排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)原理說(shuō)明

1、排氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）燃燒原理：燃燒溫度越高，NOx產(chǎn)生越多，在最適合于燃燒的點(diǎn)火時(shí)期點(diǎn)火及最經(jīng)濟(jì)的空燃比時(shí)，產(chǎn)生的NOx最多。為了減少NOx的排放，應(yīng)該考慮不利于燃燒的空燃比及點(diǎn)火時(shí)期，可是這樣又容易產(chǎn)生不完全燃燒，增加HC及CO的排放，還會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率下降。可以較好地解決這一矛盾的技術(shù)稱為排氣再循環(huán)技術(shù)（ExhaustGasRecirculation）,縮寫(xiě)為EGR。EGR可使發(fā)動(dòng)機(jī)排出氣體的一部分重新進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)，引入不活性氣體（主要是CO2）到燃燒室，增加燃燒室內(nèi)氣體的熱容量，使最高燃燒溫度下降，故可抑制NOx的生成。下面簡(jiǎn)單介紹一下EGR系統(tǒng)的工作原理：clutchsignalE

2、GR控制系統(tǒng)EGR（廢氣再循環(huán)系統(tǒng)），主要用來(lái)降低廢氣中氮氧化合物的排放量。其原理如上圖所示。ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷（節(jié)氣門(mén)開(kāi)度）、溫度、進(jìn)氣流量、排氣溫度控制電磁閥適時(shí)地打開(kāi)，進(jìn)氣管真空經(jīng)電磁閥進(jìn)入EGR閥真空膜室，膜片拉桿將EGR閥門(mén)打開(kāi)，排氣中的少部分廢氣經(jīng)EGR閥進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)，與混合氣混合后進(jìn)入氣缸參與燃燒，降低了燃燒時(shí)氣缸中的溫度，因NOx是在高溫富氧的條件下生成的，故抑制了NOx的生成，從而降低了廢氣中的NOx的含量。EGR系統(tǒng)的主要元件是位于進(jìn)氣歧管上的EGR閥。在發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速超過(guò)怠速時(shí)，EGR閥開(kāi)啟，使少量的廢氣進(jìn)入進(jìn)氣歧管，與可燃混合氣一起進(jìn)入燃燒室；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在怠

3、速、低速、小負(fù)荷、及冷機(jī)時(shí)，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能受到影響，ECU控制EGR閥關(guān)閉。EGR閥中有一與其做成一體的EGR閥位置傳感器（EVPSensor），該傳感器是一電位計(jì)式位移傳感器，用于檢測(cè)EGR閥的實(shí)際位置，輸出相應(yīng)電壓信號(hào)給控制器，控制器據(jù)此判斷閥門(mén)是否對(duì)ECU的指令做出正確響應(yīng)。同時(shí)，它的信號(hào)輸出也是發(fā)動(dòng)機(jī)ECU計(jì)算廢氣再循環(huán)流量的依據(jù)。通常，EVP傳感器是一個(gè)三線傳感器，一條是發(fā)動(dòng)機(jī)ECU提供的電源電壓，另外一條是傳感器的接地線，第三條是傳感器給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的反饋信號(hào)輸出線；在EGR閥關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生1V以下的電壓，在EGR閥打開(kāi)時(shí)產(chǎn)生5V以下的電壓。它是EGR系統(tǒng)中的重要傳感器，一個(gè)

4、損壞的EVP傳感器會(huì)造成喘車(chē)現(xiàn)象、發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生爆震、怠速不良和其他行駛性能故障，甚至檢查維護(hù)（I/M）尾氣測(cè)試也不正常。過(guò)度的廢氣參與再循環(huán)，將會(huì)影響混合氣的著火、性能，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、低速、小負(fù)荷及冷機(jī)時(shí)，再循環(huán)的廢氣會(huì)明顯地影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。所以，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速、低速、小負(fù)荷及冷機(jī)時(shí)，電腦控制廢氣不參與再循環(huán)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)性能受到影響；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)超過(guò)一定的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及達(dá)到一定的溫度時(shí)，電腦才控制少部分廢氣參與再循環(huán)。而且，參與再循環(huán)的廢氣量根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、溫度及廢氣溫度的不同而不同，以達(dá)到廢氣中的NOx最低。EGR閥通常在下列條件下開(kāi)啟：1.發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)后運(yùn)轉(zhuǎn)。2.

