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废气再循环在柴油机上的应用研究 摘要 随着汽车数量的增加，汽车逐渐成为大气排放污染物的主要来源。尤其是 柴油车在机动车中的比例日益增加会加重大气污染的程度，因为柴油机车排放 出大量的微粒物质( p m ) 和氮氧化物( n o x ) 。微粒物质和氮氧化物这两种排放物 难以用机内方法同时降低，而且它们相应的后处理技术尚不成熟，因此对柴油 机排气污染控制的研究具有重要的社会意义和现实意义，具有广阔的应用前景。 为了有效降低柴油机的n o x 排放，建立一种可行的变e g r 率控制系统， 是本文的主要目标；其次对同时降低柴油机n o x 和p m 的方法进行了相关探讨。 本文设计了e g r 系统布置方式、电控系统，并对e g r 系统进行试验验证和简 单模型仿真，通过试验结果分析e g r 对柴油机性能以及排放的影响以及燃烧过 程的影响，并在m a t l a b s i m u l i k 中e g r 阀开度的稳定性进行了简单的流体动力 学仿真，验证了该系统与试验结果稳定性一致，确实能起到较好的减少n o x 排放的功能。 关键词：柴油机排气再循环电控e g r 系统 a p p l i e ds t u d y o ne x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n t od i e s e l e n g i n e s a b s t r a e t w i t ht h ei n c r e a s i n go fa u t o m o b i l en u m b e r s ，a u t o m o b i l e sg r a d u a l l yb e c o m et h em a i n s o u r c eo fa i rp o l l u t i o n s i np a r t i c u l a r , t h ei n c r e a s i n gp e r c e n t a g eo fd i e s e lv e h i c l e si nt h e w h o l ep o w e rv e h i c l e sw i l lw o r s e nt h ea i rq u a l i t y , 硒t h ed i e s e le n g i n e se m i tag r e a td e a lo f p ma n dn o x i ti sd i f f i c u l tt od e c r e a s ep ma n dn o xs i m u l t a n e o u s l yb ye n g i n e m o d i f i c a t i o n b e s i d e s ，t h e i rc o r r e s p o n d i n gt e c h n o l o g i e sa r en o tm a t u r ea n dl a r g e l ya p p l i e d , t h e r e f o r er e s e a r c hf o rt h ec o n t r o lo fd i e s e le n g i n ee m i s s i o n sh a sg r e a ts o c i a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e t h em a i na i mo ft h et h e s i si st od e v e l o pal ( i i l do fm o d e ls y s t e mt h a tu s e sv a r i a b l ee g r r a t i o nf o rc o n t r o li no r d e rt od e c r e a s en o x e f f i c i e n t l y s u b o r d i n a t e l y , t h et e c h n o l o g yf o r r e d u c i n gb o t hn o x a n dp mi sa l s os t u d i e d i nt h et h e s i s ，t h ea r r a n g e m e n to fe g r s y s t e m a n dc o n t r o ls t r a t e g ya r es t u d i e d ，t h ep e r f o r m a n c eo f e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e de g rs y s t e mi s i n t r o d u c e di nd e t a i l a tt h es a m