廢氣再循環(huán)基本原理

EGR凈化NOX的基本原理實(shí)際上是熱容量理論的具體應(yīng)用。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的CO2、H2O、NO2等三原子氣體的比熱較高，當(dāng)新鮮的混合氣和廢氣混合后,熱容量也隨之增大。加熱這種經(jīng)過(guò)廢氣稀釋后的混合氣，溫度每升高1度所需要的熱量也隨之增加，在燃料燃燒放熱總量不變的情況下,最高燃燒溫度也因此降低;同時(shí)廢氣對(duì)新鮮混合氣的稀釋作用，降低了氧的濃度，從而使NOX的生成受到抑制。

實(shí)際上排出氣體的返流是在吸氣與排氣的兩種流動(dòng)間接上插有控制閥門(mén)的管子，利用控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)控制流量的增減。

由于有高溫排氣回流所以可以忽略吸氣充填效率的低下，因此大型柴油機(jī)幾乎都裝有利用熱交換器制成的冷卻機(jī)構(gòu)(COOL EGR)。 多數(shù)會(huì)將一部份發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水分流，用冷卻機(jī)構(gòu)來(lái)將吸收的熱量進(jìn)行散熱，但會(huì)使散熱器增加額外的30%負(fù)載，所以必須增大冷卻風(fēng)扇等其他設(shè)備因而導(dǎo)致重量增加。

另外裝有渦輪增壓器內(nèi)燃機(jī)等大型燃油機(jī)在高負(fù)載時(shí)若進(jìn)行EGR，吸氣壓力會(huì)大于氣、會(huì)使單純的閥門(mén)開(kāi)關(guān)無(wú)法進(jìn)行回流。因此、須設(shè)置EGR 控制閥門(mén)逆止閥(止回閥)。

理論上若能改變EGR 量就有可能可以取消燃油機(jī)的節(jié)流閥，但大量的EGR 在點(diǎn)火時(shí)的困難會(huì)容易造成燃燒不穩(wěn)定，以及無(wú)法在怠速時(shí)達(dá)成穩(wěn)定狀態(tài)等理由使其難以實(shí)用化。

EGR 與稀薄燃燒技術(shù)有很大的關(guān)連性，并且還有氣缸內(nèi)直接噴射技術(shù)中稀薄混合氣下如何能穩(wěn)定的燃燒的課題。

EGR技術(shù)在當(dāng)時(shí)(觸媒轉(zhuǎn)化器實(shí)用化以前、1970年代)，燃油機(jī)因無(wú)法使用氧化催化來(lái)凈化NO x 的情況下而導(dǎo)入的。 但是在循環(huán)率與燃料噴射量無(wú)法精密控制的的情況下，為了使燃料能夠穩(wěn)定，因此吸氣混合比必須設(shè)的很高(燃油會(huì)過(guò)剰)、這反而使燃料經(jīng)濟(jì)性惡化。 之后，隨控制技術(shù)提高且觸媒轉(zhuǎn)化器的實(shí)用化，現(xiàn)在已經(jīng)可以用來(lái)解決NO x 的排出與燃料經(jīng)濟(jì)性提高的問(wèn)題。

原理上EGR在沒(méi)有節(jié)流閥的柴油機(jī)在減低油門(mén)損失上是沒(méi)有效果的，但在1990年代前期開(kāi)始進(jìn)行以減低NO x 為目的的EGR研究中發(fā)現(xiàn)、排氣中存在的大量二氧化碳與水蒸氣和大氣來(lái)比有較高的熱容量，因此對(duì)于提升燃料經(jīng)濟(jì)性也有一些效果。

內(nèi)燃機(jī)在燃燒后排出的氣體中含氧量極低甚至沒(méi)有，此排出氣體與吸氣混合后會(huì)使吸氣中氧氣濃度降低，因此會(huì)產(chǎn)生下列現(xiàn)象:

比大氣更低的含氧量在燃燒時(shí)(最高)溫度會(huì)降低，會(huì)抑制氮氧化物(NO x )的產(chǎn)生。燃燒溫度降低時(shí)，氣缸與燃燒室壁面、活塞表面的熱量傳遞會(huì)降低，另外因熱離解造成的損失也會(huì)有些微降低。燃油發(fā)動(dòng)機(jī)其部分負(fù)荷與氣缸內(nèi)非EGR時(shí)相比，為了提供等量的氧氣量(為了得到同一軸的出力)，因此需要將油門(mén)開(kāi)大，結(jié)果吸氣時(shí)的吸油(油門(mén))損失較低，燃料經(jīng)濟(jì)性會(huì)提高。 此即為活塞在一次行程下吸入的氧氣降低時(shí)，會(huì)取得如同使用小排氣量發(fā)動(dòng)機(jī)加速前進(jìn)時(shí)一樣的效果。EGR 的循環(huán)率在燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的情形(在吸氣量中)下最大為15%，而怠速時(shí)與高負(fù)載時(shí)則會(huì)停止。 以車(chē)輛重量來(lái)看發(fā)動(dòng)機(jī)輸出較小的大型柴油車(chē)，其發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載較高，為了能夠達(dá)到排氣標(biāo)準(zhǔn)也常會(huì)使用到EGR技術(shù)。

廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)有很多種形式和控制方式。根據(jù)系統(tǒng)執(zhí)行器(EGR閥)的動(dòng)作控制形式，可以分為機(jī)械控制式EGR系統(tǒng)和電子控制式EGR系統(tǒng);根據(jù)EGR閥的控制對(duì)象，也即系統(tǒng)控制的方式，可以分為直接控制式EGR系統(tǒng)和間接控制式EGR系統(tǒng);根據(jù)EGR系統(tǒng)中閥的個(gè)數(shù)可以分為單閥控制式和多閥控制式;根據(jù)EGR系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，可以分為開(kāi)環(huán)控制式EGR系統(tǒng)和閉環(huán)控制式EGR系統(tǒng)。

為了更好的理解這些控制系統(tǒng)的形式，也為了選擇經(jīng)濟(jì)、合理和適用的EGR系統(tǒng)控制方式，現(xiàn)著重對(duì)一以上幾種EGR形式進(jìn)行比較。

機(jī)械控制式EGR系統(tǒng)是最早設(shè)計(jì)使用的EGR裝置。其工作原理是:通過(guò)真空度和排氣背壓來(lái)控制EGR閥的開(kāi)閉。

機(jī)械控制式EGR系統(tǒng)中的主要部件是一個(gè)膜片式EGR閥，根據(jù)閥控制方式的不同，有正背壓控制式EGR和負(fù)背壓控制式EGR。但是，對(duì)于機(jī)械控制式EGR系統(tǒng)，EGR率控制的范圍有限(一般為5%-15%)，且控制精度遠(yuǎn)不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際需要，故新型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)都趨向于選擇計(jì)算機(jī)控制的EGR系統(tǒng)，也即電子控制式EGR系統(tǒng)。

電子控制式EGR系統(tǒng)不僅EGR率的控制范圍大(巧%一20%)，控制自由度也大。其主要功能特點(diǎn)，就是選擇NOX排放量大的發(fā)動(dòng)機(jī)工況，進(jìn)行適量的EGR控制。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，微處理機(jī)Ecu根據(jù)各傳感器，如轉(zhuǎn)速傳感器、水溫傳感器、節(jié)氣門(mén)位置傳感器、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)等信號(hào)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)目前在哪一種工況下工作，以輸出指令，控制EGR電磁閥打開(kāi)或關(guān)閉，使EGR進(jìn)行或停止。

直接控制式EGR系統(tǒng)的EGR閥直接安裝在排氣道上，所以這種形式的EGR系統(tǒng)也叫排氣道廢氣再循環(huán)系統(tǒng)。

系統(tǒng)的工作原理是:廢氣經(jīng)排氣管引出，直接經(jīng)過(guò)EGR閥流人進(jìn)氣管。系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的需要，直接控制EGR閥的開(kāi)度大小，以提供理想的再循環(huán)流量。

這種EGR系統(tǒng)的特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便。

工作時(shí)，EGR控制閥的開(kāi)度由控制信號(hào)(一般為壓力信號(hào)，例如真空度、排氣壓力等)控制，而EGR電磁閥的開(kāi)閉則影響著控制信號(hào)的變化，這樣可以為EGR控制閥提供更為理想的控制信號(hào)，從而保證理想的EGR流量。

單閥控制式EGR系統(tǒng)指的是，系統(tǒng)中只有一個(gè)閥-EGR閥。工作時(shí)，EGR閥根據(jù)控制信號(hào)(壓力信號(hào)或電信號(hào))的大小，改變閥的開(kāi)度，從而提供理想的EGR流量。

多閥控制式EGR系統(tǒng)，有以下兩種形式。

第一種:系統(tǒng)中有一個(gè)EGR控制閥和一個(gè)(或兩個(gè))EGR電磁閥。通過(guò)"EGR電磁閥"控制"EGR控制閥"的控制源(真空通道)，從而控制系統(tǒng)的工作。

另一種多閥控制式EGR系統(tǒng)指的是，系統(tǒng)中的EGR閥含有多個(gè)獨(dú)立的電磁閥。有三個(gè)電磁線圈的數(shù)字式EGR系統(tǒng)即為這種典型的多閥控制式系統(tǒng)。

開(kāi)環(huán)控制式EGR系統(tǒng)中，它只有PCM的控制信號(hào)，不用反饋信號(hào)。因而PCM不用復(fù)雜的計(jì)算，相對(duì)來(lái)講控制模式簡(jiǎn)單。當(dāng)然，其控制的精度也受到一定的限制。

直線式EGR系統(tǒng)，以EGR閥位置傳感器的信號(hào)作為反饋信號(hào)，可以稱作是一種簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

通常，在閉環(huán)控制式EGR系統(tǒng)中，是以EGR率作為反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的。

從結(jié)構(gòu)上劃分，有內(nèi)部EGR和外部EGR兩種系統(tǒng)，區(qū)別在于廢氣是否通過(guò)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)入缸內(nèi)。