5、轉(zhuǎn)速超過(guò)怠速。ECM根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫傳感器、節(jié)氣門(mén)位置傳感器和空氣流量傳感器來(lái)控制EGR系統(tǒng)。日前，在北京新國(guó)際展覽中心舉辦的2008中國(guó)國(guó)際內(nèi)燃機(jī)展上，上海日野發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司展出了其滿足國(guó)W排放的P11系列發(fā)動(dòng)機(jī)，并且由于其采用EGR+DOC的技術(shù)方案吸引了參觀者極大的興趣。與眾不同的國(guó)W機(jī)型“目前在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)上，大多數(shù)國(guó)內(nèi)公司的國(guó)W機(jī)型采用的都是SCR技術(shù)，在本屆展覽上我只看到國(guó)內(nèi)朝柴有一款國(guó)W發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是EGR技術(shù)?！鄙虾Ｈ找暗目偣こ處煂O崎在接受記者采訪時(shí)說(shuō)。這種情況的出現(xiàn)跟國(guó)內(nèi)內(nèi)燃機(jī)行業(yè)發(fā)展的特殊性有關(guān)系。由于國(guó)內(nèi)近年來(lái)國(guó)家對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的規(guī)定日益嚴(yán)格，并且實(shí)施進(jìn)程非常快，

6、所以對(duì)于目前已經(jīng)實(shí)施的國(guó)III排放，國(guó)內(nèi)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)都是剛剛通過(guò)一輪技術(shù)改造才完成。電控系統(tǒng)、4氣門(mén)結(jié)構(gòu)等等涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)的改造也剛剛完成，所以在針對(duì)國(guó)W的解決方案中，國(guó)內(nèi)的企業(yè)大多選擇了對(duì)本體機(jī)無(wú)需做大改動(dòng)的SCR技術(shù)。而EGR技術(shù)由于要增加廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，需要改動(dòng)原有國(guó)III發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，因而也就不被大多數(shù)企業(yè)所選擇。因需而定的技術(shù)方向而對(duì)于為何在國(guó)W階段會(huì)產(chǎn)生幾種不同的技術(shù)方向，還要從柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理說(shuō)起。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣中污染物主要有兩種，即氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）。由于柴油機(jī)工作的特點(diǎn)，使微粒和氮氧化物兩種主要排放污染物的生成環(huán)境

7、彼此對(duì)立。提高缸內(nèi)燃燒溫度，燃料充分燃燒時(shí)顆粒物會(huì)被降低，但氮氧化物會(huì)由于高溫的環(huán)境生成較多。反之亦然，是一種此消彼長(zhǎng)的現(xiàn)象。在排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到歐W之前，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員在控制柴油機(jī)燃燒時(shí)，通過(guò)在兩者之間進(jìn)行平衡，達(dá)到氮氧化物和微粒排放都不超過(guò)限值。但排放標(biāo)準(zhǔn)提升到歐W之后，則需要機(jī)內(nèi)控制結(jié)合機(jī)外后處理方式才能達(dá)標(biāo)。目前被國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)所使用的SCR技術(shù)是通過(guò)強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)燃燒來(lái)降低微粒的生成，然后利用尿素溶液對(duì)氮氧化物進(jìn)行機(jī)外催化氧化。而另外一種EGR則相反，在機(jī)內(nèi)控制氮氧化物的生成，然后在排氣階段再減少顆粒物。同時(shí)EGR技術(shù)又可細(xì)分為EGR+DOC和EGR+DPF這兩種，分別利用DOC（柴油催化氧

8、化器）或DPF（微粒捕集器）對(duì)生成的微粒進(jìn)行后處理。由于DPF需要再生，DOC不需要，上海日野的國(guó)W機(jī)型采用EGR+DOC這種解決方案。SCR技術(shù)的最大缺點(diǎn)是需要在車(chē)上增加催化劑儲(chǔ)存箱和催化反應(yīng)器，而且需要加油站等社會(huì)配套設(shè)施提供相應(yīng)的催化劑補(bǔ)充液。由于卡車(chē)、客車(chē)的流動(dòng)性和不同地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)的差異性，造成了尿素催化劑添加的不便性。而EGR技術(shù)的缺點(diǎn)在于改動(dòng)原有歐III發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，增加廢氣再循環(huán)系統(tǒng)。由于引入廢氣，廢氣中的酸堿性物質(zhì)會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的機(jī)件產(chǎn)生影響，制造商必須在抗腐蝕方面進(jìn)行加強(qiáng)。同時(shí)，由于需要控制氮氧化物生成，對(duì)燃燒過(guò)程的最高溫度和持續(xù)時(shí)間都必須進(jìn)行嚴(yán)格控制，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率和經(jīng)濟(jì)