et i m e ，t h ec o m b i n a t i o no ft h en e wm o d e ls y s t e ma n db a g f i l t e rs y s t e ma l ei n v e s t i g a t e d a n dt h ee g rv a l v eo p e n i n gs t a b i l i t yh a sc a r d e do nt h e s i m p l eh y d r o d y n a m i c ss i m u l a t i o n i nm a t l a b s i m u l i n k ，c o n f i r m e dt h i s s y s t e mt o b e c o n s i s t e n tw i t ht h et e s tr e s u l ts t a b i l i t y , c o u l dg e tu pt r u l yt h eg o o dr e d u c e dn o xe m i s s i o n s f u n c t i o n k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ，e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d e g r s y s t e m 图l l 图l 一2 图l 一3 图2 一l 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 曷 图2 7 图2 - 8 图2 9 图2 一l o 图3 一l 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 _ 8 图3 柚 图3 1 0 图3 一1 1 图3 一1 2 图3 一1 3 图3 一1 4 图4 1 图4 - 2 图4 3 图4 _ 4 图4 5 图4 略 图4 7 图4 川 图4 q 图4 一l o 图4 一1 1 图4 1 2 图5 一l 插图清单 车用柴油机n o x 和p m 的关系：2 采用e g r 后n o x 浓度的影响3 废气再循环系统工作原理4 e g r 涡轮增压器系统简图1 0 进气节流阀e g r 系统图1 1 废气与空气同时增压的e g r 系统1 1 带有文丘里混合器的e g r 系统1 2 涡轮( 左) 前( 右) 后取气1 2 e g r 系统形式1 3 冷、热e g r 的排放及燃油耗比较1 3 国内某公司产e g r 冷却器1 4 e g r 阀及冷却器实物图1 5 e g r 废气通道截面图1 6 e g r 率三维脉谱图1 8 2 4 0 0 r m i n 时的最佳e g r 率曲线1 9 2 4 0 0 r m i n 时的最佳e g r 流量曲线1 9 e g r 阀阀口结构示意图2 0 2 4 0 0 r m i n 时的e g r 理想升程曲线2 l e g r 阀实物照图2 2 e g r 阀结构示意图。2 2 支管长度1 0 0 m m 时充气效率脉谱图2 3 支管长度1 4 0 m m 时充气效率脉谱图2 3 支管长度1 8 0 m m 时充气效率脉谱图2 4 进气腔直径对充气效率的影响i 2 4 标定工况下不同排气管直径的计算结果2 5 3 2 0 0 r m i n 时不同喉口收缩比的计算结果2 6 本系统废气再循环管图2 6 控制系统的组成框图2 8 时钟电路3 0 复位电路3 l 2 7 6 4 控制的组成框图3 l u l n 2 0 0 3 驱动器结构及引脚3 2 油门踏板位置传感器原理图( 左) 和特性曲线( 右) 3 3 接口电路3 4 电源电路图3 4 e g r 控制系统硬件电路结构图3 4 步进电机驱动电路框图3 5 速度判别电路3 5 步进电机的控制模型图3 6 设备基本构成及工作状态4 2 图5 2 发动机与试验台架4 3 图5 3 控制系统实物图4 3 图5 4a v l 4 3 9o p c i m e t e r 原理图及软件界面4 3 图5 5e l r 试验顺序4 5 图5 qe t c 循环启动过程示功图4 6 图5 7 软件运行界面4 6 图5 _ 82 4 0 0 r p m0 0 5 l g 循环油量时燃烧特性曲线4 7 图5 q2 4 0 0 r p m0 0 6 4 9 和0 0 7 5 9 循环油量时燃烧特性曲线4 8 图5 一1 0e g r 阀全开的响应过程4 8 图5 一1 1e g r 阀全关的响应过程：4 9 图6 12 4 5 0 r m i n e g r 率对舭k 和烟度的影响5 0 图6 22 4 5 0 r m i n 时空燃比和微粒随e g r 率变化图、5 l 图6 32 4 5 0 r m i n 时e g r 率对扭矩和油耗的影响图5 l 图6 43 6 0 0 r m i n 