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EGR原理及其在汽油机中的应用


EGR 原理及其在汽油机中的应用

专业:热能与动力 姓名:张露 学号:1151903

EGR 原理及其在汽油机中的应用
摘要:排气再循环(Exhaust Gas Recirculation)为汽车用小型内燃机在燃烧后将排出气体 的一部分分离出、并导入进气侧使其再度燃烧的技术(手法或方法) 。主要目的为降低排出 气体中的氮氧化

物(NOx)与分担部分负荷时可提高燃料消费率。本文主要介绍了废气再循 环系统(Exhaust Gas Recirculation)的工作原理, 循环方式, 以及其在 Atkinson 循环汽油机、 GDI 汽油机、非道路通用小型汽油机中的应用实例分析。 关键词:EGR 工作原理汽油机 引言: 发动机的有害排放物是造成大气污染的一个主要来源, 随着环境保护问题的重要性日 趋增加, 降低发动机有害排放物这一目标成为当今世界上发动机发展的一个重要方向。 随着 世界石油制品的消耗量逐年上升,国际油价居高不下,柴油车的经济性日渐突出,这使得柴 油机在车用动力中占据着越来越重要的地位。所以开展柴油机有害排放物控制方法的研究, 是从事柴油机设计者的首要任务。本文在这里简述降低有害排放物的控制技术中的一种----废气再循环系统。 正文: 一、工作原理 废气再循环系统(Exhaust Gas Recirculation)简称 EGR, 是将柴油机或汽油机产生的废 气的一小部分再送回气缸。 再循环废气由于具有惰性将会延缓燃烧过程, 也就是说燃烧速度 将会放慢从而导致燃烧室中的压力形成过程放慢, 这就 是氮氧化合物会减少的主要原因。 另外, 提高废气再循 环率会使总的废气流量(mass flow) 减少,因此废气排 放中总的污染物输出量将会相对减少。EGR 系统的任 务就是使废气的再循环量在每一个工作点都达到最佳 状况, 从而使燃烧过程始终处于最理想的情况, 最终保 证排放物中的污染成份最低。 由于废气再循环量的改变 会对不同的污染成份可能产生截然相反的影响, 因此所 谓的最佳状况往往是一种折衷的,使相关污染物总的排放达到最佳的方案。比方说,尽管提 高废气再循环率对减少氮氧化物(NOx)的排放有积极的影响, 但同时这也会对颗粒物和其 他污染成份的增加产生消极的影响。 二、循环方式 增压中冷柴油机实现废气再循环一般有两种方式:一种是将涡轮前的排气引入中冷器 之后,称为高压废气反向。采用可变截面涡轮增压器,可以扩大废气再循环有效工作范围, 降低氮氧化物(NOX)和微粒(PT),燃油耗也不升高,这可能是将高压废气再循环系统 用于增压中冷柴油机的最好方法。 另一种是将涡轮后的排气引入压气机之前, 称为低压废气 再循环系统,它可有效降低氮氧化物,而废气循环工作范围较大,与柴油机匹配能有效地发 挥其功能。 现在我们运用得最多的是低压废气再循环系统,其系统的主要元件是数控式 EGR 阀。 数控式 EGR 阀安装在右排气歧管上,作用是独立地对再循环到发动机的废气量进行准确的 控制,而不管歧管真空度的大小。EGR 阀通过 3 个孔径递增的计量孔控制从排气歧管流回 进气歧管的废气量, 以产生 7 种不同流量的组合。 每个计量孔都由 1 个电磁阀和针阀组成,

