EGR系統(tǒng)原理及其在汽油機(jī)中的應(yīng)用

1、同濟(jì)大學(xué)熱能與動力工程專業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)及內(nèi)燃機(jī)技術(shù)期末論述報(bào)告 姓名：*學(xué)號：* 院系：機(jī)械與能源工程學(xué)院專業(yè)：熱能與動力工程 EGR系統(tǒng)原理及其在汽油機(jī)中的應(yīng)用摘要 汽車排放的污染主要是HC、NOx、CO以及柴油車的碳煙。本文所敘述的EGR系統(tǒng)，就是為了減少NOx的排放而實(shí)施的技術(shù)。本文簡要介紹了EGR系統(tǒng)的工作原理以及其在汽油機(jī)中的應(yīng)用與其對發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的影響。關(guān)鍵詞 EGR系統(tǒng) NOx排放 汽油機(jī) EGR率引言 氮氧化物排到大氣中，碰到強(qiáng)烈的紫外線時(shí)，會生成光化學(xué)煙霧。這種光化學(xué)煙霧會造成眼睛疼痛，嚴(yán)重的話還會呼吸困難。長期呼吸被氮氧化物和黑煙等污染的空氣，也容易帶來呼吸器官的疾病和癌癥。在化

2、學(xué)上，氮是所謂的惰性氣體，不容易起氧化作用，但溫度高到一個(gè)程度，還是會形成氮氧化物的。因此若要降低引擎排氣中的氮氧化物含量，就必須設(shè)法降低引擎的燃燒溫度。發(fā)動機(jī)的有害排放物是造成大氣污染的一個(gè)主要來源，隨著環(huán)境保護(hù)問題的重要性日趨增加，降低發(fā)動機(jī)有害排放物這一目標(biāo)成為當(dāng)今世界上發(fā)動機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向，所以開展汽車發(fā)動機(jī)有害排放物控制方法的研究。目前車輛使用的方法就是在進(jìn)氣管中導(dǎo)入一些已經(jīng)燃燒過的廢氣，與新鮮空氣混合，使之再次燃燒，作用為降低混合氣的含氧濃度、吸收燃燒釋放出的熱量，使燃燒速度減慢、燃燒溫度降低，便減少了 NOx 的生成數(shù)量，現(xiàn)代引擎不論是汽油或柴油的都有 EGR 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

3、，并且都用計(jì)算機(jī)來控管廢氣的進(jìn)氣量，以期許在環(huán)保和動力上取得最大的利益和平衡。一、EGR原理1.1 EGR簡介廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(Exhaust Gas Recirculation) 簡稱 EGR，是將汽車發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的廢氣的一小部分再送回氣缸。再循環(huán)廢氣由于具有惰性將會延緩燃燒過程，也就是說燃燒速度將會放慢從而導(dǎo)致燃燒室中的壓力形成過程放慢，這就是氮氧化合物會減少的主要原因。另外，提高廢氣再循環(huán)率會使總的廢氣流量(mass flow) 減少，因此廢氣排放中總的污染物輸出量將會相對減少。EGR 系統(tǒng)的任務(wù)就是使廢氣的再循環(huán)量在每一個(gè)工作點(diǎn)都達(dá)到最佳狀況，從而使燃燒過程始終處于最理想的情況，最終保證排

4、放物中的污染成份最低。由于廢氣再循環(huán)量的改變會對不同的污染成份可能產(chǎn)生截然相反的影響，因此所謂的最佳狀況往往是一種折衷的，使相關(guān)污染物總的排放達(dá)到最佳的方案。比方說，盡管提高廢氣再循環(huán)率對減少氮氧化物（NOx）的排放有積極的影響, 但同時(shí)這也會對顆粒物和其他污染成份的增加產(chǎn)生消極的影響。1.2 外部EGR 系統(tǒng)凈化原理 廢氣再循環(huán)技術(shù)是控制氮氧化合物排放的主要措施，它是將汽車排出的一部分廢氣重新引入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，與混合氣一起在進(jìn)入氣缸燃燒。 EGR工作原理系統(tǒng)圖廢氣混入的多少用EGR率表示，其定義如下：NOx 是在高溫和富氧條件下N2和O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。燃燒溫度和氧濃度越高，持續(xù)時(shí)間越

5、長，NOx 的生成物也越多。一方面廢氣對新氣的稀釋作用意味著降低了氧濃度；另一方面，考慮到除怠速外的其他工況下的CO、HC和NOx濃度均小于1，加熱這種經(jīng)過廢氣稀釋后的混合氣所需要的熱量隨之增大，在燃料燃燒放出的熱量不變的情況下，最高燃燒溫度可以降低。從而可使NOx在燃燒過程中的生成受到抑制，明顯地降低NOx的排放。1.3 EGR 系統(tǒng)控制要求隨著EGR率的增加，燃燒開始不穩(wěn)定，燃燒波動增加，HC排放上升，功率下降，燃油經(jīng)濟(jì)性趨于惡化。小負(fù)荷特別是怠速時(shí)進(jìn)行EGR會使燃燒不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致失火，使HC排放急增。全負(fù)荷追求最大動力性，使用EGR會使最大功率降低，動力受損。因此，必須對EGR率進(jìn)行適

