应用电控EGR系统降低柴油机污染

应用电控EGR系统降低柴油机污染
李建兴
【摘要】柴油机目前的应用范围已经越来越广,但其排放问题是摆在人们面前的一个突出问题.为此,通过对EGR系统的分析,阐述了EGR对柴油机工作过程及性能的影响,并指出了其优点.在此基础上,提出了应用EGR系统是降低柴油机有害物排放的有效措施.
【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2009(031)007
【总页数】3页(P223-225)
【关键词】柴油机;EGR;排放;控制
【作者】李建兴
【作者单位】宁波城市职业技术学院,工学院,浙江,宁波,315100
【正文语种】中文
【中图分类】TK421+.5
0 引言
体积大、噪音高、污染严重，是人们前些年对柴油机的一致看法。

然而，随着各国日趋严格的排放法规的颁布，大量新技术被应用到柴油机上。

经过几十年的发展，现代柴油机已成为一种排放清洁、节省能源的动力而被广泛应用到农业机械、工程机械、汽车(客车以及轻型车、轿车)等领域。

从世界汽车工业发展的轨迹看，动力
引擎柴油化已成必然趋势。

1 柴油机排放有害物的组成
柴油机排放的废气中包含有气态、液态及固态的污染物。

气态污染物中含有CO2，CO，H2，NOx，SO2，HC和氧化物、有机氮化物及含硫混合物等；液态污染物中含有H2SO4，HC和氧化物等；固态污染物有碳、金属、无机氧化物、硫酸盐，以及多环芳烃(PAH)和醛等碳氢化合物。

而排放的污染物中，最主要的是CO，HC，NOx以及固体微粒(PM)。

CO是柴油不完全燃烧产生的无色无味气体；HC也是柴油不完全燃烧和气缸壁淬冷的产物；NOx是NO2与NO的总称，它们都是在燃烧时空气过量、温度过高而生成的氮
气燃烧产物，NO在空气中即被氧化成NO2，NO2呈红褐色并有强烈气味；PM
是所排气体中可见污染物，它是由柴油燃烧中裂解的碳(干烟灰)、未燃碳氢化合物、机油与柴油在燃烧时生成的硫酸盐等组成的微粒。

为了控制废弃污染，许多国家都制订了相应的环保法规和排放污染物防治的技术政策，以及控制排放污染物限制的技术监督标准。

欧盟柴油机稳态试验(试验程序ESC)时的排放标准，如表1所示。

表1 欧盟柴油机稳态试验排放标准标准污染物排放标准CO/g·(kW·h)-1HC/ g·(kW·h)-1NOx/ g·(kW·h)-1PM/ g·(kW·h)-1烟度/m-1欧Ⅲ2.10.665.00.100.8
欧Ⅳ1.50.463.50.020.5欧Ⅴ1.50.462.00.020.5
现在各国对NOx的排放限制越来越严格，单靠改善发动机的工作过程，一方面很难显著减少NO 的排放，另一方面会影响发动机其他方面的排放指标，而采用EGR可以有效地降低NOx的排放[1]。

2 EGR系统简介
废气再循环(EGR)是在保证内燃机动力性不降低的前提下，根据内燃机的温度及负荷大小将发动机排出的废气一部分再送回进气管。

废气中的氧含量很低，含有大量N2，CO2和水蒸气，这3种气体很稳定，不能
燃烧，可吸收大量热量。

当一部分排气经EGR控制阀还流回进气系统与新鲜空气
或新鲜混合气混合后，稀释了新鲜空气或新鲜混合气中的氧浓度，使燃烧速度降低。

由于这两个因素都使燃烧温度降低，从而有效控制了燃烧过程中NOx的生成。

3 电控EGR系统工作原理
目前，市场上出现的EGR系统主要有3种：机械式、气电式和电控式[2]。

由于电控式EGR系统与机械式、气电式相比具有动态响应好、调节精度高、排气回流量
大及结构简单等优势，因此成为柴油机控制系统的主要发展方向。

EGR电控系统控制原理，如图1所示。

根据发动机的转速信号、油门位置信号(油泵齿条位移)和水温信号等，按预先设定的脉谱图改变EGR率。

柴油机还流管直径比汽油机大得多，这是由于柴油机进排气管之间的压差较小，所需的EGR还流量
远大于汽油机。

另外，为提高排气再循环量，在柴油机的进气门上加上了节气门，以便在低负荷时通过进气节流的方法增大排气管与进气管之间的压差。

在增压柴油机中，经常会出现增压压力大于排气压力的现象。

为了确保排气再循环，在排气再循环阀前应加一个单向阀，以便利用排气脉冲进行排气再循环。

图1 EGR控制原理图Fig.1 Principle diagram of EGR control system
4 EGR对柴油机工作过程及性能的影响
由于柴油机燃烧时过量空气系数总是大于1，排气中的氧含量比汽油机高得多，CO浓度要小得多，因而必须使用比汽油机更大的EGR率才能有效地降低NOx。