当电磁阀通电时, 电枢便被磁铁吸向上方, 使计量孔开启。 旋转式针阀的特性保证了当 EGR 阀关闭时,具有良好密封性。 三、控制原则及方式 1.控制原则 发动机的工况不同, 对 EGR 量的要求也不同。 为了使 EGR 系统能更有效地发挥作用, 必须对参加 EGR 的废气数量加以限制。 ①随着负荷的增加,EGR 的量也相应地增加,并能达到最佳值; ②怠速及低负荷时,NOx 排放浓度较低,为保证正常燃烧,不进行 EGR; ③暖机过程中,发动机温度低,NOx 排放浓度也较低,为防止 EGR 恶化燃烧过程, 不进行 EGR; ④负荷、高速或油门全开时,为保证发动机的动力性,不进行 EGR; ⑤加速时,为了保证汽车的加速性及必要的净化效果,EGR 在过渡过程中起作用。 2.控制方式 根据上述 EGR 的设计原则,必须对 EGR 进行控制和调节,使 EGR 在发动机中的应 用能达到预期的效果。EGR 的控制和调节的方法很多,根据其主要的特点可以从不同的角 度进行分类。 1)机械式和电子控制式 ①机械式 EGR 系统 优点:结构简单,成本低,容易实施执行。 缺点:系统缺乏柔性。 ②电子控制式 EGR 系统(气电式和磁电式) 动态响应好,控制精度高。 2)开环控制和闭环控制 ①开环控制 优点:结构简单,控制方便。 关键:EGR 率的精确控制依赖于控制 MAP 的精确制取。 ②闭环控制 优点:能根据发动机的工况自动调整到最佳 EGR 量, 控制精度高,动态响应好。 缺点:结构复杂。 四、EGR 系统组成 柴油机上通常应用的闭环控制 EGR 系统一般由:ECU(电控单元)、 EGR 阀(有阀门开度传感 器)、油门位置传感器、水温传感器、转速传感器、真空电磁阀(仅采用真空膜片式 EGR 阀时 用)、离合器开关以及联接上述部件的线束和真空管路、EGR 管组成。EGR 系统组成和联接 结构分别可见图 6,图 7。

五、EGR 的分类 1.气缸间 EGR 这是针对多缸发动机而言, 通过管路和阀门将多个气缸连接在一起, 靠不同气缸之间的 相位差和压力差使一个气缸的废气掺入到另一个气缸中的新鲜充量中, 但在实际使用中应用 很少。 2.外部 EGR 将排气管中的废气重新引入到气缸的新鲜充量中去,这也是 EGR 应用的主要方式。 3.内部 EGR 这是区别于外部 EGR 的另一种应用方式。通过改变气门重叠角或排气背压的方式增加 缸内的残余废气, 从而降低 NOx 排放。 但是降低了充气系数, 影响了进气惯性效应的利用, 功率和油耗有所恶化。随着可变气门技术的成熟,内部 EGR 也重新得到了广泛的应用。 EGR 系统包括机械式,气电式和电控式。 1.机械式的优点是结构简单,成本低,容易执行,但是缺点也显而易见:系统缺乏柔性, 难以适应发动机复杂工况的要求。 2.气电式通过电磁阀控制 EGR 率,不仅控制范围大,而且自由度高,适应发动机在各个 工况的要求。 3.电控式 EGR 与气电式的主要区别在于取消了真空电磁阀和真空控制通路, 由电磁阀直 接控制废气再循环阀。具有动态响应好,调节精度高等优点。 六、在汽油机中应用案例分析 1.EGR 在 Atkinson 循环汽油机 裴毅强等[2]综合采用 Atkinson 循环和外部 EGR 两种方法,探索汽油机的节油潜力.试验 中, 对一台自然吸气汽油机进行改装, 通过换装进气凸轮轴并结合可变气门进气机构实现进 气门晚关的 Atkinson 循环,同时换装更高压缩比的活塞.在此基础上加装 EGR 系统,研究 Atkinson 循环与外部 EGR 相结合对发动机与烧特性与燃油经济性的影响。 实验结果如下图:

