EGR技术介绍.doc

目录1、EGR发动机原理介绍1.1、什么是EGR？1.2、EGR分类1.3、EGR工作过程1.4、NOx的生成机理1.5、EGR系统的作用机理1.6、EGR率1.7、典型工况下的EGR使用1.8、使用EGR系统存在的问题2、EGR在国内外的发展情况2.1、EGR发展历程2.2、EGR在国内外应用实例2.3、可选择的几种EGR驱动方式2.4、EGR系统的未来发展趋势3、其他降低NOx排放的技术4、EGR技术与其他类似技术相比所具有的优势5、结束语1、EGR发动机原理介绍 1.1、什么是EGR？ EGR即废气再循环（Exhaust Gas Recirculation）。EGR是将一部分排气引入进气管与新鲜空气混合后进入气缸燃烧。1.2、EGR分类 EGR系统一般可通过内部EGR和外部EGR两种方式来实现循环。内部EGR：通过扩大气门重叠角来实现的，即增大进气门提前开启和推迟排气门延迟关闭或提高排气背压等方法来增加缸内的残余废气，残余下个循环的燃烧，从而实现EGR。由于它降低了新鲜进气充量，且妨碍了进气惯性效应的利用，因而要牺牲功率和燃油消耗。另外，其控制和调节没有外部EGR灵活，所以应用不广。 外部EGR：将排气管中部分废气经外部管路引入进气管参与再燃烧，从而实现EGR。就形式而言一般分为真空驱动和电控式，其中电控式EGR最具典型性。图1：内部EGR和外部EGR示意图1.3、EGR工作过程内部EGR工作过程：当爆发行程时，混合器燃烧而膨胀成原来体积的很多倍，在接下来的排气行程时，排气阀一打开，高压废气就会冲向排气管，而活塞也会上升把所有废气推出气缸，这是排气管中的气流流速很快，当活塞快要到达上止点时，由于惯性的关系，排气管中的废气仍会告诉往外冲，而这些气流就会把燃烧室中的废气“抽”出来，如果在这个时候打开进气阀，新鲜空气刚好被“抽”进燃烧室，就在混合器刚好填满燃烧室时，排气门刚好也关闭了。如果此时提前关闭排气阀，则缸内的废气排不出去，且阻碍了进气，如此一来，缸内空气中氧含量就降低了许多，实现内部EGR。外部EGR工作过程：气缸排气经过排气管，由EGR控制阀控制进入EGR系统，高温废气经过EGR冷却器后，最终到达进气管与新鲜空气混合进入气缸。EGR系统构成：EGR阀、EGR冷却器、EGR管、单向阀、ECU控制器ECU是系统的控制中心，它根据各传感器送来的信号，计算废气回流量，实时控制EGR电磁阀的开度。图2：外部EGR系统1.4、NOx的生成机理NOx的主要成分是NO，有少量的NO2.NO是在高温燃烧下（大于2200K），由分解的氧原子和氮原子发生反应而生成的，故NO的生成量在很大程度上取决于燃烧温度。NOx还与氧气的体积分数直接相关。在稀燃时，氧气的体积分数足够大，NO的生成主要取决于燃烧温度；在浓混合气条件下，NO的生成量取决于氧气的体积分数。所以，NO排放最大点应该出现在混合气略稀、火焰燃烧温度较高的工况点，实验证明NOx排放量的峰值出现在过量空气系数1.1的略稀混合气中。燃烧温度很高的过浓混合气和氧气体积分数大的过稀混合气都不会产生很高的NOx排放。为了降低发动机NOx排放量，可以采取降低燃烧室峰值火焰温度，降低NO生成阶段氧气的体积分数，以及缩短燃烧气体在高温下的滞留时间等3种方法。1.5、EGR系统的作用机理EGR技术是通过降低缸内最高燃烧温度以及缸内混合气氧气浓度，破坏NOX的生成环境，从而降低NOx的排放。目前存在4种解释：比热容假说废气中含有的水蒸气和二氧化碳等为三原子气体，比热容均高于新鲜混合气，那么新旧气体混合后的气体总热容量也随之增大，在气缸内燃料总放热量不变的情况下，混合气燃烧产生的最高燃烧温度就会降低。稀释假说废气中含有大量的惰性气体，使气缸内的氧气体积分数下降从而使NOx的生成量下降。着火延迟假说EGR系统改变了混合气的组份，降低了燃烧反应的速率，而NOx的生成速率低于燃烧反应速率，抑制了NOx的生成。化学效益假说在高温下，废气中CO、水蒸气会发生裂解，裂解是一个高的吸热过程，会吸收一部分燃烧热量，使得缸内峰值温度降低，这样会减少因峰值温度过高而造成对NOx排放的影响。1.6、EGR率1.7、典型工况下的EGR使用EGR可以降低NOx的排放，但同时会增加HC和CO的排放及提高燃油消耗。