废气再循环(EGR)原理及应用现状分析.pdf

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1、废气再循环（EGR）原理及应用现状分析摘 要:介绍汽车废气再循环(EGR)系统的类型与组成、基本原理及控制功能关键词:废气;再循环;氮氧化合物;机械式;电子式Abstract:The type and configuration,the basic principle and control function of exhaust gas recirculation(EGR)system is described in this article,Key word:exhaust gas;recirculation;nitrogen oxides;mechanically-driven;elec

2、tronically controlled 前言：内燃机的有害排放物主要是HC,CO,NOx和微粒 降低有害排放物的方法多种多样,废气再循环EGR 是控制和降低排放,特别是降低柴油机有害排放的有效措施之一，国外已将EGR 技术广泛地应用于车用内燃机上，国内对内燃机排放指标的要求也越来越严,对 EGR 技术的研究也越来越重视。一、废气再循环（EGR）原理1 EGR 的工作原理所谓废气再循环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的一部份再送回进气管,和新鲜空气或新鲜混合气混合后再次进入气缸参加燃烧,使燃烧反应的速度减慢,从而降低 NOx 的排放量,是控制反

3、应的速度减慢,从而降低 NOx 的排放量,是控制。废气中的氧含量很低,含有大量N,CO 和水蒸气,这三种气体很稳定,不能燃烧,可吸收大量热量。当一部份排气经 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。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。2 EGR 率废气混入的多少,用 EGR 率来表示,其定义为:随 EGR 率的增加,NOx 的排放量会迅速下降。新鲜混合气混入废气后,其热值下降,燃烧速度和燃烧温度下降,发动机在全负荷时的最大输出功率会有所下降;中等负荷时,采用较大的 EGR 率会使燃油消耗率

4、升高,HC 排放上升;小负荷,特别是怠速时,使用 EGR使燃烧不稳定甚至导致缺火为了使 EGR 系统能更有效地发挥作用,保证发动机的动力性能,其关键在于根据发动机的温度及负荷的大小控制 EGR 率,使之在不同工况下得到各种性能的最佳折中,实现减少 NOx 生成量的控制目标。当发动机启动!暖机时冷却水温和进气温度较低或发动机怠速或小负荷运转时,NOx 的生成量很少,通常不使用EGR;当发动机水温达到正常工作温度、负荷增大运转时,燃烧室内温度升高,促使 NOx 的生成,此时最好的方法是降低燃烧室温度,采用 EGR,由于 NOx 生成量随负荷的增大而增大,随负荷的增大应相应增大EGR 率,一般不超过

5、20%由此NOx 的排放可降低50%70%如果 EGR 率超过这个界限,燃烧速度太慢,燃烧波动增加,HC 排放增加,动力性和经济性就随之恶化 但在全负荷运行时,由于最大输出功率会下降,为保持发动机的动力性,即使 NOx生成量多,也不宜采用 EGR。此外,要保证再循环的废气在各缸之间分配均匀。为了精确控制 EGR 率,最好采用电子控制 EGR 阀系统 为提高降低 NOx 的排放效果,可采取中冷 EGR,将废气冷却后再还流回气缸使进气温度降低。中冷 EGR 技术不仅可以降低NOx 排放,还可使其他有害排放降低。3 汽油机 EGR 系统的控制3.1 EGR系统控制方法的分类EGR 系统按控制方法可分

6、为四种类型A 型:进气负压控制,节流阀下方注入B 型:进气负压控制,节流阀上方注入C 型:排气压力控制,节流阀下方注入D 型:进气负压与排气压力双阀控制,节流阀下方注入从各控制方法的 EGR 率及 NOx 排放随负荷变化的特性来看,A 型较为简单,但特性很差,尤其是在高负荷时,不能满足要求,使用较少 随着 NOx 排放法规的日益严格,采用 C 型和 D 型较多,但这两种方法的结构较复杂。图 1 即为日本丰田 4K-U 发动机使用的 C 型调节方法。在进气负压控制气道中串入双金属温控真空阀(BVSV)及 EGR 排气阀(BPT)当负荷上升时,EGR 阀的开启变小,造成中负荷后 EGR 率下降。B

7、VSV 的作用是当水温低于30e 时关闭气路,防止 CO 和 HC 增加;当水温超过 40e时,阀打开。3.2 车用汽油机 EGR的控制系统车用汽油机常用真空控制!电控真空控制，闭环电控三种EGR 控制系统,如图 2。在真空控制 EGR 系统中,除切断 EGR 用温度控制阀 5 实现以外,其余控制全靠进气管节气门后的真空度和真空驱动EGR 阀的构造来保证。如EGR 阀 1 是简单的膜片阀,而节气门后的真空度随负荷的减小而加大,因而 EGR阀的开度将随负荷的减小而加大,这显然不符合要求 为此改用双膜片阀。双膜片阀的主膜片保持最大负荷下驱动真空度小时EGR 阀关闭发动机转速降低时,排气背压降低,副