6、當(dāng)控制，使之在各種不同工況下，得到各種性能的最佳折中，實(shí)現(xiàn)NOX的控制目標(biāo)。對EGR 系統(tǒng)的控制要求如下：（1）由于NOX 排放量隨負(fù)荷增加而增加，因而 EGR 量應(yīng)隨負(fù)荷的增加而增加。（2）怠速和小負(fù)荷時(shí)，NOx排放濃度低，為了保證穩(wěn)定燃燒，不進(jìn)行EGR。（3）在發(fā)動機(jī)暖機(jī)過程中，冷卻水溫和進(jìn)氣溫度均較低，NOX排放濃度也很低，混合氣供給不均勻，為防止EGR破壞燃燒穩(wěn)定性，冷機(jī)時(shí)不進(jìn)行EGR。（4）大負(fù)荷、高速時(shí)，為了保證發(fā)動機(jī)有較好的動力性，此時(shí)雖溫度很高，但氧濃度不足，NOX排放生成物較少，通常也不進(jìn)行EGR或減少EGR率。（5）為了實(shí)現(xiàn)EGR的最佳效果，需保證再循環(huán)的排氣在各缸之間分配

7、均勻，即保證各缸的EGR率一致。1.4 內(nèi)部廢氣循環(huán)簡述通常把發(fā)動機(jī)排氣經(jīng)過EGR閥進(jìn)入進(jìn)氣歧管，與新鮮混合氣混合在一起的方式稱為外部EGR。實(shí)際上，EGR的這種效果也可以通過不充分排氣以增大滯留于缸內(nèi)的廢氣量（即增大殘余廢氣系數(shù)）來實(shí)現(xiàn)。與上述外部EGR相對應(yīng)，稱這種方法為內(nèi)部EGR。滯留在缸內(nèi)的廢氣量決定于配氣相位重疊角的大小，重疊角大，則內(nèi)部廢氣再循環(huán)量也大。高比功率的發(fā)動機(jī)，由于有較好的充氣，通常重疊角較大，內(nèi)部廢氣再循環(huán)量也大，因而NOX排放物相對較低，但是重疊角也不能無限加大。二、EGR系統(tǒng)在汽油機(jī)中的應(yīng)用汽油機(jī)主要的排放污染物有碳?xì)浠衔?HC)，一氧化碳(CO)，和氮氧化物(N

8、Ox)。由于汽車排放物具有流動性大，數(shù)量多，集中在居民稠密區(qū)，低空排放等特點(diǎn)，對人體的危害極大，在許多國家汽車的排放成為主要的大氣污染源。我國的人均汽車保有量不算大，但是基數(shù)高，而且每年還在以17的速度增長，由此造成的環(huán)境和污染日益嚴(yán)重。解決機(jī)動車尾氣的排放問題刻不容緩。在汽油機(jī)的所有排放物中，NOx 最難降低，常用的方法有噴水，乳化油，稀燃，推遲點(diǎn)火，廢氣再循環(huán)等。噴水對降低 NOx 效果明顯，但對機(jī)件的腐蝕作用太大：乳化油對燃燒要求較高，采用較少；推遲點(diǎn)火方式將造成功率損失，油耗增加；稀燃是發(fā)動機(jī)在高于理論混合比的條件下工作，出于燃燒溫度降低抑制了 NOx 的生成，但是混合氣過于稀薄將造成

9、循環(huán)變動增加；分層燃燒實(shí)現(xiàn)稀燃的潛力超過均質(zhì)燃燒，但是過度分層存在的濃混合區(qū)仍是NOx的主要來源。EGR 技術(shù)對降低NOX的效果明顯，效率高在所有負(fù)荷條件下都可以降低NOX 的排放量。另外，采用 EGR 后缸內(nèi)的最高燃燒溫度下降，有效降低了爆燃傾向，因此，EGR 與提高壓縮比相結(jié)合可以同時(shí)改善熱效率和排放。EGR 技術(shù)對發(fā)動機(jī)的改動小，成本低，即使是采用較為復(fù)雜的EGR，許多元件也可以和發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)共用或整合，因此作為一項(xiàng)降低NOX的有效措施得到了廣泛的關(guān)注。2.1 車用汽油機(jī)EGR系統(tǒng)a）真空控制EGR系統(tǒng)b）電控真空驅(qū)動EGR系統(tǒng)c）閉環(huán)電控EGR系統(tǒng)車用汽油機(jī)的EGR系統(tǒng)簡圖圖中：1-

