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EGR介绍


增压直喷柴机EGR系统的 研究发展

2006年3月

主要内容
EGR的基本原理 增压柴油机实现EGR控制的难点 EGR的特点 对柴油机EGR系统的要求 EGR对柴油机性能的影响 高压EGR系统 低压EGR系统 强制EGR 系统

近年来国外的柴油机越来越多地采用EGR系 统,欧洲大多数的直喷式和非直喷式

轻型柴油 机均采用EGR来降低NOx排放。 在重型柴油机中,随着世界各国对重型柴油机 制定出更严格的NOx排放标准,EGR技术已成 为控制柴油机NOx排放的必备技术。

针对未来排放法规的对策

EGR的基本原理

工作原理:将一部分废气引入进气管与新 鲜充量混合后进入气缸内燃烧,从而实现废气 再循环。

EGR降低NOx排放的机理
生成NOx的三个要素:柴油机燃烧时产生 的高温及其持续时间、燃烧的富氧状态。 废气中含有大量的氮和CO2等接近惰性的 气体,当这些废气部分回流到进气管后起到了 稀释新鲜进气的作用,使燃烧反应速率减缓; 废气中含有的水蒸气和CO2等为三原子分子气 体,比热容大,可有效降低气缸内的燃烧温 度;废气的稀释作用可以使氧气的相对浓度下 降。

EGR的优点
EGR技术具有成本小,容易实施,降低NOx效 果明显的特点; 适用范围广,既可用于电控喷射式发动机上, 也可广泛用于我国现阶段的普通柴油机。 近年来,日、美、德等国为了满足欧Ⅲ或以上 更为严格的NOx排放标准,即使在应用电控系 统、高压共轨和后处理器技术的车型上,仍然 同时匹配EGR系统。

EGR的主要缺点
气缸峰值压力、PM排放会增加; 由于需要向EGR系统提供额外的功率(例如, EGR泵、压气机功或增加的背压),会导致燃 油耗增加。 EGR系统还需要处理腐蚀性气体和碳烟,因为 它们会因化学腐蚀或堵塞而降低发动机零部件 的寿命,这实际上就会增加气体输送系统的复 杂性。 由于EGR会导致烟度增加,因此必须加大进气 增压度,以保持最低限度的过量空气系数

增压柴油机实现EGR控制的难点
怎样把EGR运用于所有的速度和负荷,仍是一个没有 解决的问题。尤其是柴油机在高负荷区运行时,如何 在保证足够的动力性的情况下使用EGR降低NOx的排 放是一个重要的研究课题。 增压柴油机的进气管压力大于排气管压力,必须外加 设备,设法克服压力逆差将足够量的废气送入进气管 中。 EGR降低NOx排放的同时也会增加微粒的排放。为了 达到NOx降低与微粒增加的适当折中,必须根据发动 机的转速和负荷来精确控制EGR量 。

对柴油机EGR系统的要求
1)扩大EGR的应用范围: 2)增加EGR流量; 3)高精确性; 4)反应迅速; 5)大的驱动力(为了保证EGR阀的位置); 6)各缸均匀供给。

EGR对柴油机性能的影响
使较高负荷下 PM 生成加剧。

图:重型车用高增 压多次喷射柴油机 不同EGR率下的 N0x和烟度排放

EGR对柴油机性能的影响
由于滞燃期延长使燃烧推迟,一般会导致燃油 经济性恶化,因此需要调整喷油定时。 再循环的废气使燃烧延迟并减缓,缸内燃烧压 力梯度下降,所以燃烧噪声级得以显著降低。

增压直喷柴油机EGR系统结构
柴油机EGR :

将一部分排出的废气经由外部管路 引入进气系统,废气首先离开发动机,然后真 正再循环到发动机内。

外部EGR系统

高压EGR系统
高压EGR系统:在涡轮前抽 取废气,并重新引入压气机 后的进气系统中。 可简单地通过应用一个EGR阀 控制再循环废气量来实现。 重型车用柴油机在进/排气系 统之间存在正压差。为了获 得所需要的负压差,可以采 用以下措施:如安装一个文 丘里型喷嘴、应用簧片脉冲 阀、进气节流、调节VTG涡 轮增压器的涡轮叶片,或甚 至是这些措施的组合。

高压EGR系统简图

高压EGR系统-进气节流式EGR系统
该系统利用节流阀 的节流使进气管产生 真空负压来引导废气 再循环。 并可以根据柴油机 负荷的不同来调节 EGR率的大小,小负 荷时用较高的EGR 率,大负荷时用较低 的EGR率。

高压EGR系统-进气节流式EGR系统

并可以根据柴油机负荷的不同来调节EGR率的 大小,小负荷时用较高的EGR率,大负荷时用 较低的EGR率。这是因为柴油机处在大负荷工
况时,为了满足动力性的要求,要使节流阀开度 大,而且增压后的进气压力高,因此流经EGR阀 的气流也较小。当柴油机工作在小负荷工况时, 柴油机的空燃比大,允许节流阀开度小,以保证 较大的废气回流量。