8、膜片在小弹簧作用下下移,打开控制阀,使主膜片室内的真空度流失,EGR 阀开度减小。若全靠真空控制,EGR 阀设计得再巧妙也不能达到理想的控制电控真空驱动的EGR 系统用预先标定的脉谱通过电控真空调节器6 控制 EGR 阀 1 的开度,大大提高了控制的自由度 闭环电控 EGR 系统应用了带传感器8 的线性位移电磁式EGR 阀 9,进一步提高了控制精度。3.3 用计算机直接控制的废气再循环计算机直接控制的废气再循环见图3。图 3 中,废气再循环阀的作用是调节再循环的废气量。作用在废气再循环阀8 真空膜片室内的真空度越大,阀的开度就越大。废气调整阀 7 的作用是利用进气管真空度的变化,按节气门开度的

9、大小控制通往废气再循环阀8 的真空度,使废气再循环阀8 的开度能随节气门的开大而增大,使再循环的废气量能随发动机负荷的增大而相应增大。三通电磁阀6 由计算机控制,计算机根据空气流量计 1，节气门位置传感器2，水温传感器 3，发动机转速传感器4 等测得的信号,在一定条件下断开三通电磁阀6的电源,切断真空管路,让空气进入废气调整阀7,使废气再循环阀 8关闭,取消废气再循环。废气再循环阀 8 的工作条件是:发动机水温低于 50e;怠速或小负荷运转(转速低于 1000r/min);高速运转(转速高于 4500r/min);突然加速或减速。有些车型的发动机在废气再循环阀上设置了一个位置传感器。废气再循环

10、阀的膜片带动位置传感器可变电阻的滑动触点,使废气再循环阀的开度转变为电阻或电压的变化,计算机再根据废气再循环阀位置传感器的信号即可检测出废气再循环阀是否工作及开度是否正常。当废气再循环阀不能正常工作或开度过大!过小时,计算机可通过废气再循环控制电磁阀来调整废气再循环阀的开度。若调整无效,计算机将使发动机故障警告灯亮,表示发动机控制系统出现故障。为消除 EGR对动力性和经济性的负面影响,往往同时采用一些快速燃烧和稳定燃烧的措施,如加强缸内混合气的湍流强度,加大点火能量等。EGR 的这种效果也可以通过不充分排气增大滞留于缸内的废气量(即增大残余废气系数)来实现，这种方法称做内部EGR。它可通过调整

11、进气相位角(如加大进排气重叠角)或排气系统的波动效应等方法来实现。这样,发动机不需大的改进,但内部 EGR 率难以控制,且新鲜混合气的加热作用强,除影响进气充量外,还会造成压缩终了温度的提高,导致降低 NOx 的效果变小。4 柴油机 EGR 的效果及控制4.1 EGR对 NOx 和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,CO2浓度要小得多,因而必须使用比汽油机更大的EGR 率才能有效降低NOx。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%。由于废气的温度比新鲜空气的温度高,随着 EG

12、R 率的增加,进气温度会提高;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,随着 EGR 率的增加,进气温度会进一步增加。由于废气的引入使进气的温度升高,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。采用 EGR 可使 NOx 明显降低的原因除由于大量隋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(EGR 率为 20%和 25%时,燃烧最高温度比无 EGR 时分别低 50e和100e左右)外,EGR 对进气加热和稀释造成实际的过量空气系数下降也是重要原因。因此

13、,在 NOx降低的同时,尤其在较大负荷时,碳烟和油耗会随之恶化,可采用冷却 EGR 的方法使发动机性能恶化的趋势受到抑制。由于燃烧速度的减慢,可使压力升高比下降,既可改善柴油机工作的粗暴性,且随 EGR率的增大而更明显,还可使最高爆发压力降低,且最高爆发压力的出现角度前移。4.2 EGR率的控制EGR 对发动机性能的负面影响,主要表现在大中负荷时,而小负荷时影响不大,甚至油耗和HC 排放还略有改善。实际应用时,应随工况的不同而改变EGR 率。高速大负荷时,停用 EGR;随负荷及转速的降低逐步加大EGR 率各种工况的最佳 EGR 率应由试验来确定。对 EGR率的控制,国外多用电子控制系统,图 4

14、这种方法称做内部 EGR它可通过调整进气相位角即为一实用化的EGR 系统。电控系统根据发动机的转速信号!油泵齿条位移信号(供油量)和水温信号等,按预先设定的脉谱图改变 EGR 率。柴油机还流管的直径比汽油机的大得多,这是由于柴油机进排气管之间的压差较小,所需的 EGR 还流量又远大于汽油机。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。4.3 EGR 引起的异常磨损由于柴油中含有硫份,排