EGR率以进排气中CO2的体积分数来定义[3]，即
式中φCO2in—经过再循环废气稀释后的进气中CO2的体积分数；
φCO2out—排气中CO2的体积分数。

EGR率与NOx关系如图2所示。

由图2可以看出，随着EGR率的增大，NOx的排放明显降低。

一般汽油机的EGR率不超过20%，而直喷式和非直喷式柴油机的
EGR率可分别超过40%和25%。

试验研究证明，废气再循环率为15%时,NOx排放可以减少50%以上，而废气再循环率为25%时，NOx排放可减少80%以上[4]。

采用EGR可使NOx明显降低的原因：一方面由于大量惰性气体阻碍了燃烧的快
速进行及混合气的比热容增大使燃烧温度降低；另一方面，EGR对进气加热和稀释，造成了实际的过量空气系数下降，降低了混合气中氧气的浓度，因而废气再循环破坏了NOx的生成条件，从而有效抑制了NOx的生成。

由于废气的温度比新
鲜空气的温度高，而柴油机负荷和排气温度的增加又会进一步提高引入废气的温度，在低负荷时因喷入柴油机的燃油量较少，使着火延长期减少；而在大负荷时，因喷入的燃油量增大，由于废气的引入使燃气中的氧浓度变小而对着火不利，使着火延长期增大。

尤其在负荷超过75%时节气门开度，虽采用EGR仍可进一步减少
NOx排放，但会造成发动机动力性及经济性大幅度下降[5]。

此时可以采取冷却EGR的方法，使发动机性能恶化的趋势受到抑制。

EGR温度对NOx排放的关系
如图3所示。

图2 EGR率与NOx关系Fig.2 Relationship between EGR rates and NOx emission
图3 EGR温度对NOx排放的关系Fig.3 Relationship between EGR temperature and NOx pressure emission
5 EGR系统的控制原则
为了保证发动机正常工作和性能不受过多影响，必须根据发动机工况的变化，控制废气再循环量。

即按照发动机转速及负荷变化，针对不同的工况、油门开度以及加减速等工况的特点，同时适当考虑温度、气压等因素对EGR的修正影响，对引入
进气岐管的废气量进行综合控制。

其基本原则是：在发动机起动、加速以及大负荷高速行驶时关闭EGR阀，停止EGR；而在低、中等负荷时EGR率应随负荷的增
大而增大。

6 结束语
1) EGR技术是降低内燃机，特别是柴油机废气中NOx排放的有效措施。

2) 采用EGR后，柴油机工作的粗暴性可得到明显改善。

3) 在采用EGR技术的同时，对回导的废气进行冷却，即采用中冷EGR，效果更好。

4) 采用EGR技术后，相关部件的磨损加大，使用时应充分重视。

5) 发动机处于中小负荷工况时，采用EGR的效果十分显著。

当EGR率为3O%左右时，发动机的排放及综合性能较好；采用较大的EGR率降低NOx排放效果更
加明显，且发动机经济性的下降并不突出。

6) 发动机在大负荷工况时，若采用EGR，则会导致发动机的经济性和动力性明显
下降，另外，还会增加活塞环和缸套的磨损及加速润滑油的变质，因此大负荷工况时不宜采用EGR。

7) 采用EGR，虽使发动机的其他排放污染物有所升高，但均在允许范围之内。

综上所述，采用EGR技术可以有效地改善柴油机的排放污染。

为了满足越来越严
格的排放法规,除了采用EGR技术以外，还要辅以其他技术措施是很有必要的，可以采用EGR+颗粒捕捉技术、EGR+电控高压喷油技术、EGR+进气富氧技术、EGR+涡轮增压中冷技术等组合方案。

今后，EGR技术也将在重型柴油机领域得到广泛的应用。

【相关文献】
[1] 李娜．EGR在柴油机中的研究应用[J].车用发动机，2002(2)：23-24.
[2] 周奇.车用排气再循环系统的发展及应用研究[J].小型内燃机与摩托车，2002(2)：4-6.
[3] 邬静川，邓康耀，尹琪，等.开发EGR、压缩空气补气技术，综合治理车用柴油机的有害排放[J]．柴油机设计与制造，2001(2)：15-19．
[4] 曲明辉．柴油机NOX排放控制技术[J].小型内燃机，1999(6)：1-5.
[5] 姚春德．冷却废气再循环对发动机性能影响的试验研究[J].汽车工程，2003(6)：537-541.。