废气再循环EGR在内燃机中的应用5597.pdf
收稿日期:2004209208作者简介:姜君(1976)女,内蒙古人,南昌大学机电学院2003级工程热物理专业硕士研究生废气再循环(EGR)在内燃机中的应用姜 君,熊翔辉,张庭芳(南昌大学机电工程学院 江西 南昌 330029):本文阐述了内燃机中废气再循环(EGR)系统降低NOx的基本原理和NOx的生成途径与机理。指出了双燃料发动机中应用EGR的优点。简述了冷却废气再循环的原理及其国内此项技术的发展方向。:NOx排放;废气再循环;冷却的废气再循环:U464117:B:100527676(2004)0420022203Application of EGR in interal-combustion engineJIANGJun XIONG Xiang-hui,ZHANG Ting-fang(Electronic And Mechanic School of Nanchang University Jiangxi Nanchang 330029 PRC)Abstract:This text represents fundermental principle about reducing NOxthrough EGR system in interal-combustion engine,formedways and mechanism of NOx.Pointing out EGRs secellence in double fuels engine.Briefly tells the theory of cooling recyle of exhaustgas,and the technologys develop direction in our country.Key words:NOxexhaust;EGR;cooling recyle of exhaust gas0发展环保动力已经成为汽车技术中最令人感兴趣的挑战之一。废气再循环(Exhaust Gas Recirculation),简称EGR,是控制内燃机NOx排放的常用有效措施。事实上,部分废气再循环并不是一项新技术,但为了达到更低的排放标准,废气再循环与其它技术相结合已经成为一项必不可少的新技术。由于近年来使用的新技术如高增压,通过更有效的燃油喷射系统改进混合过程等技术的影响,将来减少NOx的排放会成为最终最难达到的目标。另外,随着城市交通密度的增加,且大部分乘用车通常都工作在发动机低负载富氧工况下,富氧会使NOx的生成量增加。所以EGR是必需的。而新一代废气再循环控制阀的发展和电子控制技术的改进(能使EGR系统的控制更加精确,同时又缩短瞬态条件下的响应时间),已使GER在内燃机中的广泛应用成为可能。1NOx我国全国总体NOx的浓度还不是很高,但在许多大城市,NOx浓度已相当可观。NOx对人体的危害主要有破坏血液输氧、肺气肿、支气管炎、瘫痪、痉挛、眼疾病等各种疾病,严重者甚至会导致死亡。它派生的危害是光化学烟雾,NOx与CH在对流不畅的特殊地理环境和气温在24 以上以及日光充足的气象条件下会产生光化学烟雾,光化学烟雾是一种毒性很大的白色烟雾。氮氧化物NOx的排放包含NO和NO2,但主要是NO,NO2所占质量百分数不高(点火发动机中为1%2%)它们是空气中的N2在燃烧高温下的产物,与燃料本身(除非本身含氮)的组成无关。内燃机中已确定有两种途径生成NO:高温途径,即在已燃区产生的NO称热NO(Thermal NO)或称Zeldovich-NO;22江西能源2004(4)1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.瞬发途径,即在火焰区产生的NO称为瞬发NO(Prompt NO)或称Fenimore-NO;在内燃机典型的燃气温度和接近理论化学当量空燃比的条件下,NO的生成服从扩充了的Zeldovich机理。Q+N2NO+N(1)N+O2NO+N(2)N+OHNO+N(3)从(1)式的正向反应的速率常数k+1=7161013exp-38 000T可知,要打开氮分子的三价键需要很高的活化能,反应要进行的足够快,生成热NO必须要有高温。从反应式中还可看出,当O2浓度高时,反应速度也会很快。1979年Fenimore C P.还发现在温度比已燃区低的火焰区也生成NO,即瞬发NO,但它不受Zeldovich机理的支配,而是通过CH根生成的,反应机理如下:CH+N2HCN+N其中的N会转化为NO,在浓混合气火焰中CH根较多,有利于NO的生成。3EGREGR净化NOx的基本原理实际上是热容量理论的具体应用。由于废气的主要成份是惰性气体(CO2、H2O、N2等)它们具有较高的比热,当新混和气与废气混合后,热容量即随之增大,加热这种经过废气稀释后的混合气,温度每升高1 所需的热量随之增加,在燃料燃烧放热不变的情况下,可以降低最高燃烧温度,从而降低热NO排放。EGR对新混合气稀释,也相应地降低了氧和混合气中CH的浓度,从而使NO在燃烧过程中的生成量受到抑制。