15、气中会生成SO2,最终可能会生成硫酸(H2SO4),这对系统的管路!阀门及气缸壁面会造成腐蚀,并使润滑油劣化;排气中的微粒还流回气缸,易附在摩擦面上或混入润滑油中。这些都会导致气缸套!活塞环及配气机构的异常磨损。在EGR 率为 20%时,第一道活塞环和气缸套的磨损量是无EGR 时的 45倍(试验时使用的柴油的含硫量为0.5%)为了防止磨损,必须降低柴油的含硫量，欧美日等国已将柴油中的含硫量降至0.005%以下。润滑油也应作相应改进,缸套等部件的材料也应考虑耐腐蚀和耐磨损的问题。5结束语.技术是降低内燃机,特别是柴油机废气中排放的有效措施,可降低20%50%。.随工况的不同,其最佳率也不同。因此

16、应对不同工况进行细致的匹配,采用电控(计算机控制)最好。.柴油机的率可比汽油机大,但一般以不超过 30%为宜,否则会使功率和油耗恶化。.采用后,柴油机工作的粗暴性可得到明显改善。.在采用技术的同时,对回导的废气进行冷却,即采用中冷,效果更好。.采用技术后,相关部件的磨损加大,使用时应充分重视。二、废气再循环（EGR）应用现状1.在增压中冷柴油机上的应用1.1 试验仪器与设备1.2 EGR 系统布置发动机上 EGR 系统的布置原理图如图1 所示,废气在涡轮机进口前被引出,进入废气冷却器中冷却,然后流经EGR 阀,在文丘里管的喉口部位与新鲜进气混合,最后进入气缸中参与燃烧2,3。在整个系统布置中,

17、通常需要考虑以下两点:(1)EGR 阀的位置。EGR 阀可以选择放在废气冷却器前或后。置于冷却器前,可以避免废气冷却器长期与燃气接触,但是阀体距离排气管很近,直接暴露在高温排气下,对其抗热负荷的性能要求很高,因此有的阀体上加工了冷却水通道,利用发动机循环水来冷却;EGR 阀置于冷却器后,降低阀体所须承受的热负荷,目前许多带有驱动电机的EGR 阀都采取这种布置,但是这要求冷却器具有较强的抗热负荷、抗酸性腐蚀功能。本试验中采用EGR 阀后置。(2)文丘里管系统的位置。文丘里管系统的作用是在进气管中产生足够的压降,使废气能够与新鲜进气混合,并使流动损失尽可能小。如果在进气中冷器前导入废气,对废气的冷

18、却效果将明显加强,但是在冷却过程中会产生酸液,同时在中冷器的内壁面附着一层微粒,最终导致冷却器工作能力的下降和壳体的损坏。本试验中文丘里管系统安置在进气中冷器后。EGR 率在试验中定义如下:EGR 率=（CO2进气-CO2环境大气）/（CO2排气-CO2进气）式中,CO2为 CO2 摩尔浓度。1.3 试验结果分析试验在各种工况下对发动机的燃油耗、气体排放物、烟度进行了测试,转速(r/min)为:1200,1500,1800,2000,2300;在每种转速下负荷分别为:10%,25%,50%,75%,100%。试验时的喷油定时不变,不同的 EGR 率依靠调节文丘里管系统的节流阀和EGR 阀的开度

19、来实现。当节流阀开度减小时,更多的气流从文丘里管侧通过,这时喉口处的压降增加,更多的废气可利用此引射效应参与再循环。图 2 是试验测得的最大EGR 率分布情况。试验可达到的最高EGR 率约为 13%。在 1500r/min、75%负荷处(相当于 13 工况中的第 5工况),能实现 1.6%的 EGR 率,在中低转速的高负荷工况下,废气压力低于文丘里管喉口处的进气压力,无法进行废气再循环。对于 NOx,在所有的工况下,随 EGR 率的增加,其排放都会降低,尤其是在高负荷区域这种现象更为明显。这主要是因为,当废气引入时,它取代了部分新鲜空气,降低了其中的氧浓度;废气中的惰性气体抑制滞燃期内可燃混合

20、气的形成和燃烧速度;同时废气中比热容较高的物质如CO2等会吸收燃烧产生的热量,对燃烧温度起抑制作用。这样 NOx 形成机理中的两个重要条件高温和富氧被破坏,从而降低了它的排放。在高负荷工况下,过量空气系数很小,燃烧对氧浓度的变化十分敏感,少量的废气引入可以使NOx 有明显的降低,例如在 1500 r/min、75%负荷下,1.6%的 EGR率使 NOx 下降约 13%;在低负荷时,过量空气系数很高,此时对降低 NOx 排放起明显作用的是废气对燃烧速度和温度的抑制作用。从图 3 可看出,在高负荷工况下,曲线的走势较陡,在低负荷时则很平缓。EGR 对 HC 的影响较为复杂,通常认为 HC 是由缸内