10、真空驅(qū)動EGR閥；2-排氣管；3-發(fā)動機(jī)；4-進(jìn)氣管；5-溫度控制閥；6-電控真空調(diào)節(jié)器；7-電控單元；8-EGR閥位置傳感器；9-電磁驅(qū)動EGR閥圖4-30a所示的真空控制EGR系統(tǒng)，除低溫切斷EGR用溫度控制閥5實(shí)現(xiàn)外，其余控制規(guī)律由進(jìn)氣管節(jié)氣門后的真空度和真空驅(qū)動EGR閥的構(gòu)造保證（如采用雙膜片式EGR閥等）。真空控制EGR系統(tǒng)是機(jī)械式EGR系統(tǒng)，在現(xiàn)代電控汽油機(jī)上已很少應(yīng)用。圖4-30b所示的為電控真空驅(qū)動EGR系統(tǒng)，用電控單元7控制真空調(diào)節(jié)器6，后者控制真空驅(qū)動EGR閥1的開度。在此系統(tǒng)中，通過預(yù)先標(biāo)定的EGR脈譜有可能針對不同工況實(shí)現(xiàn)EGR的優(yōu)化控制。圖4-30c所示的為閉環(huán)電控E

11、GR系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電控汽油機(jī)中。這種系統(tǒng)應(yīng)用了帶EGR閥位置傳感器8的線性位移電磁式EGR閥9，由電控單元7發(fā)出的PWM信號驅(qū)動。傳感器8發(fā)出的EGR閥位置信號反饋給電控單元7，保證精確實(shí)現(xiàn)預(yù)定的電控脈譜。而電控脈譜由發(fā)動機(jī)的EGR標(biāo)定試驗(yàn)確定。在EGR控制系統(tǒng)中，EGR閥是其中最為關(guān)鍵的部件。不同的EGR率是通過EGR閥的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的。廢氣再循環(huán)閥常用的控制方式有溫控真空式、真空背壓式、真空電磁式、電磁閥式等。隨著電子技術(shù)在汽車上的廣泛使用，現(xiàn)代汽車大多采用電子控制的廢氣再循環(huán)閥。2.2 EGR率對發(fā)動機(jī)的影響采用廢氣再循環(huán)能有效地降低汽油發(fā)動機(jī)的 NOx 排放。但EGR率過大會使燃燒

12、惡化，燃油消耗率增大，HC排放上升。小負(fù)荷下進(jìn)行EGR使燃燒不穩(wěn)定，表現(xiàn)在缸內(nèi)壓力變動率增大，工作粗暴，HC排放急劇增加。大負(fù)荷時(shí)進(jìn)行EGR，會使發(fā)動機(jī)動力性受損。因此，在進(jìn)行EGR時(shí)必須要考慮其對發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性的影響。圖a EGR率對NOx排放濃度的影響圖 b EGR率對燃油消耗率的影響 如上圖所示，EGR率對 NOx 排放濃度和燃油消耗率產(chǎn)生一定的影響。圖a 中，空燃比被作為參變量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在各點(diǎn)的最佳點(diǎn)火提前角條件下得到的?？梢?，隨著EGR率的增大，對降低 NOx 排放越有利。但從圖b 可以看出，EGR率越大，燃油消耗率也將增加。故要提高 NOx 凈化率，勢必要增加燃油消耗率。E

13、GR率對汽油機(jī)凈化與性能的影響如下圖所示：圖C EGR率對汽油機(jī)凈化與性能的影響 該試驗(yàn)是在轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣管負(fù)壓及空燃比一定條件下進(jìn)行的，試驗(yàn)所用的機(jī)型是一臺日本豐田3R型汽油機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)EGR率超過15%20%時(shí)，發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性開始惡化，未燃碳?xì)渑欧艥舛纫惨駿GR率加大發(fā)生失火現(xiàn)象而上升，而且此時(shí)對進(jìn)一步降低 NOx 排放濃度的作用不大。因此，通常將EGR率控制在10%20%范圍內(nèi)較合適。三、結(jié)論 EGR技術(shù)是目前降低 NOx 排放的主流技術(shù)。完善的電子閉環(huán)控制EGR技術(shù)的應(yīng)用，為EGR凈化技術(shù)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了優(yōu)越的條件。即使在不采用 NOx 后處理的情況下，也能滿足我國現(xiàn)行排放法規(guī)對 NOx 限值的要求。值得注意的是EGR技術(shù)同時(shí)增加了進(jìn)氣溫度，降低了充氣效率，惡化了燃油經(jīng)濟(jì)性。在此基礎(chǔ)上，提出了冷卻EGR技術(shù)，即再循環(huán)廢氣經(jīng)冷卻器冷卻后再送人進(jìn)氣端，進(jìn)一步降低進(jìn)氣溫度，更有利于降低 NOx 排放，同時(shí)改善燃油經(jīng)濟(jì)性。冷卻EGR技術(shù)是今后降低 NOx 排放的發(fā)展方向，在國外已得到部分應(yīng)用。而在我國，由于排放立法滯后，此