EGR系统原理及其在汽油机中的应用

-0-同济大学热能与动力工程专业燃气轮机及内燃机技术期末论述报告姓名：******************学号：******************院系：机械与能源工程学院专业：热能与动力工程-1-EGR系统原理及其在汽油机中的应用摘要汽车排放的污染主要是HC、NOx、CO以及柴油车的碳烟。本文所叙述的EGR系统，就是为了减少NOx的排放而实施的技术。本文简要介绍了EGR系统的工作原理以及其在汽油机中的应用与其对发动机系统的影响。关键词EGR系统NOx排放汽油机EGR率引言氮氧化物排到大气中，碰到强烈的紫外线时，会生成光化学烟雾。这种光化学烟雾会造成眼睛疼痛，严重的话还会呼吸困难。长期呼吸被氮氧化物和黑烟等污染的空气，也容易带来呼吸器官的疾病和癌症。在化学上，氮是所谓的惰性气体，不容易起氧化作用，但温度高到一个程度，还是会形成氮氧化物的。因此若要降低引擎排气中的氮氧化物含量，就必须设法降低引擎的燃烧温度。发动机的有害排放物是造成大气污染的一个主要来源，随着环境保护问题的重要性日趋增加，降低发动机有害排放物这一目标成为当今世界上发动机发展的一个重要方向，所以开展汽车发动机有害排放物控制方法的研究。目前车辆使用的方法就是在进气管中导入一些已经燃烧过的废气，与新鲜空气混合，使之再次燃烧，作用为降低混合气的含氧浓度、吸收燃烧释放出的热量，使燃烧速度减慢、燃烧温度降低，便减少了NOx的生成数量，现代引擎不论是汽油或柴油的都有EGR废气再循环系统，并且都用计算机来控管废气的进气量，以期许在环保和动力上取得最大的利益和平衡。一、EGR原理1.1EGR简介废气再循环系统(ExhaustGasRecirculation)简称EGR，是将汽车发动机产生的废气的一小部分再送回气缸。再循环废气由于具有惰性将会延缓燃烧过程，也就是说燃烧速度将会放慢从而导致燃烧室中的压力形成过程放慢，这就是氮氧化合物会减少的主要原因。另外，提高废气再循环率会使总的废气流量(massflow)减少，因此废气排放中总的污染物输出量将会相对减少。EGR系统的任务就是使废气的再循环量在每一个工作点都达到最佳状况，从而使燃烧过程始终处于最理想的情况，最终保证排放物中的污染成份最低。由于废气再循环量的改变会对不同的污染成份可能产生截然相反的影响，因此所谓的最佳状况往往是一种折衷的，使相关污染物总的排放达到最佳的方案。比方说，尽管提高废气再循环率对减少氮氧化物（NOx）的排放有积极的影响,但同时这也会对颗粒物和其他污染成份的增加产生消极的影响。-2-1.2外部EGR系统净化原理废气再循环技术是控制氮氧化合物排放的主要措施，它是将汽车排出的一部分废气重新引入发动机进气系统，与混合气一起在进入气缸燃烧。EGR工作原理系统图废气混入的多少用EGR率表示，其定义如下：NOx是在高温和富氧条件下N2和O2发生化学反应的产物。燃烧温度和氧浓度越高，持续时间越长，NOx的生成物也越多。一方面废气对新气的稀释作用意味着降低了氧浓度；另一方面，考虑到除怠速外的其他工况下的CO、HC和NOx浓度均小于1％，加热这种经过废气稀释后的混合气所需要的热量随之增大，在燃料燃烧放出的热量不变的情况下，最高燃烧温度可以降低。从而可使NOx在燃烧过程中的生成受到抑制，明显地降低NOx的排放。1.3EGR系统控制要求随着EGR率的增加，燃烧开始不稳定，燃烧波动增加，HC排放上升，功率下降，燃油经济性趋于恶化。小负荷特别是怠速时进行EGR会使燃烧不稳定，甚至导致失火，使HC排放急增。全负荷追求最大动力性，使用EGR会使最大功率降低，动力受损。因此，必须对EGR率进行适当控制，使之在各种不同工况下，得到各种性能的最佳折中，实现NOX的控制目标。对EGR系统的控制要求如下：（1）由于NOX排放量随负荷增加而增加，因而EGR量应随负荷的增加而增加。（2）怠速和小负荷时，NOx排放浓度低，为了保证稳定燃烧，不进行EGR。（3）在发动机暖机过程中，冷却水温和进气温度均较低，NOX排放浓度也很低，混合气供给不均匀，为防止EGR破坏燃烧稳定性，冷机时不进行EGR。（4）大负荷、高速时，为了保证发动机有较好的动力性，此时虽温度很高，但氧浓度不足，NOX排放生成物较少，通常也不进行EGR或减少EGR率。（5）为了实现EGR的最佳效果，需保证再循环的排气在各缸之间分配均匀，即保证各缸的EGR率一致。-3-1.4内部废气循环简述通常把发动机排气经过EGR阀进入进气歧管，与新鲜混合气混合在一起的方式称为外部EGR。实际上，EGR的这种效果也可以通过不充分排气以增大滞留于缸内的废气量（即增大残余废气系数）来实现。与上述外部EGR相对应，称这种方法为内部EGR。滞留在缸内的废气量决定于配气相位重叠角的大小，重叠角大，则内部废气再循环量也大。高比功率的发动机，由于有较好的充气，通常重叠角较大，内部废气再循环量也大，因而NOX排放物相对较低，但是重叠角也不能无限加大。二、EGR系统在汽油机中的应用汽油机主要的排放污染物有碳氢化合物(HC)，一氧化碳(CO)，和氮氧化物(NOx)。