时n o x 和微粒随e g r 率的变化5 2 图6 53 6 0 0 r m i n 烟度和空燃比受e g r 率变化影响图5 3 图6 63 6 0 0 r m i n 时扭矩和油耗随e g r 率的变化图5 3 图6 7e g r 率的脉谱图5 4 图6 8 废气再循环的流动动力模型5 6 图6 _ _ 9e g r 模型中的各项参数设置对话框5 7 图卜l o 系统仿真结果5 8 表1 1 表1 2 表2 1 表4 1 表4 2 表5 1 表5 2 表5 3 表5 _ 4 表格清单 欧洲车用柴油机排放标准1 各国排放法规的实行情况1 e g r 形式的性能特点比较表1 6 m c s l 9 6 功能部件频率2 9 油门踏板位置传感技术指标3 3 柴油机主要参数4 1 主要测试仪器4 2 十三工况循环比较4 4 e s c 十三工况循环4 5 表6 一l 排放测试结果对比5 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金日巴王些态堂 或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名一亏莨 签字日期- 2 。水如f 归 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目垦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权佥8 巴王些太堂一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲再芝睾也 聊签名 签字日期：如豸年y 月l1 日 学位论文作者毕业后去恂： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：力舻岁月厂日 电话： 邮编： 致谢 论文完成之际，我首先要感谢我敬爱的导师方锡邦老师。导师深厚的学术 功底、严谨的学术指导和虚怀若谷的学术作风使我的硕士论文得以顺利完成； 导师有如父爱般的关心与爱护、鞭策与鼓励使我在学习中得到了无穷的动力和 勇气；导师对科学真理的无限热情与投入、执著与奉献深深地影响和激励着我。 在硕士阶段的学习中，我从导师这里不仅仅是学到了丰富的科学知识，更宝贵 的是学习到了一份锲而不舍的钻研精神、一份对理想对事业对生活的真诚态度， 所有这些都将是我人生路上的宝贵财富，愈久弥坚地伴我前行。 我要感谢我的父母及亲人，他们不仅给与我物质上的支持，而且给予我精 神上鼓励，他们的关心和支持一直是我求学路上的动力，时刻鼓励和鞭策着我 一直向前。 感谢师兄周革、唐鹏、苏平、王檀彬、祝辉和胡军义、程龙群、刘杰、黄 新洪、以及合工大0 5 级研3 班的全体同学对我的关心和帮助! 最后感谢所有支持、关心我的人! 作者：席端良 2 0 0 8 年5 月 第一章绪论 废气再循环简称e g r 系统( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ) 是目前降低n o x 排 放的一种有效措施，它是将一部分废气引入进气管与新鲜空气混合后进入气缸 内燃烧从而实现废气再循环理论。研究表明e g r 系统通过降低燃烧温度和进气 中的氧浓度来降低n o x 排放，再循环的废气中含有的大量惰性气体对混合气的 燃烧化学反应起阻碍作用，使得滞燃期延长燃烧过程变缓和抑制了燃烧温度，同 时由于e g r 气体取代了一部分新鲜空气降低了迸气中的氧浓度从而降低了n o x 排放 1 1 课题背景 随着中国经济的迅速发展和汽车保有量的高速增长，至2 0 0 7 年年底全国汽 车保有量超过了6 0 0 0 万辆，汽车有害排放已成为我国大气环境的主要污染源， 并成为一个影响经济发展和人民生命健康的重大问题，2 0 0 8 绿色奥运即将在北 京的举行，我国的汽车排放法规开始逐步和西方发达国家的排放标准接轨，给 汽车工业在排放控制方面带来了沉重的压力。 表l 一1 欧洲车用柴油机排放标准 欧v欧 欧i欧i i 欧i i i欧 欧v( u b a 建议) p m g k w h 0 4 0 1 5o 1 o 0 20 0 20 0 0 20 0 0 2 n o x g k w h 97 5 3 521 0 5 h c g k w h 1 2 31 1o 6 60 4 60 4 60 4 60 4 6 c o g k w h 4 94 02 11 51 51 51 5 表l 一2各国排放法规的实行情况 地区 9 49 59 69 7 9 89 90 00 l 0 2 0 30 40 50 6 0 70 80 91 0 欧洲欧i欧i i欧i i i欧欧v欧 中国欧i欧i i欧m欧 香港 欧i欧i i 欧欧i v 印度欧i欧i 欧i i i 泰国欧i欧i欧i欧 在汽车排放控制方面，欧洲2 0 0 5 年1 月已开始实施欧排放法规，并提出 了建议未来实施的欧v 和欧v i 排放法规，发动机的排放被限定在越来越低的水 平，表1 1 为欧洲法规对重型柴油车主要排放物的限定值。