廢氣再循環(huán)率的測量方法及其分析.pdf

廢氣再循環(huán)率的測量方法及其分析 周英杰 同濟大學中德學院車輛工程 上海2 0 1 8 0 4 摘要 廢氣再循環(huán)技術 簡稱E G R e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n 是發(fā)動機上用于降低廢氣中N 0 x 氮氧化物 含量的 有效手段 但E G R 是以犧牲發(fā)動機性能為代價實現(xiàn)的 因此必需嚴格控制各個工況點下的廢氣再循環(huán)率 即E G R 率 在減少N 0 x 排放的同時盡可能避免對發(fā)動機功率 H c 碳氫化物 顆粒等因素的負面影響 為此必需獲得盡可 能準確的E G R 率 文政介紹了幾種用于E G R 系統(tǒng)的E G R 率測量方法 關鍵詞 廢氣再循環(huán) 發(fā)動機 測量 傳感器 1 對E G R 系統(tǒng)傳感器的要求 根據(jù)E G R 率的定義 E G R 竺L 1 m E 式中 m A 為新鮮進氣 為循環(huán)廢氣 為獲得嬲R 率必需知道廢氣流量 不論是直接 測量廢氣流量 還是通過測量體積流量和密度 E G R 測量裝置相對空氣流量計受到的更高的熱 化學和 機械負載 因為廢氣的溫度高 并伴有污染物和未 燃燒化學成分 對于用于試驗臺架上的E G 尺測量裝置有下列要 求 精度 重復性 快速響應能力 高信噪比 健 壯性 抗干擾能力 對于車用E G R 測量裝置還需滿足以下要求 低 成本 小體積 維護周期長 2 通過混合溫度確定E G R 率 廢氣再循環(huán)過程實質上是廢氣和新鮮進氣的熱 力學混合過程 混合過程可視為氣體的絕熱變化 設新鮮進氣的壓力和溫度 只 乃 循環(huán)廢氣的壓力 和溫度 R 根據(jù)氣體的熱力學平衡方程可以得到 鼉 搬 c m c 彬 掰 c 疋 瓏 c 肚 瓦 2 2 6 將 1 代入 2 可得 嬲肚 南 3 1 墨 量二 i c 以 疋一死 假如忽略定壓比熱的差距 設c 一 c 加公式可改 寫為 E 鍬 堡互 4 砭一兀 用溫度差來確定目勰率有一個嚴重的缺陷 當 進氣和廢氣溫度相差不大時 比如現(xiàn)在普遍使用的 E G 尺冷卻系統(tǒng) 相對測量誤差顯著增大 因此這種 方法使用不多 3 通過C O 濃度變化確定E G R 率 這是發(fā)動機試驗臺上使用最多的用于測量E G R 率的方法 被稱為示蹤氣體法 挑選c O 作為示蹤 氣體 T r a c e 卜G a s 是因為它在測量過程中既不會新生 成 也不會被消耗 通過c O 在混合過程的稀釋確 定E G 霆率 麟2 黜 c D 2 F 7 這種方法存在2 種引起測量誤差的因素 1 忽略了新鮮空氣中的c O 含量 將準確的關系式E G 尺 蕞器簡化為 2 0 0 7 年第0 3 期 萬方數(shù)據(jù) 一l 塞蔓蘭堡 5 其相對誤差為魚鯉萼學 設環(huán)境空氣中的C O 濃度為5 0 0p p m 繪出相對測量 誤差與進氣及廢氣中c 0 含量的關系圖 2 用于濃度測量的N D I Rf 分光紅外線氣體分 析儀 測得的是體積濃度 而E G 尺定義使用的是質量 濃度 墮 生 E 鰍 罷 磐 上 竺 堅迪 墨 磊 二 b 磊E多 n 尺 氌kR e 多 心 2 c O 法忽略了廢氣和混合氣體的氣體常數(shù)的不同 R z1 面 1 在稀釋機理方面理論上也可以將氣態(tài)水作為示 蹤氣體 用濕度傳感器測量層G R 率 但當前的濕度 傳感器不適合這種測量 因為需要測量進 排氣管 和環(huán)境的溫度和壓力 這是耗費很大的 圖l 忽略環(huán)境空氣c 0 2 含量的昱G 兄率測量誤差 4 通過額外的空氣流量計確定E G 尺率 這種方法既可用于發(fā)動機試驗臺架 也可用于 汽車上 在動態(tài)特性方面這種方法有優(yōu)勢 因為傳 感器在設計時就考慮了空氣質量流量的動態(tài)采集性 能 但是在汽車上安裝空氣流量傳感器的花費很大 是除E C u 之外最昂貴的發(fā)動機電控配件 當前的發(fā)動機控制使用卡曼渦流傳感器和熱線 交 節(jié)蕾與琢佩 熱膜傳感器 卡曼渦流法的原理是 