发动机废气再循环系统研究论文.doc

发动机废气再循环系统研究 摘 要 分析了汽车排气再循环系统( EGR )的工作机理,介绍了EGR 系统的工作原理, 并对 EGR 系统的发展前景作了展望。 关键词 废气再循环系统EGR；汽车排放引言：随着国民经济的发展, 中国的汽车工业也取得了惊人的成绩。据环保专业人员分析, 大气环境污染 70%以上是汽车尾气排放造成的。汽车保有量的不断增加使汽车尾气对大气环境的污染日趋严重, 汽车尾气污染已经严重地危害到人们的健康, 开发出环保汽车和低污染汽车已成为当务之急。为贯彻中华人民共和国环境保护法和中华人民共和国大气污染防治法 , 防治汽油机排气对环境的污染, 国家环保局批准并实施了GB 18352.2- 2001汽车污染物排放限值及测量方法 、GB 17691- 2001车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法和 GB 3847 -1999压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气可见污染物排放限值及测试方法等有关标准。这些法规和标准的实施对汽车及内燃机产品生产质量要求更高, 为我国汽车技术进步起到巨大的推动作用。然而, 要解决汽车尾气污染的问题, 根据发达国家治理汽油机排气污染物的实践经验, 安装一套排气再循环 EGR 控制系统是行之有效的方法。1 EGR系统的发展过程回顾 EGR 系统的发展过程，第一个 EGR阀诞生于 1973年的通用汽车。用螺栓固定在化油器后的进气口，进气和排气歧管均有端口。它有一个隔膜，通过阀杆拉动将此隔膜开启，当进气口真空度达到定值时，允许尾气进入进气口。进气口的真空度随着节气门的打开而增加，一个热量真空控制开关用以防止发动机冷启动时的真空度会触发EGR 。这套系统有许多缺陷，经常是开启太快或开度太大，这使得因大量的再循环尾气冲入燃烧室而延缓加速。许多人在遇到这样的问题时只是简单地断开其连接，因为他们不明白其重要性和设计原理。在 1975年，工程师门开始用真空限流器和真空延迟阀进行试验，希望从中找出一个既净化空气又保证性能的折衷办法。1981年，环闭计算机控制系统被启用， 通过使用双层膜片和背压式 EGR阀对废气再循环流量作进一步精确地控制。调节 EGR阀的真空拉力，开启膜片控制废气再循环的流量。遥控和整体真空调节装置曾被应用并有多个名称，如：放大器、变换器和调节器。通过螺线管阀封闭真空孔来使精确地控。制真空流量，直到预定的标准被选用，如发动机温度、转速和歧管绝对压力( MAP )。当开始使用真空放大器、延迟阀和螺线管阀等复杂配置时，还在发动机舱内增添许多真空管。塑料制成的真空连接管随着时间 流逝容易磨损和腐蚀，不够牢固。因此发明了真空图形并成为当时的烟雾操纵性能的基 本技术。由于这些系统的发展，它们减少了一些部件和真空管道，通过使用脉冲宽度调节EGR螺线管阀完成过程。由脉冲编码调节( PCM)用这些螺线管阀控制 EGR流量来 调节EGR阀的真空度，取代了早期的仅仅是周期性的开或关。 那么什么是脉冲宽度调节呢? 计算机是二进位的，它们操控的设备语言只由二个变量组成：开或关、对或错、高或低，这是脉冲编码调节 PCM思考的惟一方式。其结果就是计算机控制的输出总是开或关、高( 系统电压 )或低( 接地 )。所以在实验室可观察到，计算机的输出总是呈方波、或开与关的步骤。波型的较高部分通常为约5V的电池电压或 PCM电压，少数情况下PCM也会由不同的电压值运作。