎn)速下用EGR，也會造成類似的問題。所以最佳的EGR率xe脈譜，要全面考慮NOx和PT排放，并通過標定實驗確定。4車用柴油機廢氣再循環(huán)（EGR）的控制柴油機的EGR控制比較復雜，尤其是增壓柴油機，一般均采用電子控制。其控制也是分開環(huán)控制和閉環(huán)控制。（1）、開環(huán)控制開環(huán)控制一般基于脈譜（MAP）的控制，即通過實驗來確定柴油機的典型工況下，達到排放要求的最佳EGR率。這種方法控制簡單，目前應用較為普遍，但其準確性依賴于各種工況下的MAP圖的準確制取，同時動態(tài)的相應比較慢。較典型的開環(huán)控制為對混合氣的成分加以考慮，根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速、負荷條件，由進氣和排氣中的氧氣濃度來確定最優(yōu)的EGR率。如圖3所示，電子控制裝置（ECU）根據(jù)柴油機的轉(zhuǎn)速、負荷，以及進氣和排氣中的氧氣的濃度、溫度等傳感器的輸入信號，按照標定的EGR脈譜對EGR閥、進氣節(jié)流閥、執(zhí)行機構(gòu)進行控制。EGR閥可以是一個真空閥，由電子控制裝置（ECU）通過對一個獨立的真空源產(chǎn)生的真空度加以調(diào)整，來控制真空度的開度，EGR閥也可以是一個電磁閥，由電子控制裝置（ECU）通過電信號直接控制。（2）、閉環(huán)控制閉環(huán)控制可以選擇基于排氣背壓的閉環(huán)控制，也可以選擇基于排氣氧傳感器的閉環(huán)控制?；谂艢庋鮽鞲衅鞯拈]環(huán)控制，選取對發(fā)動機性能影響最大的兩個參數(shù)一進氣中和排氣中氧氣的濃度?；谶^量空氣系數(shù)的EGR控制，是通過過量空氣系數(shù)來間接測量的排放量，其受EGR律的影響大，可作為EGR閉環(huán)控制的反饋信號。閉環(huán)控制可以實時根據(jù)工況的變化自動調(diào)整EGR量，使其達到最佳，因此它比開環(huán)控制的效果更好，但其結(jié)構(gòu)也比較復雜。5由廢氣再循環(huán)(EGR)弓|起的異常磨損由于柴油機含有硫份，排氣中會生成SO2，最終可能會生成硫酸(H2SO4)，這對系統(tǒng)的管路、閥門及氣缸壁面會造成腐蝕，并使?jié)櫥土踊?排氣中的微粒還流回氣缸，易附在摩擦面上或混入潤滑油中。這些都會導致氣缸套、活塞環(huán)及配氣機構(gòu)的異常磨損。在EGR率為20%時，第一道活塞環(huán)和氣缸套道磨損量是EGR時的4?5倍。為了防止磨損，必須降低柴油的含硫量，歐美日等國已將柴油中的含硫量降至0.005%以下。潤滑油也應作相應改進，缸套等部件的材料也應考慮耐腐蝕和耐磨損的問題。結(jié)束語為了滿足更高的排放標準應大力發(fā)展車用柴油機EGR技術，由于再循環(huán)廢氣的引入會對柴油機的性能和排放造成一定影響，所以需要對各個工況的最佳EGR率進行細致的匹配，使發(fā)動機的綜合性能達到最佳狀態(tài)。在采用EGR技術的同時，對回導的廢氣進行冷卻，即采用中冷EGR，效果最好。采用EGR技術后，相關部件的磨損加大，使用時應充分重視。參考文獻：汪衛(wèi)東.現(xiàn)在汽車排放及控制技術綜述.內(nèi)燃機，2004,(5).楊帥、姚喜貴.EGR結(jié)合體外凈化技術降低柴油機排放的研究.車用發(fā)動機，20