高压EGR系统-进气节流式EGR系统
进气节流式EGR系统的主要优缺点为: 优点:可产生较大的进气管真空负压,能有效 地引流废气。该装置结构简单,具有很高的实 用性。 缺点:节流阀的节流作用使进气管产生较大的 进气阻力,影响充气效率,使发动机的动力性 受到损失。

高压EGR系统-带文丘里混合器的EGR系统
文丘里管由收缩段和扩散段所组成,利用文丘里管缩 口处气体流动产生的真空负压来引导废气循环。 因文丘里管喉口之后有较长的扩压段,进气管喉口的 压力降可得到部分恢复。 文丘里管与进气管的连接有并联与串联两种方式。 与装节流阀相比,可减少泵气损失。 该装置的布置简单而且文丘里混合器制造简单,成本 低,适于大批量应用。

高压EGR系统-带文丘里混合器的EGR系统
文丘里管与进气管串联 依靠流量控制阀调节EGR 率。 串联时较难同时满足高低 负荷的要求。 低负荷进气流量小,要保 证低负荷时有足够的EGR 率,就要减小文丘里管的 喉口直径; 高负荷时流量增大,流速 加快,文丘里管引起的流 动损失也随之增加。
荷兰TNO研究所提出的EGR系统

高压EGR系统-带文丘里混合器的EGR系统
荷兰TNO研究所提出的EGR系统

高压EGR系统-带文丘里混合器的EGR系统
New EGR Venturi-mixer

高压EGR系统-带文丘里混合器的EGR系统
文丘里管与进气管并联的 EGR系统 与文丘里管并联的进气管 上装有一个蝶形阀,可用 于调节文丘里管的流量, 从而调节EGR率。 并联布置有利于兼顾高低 工况的流动特性。 高工况流量大时,可开大 蝶阀,让大部分气体流经 进气管;少部分气体流经 文丘里管;低工况小流量 时,可关小蝶阀,让大部 分气体流经文丘里管。

高压EGR系统-止回阀式EGR系统
利用排气歧管中由 各缸自由排气过程 产生的一连串压力 峰。 不管进排气平均压 差多大,都可以工 作,并扩大了发动 机工况整个宽广范 围内的EGR区 域。

高压EGR系统-止回阀式EGR系统
止回阀

高压EGR系统-止回阀式EGR系统
全负荷时单通道的 止回阀可使6%的 废气再循环,双通 道的可使l2%的废 气再循环。 需要一个附加的流 量控制阀以调节 EGR流量

低压EGR系统
将EGR气流与空气先混合并 一同进入压气机增压的EGR 系统。 由于排气压力高于压气机前的 空气压力,所以该系统可顺利 实现废气回流到进气系统, 而且布置起来很简单,但是柴 油机应用此种装置后使得压气 机受到废气的污染,从而降低 了压气机的寿命。 虽然它消除了发动机进排气之 间正压差引起的问题,但它需 要安装一个柴油颗粒过滤器 (DPF)以保护压气机免受PM 的损伤。

低压EGR系统
优点: 高压EGR系统可能产生的润滑油污染过程容易得到控 制。 由于VGT 和EGR 阀可以独立控制,发动机的可控性 得以改善。 缺点: 这种系统由于涉及的排气系统体积较大,在瞬态工况 下的动力响应性可能较差。 由于排气温度较低,水蒸气的凝结可能引起压气机严 重损坏。 现有的DPF系统的再生方法还必须进一步优化,以确 保最高的性能和可靠性。

强制EGR 系统
分为两种: 一种用复合式涡轮增压器,以 其双侧压缩机 同时压缩进气空 气和再循环废气 。整个装置在 柴油机上布置简单,但是双压 气机的结构复杂,成本很高, 国内尚不能生产。 另一种用单独的机械驱动,或 电驱动压气机,或鼓风机来克 服进排气系统之间的正压差。 然而,尤其是单独的压气机由 于成本高、寿命短、尺寸大等 原因可以不考虑。

EGR冷却
EGR冷却能提高进气的密度, 从而提高进气充量的质量流 率。 为了防止污垢,EGR通常从中 冷器的下游引入。如果不对 EGR进行冷却,热的EGR进入 到进气中将降低中冷的效果, 因此对EGR进行一定的冷却也 是有必要的,通常将EGR的温 度冷却至120oC较合适。 EGR冷却也能通过控制循环废 气的温度潜在地稳定柴油机的 运行

冷却和不冷却的EGR对发动机性能的影响
应用冷却EGR有利于NOx和碳烟的减少

结论
考虑到上述各种GER方案的可行性以及有关外形尺 寸、成本、可靠性和耐久性等方面的制约,高压冷却 EGR系统是最好的选择。特别是作为一个短期解决方 案,不利用任何催化系统,它是满足排放标准的最好 方案。此外,它也为将来满足更严格排放标准的发动 机提供了潜在的辅助手段。 装文曲利管的EGR系统,利用进排气压力波动的 EGR系统,因附加泵气损失小,EGR作用范围大, 附加成本不高,可望将来应用于产品柴油机中,以满 足日益严格的排放法规。


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