排气再循环系统(EGR)
燃烧原理:燃烧温度越高,NOx产生越多,在最适合于燃烧的点火时期点火及最经济的空燃比时,产生的NOx最多。为了减少NOx的排放,应该考虑不利于燃烧的空燃比及点火时期,可是这样又容易产生不完全燃烧,增加HC及CO的排放,还会使发动机的功率下降。可以较好地解决这一矛盾的技术称为排气再循环技术 (Exhaust Gas Recirculation),缩写为EGR。EGR可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CO2)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,故可抑制 NOx的生成。
下面简单介绍一下EGR系统的工作原理:
 
EGR废气再循环系统),主要用来降低废气中氮氧化合物的排放量。其原理如上图所示。
ECU根据发动机转速、负荷(节气门开度)、温度、进气流量、排气温度控制电磁阀适时地打开,进气管真空经电磁阀进入EGR阀真空膜室,膜片拉杆将EGR阀门打开,排气中的少部分废气经EGR阀进入进气系统,与混合气混合后进入气缸参与燃烧,降低了燃烧时气缸中的温度,因NOx是在高温富氧的条件下生成的,故抑制了NOx的生成,从而降低了废气中的NOx的含量。EGR系统的主要元件是位于进气歧管上的EGR阀。在发动机暖机运转和转速超过怠速时,EGR阀开启,使少量的废气进入进气歧管,与可燃混合气一起进入燃烧室;当发动机在怠速、低速、小负荷、及冷机时,为了避免发动机的动力性能受到影响,ECU控制EGR阀关闭。
EGR阀中有一与其做成一体的EGR阀位置传感器(EVP Sensor),该传感器是一电位计式位移传感器,用于检测EGR阀的实际位置,输出相应电压信号给控制器,控制器据此判断阀门是否对ECU的指令做出正确响应。同时,它的信号输出也是发动机ECU计算废气再循环流量的依据。通常,EVP传感器是一个三线传感器,一条是发动机ECU提供的电源电压,另外一条是传感器的接地线,第三条是传感器给发动机ECU的反馈信号输出线;在EGR阀关闭时产生1V以下的电压,在汽车尾气处理装置图EGR阀打开时产生5V以下的电压。它是EGR系统中的重要传感器,一个损坏的EVP传感器会造成喘车现象、发动机产生爆震、怠速不良和其他行驶性能故障,
甚至检查维护(I/M)尾气测试也不正常。
过度的废气参与再循环,将会影响混合气的着火、性能,从而影响发动机的动力性,特别是在发动机怠速、低速、小负荷及冷机时,再循环的废气会明显地影响发动机性能。所以,当发动机在怠速、低速、小负荷及冷机时,电脑控制废气不参与再循环,避免发动机性能受到影响;当发动机超过一定的转速、负荷及达到一定的温度时,电脑才控制少部分废气参与再循环。而且,参与再循环的废气量根据发动机转速、负荷、温度及废气温度的不同而不同,以达到废气中的NOx最低。
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EGR阀通常在下列条件下开启:1.发动机运转。2.转速超过怠速。ECM根据发动机冷却水温传感器、节气门位置传感器和空气流量传感器来控制EGR系统。
日前,在北京新国际展览中心举办的2008中国国际内燃机展上,上海日野发动机有限公司展出了其满足国Ⅳ排放的P11系列发动机,并且由于其采用EGR+DOC的技术方案吸引了参观者极大的兴趣。
与众不同的国Ⅳ机型
  “目前在国内的市场上,大多数国内公司的国Ⅳ机型采用的都是SCR技术,在本届展览上我只看到国内朝柴有一款国Ⅳ发动机采用的是EGR技术。”上海日野的总工程师孙崎在接受记者采访时说。
  这种情况的出现跟国内内燃机行业发展的特殊性有关系。由于国内近年来国家对于柴油发动机尾气排放的规定日益严格,并且实施进程非常快,所以对于目前已经实施的国Ⅲ排放,国内的柴油发动机企业都是刚刚通过一轮技术改造才完成。电控系统、4气门结构等等涉及到发动机本体结构的改造也刚刚完成,所以在针对国Ⅳ的解决方案中,国内的企业大多选择了对本体机无需做大改动的SCR技术。而EGR技术由于要增加废气再循环系统,需要改动原有国Ⅲ发动机的结构,再进行大量的实验才能达到标准,因而也就不被大多数企业所选择。
  因需而定的技术方向
  而对于为何在国Ⅳ阶段会产生几种不同的技术方向,还要从柴油发动机的工作原理说起。柴油发动机的尾气中污染物主要有两种,即氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)。由于柴油机工作的特点,使微粒和氮氧化物两种主要排放污染物的生成环境彼此对立。提高缸内燃烧温度,燃料充分燃烧时颗粒物会被降低,但氮氧化物会由于高温的环境生成较多。反之亦