因此，在各种工况下采用的EGR率必须综合考虑发动机的动力性、经济性和排放。为了实现EGR的最佳效果，要保证各缸EGR率一致。冷启动及预热工况：柴油机转速和功率较低，氧气虽然过量，但燃烧温度较低，生成NOx的体积分数较低，为了防止EGR影响燃烧稳定性以及造成未完全燃烧产物（CO、HC）激增，一般不进行EGR。怠速及低负荷工况：柴油机燃烧的仍然是稀混合气，气缸中氧气浓度大大过剩，但气缸温度逐步提高，NOx排放也随之提高，这是允许少量EGR。中等负荷工况：为获得最佳燃油消耗率，缸内混合气时稀混合气，有足够的氧气，此时缸内温度随负荷的提高而升高，造成NOx的大量排放，EGR随着负荷的增加而相应增加。全负荷工况：此时NOx排放很高，但EGR率受到发动机动力性期望值和冒烟极限限制，一般只允许进行少量EGR。加速工况：柴油机油的响应快于气的响应，特别是对装有EGR系统的中冷增压柴油机来说更是如此，所以过渡工况内会存在较浓的混合气，此时一般不进行EGR。减速工况：柴油机减速时，混合气变稀，但发动机温度仍较高，有利于NOx的生成，故应进行EGR。1.8、使用EGR系统存在的问题 若EGR率控制不当，可能会造成HC和CO排放增加，燃油经济性恶化。 低负荷时EGR将影响发动机的工作稳定性，高负荷时EGR将影响发动机的动力性。 由于缸内固体颗粒数量的剧增，EGR还可能造成发动机活塞环和气缸套等部件的磨损加剧，影响发动机的寿命。 大量颗粒进入EGR系统，容易导致管内的颗粒物沉积，降低EGR效果 EGR废气温度过高，影响发动机的充气效率，若采用冷EGR，会增加冷却系统和温度控制系统的复杂性。 EGR系统要求燃油的硫含量要低于500ppm，如果含硫量比较高，燃烧后产生的二氧化硫和水结合在一起，就会腐蚀EGR管路，导致EGR损坏。2、EGR在国内外的发展情况2.1、EGR发展历程从六十年代开始，美国、日本、西欧等工业化国家对汽车排气CO、HC、NOx等有害排放物，以法令的形式规定排放标准，从而直接促进了对低污染车用发动机和对排气净化措施的研究。EGR技术在国外首先应用于汽油机，最初只是纯气动式且不带冷却循环，后来发展了带冷却循环的EGR，再后来与电控技术相结合，转而开发出带闭环控制的气电式或电磁式EGR系统。如今EGR在国外的汽油车上已得到广泛应用。从七十年代后期开始，国外就有学者将研究目标转向柴油机EGR技术，到目前为止发展非常快，由于其降低NOx排放效果显著，而且对原机改动小，设计自由度大，因而日益受到人们的青睐。从21世纪初开始广泛在柴油机上应用。排放法规推动着技术进步，自2008年7月1日起，我国重卡迎来国时代。在“电控”被普遍认为是国 重卡标志的大背景下，中国重汽于2008年6月推出了自主创新品牌的WD615电控EGR系统国柴油发动机。该发动机经国家汽车检测机构检测确认，符合国排放要求。中华人民共和国发展和改革委员会在2008年4月发布的车辆生产企业及产品（第165批）公告中对该产品予以公告。中华人民共和国环境保护总局（现环境保护部）2007年第38号公告（第17批满足国三排放要求的内燃机目录）中予以公告。由于比高压共轨系统的国重卡低1.5万元左右，EGR重卡市场表现不错，玉柴、潍柴、上柴、锡柴等企业都在开发EGR发动机，部分发动机已取得公告。2.2、EGR在国内外应用实例重汽WD615电控EGR发动机介绍：WD615电控EGR发动机是在WD61557机（国三机体，4气门气缸盖，直列P8500型喷油泵）基础上装重油H泵+EGR废气再循环系统来实现国三排放标准。图3：重汽WD615发动机图4：东风康明斯QSB4.5发动机：图5：MAN欧、欧EGR发动机系统布置：由于重汽电控EGR发动机在保证排放的前提下，成本、燃油经济性、油品适应性及后期维护保养方面都有巨大优势，国内其他发动机厂也看好未来的EGR市场，纷纷效仿重汽，开发自己的EGR发动机。目前许多发动机厂家都已取得国家认证部门的排放报告。天津雷沃1104D-SR4TA00发动机。 昆明云内YN4B095-31CR发动机 2.3、可选择的几种EGR驱动方式2.3.1、真空驱动EGR利用发动机所带真空泵为真空源,电子真空调节阀调节膜片室真空度控制阀门动作.