我国2 0 0 5 年4 月 国家环保总局发布了中国轻型汽车、号排放标准( 等效于欧洲、i v 号排 放标准) ，确定轻型汽车ii 号排放标准自2 0 0 7 年7 月1 日起实施，i v 号排放 标准自2 0 l0 年7 月1 日起实施。从表1 2 列出的不同地区实施等效排放法规 的进度来看，我国的排放标准落后于欧洲标准5 - 1 0 年，但随着汽车工业的快速 发展，国家环保局也计划在2 0 1 0 年前后力争使国内部分主要城市实现排放标准 与国际欧水平接轨。 实际运输领域中，柴油机以其优良的经济性和动力性受到用户的普遍关注， 柴油机的油耗及c o 。排放量可比同排量的汽油机低3 0 - 3 5 ，仅从c 0 。排放性 能和经济性能方面的优点来看，柴油机比汽油机具有更广泛的应用前景。 但柴油机排出的n o x ，有害气体和碳烟数量一直居高不下，是阻碍其进一步 推广应用的一个主要原因。从总体上来说，柴油机尾气排放中的主要污染物为 c 0 ，h c ，n o x 和p t ，与同类型的汽油机相比，由于柴油机的混合气较稀，使得 c o 和h c 的排放量一般比汽油机低得多，但柴油机的n o 。排放较高，潜在的有害 微粒排放量很大，微粒排放比汽油机高数十倍。因此n 0 ，和微粒排放成为柴油 机有待解决的两大主要污染物，其生成机理与生成环境又基本上相反，二者之 间存在着折中关系，如图1 1 所示。这成为柴油机排放控制所面临的主要技术 难题。柴油机空燃比大，含有大量的氧，从原理上难以使用三元催化剂。因为 要求耐久性和可靠性，对排气后处理装置的开发也极为困难以往控制n 0 。的传 统方法是采用增压中冷和推迟喷油始点，但迟后喷油会使燃油经济性恶化，直 接影响到车主的利益，并导致c 0 。排放增加，因此这种措施最终也会被放弃。 0 7 0 6 70 5 f0 q 山 邑0 3 喾0 2 山0 1 0 n o x g ( h p h ) 一1 图1 1 车用柴油机n o x 和p m 的关系 从采用e g r 系统与原机排放对比图l 一2 可知：实验表明，废气再循环( e g r ) 技术是柴油机各个工况不同负荷下都能大幅度降低柴油机n o x 排放的一种有效 方式。国外一些汽油机早在七十年代就开始使用e g r 系统，目前e g r 系统在国 外汽油机上的应用己相当普及，并取得了良好的降低n o x 排放的效果。九十年 代初，e g r 技术开始用于柴油机，近年来国外的柴油机普遍地采用了e g r 系统。 在柴油机废气排放控制方面，我国起步较晚，对柴油机e g r 技术的应用研究仍 处于不成熟阶段，采用更有效e g r 技术降低n o x 排放是柴油机领域的一个迫切 课题。 2 1 0 9 0 0 8 0 0 会7 0 _ 1 3 - 6 0 0 趔5 0 0 磋4 0 0 3 0 0 2 o + 原机+ 采用e g re g r x , t n o x 的影喻 兰黜_ 掣。”丢莩s 器9 曷 _ ￥l f 影h 飞ll ；州| 鼍罐 毒；镰 鼍誊嚣嗽 、j 。 一 ，+ ，j。袋 注：分别为5 种转速工况下的对咣，每种工况从左至右分别为 1 0 0 ，7 5 ，5 0 ，2 5 ，1 0 负荷点 图1 2 采用e g r 后n o x 浓度的影响 1 2e g r 技术降低氮氧化物排放的机理 1 2 1氮氧化物的产生机理 柴油机排放的氮氧化物包括n o ，n 0 2 ，n 2 0 3 ，n 2 0 s 等，其中n o 占总量的9 0 - 9 5 为了有效地降低氮氧化物，我们必须了解n o 的生成机理。 燃烧过程中n 0 有3 种生成方式，根据产生的机理的不同称为高温n o ，燃料 n o 以及瞬发n o 高温n 0 主要是由于在火焰温度下空气中氮被氧化而成。当燃烧 的温度下降时，高温n 0 的生成反应会停止，即n o 会被“冻结。燃料n 0 是含 氧燃料在较低的温度释放出来的氮所形成：瞬发n 0 是高温n 0 和燃料n 0 以外的 其他机理所形成的，主要是由于燃料产生的原子团与氮气发生反应所产生的。 高温n 0 是发动机等大多数燃烧设备氮氧化物的主要来源。下面就高温n o 的产 生机理作一介绍。 在燃料空气混合气的燃烧过程中，分子氮被氧化成n o 的机理首先由 z e l d o v i c h 于1 9 4 6 年提出，其后又被进一步完善和发展。对于n o 的生成机理， 有许多不同的见解。目前，n o 生成量的计算广泛采用的是z e l d o v i c h 不平衡原 理，即： o + n 亨n 0 + n ： n + o 铮n o + o ： n + o h 铮n o + h ： 利用z e l d o v i c h 原理对c h 4 ，和空气混合物的计算结果知道。n 0 的生成量在 燃料过多时，随着氧气浓度的增大而成比例的增大，在过量空气系数略大于1 时，生成量下降。燃烧温度在过量空气系数略大于l 附近出现最大值。