21、的不完全燃烧以及缸壁的淬冷产生。废气的引入使缸内的氧浓度降低,充量的温度增加。前者使燃烧恶化,HC 排放增加,而后者又减弱了淬冷效应,特别是在某些高负荷工况,HC 排放随 EGR 率的增加反而有下降趋势,见图 4。CO 的排放随 EGR 率升高总体呈上升趋势,在低负荷工况下走势平缓,高负荷时急剧升高。这主要是EGR率对氧浓度的影响程度不同,在低负荷时,废气的引入虽然导致氧气减少,但此时过量空气系数很高,对燃烧影响较小;高负荷时,过量空气系数很小,加入少量的废气就能导致燃烧的恶化,见图 4。通常情况下,EGR 率的增加会对柴油机的经济性能带来负面影响。这主要与废气替代了部分新鲜空气,导致氧浓度的

22、降低,缸内燃烧温度下降,扩散燃烧的持续期加长有关。在高负荷工况下燃油耗和烟度的升高趋势比低负荷时更为明显,尤其是烟度,如图 5中所示,在 2300r/min和 1500r/min两个转速的中高负荷下,烟度随 EGR 率的增加急剧上升,而在低负荷下则变化不明显,这是因为低负荷时含氧量高,对废气的容忍度较高。从以上分析可看出,在负荷较高的情况下,EGR对降低 NOx 排放作用非常明显,但同时又会引起油耗、烟度的恶化,甚至导致动力性下降,兼顾 6、8 工况在排放试验中的重要性,只在 8工况采用 5.8%的 EGR 率,6、5 工况则不采用 EGR。在低负荷区域,如 12 工况,试验时采用的 EGR

23、率对NOx 没有明显的降低作用,但是烟度、油耗、HC 和 CO 的排放却在恶化,所以不采用 EGR。综上所述,在十三工况试验中,在 2、3、4、8、9、10、11 七个工况下采用EGR。EGR 率的选用和排放测试结果见表 3。表 4为十三工况排放测试计算结果,其中 NOx 排放有明显的下降,HC 和 CO 的变化不大,其中值得注意的是颗粒排放有所下降,原因是再循环废气经过冷却后虽然温度有所降低,但仍然远高于中冷后的新鲜空气温度(高于 100C),这样在预燃期内,缸内的混合气温度较高,减少了 HC 和可溶性颗粒物的生成量,从而遏制了颗粒的排放。1.4 结论(1)为满足严格的排放法规,EGR作为降

24、低 NOx 排放的一种手段,效果非常明显,而且具有很强的实用性。(2)文丘里管系统是增压柴油机运用EGR技术时,非常重要的一项措施,它对于扩大 EGR的运行工况范围,提高 EGR 率非常有效。(3)采用 EGR 后,油耗、烟度会有所增加,这在实际应用时需要综合考虑。(4)废气的冷却温度会影响发动机的性能和排放,应该尽可能的降低废气冷却后的温度。2.废气再循环对不同辛烷值燃料HCCI 燃料的影响2.1 冷却 EGR 对 HCCI 发动机燃烧特性的影响EGR 是柴油机抑制 NOx 产生的基本措施 1-4。现今,EGR 也成为了 HCCI 燃烧进行着火控制的基本手段之一 5-7。EGR 通过几种方式

25、来影响HCCI 发动机的着火时刻与燃烧。其一,加热作用。热 EGR与较低温度的燃料空气混合物混合后,压缩初始状态的温度得到提高;对内部 EGR,残余废气与燃料空气在整个气缸内充分混合。本节主要讨论冷却EGR 对 HCCI 的影响,在第二节中将讨论通过热 EGR 提高进气充量的温度后,对 HCCI 燃烧的影响。第二,EGR 的稀释作用。EGR引入到缸内后,氧的浓度大幅度降低;热效果由于二氧化碳和水蒸气的比热要比空气高,因此 EGR 使整个混合气的比热增加,由此而引起压缩终了的温度降低;化学作用 EGR中的份可以部分参与化学反应而引起自燃与着火时刻的变化。EGR 的化学作用一方面是内部EGR 的活

26、性基效果,但是目前对EGR 中是否有活性基存在及其对着火的影响还有所争议8;另一方面是EGR 中有未燃碳氢或燃料、CO、CO2、NO、H2O 等都会参与下一个循环的反应,因此也可以提前或延缓 HCCI 的着火与燃烧。下面考察了不同辛烷值燃料(正庚烷、RON25、RON50、RON75)在相同的循环供油量时,不同 EGR 率下的燃烧与排放特性。由于本节是考察冷却EGR 的影响,因此所有工况下的充量温度(废气、新鲜空气、燃料的混合气)控制在 2832之间。图 1 列出了正庚烷和RON75 的示功图和瞬时放热率比较。对正庚烷,随 EGR 率的增加,着火时刻向上止点推迟,即使在 EGR 率为 45%时

