廢氣再迴圈系統在車用發動機上的應用研究[**：車用發動機第2期2007/07/06]
林建華，倪計民
（同濟大學中德學院**l內燃機**教研室，上海201804）
摘要：介紹了egr系統結構原理，nox的形成機理以及egr技術對抑制nox生成的理論基礎；比較了柴油機和汽油機最優egr率特性場的分布狀況；分析了幾種常用egr率的測量方法、測量原理及其應用範圍。著重闡述了不同工況下不同egr率對發動機動力性、經濟性及排放效能的影響；最後指出egr率優化過程中應該考慮的幾個重要設計原則。
關鍵詞：內燃機；廢氣再迴圈；排放控制；氮氧化物
nox是汽車廢氣中主要排放物之一，排放法規對其限制非常嚴格。廢氣再迴圈（egr）技術可有效降低發動機nox排放，已經成為汽車發動機必不可少的排放控制措施之一。國外早在20世紀70年代就開始了egr技術的研究，並率先在汽油機上應用，取得了很好的效果；90年代後egr技術開始廣泛應用於柴油機。
我國目前對egr技術的應用研究處於起步階段。
1 nox生成機理及egr系統原理
1.1 nox的生成機理及控制
nox的主要成分是no，有少量的繼續氧化產物no2。no是在高溫燃燒下（大於2200k），由分解的氧原子和氮原子發生反應而生成的，故no的生成量在很大程度上取決於燃燒溫度，此外還與o2的體積分數直接相關。在稀燃時，o2體積分數足夠大，no的生成主要取決於燃燒溫度；在濃混合氣條件下，no的生成量主要取決於o2的體積分數。
所以，no體積分數最大點應該出現在混合氣略稀、火焰燃燒溫度較高的工況點，即過量空氣係數（φa。）在1.1～1.
3的區域內，燃燒溫度很高的過濃混合氣區和o2體積分數大的過稀混合氣區都不會產生很高的no體積分數。
從no的生成機理可以看出，為了降低發動機no排放量，可以採取降低燃燒室峰值火焰溫度，降低no生成階段的o2體積分數，縮短燃燒氣體在高溫下的滯留時間等3種方法。顯然，o2體積分數的下降使燃燒惡化，限制hc和co的進一步氧化，這將導致發動機的熱效率下降，同時不利於hc和co的排放。因此，提高發動機的指示指標及改善發動機hc，co排放與改善nox排放之間存在著矛盾，應綜合考慮這些因素，並給予必要的折中。
1.2 egr系統的作用機理
egr技術是通過降低缸內最高燃燒溫度以及缸內混合氣中o2的體積分數，破壞nox的生成環境，從而降低nox的排放。普遍認為可由以下3個理論解釋。
1.2.1比熱容假說
在發動機的可燃混合氣中摻人一部分co2，h2o和n2等惰性廢氣，前兩者的比熱容均高於新鮮混合氣。因此，新舊氣體混合後的工作混合氣的總熱容量也隨之增大，在氣缸內燃料總放熱量不變的情況下，混合氣燃燒產生的最高燃燒溫度就會降低，降低的幅度與增加的比熱容成正比。
1.2.2稀釋假說
egr對nox的影響是由於增加了混合氣中惰性氣體量，一方面使氣缸內的o2體積分數下降；另一方面惰性分子降低了鏈式反應的速率，使燃燒的絕熱火焰溫度降低，從而使nox的生成量下降。
1.2.3點火或著火延遲假說
對汽油機而言，該理論認為egr將一定數量的排氣引入進氣管，造成進氣管真空度略下降，從而使真空提前角滯後，引起了點火延遲，而點火延遲會造成nox的下降。對柴油機而言，egr系統改變了混合氣的組分，因而延長了著火延遲，從而降低了缸內最高燃燒溫度，促使no。排放下降。
1.3 egr系統的分類
egr系統一般可通過內部egr和外部egr兩種方式來實現迴圈。
內部egr是區別外部egr而言的，其實質是通過擴大氣門重疊角來實現的，即增大進氣門提前開啟和推遲排氣門延遲關閉或提高排氣背壓等方法來增加缸內的殘餘廢氣，參與下個迴圈的燃燒，從而實現egr。但由於它降低了新鮮進氣充量，且妨礙了進氣慣性效應的利用，因而要犧牲功率和燃油消耗。另外，其控制和調節沒有外部egr方便靈活，所以應用面不廣。