n o 的生 成反应达到化学平衡需要一定的时间，这个时间要比每一循环燃烧反应时间长。 故为了降低氮氧化物的含量应着手降低火焰的高峰温度，缩短高温持续的时间 和采取适当的空燃比。高温时，n o 的平衡浓度高，生成速度也加大，在氧气充 足时，温度是生成n o 的重要因素：在高温条件下，氧气的浓度是生成n o 的重要 因素。在氧气浓度低时，即使温度高，n 0 的生成也受到抑制。n 2 ，0 2 ，n ，0 的 浓度，燃烧提供的高温以及高温的持续时间决定了反应的速度和程度，直接影 响最终的氮氧化物的浓度。空燃比一定时，n 0 的生成量随着温度的增高而增加， 也即随着转速和负荷的增加而迅速增加。n o 的生成量也取决于火焰前锋中是否 富氧。在过量空气系数a 稍微大于1 时，n o 的产生达到最高。a 小于1 时，混 合气越浓，n o 浓度越低：a 大于1 ，过了n 0 的生成峰值以后，混合气稀薄，n 0 下降：由于n o 的生成反应比燃烧反应缓慢，所以即使具备高温条件，如能缩短 滞留时间，也可使n 0 的生成量受到抑制。 总之，柴油机燃烧时产生的高温及持续时间，燃烧的富氧状态是生成n o x 的三个要素。前两个要素随着负荷的增加而迅速增加，而富氧状态与空燃比直 接相关。因此任何能降低燃烧峰值温度、缩短高温持续时间和采用适当的空燃 比的措施都有利于降低n o x 的排放。但这些方法往往会引起燃油经济性的降低 和颗粒、h c 排放不同程度的升高。故需要寻找改善它们的最佳折衷。 另外，在机内排放控制方面主要有高压燃油喷射、延迟喷油、先导喷油、 多次喷油、预混合压缩点火、缩短预混合燃烧、废气再循环、增压中冷等方法： 在机外排放控制方面则主要有选择性催化还原转化器、喷水等：另外，通过改善 燃油品质及提高燃油的十六烷值也能达到降低n o x 排放的目的。 1 2 2 e g r 系统降低n o x 排放的机理 图l 一3废气再循环系统工作原理 唔 从作用原理上看，如图l 一3 所示，e g r 技术仍是一种“机内 净化方式的 机外排放控制装置。e g r 系统的作用是将一定量的发动机燃烧废气，引出排气管， 并通过一个控制阀将其导入进气管中与新鲜混合气混合，再引入燃烧室中参与燃 烧，从而实现循环。由于n o x 主要是在燃烧期间，燃烧区域附近，特别是在高温 和存在0 2 和n 2 的情况下成的。因此，控制缸内n o x 生成需要考虑以下两方面的 因素：即与局部氧腻浓度有关的混合及嫩烧过程和局部温度及其变化进程。e g r 正是由此达到目的的。它通过以下三个方面来减少n o x 的形成： 1 )提高混合气的热容量。废气中含有的水蒸汽和二氧化碳等三原子分 4 子气体，比热容大，可以有效地降低气缸内最高燃烧温度，抑制n o x 的生成： 2 )降低混合气中0 2 的浓度。废气的稀释作用还可以使氧气的相对浓度 下降，从而也能降低n o x 的排放： 3 )降低燃烧速度。由于废气中含有大量的氮和二氧化碳等接近惰性的气 体，当这些废气部分回流到进气管后起到了稀释新鲜进气的作用，使燃烧反应 速率减缓。 根据废气进入气缸是否通过发动机的进气系统，e g r 系统可分为内部e g r 系统和外部e g r 系统。 内部e g r 通过改变配气正时实现，该系统不需外加其它设备，结构简单， 应用方便：而且可以避免再循环废气对管道的腐蚀，有利于提高系统耐久性， 但由于是在进气行程内直接开启排气阀使废气回流，因此难以精确控制e g r 率； 同时废气未经冷却直接回流，引起混合气温度升高，这一点又有利于n o x 的生 成，因此内部e g r 对n o x 的抑制效果并不显著。但是随着控制技术的不断提高， 内部e g r 因其简单便利日益受到青睐。 外部e g r 利用专门的管道将废气引入进气歧管，使废气与新鲜充量在进入 气缸前充分混合。由于外部e g r 不但可以通过电控系统精确控制e g r 率，优 化发动机性能：而且可以在外部系统中通过加装e g r 冷却器，有效降低燃烧温 度，因此目前较为常用的是外部e g r 系统。 1 2 3e g r 率的计算公式 e g r 排气回流量的大小用e g r 率衡量，本文所用到的计算e g r 率的公式是： ( 1 ) 麟率= 百百r 1 。= 叫，层孓i 盟1 2 0 r o t b , m 4 跞 1 0 0 式中：g 一质量流量，k g s ；p 一绝对压力，k p a；r 一气体常数k j ( k g 氐) ； v s 4 一发动机排量，m 3 ；n 一发动机转速，r m i n ； 丸一充气效率； a 一流量系数；t 一温度，k ；a 一截流孔面积，m2 ； 下标代号：a 一大气压力；i n 一进气管；e x 一排气管处； r e g r 回路；c 一废气引出处 剃匿= 塑型鼍爨黎需蔫竽型堕量枷。 1 3 e g r 与同类相关技术的比较 采用e g r 技术对内燃机的改动较小，成木较低。采用e g r 技术一般并不需 要对内燃机的燃烧室结构和喷油系统做出重大改动。