当PCM收到输入数据，如转速、节气门角度、冷却液温度和MAP值时，嵌入的软件程序立刻计算出结果。接下来，计算机做出判断并以脉冲调节信号的形式发送命令，转动E G R螺线管阀迅速地开启或关闭。EGR螺线管阀有两个真空嘴，一端连接歧路管或者连通发动机真空孔，而另一端连接EGR阀，其默认值为锁死 E G R阀的真空度。当螺线管阀接收脉冲命令时，通风孔释放出真空，在快速的开关脉冲推动下，真空流向 EGR。在随后的每一年中，EGR的设计逐渐趋于精良。美国加利弗尼亚空气资源委员会 ( CARS )就比较青睐通用和克莱斯的随车诊断系统 ( OBDt ) 。到了1988 年， CARB要求所有销售到加利弗尼亚的汽车都要配备一套随车诊断系统和一只“ 发动机检查”指示灯，用来通知驾驶员排放系统的故障。直到现在，所有的汽车制造商都配备一套EGR系统，它能够报警提示驾驶员排放系统的工作状况是否正常。OBD 诊断系统和故障代码被添加至展开的标记、短叉管和附着于螺线管。OBD II 要求 EGR系统的非正常的过低 或过高流量时的故障可被监测。当EGR组件出现故障或车辆的排放结果发生错误超出标准时， EGR系统将会视其为故障。而所有的新产汽车必须通过并符合这项测试。 诊断执行器，又称为诊断任务管理器，控制着 EGR监测器。执行器是一个OBD II 软件代理，执行管理所有随车监测器的任务并扫描工具界面。执行器能够协调管理所有监测器测试程序的顺序和启动。八个主要监测器，它们惟一的功能是直接对分配给它们的组件进行监测和测试，以保证它们能永久地符合标准。 这些监测器有：催化剂监测器、EGR监测器、EVAP监测器、燃油系统监测器、不点火监测器、氧气监测器、氧加热监测器、辅助空气注射监测器。EGR监控器的测试分为插入式和非插入式。比如一项插入式的测试就是在 EGR 阀通常为关闭的情况下， EGR监测器对 EGR 阀的某个特定状况进行循环检测。 EGR监测器的测试方法因各制造商而存在不同，但主要有下列三种： 第一种方法是当EGR阀开关启动时，在歧管内寻找压力的变化。 第二种方法则是作 EGR阀的循环，并寻找短期的燃油状况的变化。当 EGR阀开启时，它替代了部分油气混合物；而当EGR阀关闭时，则更多的氧气进入燃烧室，与油气混合物进一步混合。O2传感器将用信号对PCM作出响应，PCM则依次增加脉冲宽度。这个过程称为短期燃料状况补偿。EGR监测器就是要观注所有的运作按照它们必需的去执行，重复测试和平衡测试结果。在EGR 监测器开始测试之前，监测器必须首先收到诊断执行器的清除报告，诊断执行器保证了测试时无冲突状况发生，避免使 EGR监控测试无效。比如，如果汽车装配一个惰氧传感器，在EGR开启和关闭时的燃油状况补偿是不准确的，所以就对OBD II安装了许多安全装置来防止这种情况发生。OBD II 也同样进行推理性的检查，换句话说，也就是通过推论的逻辑和持续不变的对比对其输人数据作相对的比较， 以保证所有数据相互间的同步。当EGR监测器收到 OK的情况报告，即应用精确可行的标准来运行测试，以保证测试的准确性。 第三种 EGR监测设计的类型包括监测个 EGR位置传感器和一个背压传感器。一些福特汽车使用不同的压力回遗传感器，传感器阅读EGR阀的尾气背压的上游和下游值来测定其流量和运作。通常当OBD I系统对一个EGR系统标记不起作用时，OBD 系统就被分配到确定的任务来测试正确的EGR排量以保证汽车驾驶时尾气排放清洁。 