由于汽车排放物具有流动性大，数量多，集中在居民稠密区，低空排放等特点，对人体的危害极大，在许多国家汽车的排放成为主要的大气污染源。我国的人均汽车保有量不算大，但是基数高，而且每年还在以17％的速度增长，由此造成的环境和污染日益严重。解决机动车尾气的排放问题刻不容缓。在汽油机的所有排放物中，NOx最难降低，常用的方法有喷水，乳化油，稀燃，推迟点火，废气再循环等。喷水对降低NOx效果明显，但对机件的腐蚀作用太大：乳化油对燃烧要求较高，采用较少；推迟点火方式将造成功率损失，油耗增加；稀燃是发动机在高于理论混合比的条件下工作，出于燃烧温度降低抑制了NOx的生成，但是混合气过于稀薄将造成循环变动增加；分层燃烧实现稀燃的潜力超过均质燃烧，但是过度分层存在的浓混合区仍是NOx的主要来源。EGR技术对降低NOX的效果明显，效率高在所有负荷条件下都可以降低NOX的排放量。另外，采用EGR后缸内的最高燃烧温度下降，有效降低了爆燃倾向，因此，EGR与提高压缩比相结合可以同时改善热效率和排放。EGR技术对发动机的改动小，成本低，即使是采用较为复杂的EGR，许多元件也可以和发动机电控系统共用或整合，因此作为一项降低NOX的有效措施得到了广泛的关注。2.1车用汽油机EGR系统a）真空控制EGR系统b）电控真空驱动EGR系统c）闭环电控EGR系统车用汽油机的EGR系统简图图中：1-真空驱动EGR阀；2-排气管；3-发动机；4-进气管；5-温度控制阀；6-电控真空调节器；7-电控单元；8-EGR阀位置传感器；9-电磁驱动EGR阀-4-图4-30a所示的真空控制EGR系统，除低温切断EGR用温度控制阀5实现外，其余控制规律由进气管节气门后的真空度和真空驱动EGR阀的构造保证（如采用双膜片式EGR阀等）。真空控制EGR系统是机械式EGR系统，在现代电控汽油机上已很少应用。图4-30b所示的为电控真空驱动EGR系统，用电控单元7控制真空调节器6，后者控制真空驱动EGR阀1的开度。在此系统中，通过预先标定的EGR脉谱有可能针对不同工况实现EGR的优化控制。图4-30c所示的为闭环电控EGR系统，广泛应用于现代电控汽油机中。这种系统应用了带EGR阀位置传感器8的线性位移电磁式EGR阀9，由电控单元7发出的PWM信号驱动。传感器8发出的EGR阀位置信号反馈给电控单元7，保证精确实现预定的电控脉谱。而电控脉谱由发动机的EGR标定试验确定。在EGR控制系统中，EGR阀是其中最为关键的部件。不同的EGR率是通过EGR阀的调节来实现的。废气再循环阀常用的控制方式有温控真空式、真空背压式、真空电磁式、电磁阀式等。随着电子技术在汽车上的广泛使用，现代汽车大多采用电子控制的废气再循环阀。2.2EGR率对发动机的影响采用废气再循环能有效地降低汽油发动机的NOx排放。但EGR率过大会使燃烧恶化，燃油消耗率增大，HC排放上升。小负荷下进行EGR使燃烧不稳定，表现在缸内压力变动率增大，工作粗暴，HC排放急剧增加。大负荷时进行EGR，会使发动机动力性受损。因此，在进行EGR时必须要考虑其对发动机动力性、经济性的影响。图aEGR率对NOx排放浓度的影响图bEGR率对燃油消耗率的影响如上图所示，EGR率对NOx排放浓度和燃油消耗率产生一定的影响。图a中，空燃比被作为参变量，实验结果是在各点的最佳点火提前角条件下得到的。可见，随着EGR率的增大，对降低NOx排放越有利。但从图b可以看出，EGR率越大，燃油消耗率也将增加。故要提高NOx净化率，势必要增加燃油消耗率。-5-EGR率对汽油机净化与性能的影响如下图所示：图CEGR率对汽油机净化与性能的影响该试验是在转速、进气管负压及空燃比一定条件下进行的，试验所用的机型是一台日本丰田3R型汽油机。试验结果表明，当EGR率超过15%～20%时，发动机的动力性和经济性开始恶化，未燃碳氢排放浓度也因EGR率加大发生失火现象而上升，而且此时对进一步降低NOx排放浓度的作用不大。因此，通常将EGR率控制在10%～20%范围内较合适。三、结论EGR技术是目前降低NOx排放的主流技术。完善的电子闭环控制EGR技术的应用，为EGR净化技术的推广应用创造了优越的条件。即使在不采用NOx后处理的情况下，也能满足我国现行排放法规对NOx限值的要求。值得注意的是EGR技术同时增加了进气温度，降低了充气效率，恶化了燃油经济性。在此基础上，提出了冷却EGR技术，即再循环废气经冷却器冷却后再送人进气端，进一步降低进气温度，更有利于降低NOx排放，同时改善燃油经济性。冷却EGR技术是今后降低NOx排放的发展方向，在国外已得到部分应用。而在我国，由于排放立法滞后，此项技术的研究及产品开发严重落后，至今未见产品开发，此种状况将严重影响汽车工业的发展及排放法规的实施。致谢这是我第一次尝试用毕业论文格式写一份简短的论文，因此，感谢老师给我们一次预先锻炼的机会，还要感谢学校为我们具备的温暖又完善的学习环境以及同济大学学子们高尚的学习气氛。参考文献【1】朱涛.EGR对汽油机排放和性能影响的研究.天津大学【2】龚金科，刘彪，杨靖等.发动机排放污染及控制.湖南大学机械与汽车工程学院