即便是采用较复杂的电控 e g r 系统，其c p u 和许多传感器都可以同原内燃机的电控系统共用或者整合， 不需要增加过多额外的成本。而若采用提高喷油压力，减小喷孔直径等技术来 降低n o x 排放，则必然会对喷油系统提出更高的要求，导致生产成本的较大上 升。排气后处理技术，如n o x 转化率较高的选择性催化还原法( s c r ) ，降低n o x 明显，但其成本较高。 其次，采用e g r 技术的方案灵活多样，可简单，可复杂，能根据实际需 要做出最佳的匹配，可以同时减少h c 和p m ( 微粒物) 的排放，并且不会显著增 加油耗，在发动机中低负荷时净化效果更好。而其它技术，如减小点火提前角 等，也可以有效减少n o x 和h c 的排放，但会引起燃油消耗率的增加。推迟喷油 提前角虽然可以使压力升高率下降，最高燃烧温度降低，n o x 排放减少，但对 于小于5g h p hn o x 排放水平的柴油机来说，采用推迟喷油提前角来改善n o x 几乎已经达到了极限，无法进一步降低n o x 的排放。 1 4国内外e g r 技术的相关研究动态 从六十年代开始，美国、日本、西欧等工业化国家对汽车排气中的c o ，hc 和n o x 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，并由此导致了汽车工业上的一次技术革 命。这表现在设计汽车特别是汽车发动机时，不但要保证良好的经济性能、动 力性能和操纵性能，而且要考虑如何设计和安装排放控制系统，以满足环境保 护和排放法规的要求。国外对e g r 的理论研究始于六十年代，七十年代开始将 它大规模投入实际应用。e g r 技术在国外首先应用于汽油机，最初只是纯气动 式且不带冷却循环的，后来发展了带冷却循环的e g r ，再后来与电控技术相接 合，转而开发出带闭环控制的气电式或电控式e g r 系统。如今e g r 在国外的汽 油车上已得到广泛的应用。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e g r 技术，到目前为止发展非常快，特别是在轻型车用柴油机领域。 但其总体应用仍不如汽油机那样广泛成熟，尤其是对重型柴油机来讲，许多问 题还有待进一步研究解决。 总之，国外到目前为止己对e g r 技术进行了较深入的研究，积累了大量 的试验基础，并取得了一些实用性成果。但由于e g r 给发动机带来的影响相当 广泛和复杂，牵涉到较多的因素，另外e g r 本身的精确控制也是十分复杂的， 所以国外目前仍然非常重视完善对e g r 的研究，主要研究方向变为e g r 与发动 机各系统的优化匹配以及如何在精确控制e g r 的前提下，尽量提高e g r 的循环 率。简而言之，就是要在尽可能不牺牲发动机经济性、动力性的情况下，充分 挖掘e g r 降低排放的潜力 6 在国内，由于各种主客观因素限制，以前对车用发动机的排放控制并非十 分严格。无论是标准法规的制定和实施，还是净化技术的研究和应用，各个环 节都与发达国家存在较大差距，对e g r 的应用研究也一直未得到足够的重视。 但近年来，随着我国的改革开放，国民经济快速、稳定发展，我国的汽车生产 量和保有量与日俱增，由此造成的大气污染也日趋严重。尤其是我国己加入世 贸组织，即将举办的2 0 0 8 奥运会的到来，面对国内广阔的汽车潜在市场、环保 意识日益增强的消费者和严格的排放法规，排污过高的国产车将面临严峻考验。 因此各类排放净化技术包括e g r 也逐渐受到各方面的重视。目前，国内一些高 校和科研单位己经对e g r 作了一些初步研究，也取得了长足的进步，但e g r 在 我国离实用化、商品化与国外相比尚有比较大的差距。 1 5 课题内容与目的 当今世界各国在认识到汽车排放污染的严重性后，都竞相采用越来越严的 排放法规限值，对排方控制和净化效果的要求越来越高，然而如今开发和研制 排放控制系统在技术上越来越困难，费用也越来越昂贵。我国虽属于发展中国 家，但随着我国工业化的进展和交通现代化的发展，如今汽车排出的有害废气 已成了大气污染的主要根源。当前全力推动适合我国国情国力的有效排放控制 措施的实施，是我国政府和民众的迫切愿望，也是行业内工程技术人员义不容 辞的责任。e g r 技术由于有如前所述的巨大好处和潜力，因而及早加强进行对 e g r 的应用和试验研究，使其成果产业化并能在国内实用化，在我国目前是极 有意义和势在必行的签于此，本文将对柴油机上e g r 系统的展开初步的应用研 究。 1 、理论研究。分析e g r 和再循环率给发动机性能所带来的全面影响，指 明在e g r 设计过程中所需遵循的一些原则方法。 2 、产品设计。为本案所需的e g r 系统设计可靠合适的e g r 阀及相关的管 路流动线路和试验研究的测试系统，并对系统的电路控制及执行机构电路控制 有初步的设计，使得e g r 的控制更为精确更符合生产商品化实用。 3 、试验研究。