9、性會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響?！坝捎贓GR技術(shù)有這樣的制約，所以上海日野此次展出的國(guó)W發(fā)動(dòng)機(jī)采用超高壓燃燒，同時(shí)配合可變截面的混流渦輪增壓器來(lái)增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。通過(guò)進(jìn)一步提高燃油噴射壓力，進(jìn)一步提高壓縮比來(lái)改進(jìn)機(jī)內(nèi)燃燒，這些措施的共同使用，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī)內(nèi)便同時(shí)降低顆粒物和氮氧化物，再配合DOC的使用消除少量殘余顆粒可以達(dá)到國(guó)W排放標(biāo)準(zhǔn)。并且燃油經(jīng)濟(jì)性不會(huì)受到很大的影響。”監(jiān)管問(wèn)題不過(guò)，對(duì)于SCR來(lái)說(shuō)，還有一個(gè)困難之處在于使用中的監(jiān)管和使用者的社會(huì)責(zé)任，即使用者如果在尿素耗盡后不添加怎么辦（目前國(guó)內(nèi)尿素價(jià)格約9元/升，高于柴油價(jià)格）。孫崎介紹，在歐洲環(huán)保機(jī)構(gòu)使用OBD（On-BoardDiagno

10、stics，中文譯為“車(chē)載自動(dòng)診斷系統(tǒng)”）來(lái)約束，其最早采用燈光提示，如果尾氣不達(dá)標(biāo)便不斷地提示駕駛員。而在歐W階段采用的OBD系統(tǒng)中則帶有扭矩限制，如排放指標(biāo)超過(guò)歐III限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率由系統(tǒng)設(shè)置下降為原功率的60%70%，強(qiáng)制駕駛員添加尿素液或進(jìn)行失效檢查。而目前我國(guó)車(chē)用柴油機(jī)OBD技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)還剛剛起步，國(guó)家環(huán)保部剛剛在2008年7月1日實(shí)施基于17691柴油機(jī)排放限值的“車(chē)用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)車(chē)載診斷系統(tǒng)技術(shù)要求”，對(duì)于OBD系統(tǒng)提出了各階段要求。“對(duì)于不需要添加消耗型尿素的EGR技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)，使用中比較方便，這對(duì)于長(zhǎng)途運(yùn)輸行業(yè)是比較適合的?！盓GR發(fā)展現(xiàn)狀從20世紀(jì)7

11、0年代開(kāi)始，國(guó)外就開(kāi)始了廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的研究，現(xiàn)在一些柴油車(chē)上已經(jīng)安裝了EGR系統(tǒng)，為柴油車(chē)達(dá)到歐W標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。對(duì)于增壓中冷柴油機(jī)，通常有以下兩種方式：從渦輪前取氣回流到壓氣機(jī)后的EGR系統(tǒng)；從渦輪后取氣回流到壓氣機(jī)前的EGR系統(tǒng)。渦輪增壓柴油機(jī)的冷卻再循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適宜采用前一種方式，可避免出現(xiàn)再循環(huán)廢氣污染壓氣機(jī)和中冷器，減少淤塞和腐蝕問(wèn)題，同時(shí)避免EGR隨工況變化響應(yīng)滯后。由于柴油機(jī)過(guò)氧燃燒，直噴式柴油機(jī)的EGR率超過(guò)40%，非直噴式可達(dá)25%。為防止微粒產(chǎn)生，中、低負(fù)荷常采用較大的EGR率，全負(fù)荷不采用EGR,以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)降低EGR率，保證較多新鮮空