流體通過特定形狀的障 礙物后產(chǎn)生渦流 其頻率與體積流量成一定比例 渦流頻率可以通過測量壓力或垂直于流動方向傳播 的超聲波來確定 卡曼渦流法對測量進氣有效 但 不適合測量廢氣流量 因為廢氣中含有遠多于進氣 的雜質 用于引起渦流的障礙由于污染而改變形狀 使渦流發(fā)生相應變化 而且對超聲波的測量也受到 隨氣體流動的固體顆粒的影響 熱量流量計的原理是 為保持元件的溫度不變 所需的加熱電流與所測量的氣體質量流量成比例 傳感器受雜質污染后 熱傳遞受到干擾而影響測量 信號 這個問題可以通過使雜質自燃而減輕 由于 耐久性和功率消耗的緣故 測量溫度不能隨意提升 穩(wěn)態(tài)工況下被測氣體的溫度不應超過1 2 0 0 C 雜質污 染和測量溫度的問題都可以通過空氣流量計的布置 改善 例如將流量計布置在混合腔 然后用測得的 總流量減去進氣流量獲得循環(huán)廢氣的流量 空 2 7 圖2 空氣流量傳感器的布置方式 5 通過進氣管壓力確定E G R 率 通過壓力測量流量的根據(jù)是文丘里原理 通過 減小流通截面使低于當?shù)匾羲俚牧黧w速度增大而壓 力下降 根據(jù)貝努力方程P p 穢 c o 琊t 這里忽 Z 略勢能項p 艫壓力的下降同流體速度有確定的關系 壓力傳感器用這種方法測量新鮮進氣同廢氣混合后 的進氣管壓力 由于這種測量方式會引起進氣管中 的壓力下降 使進 排氣管之間的壓力差發(fā)生變化 從而對E G R 率產(chǎn)生影響 因此壓力差必需控制在小 范圍變動 這就需要高分辨率的壓力傳感器 萬方數(shù)據(jù) 理論的氣體流量可以通過發(fā)動機的轉速和排量 確定 y h n y 1 Z 式中 n 為轉速 為工作容積 z 為每轉的工作循 環(huán)數(shù) 例如4 缸發(fā)動機z 2 實際的體積流量還需考慮進氣過程中的節(jié)流效 應 也就是環(huán)境壓力和進氣管壓力的差多 廠 p 療 設流通系數(shù)僅 璺 y 埔 璺墮曼l 感器 C O 濃度測量裝置選用H o 曲a 公司的快速響 應N D I R E G R 閥使用日本D E N s O 的升程傳感器 通過多相電動機進行無級調節(jié) C 0 2 A 艫 V V V V 礦WV H F M 擴 p 1 l VV V擴VV 一1 圖4 上述幾種方法的比較 從圖上看出 3 種方法對于E G 尺率的測量都是 可行的 H F M 方法的曲線產(chǎn)生了振蕩 需要通過額 外的信號處理裝置 在信號處理上的花費相當高 用壓力測量獲得E G R 率必需知道進氣量同進氣壓力 的關系 C 0 2 方法的信號處理最簡便 但取樣的花 費很高 所以其應用還局限于發(fā)動機試驗臺上 參考文獻 l C h r i s t o p hW a g n e r U n t e r s u c h u n gd e rA b g 船m c k m h m n ga no t t o u n dD i e s e l m o t o r f J V D IV e r l a gG m b HD 杜s s e l d o r fl9 9 9 圖3 流通系數(shù)相對進氣管壓力和發(fā)動機轉速的特性曲線 2 康樂明 李力能 吳家正 潭羽飛編 工程熱力學 第4 版 M 中 國建筑工業(yè)出版社 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程p 莎 芻 足 丁 知道了體 3 B e m dB 刪 T h 酗脅 k G u D e 洶 a n B h 捌砌昏 積流量 加上測量得到的p 就能計算出混合后的氣 A b g 鶘m m r s y 8 8 8E 血 i 8 n g 6 i K 礎訕 g e i 體質量流量 用混合后的氣體質量減去新鮮進氣量 V n 8 8 咖啦 V d a g o d 81 d 8 血 就能得到循環(huán)廢氣量 也就得到了E G J R 率 一 A b 降d i m h gb e i0 c t 二 6 對幾種方法的比較 5 秦文新 程熙 排氣凈化與噪聲控制 M 人民交通肌皈社 f 6 1建晰 傅立新 黎維彬 汽車排氣污染治理及催化轉化器 M 1 化學 