外部egr就是通常所指的egr，即將排氣管中部分廢氣經外部管路引入進氣管參與再燃燒，從而實現egr。就形式而言一般可分為機械式、電氣式和電控式，其中電控式egr最具典型性，代表egr技術的發展方向，下面將著重給予介紹。
1.4典型egr系統組成及功能介紹
egr系統由egr閥、egr冷卻器、混合腔、節流閥、一根或多根egr管組成（見圖1）。根據使用需要有時包含旁通閥和節流閥，電控egr系統則還包含ecu控制器。氣缸排氣經過排氣管，通過egr控制閥部分進入egr系統，高溫氣體經過egr冷卻器，最終到達混合腔與新鮮空氣混合進人氣缸。
在某些特定工況下，部分迴圈廢氣可以不經過egr冷卻器，而直接由旁通閥進入混合腔。
ecu則是系統的控制中心，它根據各感測器送來的訊號，計算廢氣回流量，實時控制egr電磁閥的開度。相對其他形式的egr系統，電控egr具有動態響應好，調節精度高，排氣回流量大以及結構相對簡單等優點。因此，隨著電子技術的發展，電控式egr系統得到了日益廣泛的應用。
研究還表明，帶中冷器的egr系統通過降低迴圈廢氣的溫度，降低了發動機的進氣溫度和燃燒峰值溫度，從而能夠更加有效地降低nox的排放。與此同時，較低的進氣溫度提高了進氣密度和進氣充量，有利於改善發動機的動力性和經濟性。
2 egr率的確定
2.1柴油機與汽油機egr的作用區域
圖2為典型的車用柴油機和汽油機egr系統的執行範圍及較佳egr率確定，egr率描述再迴圈廢氣量與總進氣量的比值關係，可表示為
式中，α為egr率，megr為再迴圈廢氣質量流量，mf為吸人新鮮空氣質量流量。
由圖2a可知，在車用柴油機的低轉速、低負荷i區域egr率較大，超過了45%，甚至可達到60%。由於燃燒速度物理極限的存在，隨著轉速和負荷的提高，可供燃燒時間的下降，egr率也隨之下降。在全負荷工況下，過去一般egr率為0，但通過改善噴射及燃燒技術，將來的egr技術的使用範圍可望拓展到整個柴油機的執行特性場，這將有利於降低發動機整個執行範圍內nox的排放。
此外，載重車用柴油機在整個執行特性場內一般都可以採用更高的egr率。
與之相比，傳統汽油機僅在部分負荷下採用egr，全負荷及節氣門開度低於20%的工況下，也採取零egr率。直噴式汽油機根據負荷、執行方式不同，也有兩種不同的egr控制策略。分層進行直噴式汽油機與柴油機相似，有較大進氣充量，φa可達到5，故可以有較大的egr率。
但均質燃燒汽油機φa接近於1或大於1，為了改善燃燒採用較小的egr率。汽油要中過多的再迴圈廢氣會影響正常點火，一般汽油機的egr率為5%～20%，分層燃燒汽油機的egr率可以超過20%。合理提高點火能量和增強混合氣運動是增加汽油機egr率的前提。
2.2典型工程egr率的確定原則
egr系統以發動機效能的影響是複雜的。一般來講，增加egr率可以降低nox排放，但同時會增加hc和co的排放及提高燃油消耗。因此，在各種工況下採用的egr率必須綜合考慮發動機的動力懷、經濟性和排放效能。
以柴油機為例，闡述幾個典型工況下egr率的確定原則。
在冷起及預熱工況下，柴油機的轉速和溫度較低，o2雖然過量，但是生效nox的體積分數較低，為了防止egr影響燃燒的穩定性，一般不進行egr。
在怠速及低負荷工況下，柴油機燃燒的仍然是稀混合氣，氣缸中o2含量仍大大過剩，加上氣缸溫度逐步提高，nox排放也隨之公升高，這時柴油機允許有egr；由於此時對動力性要求不高，可以有較大的egr率，但其值受燃燒穩定性和其他汙染物排放量制約；
在中等負荷工況下，缸內殘餘廢氣量可以忽略不地，為獲得最佳燃油消耗率，缸內混合氣是稀混合氣，為獲得最佳燃油消耗率，缸內混合氣是稀混合氣，有足夠o2；此時缸內溫度隨之負荷的公升頏是公升高，造成nox排放較快公升高，應進行適度egr；
