EGR对通用小型汽油机HC和NO_x排放的影响分析

图 3 EGR 对 HC 和 NOx 总排放的影响
根据总的排放特性，在不同负荷下 EGR 系统可以 改善稳定工况的排放。因此需考察采用 EPA 的测试 方法时 EGR 系统对小型非道路汽油机排放的影响。 具体结果见表 2。
表 2 EGR 系统对排放的影响
NOx / （ g· HC / （ g· CO / （ g·（ CO2 / （ g（ EGR
1 － Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University （ Tianjin，300072，China） 2 － State Key Laboratory of Engines，Tianjin University
第 40 卷 第 5 期 2011 年 10 月
·排放技术·
小型内燃机与摩托车 SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLE
Vol． 40 No． 5 Oct． 2011
EGR 对通用小型汽油机 HC 和 NOx 排放的影响分析*
刘 鹏1 秦 静1、2 赵 亮1 （ 1 － 天津大学内燃机研究所 天津 300072 2 － 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室）
由于节气门的影响，发动机在 25% 负荷时 EGR 的最大流量只有 1 L / min，此时对 HC 和 NOx 排放的影 响很小。
图 3 是发动机在不同负荷下，EGR 对 HC 和 NOx 总的排 放 量 的 影 响。结 果 显 示 发 动 机 100% 负 荷， EGR 流量为 7L / min 时，HC 和 NOx 的总排放量最小， 和无 EGR 的情况相比，排放量降低了 17% 。75% 负 荷，EGR 量为 6 L / min 时，总排放量为 5． 86 g / （ kW· h） 。随着负荷的降低，总的排放量明显升高，尤其是 在 10% 负荷时，未燃 HC 排放量迅速升高。
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小型内燃机与摩托车
第 40 卷
排放的影响。从图中可以看出，在全负荷时，NOx 的排 放量要高于 HC 的排放。随着负荷的降低，NOx 的排 放下降而 HC 的排放升高，直至 10% 负荷，由于较低的 燃烧温度和输出功率，HC 的排放值升至 16g / （ kW· h） ，而此时 NOx 排放值低于 2 g / （ kW·h） 。
在节气 门 全 开 点，没 有 EGR 时，发 动 机 功 率 和 NOx 排放均达到最大值。随着 EGR 量的增加，NOx 明 显下降，同时 HC 的排放量也有所下降，至 EGR 补气 达 7L / min 时才升高。原因可能是当少量 EGR 进入空 滤后，加热了新鲜空气使得雾化效果增强，因此燃烧过 程得到优化，HC 排放减少。而当大量的 EGR 进入汽 缸，发动机的功率和燃烧温度降低导致 HC 排放恶化。 当发动机输出功率低于 75% 时，EGR 对 HC 排放的不 利有所减小。
文献标识码：A
文章编号：1671 － 0630（2011）05 － 0052 － 03
Study on the Effect of EGR System on the Emissions of HC and NOx from a Small Off-road Gasoline Engine
Liu Peng1 ，Qin Jing1、2 ，Zhao Liang1
引言
小型非道路汽油机（ 简称通机） 应用非常广泛，例 如草坪、园林机械，轻型工业机械和轻型伐木机械。由 于使用量巨大导致这些机械对环境的影响越来越大。 通机新的 EPA 排放法规将在 2011 ～ 2012 年生效。新 的排放控制目标是使火花点火式发动机碳氢化合物排 放量降低 35%［1］。依据新的法规，对于排量大于 225 mL 的发动机，其 HC 和 NOx 的排放总和要减少 34% 。
摘 要： 在一款小型非道路汽油机上设置了 EGR 系统，通过 EGR 阀的开度控果表明，使用 EGR 系统可以降低 NOx 排放，未燃 HC 正好相反，使 总排放量达到最小。
关键词： 汽油机 废气再循环 HC NOx
中图分类号：TK414． 5
（ kW·h） － 1 ） （ kW·h） － 1 ） kW·h） － 1 ） kW·h） － 1 ）
阀开
2． 73
5． 63
288． 7
842
阀关
4． 47
4． 58
230． 3
825． 2
表 2 显示同没有 EGR 系统的原机相比，有 EGR 时，NOx 排放量下降 38． 9% ，HC 升高 22． 9% 。HC 和 NOx 的排放总和为 8． 36g / （ kW·h） 。
为了应对更严格的排放标准，需要组织更有效的 后处理方式和更为清洁的燃烧过程。由于 HC 和 NOx
的产生机理不同，通常降低二者排放的方法也有所不 同，一种是用稀混合气燃料实现低 HC 和高 NOx 排放， 另一种是使用浓混合气燃料得到低 NOx 和 HC 排放。 通机为得到较高的功率和较低的 NOx 排放，常常使用 较浓的混合气，因此，HC 排放和油耗较高。
2 试验结果与分析
试验中，EGR 补气点位置在空滤处，即 EGR 气体 与油气混合气一同进入进气系统，因此，EGR 的补气 量与节气 门 开 度 有 很 大 关 系，随 着 节 气 门 开 度 减 少， EGR 量也随之减少。本试验中全负荷工况下的 EGR
图 2 不同负荷下 EGR 对 NOx 和 HC 排放的影响
图 1 试验设备示意图
试验过程中，根据 EPA 排放法规对发动机进行预 热。考虑到常规小通机热稳定性，排放测试点均是在 同一机 油 温 度 下 进 行，将 发 动 机 转 速 调 至 3060r · min － 1 ，分 别 测 试 100% 负 荷，75% 负 荷，50% 负 荷， 25% 负荷，10% 负荷等工况下的 HC 和 NOx 排放。试 验中由玻璃转子流量计控制 EGR 量从 0 增大至试验 条件允许的最大 EGR 补入量。