然,是一种此消彼长的现象。在排放标准达到欧Ⅳ之前,开发设计人员在控制柴油机燃烧时,通过在两者之间进行平衡,达到氮氧化物和微粒排放都不超过限值。但排放标准提升到欧Ⅳ之后,则需要机内控制结合机外后处理方式才能达标。
  目前被国内大多数企业所使用的SCR技术是通过强化发动机机内燃烧来降低微粒的生成,然后利用尿素溶液对氮氧化物进行机外催化氧化。而另外一种EGR则相反,在机内控制氮氧化物的生成,然后在排气阶段再减少颗粒物。同时EGR技术又可细分为EGR+DOCEGR+DPF这两种,分别利用DOC(柴油催化氧化器)或DPF(微粒捕集器)对生成的微粒进行后处理。由于DPF需要再生,DOC不需要,上海日野的国Ⅳ机型采用EGR+DOC这种解决方案。
  SCR技术的最大缺点是需要在车上增加催化剂储存箱和催化反应器,而且需要加油站等社会配套设施提供相应的催化剂补充液。由于卡车、客车的流动性和不同地区排放标准的差异性,造成了尿素催化剂添加的不便性。而EGR技术的缺点在于改动原有欧Ⅲ发动机的结构,增加废气再循环系统。由于引入废气,废气中的酸碱性物质会对发动机内部的机件产生影响,制造商必须在抗腐蚀方面进行加强。同时,由于需要控制氮氧化物生成,对燃烧过程的
最高温度和持续时间都必须进行严格控制,因此对发动机效率和经济性会产生一定的负面影响。
  “由于EGR技术有这样的制约,所以上海日野此次展出的国Ⅳ发动机采用超高压燃烧,同时配合可变截面的混流涡轮增压器来增强发动机的性能。通过进一步提高燃油喷射压力,进一步提高压缩比来改进机内燃烧,这些措施的共同使用,能够使发动机在机内便同时降低颗粒物和氮氧化物,再配合DOC的使用消除少量残余颗粒可以达到国Ⅳ排放标准。并且燃油经济性不会受到很大的影响。”
监管问题
  不过,对于SCR来说,还有一个困难之处在于使用中的监管和使用者的社会责任,即使用者如果在尿素耗尽后不添加怎么办(目前国内尿素价格约9/升,高于柴油价格)。
  孙崎介绍,在欧洲环保机构使用OBDOn-Board Diagnostics,中文译为“车载自动诊断系统”)来约束,其最早采用灯光提示,如果尾气不达标便不断地提示驾驶员。而在欧Ⅳ阶段采用的OBD系统中则带有扭矩限制,如排放指标超过欧Ⅲ限值时,发动机的功率由系统设置下降为原功率的60%~70%,强制驾驶员添加尿素液或进行失效检查。
  而目前我国车用柴油机OBD技术和标准还刚刚起步,国家环保部刚刚在200871日实施基于17691柴油机排放限值的“车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断系统技术要求”,对于OBD系统提出了各阶段要求。“对于不需要添加消耗型尿素的EGR技术发动机,使用中比较方便,这对于长途运输行业是比较适合的。”
EGR发展现状
从20世纪70年代开始,国外就开始了废气再循环系统的研究,现在一些柴油车上已经安装了EGR系统,为柴油车达到欧Ⅳ标准奠定了基础。
对于增压中冷柴油机,通常有以下两种方式:从涡轮前取气回流到压气机后的EGR系统;从涡轮后取气回流到压气机前的EGR系统。涡轮增压柴油机的冷却再循环结构设计适宜采用前一种方式,可避免出现再循环废气污染压气机和中冷器,减少淤塞和腐蚀问题,同时避免EGR随工况变化响应滞后。
由于柴油机过氧燃烧,直喷式柴油机的EGR率超过40%,非直喷式可达25%。为防止微粒产生,中、低负荷常采用较大的EGR率,全负荷不采用EGR,以保证发动机的动力性和燃油经
济性。当转速提高时降低EGR率,保证较多新鲜空气的进入,由实验标定测得最佳的EGR脉谱。
对EGR率的精准控制多采用电子信号。根据发动机的转速信号、油泵齿条信号(即供油量)和水温信号等,按预先设定好的脉谱改变EGR率。因柴油进、排气管间压差较小,柴油机的E-GR回流管直径较大,且柴油机所需的EGR率较高,可在进气管上加节气门,低负荷时,通过进气节流达到增加进、排气管间压差。同时,采用冷EGR,可进一步降低NOx的排放。柴油机排气中的SO2会生成硫酸,对EGR系统的管路和阀门以及气缸壁面形成腐蚀,应选用高品质润滑油和低硫柴油。
废气再循环对排放的影响
2.2.1对NOx排放的影响
废气再循环技术降低了燃烧室内可达到的最高燃烧温度,减少了进气充量,从而抑制NOx的排放。实验表明,当发动机的转速一定时,废气中NOx的比例,会随废气再循环率的增加而降低。当发动机处于不同负荷时,NOx排放下降率与EGR率呈近似线性关系。较大的废气再
循环率会导致柴油机动力下降,在中高负荷时,EGR率较低,在小负荷时,EGR率较高,根据不同的工况,选择适当的EGR率。