在加速工況下，一般柴油機是油的響應快於氣的響應，特別是對裝有egr系統的中冷增壓柴油機來說更是如此；所有，過渡工況內會存在較濃的混合氣，此時一般不進行egr；
·在減速工況下，柴油機減速時，混合氣變稀，但發動機溫度仍較高，有利於nox的生成，故應進行egr。
2.3 egr率的測量
2.3.1定義法根據式（1）求得α，其中megr由轉子流量計測得mf由渦街流量計測得，該方法具有一般性，適用於各種型別發動機。
2.3.2 co2體積分數比較法
式中，co2為有egr進氣管進氣中co2的體積分數，co2為無egr進氣管進氣中co2的體積分數，
co2為有egr排氣管進氣中co2的體積分數。由於在無egr時，進氣管中co2含量非常小，往往可以忽略。因此，公式可簡化為。
即進氣管中co2體積分數與排氣管中co2體積分數之比。對汽油機而言，如果在裝置允許條件下，該方法不僅可以保證較高的測量精度，測試方法也比較簡單。
2.3.3柴油機吸入空氣量比較法α＝（ca－gra）/ca×100%。
式中，gra為有egr時吸人的新鮮空氣量，ca為無egr時吸入的新鮮空氣量。
該方法只適用於柴油機，其依據為：當柴油機轉速和負荷不變時，進氣量基本保持恆定。計算前，先測出未進行egr時吸人氣缸的空氣量，再測出相同轉速和負荷下進行egr吸人氣缸的空氣量，其相對量有所減少，減少量近似於氣缸內廢氣量。
這樣在不需要直接測量柴油機廢氣引數條件下，就可求出相同狀態下進入氣缸的廢氣量，簡化了測試方法，因而被普遍採用。
3 egr技術對柴油機效能的影響。
3.1 egr對燃油霧化過程的影響
egr改變了進氣充量的密度和組分，從而改變了噴油始點缸內的熱力學條件和流動條件，進而影響燃油的霧化過程。雖然存在分歧，但一般認為，油束貫穿距離隨egr率的增大而略微提高，而油束錐角的變化則視具體情況而定，不能下一簡單結論。
3.2 egr對著火點和燃燒溫度的影響
較大的egr率使柴油機的著火點分布更為廣泛，更接近燃燒室壁，且數量更多，這直接導致了燃燒高溫區域更加細碎，從而降低了缸內最高燃燒溫度，因此有利於改善nox的排放。
3.3 egr對燃燒放熱規律的影響
egr系統改變了混合氣的組分，使混合氣中含有更多的co2和水蒸氣，降低了o2的含量，因而延長了著火延遲，給油束更多的貫穿時間，自燃點更加靠近缸壁。這同時意味著燃油與o2有更充裕的混合時間，預混合燃油量可能增加，降低了碳煙的生成，因為碳煙的生成主要集中在隨後的擴散燃燒階段。但o2含量的降低會減輕預混燃燒的強度，在某種程度上抵消了預混合燃油量增加帶來的效應。
4採用egr技術亟需解決的幾個問題
若egr率控制不當，可能造成發動機hc和co排放增加，燃油經濟性惡化。低負荷時egr將影響發動機工作穩定性，高負荷時egr將影響發動機的動力性。
由於缸內固體顆粒數量的劇增，egr還可能造成發動機活塞環和氣缸套等部件的磨損加劇，影響發動機的壽命。
egr廢氣溫度過高，影響發動機的充氣效率，若採用egr冷卻迴圈，會增加冷卻系統和溫度控制系統的複雜性。
各缸egr分配均勻性和瞬態響應性難以兼顧。5結束語
nox是車用發動機廢氣排放中主要的汙染物之一，危害極大，且不易控制。egr技術是目前最有效實用的發動機機內控制措施之一，但也會給發動機帶來一些不良的影響，如可能導致燃油消耗率和pm排放上公升。因此，必須對各工況點的egr率進行優化。
在歐美國家，egr技術已是一種成熟的技術，在車用發動機上得到廣泛應用。隨著我國排放法規與世界逐步接軌，對汽車排放汙染物的進一步控制，我國發動機企業應加強對egr技術的應用研究。
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