第5 期
刘鹏等： EGR 对通用小型汽油机 HC 和 NOx 排放的影响分析
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1 试验装置与方法
试验在一款非手持式小型四冲程非道路汽油机上 进行，发动机基本参数如表 1 所示。
表 1 发动机参数
发动机类型 缸径 / mm 冲程 / mm 排量 / mL 压缩比 冷却形式 供油形式 气门机构
单缸四冲程 88 64 389
下一步将通过优化不同工况负荷的空燃比进一步 降低发动机的排放。
参考文献
1 http： / / www． epa． gov / otaq / equip － ld． htm 2 Seppo A． Niemi，Tommi P． J． Paanu，Mika J． Laurén．
Effect of Injection Timing，EGR and EGR Cooling on the Exhaust Particle Number and Size Distribution of an Off － Road Diesel Engine． SAE 2004 － 01 － 1988 3 F． Millo ，F． Mallamo，L． Arnone － Lombardini． Analysis of Different Internal EGR Solutions for Small Diesel Engines． SAE 2007 － 01 － 0128 4 Kazuo Fujihara，Yamato Nakamizo，Mitsuru Kojima，et al． ， Development of an NOx Reduction System Using Exhaust Valve Controls in Small Engines for Motorcycles． SAE 2009 － 32 － 0043，SETC 2009 5 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，2004，26（ 2） 6 姚春德，敬章超，傅晓光，等． 废气进气方式对汽油机性能 及 NOx 排放影响的研究［J］． 汽车工程，2004，26（ 2） 7 蔡锐彬，司徒达擎． EGR 对改善汽油机排气热反应净化效 果的研究［J］． 车用发动机，2000，126（ 2）
虽然总的排放有所降低，但依然无法满足 EPA3 阶段排放限价的要求。这是由于混合气较浓，此次试 验的过量空气系数在 0． 84 ～ 0． 89 之间，根据之前的分 析，EGR 系统降低 NOx 是通过较低的燃烧温度来实 现，这样就会导致空燃比较低。下一步工作将采用更 稀的混合气进一步研究通过 EGR 系统使 HC 和 NOx 的排放那个降到最小。
Abstract： In this paper，experimental investigations were conducted on a small off-road gasoline engine to study the effect of EGR system on the engine-out emission especially the unburned HC and NOx． The effect of different EGR rate on the engine power and emissions under various test operation points were studied by controlling the EGR amount through EGR valve． The results show that the NOx emissions decreased with increasing EGR percent while unburned HC is on the contrary，and minimized emissions can be achieved using EGR system compared with original engine． Keywords： Gasoline，EGR，HC，NOx
废气再 循 环 是 控 制 柴 油 机 NOx 排 放 的 常 用 方 法［2 ～ 5］，近些年来也已用于摩托车减排［6 ～ 7］。本文在 一台四冲程小型非道路汽油机上，利用废气再循环系 统研究再循环废气量对其 HC 和 NOx 的排放影响。
* 基金项目： 重庆市科技攻关计划项目 － 通用小型汽油机及机组关键技术研究与产业化（ CSTC． 2009AA3011） 。 作者简介： 刘 鹏（ 1983 － ） ，助理工程师，研究方向： 中小型内燃机开发测试和排放控制。
8． 3： 1 风冷 化油器 顶置气门
最大流量为 8L / min，随着节气门开度变小，EGR 最大 流量减少，直至 1L / min，如图 2a ～ e 所示。
图 2 表明了不同工况点时 EGR 量对 HC 和 NOx
图 1 是试验设备的系统示意图。其中废气分析系 统采用的是 AVL AMA1800 废气分析仪，该分析仪符 合美国及欧洲排放法规要求。测功系统使用 ACD － 15kW 交流电力测功机，同时使用 ETAS LA4 监测发动 机空燃比。废气经过冷却器进入空滤器，通过 EGR 阀 来控制补气流量。同时，在冷却器上还装有泄水阀，用 来清除 EGR 中的水蒸气。
3 结论
本文研究了 EGR 系统对非手持式小型非道路汽 油机排放控制方法。
1） 试验数据证明 EGR 系统可以降低发动机 HC 和 NOx 的总排放量。
2） 测试数据表明在 100% 和 75% 负荷时，NOx 排 放占主要地位，而在低负荷时，未燃 HC 的比重则越来 越大。
3） EGR 系统可以有效减少 NOx 的排放，特别是在 高负荷时，可以减少 HC 和 NOx 的总排放量。
（ 收稿日期： 2011 － 03 － 03）