随着EGR系统的使用和EGR率的增加,燃烧速度减慢,燃烧波动增加,CH排放上升,功率下降,燃油经济性趋于恶化。因此,必须对EGR流量进行适当控制。对EGR系统的控制要求是:由于排放量随负荷增加,则EGR量亦应随负荷的增加而增加;在暖机过程中,冷却水温和进气温度均较低,NOx排放浓度也很低,为防止EGR破坏燃烧的稳定性,不进行EGR;怠速、低负荷时,NOx的排放浓度低,不进行EGR;大负荷、高速或油门全开时,为使汽车的动力性不受影响,不进行EGR;加速时,为获得加速过程中必要的净化效果,EGR在过渡过程中起作用,一旦加速完成,即停止EGR以保证汽车的动力性能。EGR系统如图1所示,它的主要作用在于它能对引入进气系统的废气温度、EGR流量、EGR的作用时刻等实行最佳控制。有的EGR系统还兼有控制空气、燃油及其相互比例的功能。11 发动机控制单元;21 废气再循环阀(电磁);31 废气再循环阀(机械);41 空气流量计;51 尾气净化装置图1EGR系统电子控制EGR除了可实现EGR率的精确控制外,还可实现比机械式EGR量值更大的EGR率的控制。电子控制的EGR根据传感器测得的发动机转速、负荷、温度状态等工况信号,由ECU计算出符合当时32江西能源2004(4)1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.工况的最佳的EGR率,并控制EGR执行器进行相应的操作。更为精确的EGR控制系统还对EGR率进行闭环控制,将实际的EGR率反馈给ECU,供ECU对输出的控制信号进行修正,以便实际的EGR率与控制目标更为逼近。3EGR311EGR双燃料发动机是一种理想的多燃料发动机,对于很大范围内的不同燃料它都能高效的运转,它也属于是传统的压燃式柴油机中的一种。在双燃料发动机中使用EGR来减少NOx的排放已经成为一种流行。通过使用EGR,进气口混合气成分和热力学的状态被改变,其结果是进气中含有许多重要的催化物和稀释成分,如,CO2、N2和H2O。催化物的存在刺激了预燃反应,这使发动机燃烧特性发生变化。在NOx形成阶段稀释成分最根本的影响在于增加了气缸内充气的热容量,减少了火焰温度。另一方面,许多调查都推荐使用EGR来提高轻载时双燃料发动机的性能。双燃料发动机结合了汽油机和柴油机的优点。它没有节气门。因此,双燃料发动机允许吸入在给定发动机运转工况下尽可能多的空气。通常,气体燃料的供给和与空气的混合有多种形式。因此,EGR的应用包括用EGR置换进气中的可燃混合气。这种气态的燃料2空气混合气的置换减少了可用于燃烧的混合气。因此,要获得同样的输出扭矩和功率,气体燃料的供给必须增加,而这就减少了在发动机运转时的空/燃比。空/燃比的减少能对排放产生较大的影响。如前面的讨论,NOx的排放主要受两个因素的影响:(1)在进气中氧的浓度;(2)反应温度。EGR的应用减少了进气中氧的浓度,会使NOx排放的减少。312非冷却的EGR在NOx下降的同时,却增加了进气温度,降低了燃烧效率,会带来燃油经济性下降及黑烟排放的增加。为解决这一问题,提出了冷却EGR的概念。EGR冷却器本身可使氧化减少7%。研究结果也证明,采用冷却的EGR技术可以解决上述问题,见图2。由图2可知,冷却的EGR技术能明显降低烟尘的排放,油耗也有所降低。冷却的废气再循环已经是满足未来排放标准的关键性技术方案。目前已成为国外汽车发动机满足排放标准必备的机内净化措施。将来它也必将成为国内汽车柴油发动机满足排放要求的必备装备。图2 冷、热EGR的排放及燃油耗比较4先进的EGR系统可显著减少氧化氮的排放,同时保持很高的燃油利用效率。目前我国很重视EGR对降低柴油机NOx排放的研究。为了加大效果已使用冷EGR法和电控EGR法,以使各个工况下都获得优化。国外名牌汽车生产厂家的发动机在涡轮增压的同时,还配备了冷却废气再循环系统。其NOx的排放已经达到2006年开始实行的严格的欧 标准。为此,我国国家环境保护总局与其它相关部门在1999年联合发布:为达到相当于欧洲第三阶段排放控制水平的要求,可采用电控燃油高压喷射、增压中冷、废气再循环及安装氧化型催化转化器等技术相结合的综合治理技术路线;为达到相当于欧洲第四阶段排放控制水平的要求,可采用更高压力的电控燃油喷射、可变几何的增压中冷、冷却式废气再循环、多气阀技术、可变进气涡流等,并配套相应的排气后处理技术的综合治理技术路线。均提到采用EGR及冷却的EGR。然而,我国此项技术的研究与开发却是严重的落后。今后,此项技术的还有待进一步重视与加强。1李兴虎 1 汽车环境保持技术M1 北京航空航天大学出版社,200412蒋德明 1 内燃机燃烧于排放学M1 西安交通大学出版社,200113侯洪川1利用EGR降低柴油机排放的研究J 1内燃机工程,2000(4)4何邦全1 柴油机NOx排放控制与废气再循环控制J 1 小型内燃机,2000(1)42江西能源2004(4)1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.