2 汽车排气再循环系统 ( EGR) 工作机理排气再循环系统 ( EGR) 可将车辆发动机排放的有害物质氮氧化合物 ( NOx) 控制在最低程度。发动机内部燃烧温度高是产生 NOx 的主要原因。燃烧温度越高, 燃烧后残留的氧气浓度越大, 高温持续时间越长, NOx 的生成量就越多。因此, 降低燃烧温度是降低 NOx 的最有效措施。EGR 系统是将发动机排出废气的一部分再送回到进气管和新鲜混合气再次进入汽缸参加燃烧, 降低发动机内部燃烧的瞬间高温, 从而减少了燃烧过程中 NOx 的生成量, 减轻排放污染。这种方法是降低 NOx 的排放量较有效的装置。EGR 使发动机排出气体的一部分重新进入进气系统, 引入不活性气体( 主要是二氧化碳) 到燃烧室, 增加燃烧室内气体的热容量, 使最高燃烧温度下降, 所以可抑制一氧化氮生成。但是, 过量的废气在循环中将会影响发动机的正常运行, 特别是在怠速及低速小负荷和发动机处于冷态运行时, 再循环的废气将会明显降低发动机的性能。在发动机怠速及较低温度时, NOx 的排放量在规定范围内; 当车速在 50km/h120km/h 的时候, 往往 NOx 的排放量较高, 必须对 NOx 的排放量进行控制。因此, 应选择 NOx 排放量多的发动机运转范围进行排气再循环。这样, 就必须根据发动机工况条件的变化自动调节参与排气再循环的废气量。通常, 排气再循环的控制指标用 EGR 率表示: EGR 率=EGR 气体流量( 吸入空气量+EGR气体流量) 100%。可见, EGR 率是衡量 NOx排放重要指标; 合理调整 EGR 率的大小, 既能降低汽车排放污染物的含量, 又不降低发动机的性能指标。从废气再循环率 ( EGR 率) 随发动机负荷变化的关系曲线 (如图 1 所示) 可清楚地看出, 废气再循环率随发动机负荷变化的过程, 既保证了车辆在行驶中的正常动力, 不增加其排放, 又使NOx 产生量最少。3 EGR的工作原理 EGR 阀是排气再循环系统中的关键部件, 它通常被安装在进气歧管上, 有一个通用排气管的金属管道与它连接, 对进入进气管的废气量进行控制。EGR 阀上有一个接真空控制信号的软管与化油器相连, 用来控制 EGR 阀的开与闭。温度控制开关常常安装在冷却剂通道上, 根据发动机的工作温度接通或断开通向 EGR 阀的真空控制信号。EGR 的基本工作原理如图 2 所示。当发动机处于怠速时, 节气门关闭无真空压力作用在 EGR 阀的隔膜上, 弹簧的作用力保持阀门关闭, 没有废气进入进气歧管。随着发动机负荷增大, 节气门打开, 真空信号到达 EGR 阀,隔膜上移, 阀们开启废气进入进气歧管开始循环。一般当真空超过 10kPa 时, 工作隔膜开始上升, 真空度达到 25kPa 时, 隔膜升到最高位置。当发动机处于大负荷时, 节气门打开真空口处,真空很小, EGR 阀关闭, 空气燃油混合气不被稀释, 汽车当发动机可保持足够的动力性能。当车辆在暖车过程中, 冷却剂和发动机进气温度都很低, 氮氧化合物 ( NOx) 排放量也很低, 废气再循环破坏燃烧稳定性, 会出现怠速不稳定或发动机熄火, 此时, 温度控制开关关闭真空回路,EGR 阀停止工作, 禁止废气循环。一般发动机冷却剂温度低于 40时, 温度开关保持关闭。3.1 普通电控式 EGR 控制系统普通电控式 EGR 系统主要由 EGR 阀、电磁阀、节气门位置传感器、曲轴位置传感器、冷却水温传感器、起动信号和电脑等组成。发动机工作时, 电脑根据各个传感器反馈的电信号, 确定发动机目前在哪种工况下运行。