27、,整个着火和燃烧过程仍然在上止点前完成,因此最大爆发压力没有明显的变化,峰值放热率变化也不明显;而 RON75 燃料的燃烧参数对EGR 率的变化就相对比较敏感一些随EGR 的增加,着火时刻逐渐延迟到上止点后,最高爆发压力逐渐减小,峰值放热率降低;当 EGR率达到 45%时,已经接近于可燃极限,从后面的分析看,此时已经发生了不完全燃烧,因此 45%达到了 RON75燃料的最大 EGR 率。为了比较不同燃料的EGR 特性,本文的 EGR 率一般控制在 45%以下。图 2 为 EGR 率对各种燃料的低温阶段和高温阶段着火时刻、燃烧持续期的影响。根据化学动力学和 HCCI 燃烧机理,燃料的两阶段着火时

28、刻是由低温和中温化学反应所决定的。影响化学反应速率的主要因素是温度和浓度,在初始充量温度相同的条件下,主要影响因素是EGR 的热作用、稀释作用和化学作用。随着EGR 率增加,混合气的比热容增加,压缩过程的温度升高速度降低;EGR 对混合气的稀释效果增加,混合气中氧浓度降低;而且 EGR 中的 CO2、NO、H2O 等最终产物使得燃料氧化反应的生成物浓度增加,正反应(氧化与裂解反应)降低,逆反应速度增加。在这几方面因素作用下,第一阶段冷焰反应时刻推迟,同时第二阶段的着火时刻相应推迟。另外,燃料的着火性能不同,EGR 对它的影响效果也不同。正庚烷因为具有良好的着火特性,在低温阶段加成反应和异化反应

29、速率很快,积累的酮类物质浓度很高,达到裂解温度后产生大量的活性 OH,因此 45%EGR 对它的燃烧性能仍然没有明显的影响。而RON75 燃料,由于本身的低温反应速率很慢,因此 EGR 对它的影响就比较显著,当 EGR 率为 45%时,着火时刻就显著推迟,乃至不能发生完全燃烧。EGR 对燃烧持续期的影响也相当明显,这可以从图 2c 看出。影响燃料高温阶段反应速度的主要因素是混合气中氧的浓度,因此燃料性质和氧的浓度决定了HCCI 燃烧持续时间。随着 EGR率增加,由于 EGR 的稀释效果导致混合气中氧浓度降低,因此持续时间延长。但是正庚烷和RON25 随 EGR增加,着火持续期增加的幅度比较小,

30、而 RON50 和 RON75 燃烧持续时间增加速率较大。这是因为虽然 EGR推迟了燃料的着火时刻,但是正庚烷和 RON25的主燃在上止点前,受“压迫式”燃烧的影响,燃烧持续时间增加不明显;而 RON50 虽然着火时刻在上止点前,但大部分燃烧发生在上止点附近,而 RON75 燃料的着火时刻和燃烧都落在上止点后,因此受活塞下行的影响,燃烧持续期增加程度更明显。EGR 对 HCCI 燃烧的排放有明显的影响。图3 为不同燃料在 EGR 作用下的排放比较,由于HCCI 发动机的 NOx 排放很低,EGR 能够更进一步抑制NOx 产生,因此没有列出 EGR 对 NOx 排放的影响。EGR对正庚烷和 RO

31、N25的 CO 排放影响不大,在各种 EGR 率下都比较低;而对 RON50和 RON75 影响比较显著,这两种燃料的 CO 排放随 EGR 率增加而明显增加。CO 是化学反应过程中的一种中间产物,它的产生受化学动力学控制,主要在低温和中温范围内,在高温阶段大部分CO 都氧化生成 CO2,因此当反应温度过低会导致大量的CO 生成。高十六烷值燃料的燃烧发生在上止点前,边界层内没有完全氧化的CO 通过压缩挤流和燃烧湍流卷吸到高温区域而进一步燃烧,因此 EGR 对 CO 影响不大。RON50 和 RON75 的主燃发生在上止点附近及以后,边界层内的CO 没有进一步氧化就在膨胀行程排出缸外;EGR 使

32、燃烧反应速度和燃烧温度降低;另外 EGR 使排气管中氧的浓度降低,使 CO 进一步氧化的几率降低,几种因素导致 CO 排放升高。UHC 的产生机理与 CO 机理不同,它主要是气缸壁面的淬熄效果、以及边界层和缝隙层内没有燃烧的碳氢燃料及其中间产物。EGR 率对正庚烷、RON25、RON50 的 UHC 排放影响不大,且三者的排放水平差不多,而 RON75 的 UHC 排放在各种EGR 率下比三种燃料都高,且随 EGR率的增加而增加。混合气在压缩过程中,部分燃料蒸气被挤压到缝隙区和壁面处成为温度很低的冷混合气,他们在整个过程中难以燃烧,并在膨胀行程排出发动机;另外一方面,由于边界层的存在,燃料在燃

