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EGR对发动机尾气排放的控制


EGR 对发动机尾气排放的控制

EGR 对发动机尾气排放的控制
摘要:由于世界各国排放法规的日益严格,柴油机中氮氧化物和微粒的排放限制越来越受到 摘要: 关注。所以,人们正在纷纷研究和探索减少汽车尾气排放的方法和技术。本文着重阐述了应 用真空驱动的弹簧膜片式 EGR 阀,通过控制 EGR 阀的开度,研究了在不同工况下 EGR 阀的 流通特性,分析了

柴油机的 HC、CO、NO x 、排放,烟度和比油耗随 EGR 率的变化规律。 关键词:尾气排放;废气再循环;柴油机 关键词

EGR on the engine emission control
Zhang Xiangnan (Liaoning engineering technology university automotive engineering)
Abstract: Around the world as a result of increasingly stringent emissions regulations, diesel nitrogen oxides and particulate emissions limit more and more attention. Therefore, people are now studying and exploring the automobile exhaust emissions reduction methods and techniques. This article focuses on the application of vacuum-driven diaphragm type EGR valve springs, by controlling the EGR valve opening were studied under different conditions in the EGR valve flow

characteristics, an analysis of the Diesel Engine HC、 CO、 x emissions, NO smoke With the EGR and fuel consumption rate than the changes in the law. Keywords: Emissions; Exhaust gas recirculation; Diesel

1 概述
近年来,节能减排口益受到重视,促使在轻型车和轿车上越来越多地采用热效率更高的 增压直喷式柴油机。与此同时,为满足口趋严格的废气排放法规,对增压直喷柴油机的机内 净化也进行了大量的研究工作。NO x 是柴油机尾气排放中一个重要的控制目标,其成因有高 温、 富氧和在高温下燃烧滞留时间三个主要因素。 废气再循环(EGR)技术是降低柴油机 NO x 排 放的一种有效措施,其作用机理为:将一部分废气导入燃烧室,增加燃烧室内气体的热容量 (CO 2 为三原子分子),降低燃烧气体的最高温度,从而抑制 NO x 排放。柴油机采用废气再循 环可能对燃烧过程带来不利,通过对 EGR 量进行适时控制,可以实现最佳的发动机排放及动 力性能指标。
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EGR 对发动机尾气排放的控制

2 EGR 的结构及系统方案
2.1 增压柴油机 EG R 系统方案
对于增压中冷柴油机,EGR 废气流动路线通常有以下两种方式:①从涡轮前取气回流到压 气机后的 EGR 系统,如图 1 所示;②从涡轮后取气回流到压气机前的 EGR 系统。

涡轮增压柴油机的冷却再循环结构设计适宜采用前一种方式。该方式可以避免出现再循 环废气污染压气机和中冷器,使压气机和冷却器不受排气中的微粒、碳氢化合物和硫的影响, 因而减少了可能出现的淤塞和腐蚀问题;同时避免 EGR 随工况变化响应滞后。 若在压气机和冷 却器的上游将 EGR 气体引入发动机,则会出现 EGR 气体随发动机工况变化响应滞后的现象, 这对于按变工况循环考核排放并且经常在变工况下工作的车用增压直喷式柴油机来说,对 NO x 排放控制效果是不利的。

2.2EGR 阀的控制机理
本文采用真空负压控制的弹簧膜片式 EGR 阀, 真空度作为阀开启动力, 其工作原理为 EGR 阀上部膜片室内的真空管与外界真空源相通, 膜片处于正常位置时 EGR 阀是关闭的;当真空源 提供足够人的真空度时,作用在膜片室内的真空度克服位于膜片与顶盖间的弹簧的作用力, 使膜片向上顶起,从而带动阀杆上移将 EGR 阀开启;当真空源停止提供真空度时,在弹簧回复 力的作用下,膜片复位带动阀杆下移将 EGR 阀关闭。EGR 阀控制器根据输入的电压信号量, 输出与之对应的真空,控制 EGR 阀阀门的开度,从而控制 EGR 率。