作用力大,可承受较高温度,成本较低,但反应速度较慢,一般开启时间600ms,只能满足欧III以下的排放要求.图6、真空驱动EGR系统2.3.2、电子控制式EGR图7、电子控制EGR系统电控式EGR系统与真空驱动EGR系统的主要区别在于取消了真空电磁阀及真空控制管路，系统中的排气再循环阀的位置直接由电磁阀来控制。与真空驱动相比，电控式EGR阀系统具有以下优势：（a）动态响应号；（b）调节精度高；（c）排气回流量大；（d）结构相对简单。2.3.3、双回路EGR图8、双回路EGR系统高低压双回路EGR技术的优势就是能够降低排放和燃油消耗，并能达到更高的排放要求。与传统的单高压回路相比，由于低压EGR系统的引进，低压EGR系统改进了纯粹的高压EGR对增压器效率的影响，节省了不必要的油耗增加。高压EGR系统从涡轮前取气，损失了一部分废气能量，导致了增压压力的降低。低压EGR系统从DPF后取气，使得引入气缸参与燃烧的废气更加清洁，对发动机的污染较小。与传统单高压EGR回路相比较，双回路EGR系统能够在更广的工况范围内使用，而且能达到更高的EGR率，实现低温燃烧、预混燃烧等清洁燃烧方式，达到更高的排放标准，并降低油耗。2.4、EGR系统的未来发展趋势对欧美发达国家来讲，EGR在其汽油机和轻型柴油机领域中已是一种成熟的工业技术，以后的发展方向是将其进一步完善。例如，EGR技术将与颗粒捕捉技术、电控高压喷油技术、进气富氧技术等密切结合起来，已使各种有害排放物全面降低；EGR的精确控制、均匀性和动态响应仍是以后的研究重点；EGR在应用于增压发动机时，其伴随的腐蚀性问题和进排气逆差问题也有待进一步研究，以得到一个比较理想的解决方案。在重型柴油机领域，应用EGR所带来的问题更多更复杂，在重型柴油机常用的较高负荷情况下，EGR会使颗粒排放物猛增，发动机的耐久和可靠性也将受到影响。目前EGR在重型柴油机上的研究方向为EGR与发动机各系统的优化匹配以及如何在精确控制EGR的前提下，尽量提高EGR率，一句话，就是在尽可能不牺牲发动机动力性、经济性的情况下，充分挖掘EGR降低排放的潜力。3、目前降低NOx排放的技术(1)改变柴油机的燃烧方式，采用清洁燃烧（如HCCI、PCCI）。在预混燃烧阶段，尽量减少放热率和放热量，时燃烧速度平滑增长，从而降低压力升高率和最高燃烧压力，降低该阶段产生的局部高温。在扩散燃烧阶段，实现高扩散燃烧速度，缩短燃烧持续期，时燃烧快速彻底。(2)采用高压共轨燃油喷射和多次喷射。高压共轨任由系统能在发动机低速工况产生较高的喷油压力，有利于减少微粒，提高发动机最大扭矩的冒烟极限，使部分符合时的NOx和微粒排放最小。(3)采用低含硫燃料。当采用低含硫燃料时，催化剂中毒的可能性下降，可以使用稀薄NOx催化转化器。(4)选择性催化还原（SCR）。以氨为还原剂的选择性催化还原系统已成功用于柴油机NOx的清除。它提供了能同时最小化NOx排放和降低油耗的可能。这里的“选择性”指还原媒介（氨）优先选择NOx中的氧元素而不是废气中存在的大量的氧分子（O2）来氧化。4、EGR技术与其他类似技术相比所具有的优势首先，采用EGR技术降低NOx排放的效果显著，效率高。EGR在所有负荷条件下都可以有效地抑制NOx的排放。试验研究表明，EGR率为15%时NOx排放可以减少50%以上，而EGR率为25%时，NOx排放可减少80%以上。若合理的采用“热EGR”（即保持高的再循环排气温度），还可以同时减少HC和PM排放，并且不会增加油耗，在中低负荷时净化效果更佳。其他如减少提前角也可以有效净化NOx，但必然引起油耗增加，通常NOx排放小于5g/hp.h时，通过推迟喷油改善NOx排放已达到极限，无法得到进一步降低。其次，采用EGR技术对发动机改动小，成本低。采用EGR技术一般并不需要对发动机燃烧室结构和喷油系统做出重大改动。即使采用较复杂的电控EGR系统，其ECU和许多传感器都可以和原发动机的电控系统共用或整合，并不需要增加多少额外成本。而若采用提高喷油压力减少喷孔直径来降低NOx，则必然会对原喷油系统提出更高的要求，导致生产成本的较大提升；使用SCR技术，虽然降低NOx明显，但其成本较高，质量较大，对封装要求高，此外还有低温掉效的问题，尿素在-11会发生凝集，在黄河以北需加解冻装置。再次，采用EGR技术的方案灵活多样，