33、烧中碰到冷的混合气和壁面会发生淬熄效果,引起链中断而导致UHC 产生。对高十六烷值燃料,由于着火时刻较早,边界层很薄,因此 UHC 很低。而 RON75 的着火发生在上止点后,缸内总体温度很低,边界层很厚,包含的低温冷混合气质量较多,这些燃料在膨胀行程排出发动机外产生UHC。图 4 为 EGR 率对正庚烷和 RON75 两种燃料的缸内气体平均温度历程的影响。不同 EGR 率下正庚烷的最高气体平均温度差别不大,因此边界层厚度差不多,所包含的冷混合气质量相同,因此 UHC 排放相近;而对 RON75 燃料,随 EGR 率增加,缸内气体平均温度逐渐降低,因此边界层厚度 逐 渐 增 加,冷 混 合 气

34、 质 量 增 加,由 此 导 致UHC排 放 随EGR 率 增 加 而 增 加。2.2 结论随 EGR 率提高,各种燃料的两阶段着火时刻推迟,燃烧持续期延长;高十六烷值燃料可以容许较高的 EGR 率,RON75 最高可以采用 45%的 EGR;EGR 对高十六烷值燃料的CO 和 UHC 影响不大,对高辛烷值燃料的CO 影响明显,随 EGR 率增加 CO 排放升高。3、EGR 对运行在不同海拔地区增压柴油机的影响3.1 试验系统的布置大气压力、温度和湿度都影响着柴油机的运行性能。在这3 个影响参数中,大气压力随海拔的变化最为迅速,并且大大影响着柴油机的运行性能。图 1 是试验用内燃机大气模拟综合

35、测控系统框图,它主要由测功机、进排气模拟装置、孔板流量计、控制器以及压力、温度传感器等组成。试验研究用机型为排量3.298 L、四冲程、四缸增压柴油机,供油提前角为 13A,排气烟度采用波许烟度计测量。试验中采用杭州弈科生产的水涡流测功器测量发动机的功率和其他参数,采用瞬态油耗测量仪测量发动机的瞬态油耗。试验用EGR 结构见图 2。解决增压后的进气压力超过排气压力,造成推动 EGR 压差不足的问题 3是将文曲利管串联在进气管中。排气再循环量是通过控制循环回路截面积来实现的。通过控制 EGR 阀的开度来达到控制再循环通路的最小截面积,而控制 EGR 阀开启度则是通过控制真空通路的真空度大小来实现

36、的。EGR 率是用体积流量的变化来表示的,具体的公式为:EGR 率=（原机的体积流量-采用 EGR 之后的体积流量）/原机的体积流量由于再循环排气量较少,EGR 气体的取气管路较长,并且在引入气缸前,将这部分的气体进行了冷却,所以 EGR 气体的温度控制在5070的范围内。试验是按照增压柴油机负荷特性试验进行,通过控制供油量来保持进行EGR 之后各工况点的功率和转矩不变,因而试验结果中EGR 对发动机性能的影响只体现在燃油消耗率的变化上,不能直接反映出发动机动力性的变化。受试验仪器条件所限,没有测量微粒排放的变化,但微粒中的不可溶成分(SOF)可以从烟度中反映出来。3.2 试验数据分析随着海拔

37、的升高,空气密度的减少,导致吸入柴油机气缸内的空气量减少。一般来讲,在任何海拔下柴油机的燃烧过程均取决于合适的过量空气系数4。增压柴油机采用EGR 之后,将大大影响过量空气系数,必然带来其经济性和烟度排放性的变化。图 3图 4 表示的是不同大气压下,增压柴油机进行EGR之后,其比油耗和烟度的变化规律。总体上来说,增压柴油机的烟度和有效燃油消耗率在不同大气压下的变化规律基本相同。规律大体上是:在低负荷区域,由于柴油机的过量空气系数大,所以比油耗随 EGR 率的变化而表现的不敏感,但 10%的 EGR 率下的比油耗会比2%EGR 率下的要小一些,产生这种现象的原因可能是随着引入排气量的增大,加大了

38、缸内的混合气的温度,促进了燃烧,使油耗有所减少。不同大气压下,减少的幅度不同。例如 80 kPa下,10%EGR率的比油耗比 2%EGR率下的比油耗减少了1.5%,在 100 kPa则减少了 2.2%。随着负荷的加大,这种规律开始慢慢减弱,尤其是在模拟大气压为80 kPa下,变化的比较快,在 120 Nm 时,三种 EGR 率下的比油耗几乎没有区别;在 100 kPa下,则要延迟到 150 Nm才出现这种情况。这是因为在高的大气压下,柴油机的过量空气系数要大一些,而引入的排气量是相同的,所以产生上述变化的工况会有所延迟。当负荷进一步的加大,EGR 率的增加会使比油耗开始增大,尤其是在全负荷工况