2.3 EGR 率及两种回路
以进排气中 CO 2 的体积白分比来定义 EGR 率

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EGR 率 =

ψ1 × 100 0 0 ψ2

式中,ψ 1 是经过再循环废气稀释后的进气中 CO 2 的体积白分比;ψ 2 是排气中 CO 2 的体积 白分比。

一般来讲,废气再循环的废气回路可以有多种方法实现。但主要分成为两种:一种称为 高压废气再循环回路;另一种称为低压废气再循环回路。以四缸废气涡轮增压柴油机为例的两 种废气在循环简化回路如上图 2,图 3。 高压废气再循环回路从柴油机排气(支)管处取废气,经 EGR 阀、EGR 冷却器单向阀后与 增压空气汇合。这种废气再循环方式中再循环废气的回路短,柴油机在低负荷时可实现较高 的废气再循环比率(EGR 率)。但在高负荷时,若采用较大的 EGR 率则会使柴油机油耗急剧 上升,微粒排放增加,甚至不能实现废气再循环。低压废气再循环回路在改变 EGR 率时的响 应时间延长。目前,在不采用后处理的条件下,高压废气再循环方式可使达到 Euro 2 排放的 柴油机满足 Euro 3 和美国 1998 对 NO、的排放标准。试验和数值模拟结果表明,低压废气再 循环方式无论对柴油机功率、油耗的影响,还是对可实现的 EGR 率均优于高压废气再循环方 式。
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EGR 对发动机尾气排放的控制

3 柴油机采用 EG R 系统的排放特性
3.1 NO x 排放特性
废气再循环降低了缸内燃烧的峰值温度,同时使进气中氧的浓度下降,从而使 NO x 排放 减少,试验结果如图 4 所示,

图4

EGR 率对 NO x 排放的影响(n=2000r/min)

发动机转速 2 000 r/min 各个负荷下的 NO x 排放随废气再循环率的变化特性。图分别为 NO x 比排放数值、NO x 比排放随废气再循环率增加而下降的百分率趋势。图示中的比排放已 考虑到试验现场的温度、湿度等条件的影响.要比用体积浓度排放科为比较对象显得更合理。 为不使发动机性能恶化,在中高负荷时 EGR 阀开度相对较小,EGR 率也相应较低,在小 负荷时,EGR 阀的开度可适度加大,EGR 率也相应较高从下图 4b 可以看出,在不同负荷下 的所有这此数据点,NO x 比排放的下降率与 EGR 率呈现近似的线性。以上为适度 EGR 的情 况下, NO x 排放与 EGR 率之间的关系。

3.2 烟度排放特性
图 5 为发动机转速 2 000 r/min 各个负荷下的烟度随 EGR 率的变化特性。一般说来,废气 的引入会造成进气氧含量的降低,从而引起烟度的增加。随着 EGR 率的增加,发动机排气的

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烟度也随之增加,在中高负荷时,EGR 对量空气的影响较大,因此烟度增加的幅度较大。而 在小负荷时,EGR 对过量空气系数的影响相对减弱,烟度恶化的趋势也相对较小。但总体而 言,EGR 对烟度的影响呈现一阶或多阶多项式的关系。而非前者 NO x 比排放与 EGR 率的近 似线性关系。若比较的特征工况原始的过量空气系数较小,则随 EGR 率的增加,烟度的恶化 趋势较快。反之,特征工况的过量空气系数较大,烟度的恶化趋势略缓。 随着废气的引入, NO x 排放会降低,但烟度值会升高.负荷较大的工况烟度恶化将会很明 显,因此应限制高负荷工况下的 EGR 率此外烟度和 EGR 率关系并不能完个代表颗粒物的排 放特性烟度毕竟只是反映种光学(视觉)效果.颗粒物 PM 中成分也将对最终的排放结果产生重 要的影响,一般而言,带有 EGR 系统的发动机排气中 PM 的 HC 成分较少,而收集到滤纸上 的颗粒物 PM 的外观也更黑(燃烧过程系统恶化的除外)