实验结论: (1) Atkinson 循环发动机与原机相比, 采用进气门晚关技术使得进气行程的泵气损失降 低,降低了燃油消耗,提高了整机的热效率.发动机在 2 000 r/min 各负荷下,有效燃油消耗 率降幅达 4.3%-10.2%。 (2)引人 EGR 可进一步降低 Atkinson 循环发动机的泵气损失,改善燃油经济性,提高指 示热效率.其中负荷为 0.2 MPa, 0.4 MPa, 0.6 MPa 时, 对应的最佳 EGR 率分别为 5%, 10%, 15%, 油耗降幅分别为 0.95%, 2.94%, 4.86%.随负荷增加,发动机的废气容忍度提高。 (3)在 Atkinson 循环的基础上引人 EGR 后,随负荷的增加,EGR 率的提高使缸压曲线峰值 升高且提前.瞬时放热率峰值随 EGR 率的提高而降低,放热过程延长,且放热率峰值随负荷 的增加而逐渐提前.在采用最佳点火提前角的条件下,EGR 使 Atkinson 循环发动机的火焰发 展期延长,但是不同 EGR 率对应的 CA50 的位置变化不大。 2.EGR 在 GDI 汽油机燃烧中的应用 汽油缸内直喷(gasoline direct injection, GDI)技术是提高汽油机燃油经济性的有效措施之 一由于采用燃油直喷的混合气制备方式, 燃油蒸发雾化吸热提高充量系数, 爆震倾向减小使 压缩比提高,从而使 GDI 汽油机燃油经济性提高 15%一 20%.但是,液体燃油直接喷人气缸 内将导致缸内工质混合时间缩短、 燃油湿壁和局部过浓等现象增强, 使 GDI 汽油机尾气颗粒 物排放增加。 研究表明, GDI 汽油机尾气颗粒物质量和数量排放远高于传统气道喷射汽油机。 研究表明,在 GDI 汽油机部分负荷下采用外部 EGR 可降低燃油消耗达 4%. Bai 等 fyl 通过负 阀重叠的方式实现内部 EGR 可提高 GDI 汽油机部分负荷燃油经济性 5%一 16%.在 GDI 汽油机 上应用 EGR 技术可使颗粒物数量和质量排放显著降低, 颗粒物质量排放因子可降低约 60%, 固态颗粒物数量在大多数工况均可降低约 40%。 潘锁柱等[3 在一台 4 缸、排量为 1.5 L 的 GDI 汽油机上研究了 EGR 对部分负荷工况下缸 内燃烧过程、颗粒物数量浓度及粒径分布、NOx 和 THC 等气体排放的影响规律。 实验结果如下:

实验结论: (1)加人 EGR 后,GDI 汽油机燃烧持续期增大;并且随 EGR 率增加,GDI 汽油机着火时刻 先提前后逐渐延迟,瞬时放热率曲线峰值逐渐降低且有后移倾向,放热过程迟缓,缸内压力 和缸内温度逐渐降低,压力峰值发生时刻逐渐提前. (2)随 EGR 率增加,GDI 汽油机 NOx 排放逐渐降低,最大降低率达 80%以卜,THC 和 CO 排放逐渐增加,两者最大增加比例分别不超过 25%和 7%。 (3) GDI 汽油机尾气颗粒物呈核态和积聚态的双峰分布;且随 EGR 率增加,积聚态颗粒 物峰值数密度逐渐降低,峰值粒径无明显变化,核态颗粒物峰值数密度在加人 EGR 后均有 所增加,峰值粒径均在 6—8 nm,加人 EGR 后,颗粒物总数量浓度也明显地增加。 3.EGR 在非道路通用小型汽油机的应用 程晓鸣等[4]通过对一台非道路小型通用汽油机进行实验, 研究 EGR 对发动机排放的影响, 特别是 HC 和 NOx 的影响;在此基础上,进一步研究空燃比在 EGR 阀开启和关闭时对排放的 影响,通过优化空燃比,研究在不使用后处理情况下发动机的排放特点。 实验结果如下:

实验结论: 本文研究了 EGR 系统对非手持式小型非道路汽油机排放控制方法。 (1)测试数据表明在 100%和 75%负荷时,NOx 排放占主要地位,而在低负荷时,未燃 HC 的比重则越来越大。 (2) EGR 系统可以有效减少 NOx 的排放,特别是在高负荷时 HC 和 NOx 的总排放量。 (3)通过对不同空燃比的研究,发现空燃比越大,EGR 系统对 NOx 排放的降低作用越不明 显,同样空燃比越大,EGR 对 HC 排放的增加作用也越不明显。 (4)当 EGR 开启时,存在最佳的空燃比值,达到 HC 和 NOx 排放总量的最小值。对于该机 器,当空燃比为 0.91 时,HC 和 NOx 总排放量达到最小值。 七、目前 EGR 技术主要存在的问题 1.采用后 EGR 系统后,若 EGR 率控制不当,极易造成汽油机经济性恶化,其它排放污 染物和烟度的增加; 2.在低负荷时,EGR 将影响汽油机的工作稳定性; 3.在高负荷时,EGR 将影响汽油机的动力性; 4.EGR 中颗粒可能造成汽油机活塞环、气缸套等零部件磨损加剧和对机油的污染,进而 可能影响汽油机的可靠性和寿命; 5.EGR 的废气温度过高,会影响汽油机的充气效率,并会有降低燃烧温度的效果; 6.各缸 EGR 分配均匀性和瞬态响应性不宜同时兼顾。 八、结论 EGR 技术是目前最有效实用的降低汽油机 NOx 排放的机内控制措施之一,但它也会给 内燃机带来一些不良的影响, 如可能导致燃油消耗率和颗粒排放上升。 所谓实现最佳状况往 往是一种折衷的, 即在不影响发动机动力性和经济性的前提下, 使相关污染物总的排放达到 最佳的方案,也就是内燃机各个性能之间的优化。目前应用的 EGR 基本上都结合了电控技 术,使其控制更加精确,所有工况都基本能实现最佳 EGR 率。

参考文献: [1] 王 平 , 司 建 明 , 王 彦 伟 , 邓 洪 星 . 关 于 废 气 再 循 环 (EGR) 技 术 [J]. 内 燃 机 与 动 力 装 置 , 2006(4):52-55. [2] 裴毅强,张少哲,李云龙,秦静,吴学松,尚宇,赵焕.EGR 对 Atkinson 循环汽油机性能 的影响[J].燃烧科学与技术, 2014, 20(2):121-127. [3] 潘锁柱, 宋崇林, 裴毅强, 吕刚.EGR 对 GDI 汽油机燃烧和排放特性的影响[J].内燃机学报, 2012, 30(5):409-414. [4] 程晓鸣,秦静,刘鹏,赵亮,贾滨,林漫群.EGR 对非道路通用小型汽油机排放的影响研 究[J].内燃机与配件, 2011(4):4-7

[5] 王凤滨,邱君,高俊华,乔维高.EGR 在内燃机上的应用[J].汽车工程师, 2009(8) [6] 于文英, 单宝龙, 刘波.EGR 对小型汽油机排放和性能影响的实验研究[J].小型内燃机与摩 托车, 2010, 30(6):80-83. [7] 郭玉彬,沈颖刚,卫海桥,冯登全,潘明章 z,高东志,李金印.EGR 对可变压缩比 SI 发 动机动力性和经济性的影响[J].小型内燃机与摩托车, 2014, 43(3):9-13. [8] 岳东鹏,李富松,王银山,张玉书.LNT 与 EGR 对稀燃汽油机 NOx 排放和燃油经济性的 影响[J].车用发动机, 2014(2):62-67. [9] 朱涛.EGR 对汽油机排放和性能影响的研究[D].天津大学, 2014. [10] 百度百科


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