39、,模拟大气压为 80 kPa下,大 EGR率的比油耗会比小EGR 率的比油耗上升 6.5%,在模拟大气压为 100 kPa下,比油耗也会上升 5.5%。负荷的增加会使发动机的过量空气系数减少,进行 EGR后,过量空气系数进一步减少,尤其是当 EGR 率过高时,再循环排气的燃烧惰性、高温以及缸内氧浓度的下降,都会使燃烧恶化。烟度问题是应用 EGR 系统的一个主要的难点。随着负荷的增加,烟度的大小都随EGR 率的增大而增大。这种增大的幅度在不同大气压下不一样。在负荷最低的工况下(例如工况点为 2200 r/min、85 Nm 时),模拟大气压为 100 kPa下的过量空气系数比80 kPa大气压时

40、增大了近一半,所以在引入相同排气量的同时,缸内氧浓度的减少量要小,所以烟度的变化不明显。但在模拟大气压为 80 kPa下,10%EGR率下的烟度要比 2%EGR率下的烟度增加了 22%,这说明了柴油机的微粒排放增加。这给人们带来了一些启示,高原地区由于大气压的降低,进气密度的减少,即便是小负荷区域,过量空气系数也会有较大的减少,因此在这种工况下为防止出现微粒排放过大增加,加入再循环气体量要相应的比平原地区运行的柴油机要小一些。为了更加深入地说明此问题,表 1 列举了不同大气压下柴油机在标定转速以及输出最大转矩转速的低负荷工况的烟度排放对比。从表中可以看出,增压柴油机转速2 200 r/min

41、时,随着大气压的减少,烟度值上升了 10%,当转速上升到3 200 r/min 时,烟度值上升了 14%。负荷增加,过量空气系数随之减少,当引入排气后,促使了缸内温度增加的趋势和氧浓度减少的趋势的增加,因此加大了烟度排放。这种趋势在 80 kPa下较明显,例如在 2 200 r/min 的全负荷点下,10%EGR 率下的烟度比 2%EGR 率的烟度增加 18%,这比 100 kPa 下的 15%增加了 3%。图 5、图 6 表示的是不同大气压下,增压柴油机外特性处不同EGR 率与原机烟度排放的比较。从图中可以明显地观测到,烟度随 EGR率的升高而增大,并且这种趋势随转速的升高而加剧。在 2 8

42、00r/min 以后,加入再循环气体后,会对烟度有十分明显的增加作用,到 3 200r/min 处最明显。这是由于 EGR 的作用使缸内扩散燃烧持续期变长,同时也减少了进气中的氧浓度,从而促使微粒排放加重,反映到烟度上则是使烟度排放值升高。3.3 结论1)不同大气压下,增压柴油机进行EGR 之后,其比油耗和烟度的变化规律基本相同。2)运行在高原地区的增压柴油机进行EGR 之后,即使在小负荷区域,烟度随 EGR 率的变化也有较大的变化,在全负荷工况下,这种趋势更加明显。因此在这些工况掺入排气时,其量应比平原地区相应减少一些。3)增压柴油机运行在高原地区,过量空气系数由于大气压力的降低而减少,进行

43、 EGR 之后,势必将增大减少的幅度,因此在高原地区进行EGR,应适当减少相对于平原地区的EGR 率。4、EGR 温度对涡轮增压柴油机燃烧和排放的影响4.1 试验装置与试验方法试验机型为直列 6 缸、4 冲程、废气涡轮增压、中冷柴油机,其主要结构性能参数见表1。试验台架布置见图1。废气在双入口涡轮前通过两根EGR 管引出,在稳压腔内混合后通过EGR阀。为方便控制 EGR温度,流出 EGR阀的废气分成两路,并通过调节两条管路上的控制阀(图1 中的 7 和 8),可以控制通过 EGR 冷却器和直通管路中的气体流量,从而控制再循环废气的温度。EGR 的温度由温度传感器5 测量。EGR 气与压缩中冷后

44、的新鲜空气在文吐里混合器中混合。文吐里管安装在中冷器之后,这样安装可以使得再循环的废气不再流经中冷器,避免对中冷器的腐蚀。进气流量通过安装在压气机前的双纽线流量计测量。在进气管道适当的位置安装压力和温度传感器,分别测量进气充量的中冷前压力和温度、中冷后压力和温度。同时,在涡轮前和涡轮后的排气管道的适当位置安装压力和温度传感器,测量涡轮前的排气温度和压力,以及涡轮后的排气压力和温度。采用EGR 后,进气的成分将会发生变化,必须对进气的组分进行检测。气体分析仪 15 测量进气组分,排放分析仪 16对排放废气进行测量。NOx 的测量采用化学发光法,烟度采用全自动烟度计测量,缸内压力的测量采用缸内压力