图 5 EGR 率对烟度的影响

3.3

CO 排放特性
随着 EGR 率的增加,发动机排气中的 CO 浓度排放总是随之增加,CO 的生成是受化学

反应动力学控制的,其生成时间较长,缸内温度对其形成起着关键性的作用。着废气再循环 的增加,缸内燃烧过程中的氧浓度有所降低,缸内燃烧温度也有所下降.废气中的 CO 浓度也 随之增加。但废气再循环的采用,使得排向大气的总的排气流量下降。CO 比排放则是 CO 浓 度排放增加幅度(与燃烧过程相关)和排气流量下降幅度两者综合的反映。如图 6 所示,在发动 机转速 2000 r/min 的运转工况下,CO 比排放呈现下降趋势。

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图6

EGR 率对 CO 排放的影响(n=2000r/min)

3.4

HC 排放特性
随着 EGR 率的增加,发动机排气中的 HC 浓度排放与 CO 一致,呈现上升趋势。在发动

机转速 2 000 r/min}的运转工况下,随着 EGR 率的增加,HC 比排放在中高负荷时呈现增加趋 势,在小负荷时呈现下降趋势,如图 7 所示图。

图7

EGR 对 HC 排放的影响

图 7a 中有主、副两个纵坐标,分别对应于两个较大、较小负荷工况 HC 排放要来自于滞 燃期内形成的极稀的混合气,因此 HC 排放与滞燃期时间长知有关。同样地,负荷越低.滞燃期 内形成的极稀的混合气也越多.发动机排气中 HC 浓度也越高.在同样的低负荷时,废气回流率越 大,加热进气的作用就越明显,滞燃期将缩短,对改善 HC 比排放有利。

3.5

EG R 率与过量空气系数及燃油消耗率之间的关系

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图8

EGR 率对过量空气系数及燃油消耗率的影响

由图 8 可见,随着 EGR 率的增加.进入气缸的新鲜空气减少,过量空气系数也几乎现线性 下降,但有效燃油消耗率则保持不变.或有所波动,而非潜意识中的一定会增加。

4 小结
1)发动机转速恒定,在相同的 EGR 阀针阀升程下,随着负荷降低,废气回流流量增加由 于低负荷的废气流量较低,相应的以此为基数的 EGR 率将有明显的提高 2)在适度 EGR 的情况下, x 比排放的下降率随 EGR 率增加呈现近似的线性。 NO 随着 EGR 率的增加,发动机排气的烟度也随之增加,烟度随 EGR 率的劣化总体上呈现二阶或多阶多项 式的关系。在小负荷时,EGR 对过量空气系数的影响相对减弱,烟度恶化的趋势也相对较小。 随 EGR 率的增加,HC 和 CO 的体积浓度排放增加,但比排放总体上呈现下降的趋势,也存 在个别工况有所增加,和燃烧过程的组织有关。 3)随着废气再循环率的增加,进入气缸的新鲜空气减少,过量空气系数也几乎呈现线性下 降,但适度的 EGR 未使有效燃油消耗率恶化。

参考文献: 参考文献:
【1】吴建华,发动机原理【M】 。北京:机械工业出版社,2005.7 【2】张振东,褚超美,周萍,增压直喷柴油机 EGR 控制系统设计【J】 。汽车工 程。2004(2) 【3】方祖华,李桂华,上官平,增压直喷柴油机 LGR 系统结构方案及关键技
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EGR 对发动机尾气排放的控制

术。 【J】内燃机,2003 【4】朱昌吉,刘忠长,许允,废气再循环对车用柴油机性能与排放的影响 【J】汽车工程。2004 ( 2) 【5】陈上华,工忠,袁银南,EGR 对柴油机循环波动及燃烧过程的影响【J】 。 汽车工程。2006 (4)

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