12、氣的進(jìn)入，由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定測(cè)得最佳的EGR脈譜。對(duì)EGR率的精準(zhǔn)控制多采用電子信號(hào)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)、油泵齒條信號(hào)（即供油量）和水溫信號(hào)等，按預(yù)先設(shè)定好的脈譜改變EGR率。因柴油進(jìn)、排氣管間壓差較小，柴油機(jī)的E-GR回流管直徑較大，且柴油機(jī)所需的EGR率較高，可在進(jìn)氣管上加節(jié)氣門(mén)，低負(fù)荷時(shí)，通過(guò)進(jìn)氣節(jié)流達(dá)到增加進(jìn)、排氣管間壓差。同時(shí)，采用冷EGR，可進(jìn)一步降低NOx的排放。柴油機(jī)排氣中的SO2會(huì)生成硫酸，對(duì)EGR系統(tǒng)的管路和閥門(mén)以及氣缸壁面形成腐蝕，應(yīng)選用高品質(zhì)潤(rùn)滑油和低硫柴油。廢氣再循環(huán)對(duì)排放的影響2.2.1對(duì)NOx排放的影響廢氣再循環(huán)技術(shù)降低了燃燒室內(nèi)可達(dá)到的最高燃燒溫度，減少了進(jìn)氣充量，從

13、而抑制NOx的排放。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，廢氣中NOx的比例，會(huì)隨廢氣再循環(huán)率的增加而降低。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于不同負(fù)荷時(shí)，NOx排放下降率與EGR率呈近似線性關(guān)系。較大的廢氣再循環(huán)率會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)動(dòng)力下降，在中高負(fù)荷時(shí)，EGR率較低，在小負(fù)荷時(shí)，EGR率較高，根據(jù)不同的工況，選擇適當(dāng)?shù)腅GR率。2.2.2對(duì)微粒排放的影響當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，微粒排放量會(huì)隨EGR率的變化而變化。一般來(lái)說(shuō)，廢氣的引入會(huì)造成進(jìn)入氣缸的新鮮空氣降低，易造成局部缺氧和燃料燃燒不完全，引起微粒的增加。隨著EGR率的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的微粒也隨之增加。但實(shí)際上中、高負(fù)荷時(shí)，噴油較多，燃燒時(shí)間較短，E-GR率對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)的

14、影響較大，微粒增加幅度較大。在小負(fù)荷時(shí)，噴油較少，EGR率對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)的影響相對(duì)減弱，微粒增加的趨勢(shì)也相對(duì)較小。與NOx的線性關(guān)系不同，微粒排放量增加率與EGR率關(guān)系為二次響應(yīng)，因此微粒增加比例相對(duì)更大。隨著廢氣的引入，NOx排放會(huì)降低，微粒值會(huì)升高，負(fù)荷較大的工況微粒增加的趨勢(shì)很明顯，應(yīng)限制高負(fù)荷工況下的EGR率。同時(shí)，帶有EGR系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣微粒中的HC成分較少。需綜合NOx和微粒兩方面選擇適當(dāng)?shù)腅GR率。2.2.3對(duì)HC、CO排放的影響隨著EGR率的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中HC與CO的排放變化關(guān)系較為一致，呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，隨著EGR率增加，HC和CO均為燃料燃燒不充

15、分所產(chǎn)生的排放物。當(dāng)充入氣缸內(nèi)的廢氣增加，必然導(dǎo)致參與燃燒的氧氣量相對(duì)減少，燃料燃燒條件惡化。HC排放在中高負(fù)荷時(shí)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，在小負(fù)荷時(shí)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。HC排放主要來(lái)自滯燃期內(nèi)形成的極稀混合氣，因此HC排放與滯燃期時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。負(fù)荷越低，滯燃期內(nèi)形成的極稀混合氣越多，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中HC的濃度越高。在同樣低負(fù)荷時(shí)，廢氣回流率越大，加熱進(jìn)氣的作用越明顯，滯燃期將縮短，對(duì)改善HC排放有利。2.2.4對(duì)CO2及燃油消耗率的影響試驗(yàn)表明，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣再循環(huán)率增加，過(guò)量空氣系數(shù)有所降低，但CO2的排放量及燃油消耗率只有很小波動(dòng)，基本保持不變。/P2.3EGR未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，EGR在汽油機(jī)和輕型柴油機(jī)領(lǐng)域已是一種成熟的工業(yè)技術(shù)，發(fā)展方向是將其完善：如何將EGR技術(shù)與顆粒捕捉技術(shù)、電控高壓噴油技術(shù)、進(jìn)氣富氧技術(shù)等密切結(jié)合起來(lái)，使各種有害排放物全面降低；如何實(shí)現(xiàn)EGR率變工況時(shí)