45、传感器,压力测量所需的上止点信号和转角信号由与曲轴相联的编码器提供。试验中,每隔 0.5CA 取一次样。测得的电压信号经电荷放大器输入数据采集仪。4.2 结果分析试验选定的工况点为1 300 r/min、720 Nm(75%负荷),试验中转速、扭矩保持不变,进气充量的质量流量不变,氧含量不变。试验测量了不同EGR温度下柴油机的示功图、燃油耗、烟度、NOx 排放、排气温度等相关的参数。由实测的示功图根据热力学第一定律,计算得到了燃烧的放热规律。图 2 表明了 EGR 温度对 NOx 排放的影响。由图看出,再循环的废气温度由507 K 降至 331 K时,NOx 排放由 1 27210-6降到了

46、1 14310-6,降幅为 10.14%。EGR温度的降低有利于降低NOx的排放。但由于废气中水蒸气的含量较空气高,并且含有少量的硫化物,过低的 EGR 温度一方面会导致水蒸气和硫化物的凝结,造成气缸壁的腐蚀和磨损;另一方面会导致 EGR 冷却器尺寸增大,成本增加。图 2 中的曲线表明,当 EGR 冷却到 400 K 左右时,继续降低其温度,NOx 排放的变化趋势趋于平坦。EGR 废气温度由 474 K 变化到 401 K 时,降低了 73 K,NOx 排放由 1 22010-6 降到了 1 16510-6,降幅为 4.51%。而 EGR 废气温度由 401 K 变化到 331 K 时,NOx

47、 排放由 1 16510-6 降低到 1 14310-6,降幅为 1.89%。因此,对 EGR 的冷却保持在 400 K 左右,这样既能达到降低 NOx 排放的要求,又可以尽量减少对气缸的腐蚀和磨损。图 3 为 EGR 温度为 507 K 和 450 K 时测录的示功图。图3 表明,EGR 温度为 450 K 时,燃烧初期的压力和压力升高率均较EGR 温度为 507 K 时低,最高爆发压力也较低。试验中,使 EGR 的温度由 507 K 降低到 331 K。EGR 温度的降低,使其与新鲜空气混合后,进气充量的温度由315 K降低到 306 K(见图 4)。EGR 温度的降低,使得进气充量的温度

48、降低,使燃烧的滞燃期延长,放热率的峰值降低(见图 5),燃烧的最高温度降低(见图 6)。燃烧温度的降低,导致了 NOx 排放的降低。由燃烧放热率图(图 5)可以看出,随着 EGR 温度的降低,滞燃期延长,滞燃期内喷入气缸的油量增加,参与预混合燃烧的燃油的比例增加,燃烧的热效率提高。在整个燃烧过程中,随着 EGR 温度的降低,燃烧温度降低。综合整个燃烧过程,对 EGR 进行冷却,可以降低燃烧的温度。从放热规律中可以看出,EGR 温度的降低,预混合燃烧的比例增加,燃烧持续期略有缩短,并没有出现明显的后燃现象,因此,排气温度也随 EGR 温度的降低,呈现一定的下降趋势(见图 7)。EGR 温度的降低

49、,降低了燃烧的温度,使得柴油机的散热损失减小;另一方面,EGR 温度的降低,使滞燃期延长,预混合燃烧的比例增加,燃烧持续期缩短,热效率升高。在转速和扭矩保持不变的情况下,燃油耗随 EGR 温度的降低有所下降。EGR 由 507 K 冷却到 331 K,燃油耗降低了 5.2 g/(kWh)(见图 8)。由燃烧放热率图(图 5)可以看出,高的 EGR温度使预混合燃烧的比例降低,扩散燃烧的份额增加,并且使燃烧持续期变长。柴油机的碳烟主要产生于扩散燃烧阶段,扩散燃烧份额的增加,会增加烟度排放。燃烧持续期的增加,使得扩散燃烧的结束较低的EGR 温度时晚。由于扩散燃烧发生在活塞下行的过程中,此时缸内的温度

50、下降,燃烧持续期越长,越不利于碳烟的氧化,使烟度增加。另外,高的 EGR 温度使进气充量的温度升高,从而导致整个燃烧过程的温度升高,这可以使滞燃期和燃烧过程中燃油的雾化加快。温度的升高减小了进气密度,容易形成局部富油区。局部富油和高的燃烧温度加速了燃油的裂解,且不易被氧化,导致碳烟排放增加。4.3 结论(1)对EGR冷却可以延长燃烧的滞燃期,增加预混合燃烧的比例,缩短燃烧持续期,降低燃烧的放热率峰值,降低燃烧的最高温度,从而降低 NOx 的排放。(2)燃烧温度的降低,可以降低燃烧过程中的散热损失,提高热效率,降低燃油耗。(3)预混合燃烧比例的增加以及燃烧持续期的缩短,可以降低碳烟的排放。(4)