结合具体的发动机做废气再循环率试验，试验论证e g r 给 发动机带来的各种影响。分析试验结果，找出最佳废气再循环率曲线。 4 、仿真模型。对设计好的废气再循环系统控制效果进行模拟仿真验证与分 析。 为此需要做如下几项主要工作： l 、电控e g r 系统整体布局设计； 2 、e g r 系统的关键部件一e g r 阀研究设计，废气回流管路的设计，使之结 构简单、驱动灵活： 3 、探讨采用新的工况点确定方法： 7 4 、设计模型的控制硬件和新的控制算法。在以上工作的基础上，设计响应 速度快，控制灵活的电控e g r 系统，以便是柴油机在满足正常工作条件下实现 降低柴油机氮氧化物排放的目的。 本文需要重点研究电控e g r 系统总体构造、控制策略并对电控e g r 系统实 机控制效果进行详细介绍。 1 6 本章小节 这章阐述课题研究背景，是为了降低柴油机的n o x 排放，普及柴油机的应 用；介绍废气再循环降低氮氧化物排放的原理以及氮氧化物生成的机理；国内 外废气再循环的研究进展及发展趋势，e g r 技术与同类技术的比较，所表现出 来的优越性。 第二章柴油机e g r 系统的控制形式 2 1增压柴油机实现e g r 控制的难点 在轻负荷条件下运行的柴油机因为有较大的空燃比，因而可以在不使烟 度、h c 及燃油恶化的条件下采用高的e g r 率，并取得了良好的降低n o 、排放的 效果，这可适用于只要求限制轻负荷时n o x 排放的柴油车。 柴油车的测试结果表明，高负荷时产生的n o x 量占n o x 总排放量的比重非 常大。在u s f t p 实验过程中，全部n o x 中约5 0 , - - 一6 0 是来自于柴油机高速 工况条件下，高负荷工况产生的n o x 约占总量的2 5 3 5 。e c e - r 4 9 1 3i 况测 试结果表明，高负荷工况下产生的n o x 量约占标定功率最大扭矩时的6 5 7 0 。显而易见，应该有效地控制高负荷工况下n o x 排放。为了避免全负荷时 的经济性损失，在低于7 5 负荷时采用小于5 0 的e g r 率，会使n o x 减少1 0 1 5 ( e c e r 4 9 1 3 工况) 和2 5 ( f t p ) 。然而，在高负荷和接近于高负荷时采用 e g r 将会使烟度增加，因为此时柴油机的空燃比很小。如何解决好n o x 与微粒 间的关系，是采用e g r 系统需要考虑的关键问题。在重型柴油机上应用e g r 的 另一个重要问题是在发动机运行工况下，排气管内的压力低于进气管内的压力。 这意味着排气不会自动从排气管流向进气管。为了解决此问题，可在排气系统 ( 或进气系统) 设置一个背压阀，但这同时增加了泵损失，降低了发动机的效 率。 在柴油机上应用e g r 的另一个重要问题是在发动机运行工况下，排气管内 的压力低于进气管内的压力。这意味着排气不会自动从排气管流向进气管。为 了解决此问题，可在排气系统( 或进气系统) 设置一个背压阀，但这同时增加 了泵损失，降低了发动机的效率。 e g r 能有效降低柴油机的n o x 排放，但同时也会增加微粒的排放。为了改 善n o x 与微粒的关系，必须根据发动机的转速和负荷来精确控制e g r 量，为此 需采用电控e g r 系统。目前，对于柴油机e g r 系统有如下要求：一是扩大e g r 的应用范围；二是增加e g r 流量；三是高精确性；四是反应迅速；五是大的驱 动力( 为了保证e g r 阀的位置) ；六是各缸均匀供给。从作用原理上看，e g r 技术是将一部分废气即非活性气体( 主要为c 0 2 ) 导入燃烧室，增加燃烧室内 气体的热容量，降低燃烧气体的最高温度，从而抑制n o x 排放。该技术虽然道 理简单，但具体匹配较为困难。 增压柴油机e g r 控制系统的主要难点可以归结为以下3 点：一是在控制方 面，机械式具有实现难度大、结构复杂的特点，电控式具有控制成本高的特点； 二是在废气回流保障方面具有压差相反的特点，必须外加气流回流保障系统； 三是在废气回流量和排放效果的最佳控制方面需要加冷却器。柴油机需要冷却 9 e g r 废气，否则会对动力性、经济性和排放有负面影响，必须考虑外加冷却装 置以及冷却器的结构、布置、性能的合理性、可靠性和高效性。大负荷时，难 以保证足够的e g r 量。增加柴油机的e g r 流量很困难，怎样保证大负荷时有 足够的e g r 率是一个较难解决的问题。同时，还必须与微粒排放保持较好的折 中。随着e g r 的增加，p t 排放随之增加，怎样通过对e g r 率的最佳调整或与 其它措施相匹配，使各工况的综合性能指标最佳，是柴油机匹配e g r 系统的一 个难点。 2 2 国内外柴油机废气再循环系统方案的分析 对于涡轮增压柴油机，由于排气管内的平均压力相对进气管内的平均压力 较低，简单地从排气管引出废气直通到进气管，难以达到预期目标。为使足够 的废气回流到进气管，国外增压柴油机e g r 系统大体上采用以下几种形式。 