若在表 1 指出的 5 种工况下运行, 电脑向 EGR 电磁阀发出接通信号, 电磁阀通电, 其阀门关闭,切断 EGR 真空通道, EGR 阀关闭, EGR 系统停止工作。否则, ECU 使 EGR 电阀断电, 其阀开启真空通道, EGR 阀打开, EGR 系统开始工作。3.2 可变电控式 EGR 控制系统可变电控 EGR 控制系统主要由电脑、EGR电磁阀、节气门位置传感器、EGR 阀、节气门、曲轴位置传感器、定压阀和调压阀等组成。根据发动机台架试验确定的 EGR 率与发动机转速、负荷的对应关系, 将有关数据存入发动机 ECU 内微机的 ROM中。发动机工作时, 微处理机根据各种传感器送来的信号, 确定发动机在哪种工况下工作, 经查表和计算修正, 输出适当的指令, 控制电磁阀的开度, 以调节排气再循环的 EGR 率。当发动机工作时, 微处理机根据曲轴位置传感器、节气门位置传感器、冷却水温度传感器、点火开关和电源电压等, 给 EGR 阀提供不同占空比的脉冲电压, 使其具有不同打开关闭频率,调节进入调压阀的空气量, 得到控制 EGR 阀不同开度所需各种真空度, 从而获得为适应发动机工况需不同的 EGR 率。脉冲电信号的占空比越大, 电磁阀打开时间越长, 进入调压负压室的空气量越多, 真空度越小, EGR 控制阀开度越小, EGR 率越小; 当小至某一值时, EGR 阀关闭, 排气再循环系统停止工作。反之, 脉冲电信号的占空比越小, EGR 率越大。3.3 闭环控制式再循环系统开环控制式排气再循环系统中, EGR 率只受微处理机预先设置好的程序控制, 不检验发动机各种工况下 EGR 率, 因此, 无反馈信号。而在闭环控制式排气再循环系统中, 微处理机以EGR 率作为反馈信号实现闭环控制。如图 3 所示, 新鲜空气经 EGR 阀进入稳压箱, 稳压箱中设置有 EGR 率传感器, 它对稳压箱中新鲜空气与废气所形成的混合气中的氧气浓度不断地进行检测, 并将检测结果输入微处理机。微处理机经过分析计算后向 E-GR 阀输出控制信息, 不断地调整 EGR率, 时刻在微处理机的控制下保持在理想状态, 从而有效地减少 NOx 的排放量。4 存在的问题 （1）采用EGR系统后，若EGR率控制不当，极易造成发动机HC和CO排放量增加，燃油经济性恶化。（2）在低负荷时，EGR将影响发动机的工作稳定性。（3）EGR还可能造成发动机活塞环、汽缸套等部件的磨损加剧，发动机的可靠性和寿命可能会受到影响。（4）EGR的废气温度过高，影响发动机的充气效率，并会有降低燃烧温度的效果，若采用EGR冷循环，会增加冷却系统和温度控制系统的复杂性。（5）EGR的废气温度过高，影响发动机的充气效率，并会有降低燃烧温度的效果，若采用EGR冷循环，会增加冷却系统和温度控制系统的复杂性。（6）由于EGR给发动机带来的影响相当广泛和复杂，牵涉的因数较多，所以对EGR本身的精确控制较型杂。（7）各缸EGR分配均匀性和瞬态响应性不易同时兼顾。5 发展展望目前, EGR 系统在国外汽车发动机上的应用已经相当普遍, 除了能有效降低 NOx 的排放量以外,EGR 系统还能有效降低燃油消耗,在轿车汽油机运行工况部分负荷上, 匹配良好的EGR系统,使此时发动机节气门开度增大,可减少发动机泵气损失功。此外,采用稀薄燃烧的发动机仅在使用 EGR 系统的情况下尾气排放才能达标;采用 EGR 系统可以减少三效催化器贵金属的消耗，能降低汽油车排放达标的成本。近年来, 国外 EGR 系统被越来