為比較基于不同機理的測量方法 選出最優(yōu)方 工業(yè)出版社 案 進行了實驗比較 空氣流量計選用B o s c h 公司的 H F M 5 壓力傳感器選用K e l l e r 公司的壓阻式壓力傳 收稿日期 2 0 0 7 0 6 1 1 2 8 2 0 0 7 年第0 3 期 始豫 加 m 窨o 寶 O 曰0 O O O O 0 萬方數(shù)據(jù) 廢氣再循環(huán)率的測量方法及其分析廢氣再循環(huán)率的測量方法及其分析 作者 周英杰 作者單位 同濟大學中德學院車輛工程 上海 201804 刊名 交通節(jié)能與環(huán)保 英文刊名 MARINE ENERGY SAVING 年 卷 期 2007 3 引用次數(shù) 0次 參考文獻 6條 參考文獻 6條 1 Christoph Wagner Untersuchung der Abgasr ckf hrung an Ottound Dieselmotor 1999 2 康樂明 李力能 吳家正 潭羽飛 工程熱力學 3 Bernd Bareis Thomas Blank Gunnar Deichmann Bernhard Flaig Abgasr ckf hrsysteme Emissionssenkung bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor 4 Axel Poehls Untersuchung eines Verfahrens zur gesteuerten Abgasr ckf hrung bei Ottomotoren 5 秦文新 程熙 排氣凈化與噪聲控制 6 建晰 傅立新 黎維彬 汽車排氣污染治理及催化轉化器 相似文獻 10條 相似文獻 10條 1 期刊論文 吳君華 黃震 喬信起 張武高 WU Jun hua HUANG Zhen QIAO Xin qi ZHANG Wu gao 廢氣再循環(huán)對增壓 二甲醚發(fā)動機性能和排放影響的試驗研究 內燃機學報2008 26 2 以一臺增壓二甲醚發(fā)動機為研究對象 研究廢氣再循環(huán) EGR 對二甲醚發(fā)動機性能和排放的影響 試驗結果表明 EGR率增大 進氣量減少 低負荷下 適 當?shù)腅GR量會使發(fā)動機的油耗率降低 在中高負荷下 EGR的加入會導致油耗率增大 經(jīng)濟性惡化 隨著EGR率的增加 發(fā)動機Nox排放大幅度下降 高負荷時下 降幅度更大 EGR率增大 HC排放上升 EGR率在一定范圍內時 EGR率對CO排放影響不大 但當EGR率超過一定范圍時 EGR率增加會引起CO排放急劇加大 EGR率 對二甲醚發(fā)動機的碳煙排放影響不大 碳煙排放測試值保持為零 在二甲醚發(fā)動機上采用廢氣再循環(huán) 沒有碳煙增大的壓力 確定各工況下的最佳EGR率時 只需在Nox排放和燃油經(jīng)濟性以及CO之間進行折中 低負荷時可以采用大的EGR率 高負荷時EGR率不宜過大 2 期刊論文 姚春德 敬章超 傅曉光 劉文勝 傅德才 冷卻廢氣再循環(huán)對發(fā)動機性能影響的試驗研究 汽車工程 2003 25 6 在一臺雙頂置凸輪軸 16氣門的四缸汽油機上 研究了不同結構的EGR進氣方式以及不同EGR進氣溫度對發(fā)動機綜合性能的影響 結果表明 冷卻的 EGR可以更大幅度地降低NOx生成量 同時可以獲得更好的發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性 另外 試驗結果還表明 對每一個工況來說 兩者都存在一個最佳的EGR率 3 期刊論文 劉德新 趙新順 LIU Dexin Zhao Xinshun 廢氣再循環(huán)對HCCI發(fā)動機UHC和CO排放的影響 農(nóng)業(yè)機械學 報2005 36 2 在中 低溫化學反應分解鏈的基礎上闡明了內部廢氣再循環(huán) EGR 的作用 試驗了火花點火和穩(wěn)定燃燒在高EGR水平時的可能性 證實了第一階段著火 之前預燃反應的重要性 分析了未燃碳氫化合物 UHC 和CO的來源 指出了降低UHC和CO排放的有效方法 將預燃反應和可靠的火花點火 穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑ヅc 減少UHC和CO排放有效地聯(lián)系在一起 指出了UHC和CO主要來自燃燒室余隙中的燃料 證實了影響UHC和CO排放的主要因素不是燃燒溫度 4 期刊論文 宋睿智 李珂 劉圣華 霍衛(wèi)紅 深度廢氣再循環(huán)對二甲醚發(fā)動機性能及排放的影響 西安交通大學學報 2009 43 11 在一臺兩缸二甲醚發(fā)動機上開展了不同廢氣再循環(huán) EGR 率下發(fā)動機的性能和排放特性研究 測量了不同工況下發(fā)動機的油耗 HC CO和NO x的排放 研究表明 二甲醚發(fā)動機可承受的最大EGR率接近60 但在高負荷時 過大的EGR率會導致發(fā)動機燃油消耗率顯著升高 EGR率對發(fā)動機的NO x排放量影響很 大 隨著EGR率的增加 發(fā)動機的NO x排放量大幅度下降 高負荷時下降幅度更大 EGR率增大 HC和CO排放增加 高負荷時增加的幅度更大 特別是當EGR率超 過一定范圍時 EGR率的增大會引起HC和CO排放的急劇增加 低負荷時 最佳EGR率應保持在30 左右 而高負荷時 應采用較小的EGR率 5 期刊論文 王婕 黃佐華 劉兵 WANG Jie HUANG Zuohua LIU Bing 天然氣摻氫配合廢氣再循環(huán)發(fā)動機燃燒過程的 數(shù)值模擬 西安交通大學學報2009 43 5 基于AVL FIRE軟件 數(shù)值模擬了摻氫比為20 不同當量比 0 9 1 4 不同廢氣再循環(huán)率 0 0 25 指廢氣的質量分數(shù) 的情況下 天然氣摻氫發(fā)動機 缸內壓力 溫度 氮氧化合物隨曲軸轉角的變化規(guī)律及其三維空間分布 缸內壓力的計算值與實測值達到很好的吻合 表明模擬計算能進行天然氣摻氫發(fā) 動機的燃燒分析 計算結果表明 當天然氣摻氫發(fā)動機使用廢氣再循環(huán) EGR 后 缸內溫度 壓力 放熱量和NO質量分數(shù)都降低 NO出現(xiàn)的時刻推遲 廢氣再 循環(huán)率大于15 時 NO質量分數(shù)降低的速度已不明顯 使用EGR是降低NO排放最直接和最有效的手段 在過量空氣系數(shù)1 1處 NO生成量最高 稀薄燃燒也是天 然氣摻氫發(fā)動機實現(xiàn)低NO排放的重要手段 6 期刊論文 周冬 發(fā)動機廢氣再循環(huán)凈化系統(tǒng) 中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)2004 8 較為全面地分析了發(fā)動機廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的基本原理和控制過程 7 期刊論文 姜雪 胡二江 鞏靜 黃佐華 JIANG Xue HU Erjiang GONG Jing HUANG Zuohua 天然氣摻氫配合廢氣再 循環(huán)發(fā)動機的性能及排放研究 西安交通大學學報2009 43 5 在一臺火花點火天然氣發(fā)動機上開展了不同摻氫比 H2 和廢氣再循環(huán)率 下發(fā)動機性能和排放的實驗研究 研究結果表明 引入廢氣再循環(huán) EGR 會 使發(fā)動機功率降低 但摻氫可以提高大 值工況下的發(fā)動機功率 有效燃油消耗率隨 的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢 在 為5 時達到最低 有效燃油消 耗率隨 H2 的增大而降低 天然氣摻氫后NOx排放增加 引入EGR使NOx排放得到降低 此降低效果在大摻氫比情況下更為顯著 在 較大時 天然氣摻氫具 有較好的效果 HC和CO排放隨 的增大而增加 隨 H2 的增大而降低 當 為10 H2 為2O 時 發(fā)動機可獲得較好的綜合性能 8 會議論文 何超 紀常偉 何洪 廢氣再循環(huán)改善均質壓燃發(fā)動機高負荷爆燃的試驗研究 2008 針對均質壓燃發(fā)動機高負荷易爆燃的問題 在一臺均質壓燃發(fā)動機上加裝廢氣再循環(huán)裝置 把燃燒廢氣冷卻