废气再循环EGR在内燃机中的应用5597.pdf

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1、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-combusti

2、on 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

3、 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

4、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

5、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

6、 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。19

7、79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

8、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

9、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 Optic

10、al 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H

11、2O。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

12、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

13、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

14、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.