2 2 1使用与涡轮增压器一体的e g r 系统 通 图2 1e g r 涡轮增压器系统简图 e g r 涡轮增压器系统如图2 1 所示。在这种e g r 系统中，柴油机排出的 废气分成两路：一路进入涡轮机中：另一路经e g r 阀流入e g r 泵中增压，从泵 中流出的e g r 气流在e g r 充量混合器中与增压后的空气进行混合，然后一并进 入到发动机进气总管向各缸分配。该装置的特点是：采用一个涡轮机同时驱动 两个压气机，分别对空气和e g r 废气进行增压。这种e g r 系统代表了当前e g r 研究的最新技术，整个装置在柴油机上布置简单，但是双压气机的结构复杂， 成本很高，国内尚不能生产。 2 2 2 采用进气节流阀结构的e g r 系统 节流式e g r 系统的结构如图2 2 所示。该系统利用节流阀的节流效应，使 进气管产生真空负压来引导废气再循环，并可以根据柴油机负荷的不同来调节 e g r 率的大小。小负荷时，用较高的e g r 率；大负荷时，用较低的e g r 率。 这是因为柴油机处在大负荷工况时，为了满足动力性的要求，要使节流阀开度 1 0 大，而且增压后的进气压力高，所以流经e g r 阀的气流也较少；当柴油机处在 小负荷工况时，柴油机的空燃比大，允许节流阀开度小，以保证较大的废气回 流量。该装置结构简单，具有很高的实用性，但节流阀的节流作用使进气管产 生较大的进气阻力，影响充气效率。 节流阀 增压器 图2 2进气节流阀e g r 系统图 2 2 3废气与空气混合后同时增压的e g r 系统 空 发 动 机 e g r 气流 图2 3废气与空气同时增压的e g r 系统 图2 3 给出了一种将e g r 气流与进气空气先混合后一同进入压气机增压 的e g r 系统装置。其优点是不用考虑废气能否进入发动机气缸的问题，而且装 置布置简单。但是，柴油机应用此种装置后使得压气机受到废气的污染，从而 降低了压气机的寿命。 2 2 4 带有文丘里混合器的e g r 系统 这种e g r 系统是根据文丘里管的原理制作而成。文丘里管由收缩段和扩散 段组成，是利用文丘里管缩口处气体流动产生的真空负压来引导废气循环。从 图2 4 所示的实验装置中可以了解到：在这种实验系统中，采用了文丘里混合 器来提高废气与进气管之间的压差，从而使得e g r 气流能够进入到发动机气缸 中。这种装置布置简单而且文丘里混合器制造简单，成本低，但e g r 率受文丘 里管中废气入口位置的影响很大；另外，由于文丘里管的截流作用，在大负荷、 不需要加e g r 时，无法恢复到所需的进气压力。 图2 4 带有文丘里混合器的e g r 系统 2 3e g r 废气流动路线的选取 对于增压中冷柴油机，外部e g r 废气流动路线的设置可有以下两种方式： 一是从涡轮前取气回流到压气机后的e g r 系统，见图2 5 所示；二是从涡轮后 取气回流到压气机前的e g r 系统，见图2 5 所示。研究表明，涡轮增压柴油机 的冷却再循环结构设计采用方式1 比较好。这是因为这种设计方式可以避免出 现再循环废气污染压气机和中冷器，可以使压气机和冷却器不受排气中的微粒、 碳氢化合物和硫份的影响，因而减少了淤塞和腐蚀所引发的问题，而且也使得 流过增压器的质量流量基本保持不变；同时避免e g r 响应差。如果在压气机和 冷却器的上游将e g r 气体引入发动机，则会出现e g r 气体随发动机工况变化 簧 笛 e 6 嘲 图2 5涡轮前( 左) 、后( 右) 取气 响应滞后的问题，这对于按变工况循环考核排放并且经常在变工况下工作的轿 1 2 歧管的排气容积。再循环废气的逆行动力方式采用节流阀式e g r 废气引流系统， 利用节流阀的节流使进气管产生真空负压来引导废气循环。其主要优点是可产 生较大的进气管真空负压，能有效地引流废气。缺点是节流阀的节流作用使进 气管产生较大的进气阻力，影响充气效率，使发动机的动力性受到损失。图2 5 涡轮前、后取气的e g r 系统。 综合分析上述各种e g r 系统形式的优缺点，并结合原机的实际情况，本文 采用进气节流式e g r 系统，这是一种高压回路的连接方式，避免了废气对压气 机的污染和腐蚀。如图2 6 所示，再循环废气在增压器前引出，经e g r 冷却器 冷却后，通过e g r 阀的开度控制其流量，在进气节流阀后引入进气管。在试验 过程中，首先是进气节流阀全开，通过控制e g r 阀的开度来调整e g r 率，可以 减小进气节流阀对充气效率和发动机动力性的影响；当处于e g r 阀全开状态不 能达到预期的e g r 率时，通过部分关闭节流阀来增加涡前与中冷后的压差，从 而进一步调节e g r 率。 2 4e g r 冷却系统 k 2 0 图2 6e g r 系统形式 口 e ；争却阱群；争却e g r 图2 7冷、热e g r 的排放及燃油耗比较 柴油机采用e g r 技术降低混合气中氧含量、提高混合气的比热容，从而降 低燃烧温度，必要时还可采用冷却e g r 技术进一步降低进气温度，提高进气密 度，改善燃油经济性的技术方案。实践证明这两种技术