內(nèi)部EGR技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要外部設(shè)備，一般情況下通過(guò)改變配氣相位就可以實(shí)現(xiàn)，等同于提高缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)。但是缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，在不同工況下氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律也不一樣，所以這種實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)的方式很難控制EGR率;而且這種直接引入的方式，廢氣沒(méi)有經(jīng)過(guò)冷卻，很大程度上的提高了混合氣溫度，使降低NOX排放的效果不夠明顯。

實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR通常有兩種方法，廢氣殘余法以及廢氣再吸法。這兩種方法在原理上是類似的，策略上有所不同。廢氣殘余法是將排氣門(mén)提前關(guān)閉，這樣缸內(nèi)就有一部分廢氣殘余，在進(jìn)氣過(guò)程中實(shí)現(xiàn)殘余廢氣與新鮮混合氣的混合，此過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生一部分壓縮負(fù)功，為避免較大的功率損失，一般進(jìn)氣門(mén)的開(kāi)啟時(shí)刻也相應(yīng)推遲。廢氣再吸法可以通過(guò)兩種方案來(lái)實(shí)現(xiàn):一是在進(jìn)氣沖程中再次開(kāi)啟排氣門(mén)，這樣活塞下行會(huì)將排氣系統(tǒng)中的廢氣吸入缸內(nèi);二是在排氣沖程中開(kāi)啟進(jìn)氣門(mén)，這樣活塞上行會(huì)將部分廢氣壓入進(jìn)氣系統(tǒng)，在接下來(lái)的進(jìn)氣沖程中將帶有廢氣的混合氣一同吸入缸內(nèi)，但是無(wú)論是那種方案，廢氣再吸法都需要?dú)忾T(mén)的重復(fù)開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)起來(lái)存在困難。所以從應(yīng)用難度來(lái)看，廢氣殘余法更方便且易于實(shí)現(xiàn)。

外部EGR技術(shù)是在排氣系統(tǒng)上接入廢氣再循環(huán)管路，將廢氣引出再導(dǎo)入到進(jìn)氣系統(tǒng)中，讓廢氣在進(jìn)入氣缸之前與新鮮空氣充分混合。外部EGR和內(nèi)部EGR相比，結(jié)構(gòu)上要復(fù)雜的多，通常帶有EGR閥，EGR冷卻器，還有一些特殊管路及附帶的控制單元，也正是如此外部EGR可以實(shí)現(xiàn)對(duì)廢氣的諸多參數(shù)的精確控制，從而最大程度的實(shí)現(xiàn)EGR的作用。根據(jù)管路連接的不同，外部EGR的技術(shù)路線也多種多樣，以下簡(jiǎn)要介紹幾種典型方案。

1、一體增壓式EGR系統(tǒng)

在一體增壓式EGR系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣分為兩部分，一部分經(jīng)過(guò)渦輪為壓氣機(jī)提供動(dòng)力，另一部分通過(guò)EGR閥進(jìn)入到壓氣機(jī)中增壓，然后與增壓后的新鮮空氣混合，一同進(jìn)入各個(gè)氣缸。整套系統(tǒng)采用一個(gè)渦輪機(jī)，同時(shí)對(duì)兩個(gè)壓氣機(jī)提供動(dòng)力，兩個(gè)壓氣機(jī)分別對(duì)新鮮空氣和廢氣進(jìn)行增壓，是目前最新最先進(jìn)的EGR技術(shù)。但是因?yàn)橛袃蓚€(gè)壓氣機(jī)，增壓匹配上的難度增大，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜的多，同時(shí)也大大增加了成本，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有能力生產(chǎn)。

2、進(jìn)氣節(jié)流式EGR系統(tǒng)

此項(xiàng)技術(shù)方案是利用節(jié)流閥的作用，使進(jìn)氣管的廢氣入口處產(chǎn)生真空度，利用壓力差來(lái)引入廢氣。這種方式在汽油機(jī)和柴油機(jī)上均可以使用，需要說(shuō)明的是這個(gè)節(jié)流閥和汽油機(jī)的節(jié)氣門(mén)是不同的，其作用主要是控制EGR率，也就是此系統(tǒng)應(yīng)用在汽油機(jī)上時(shí)進(jìn)氣道上一共有兩個(gè)節(jié)流裝置。通常情況下發(fā)動(dòng)機(jī)工作在大負(fù)荷時(shí)，節(jié)流閥開(kāi)度較大，EGR率較小;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處在中小負(fù)荷工況時(shí)，節(jié)流閥開(kāi)度也較小，保證所需的EGR率。該系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，控制上也不復(fù)雜，但是因?yàn)楣?jié)流閥的存在，增加了進(jìn)氣阻力，使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能受到影響。

3、低壓EGR系統(tǒng)

此系統(tǒng)從渦輪機(jī)前或渦輪機(jī)后將廢氣導(dǎo)出，經(jīng)過(guò)EGR閥和冷卻器后在壓氣機(jī)前端將廢氣導(dǎo)入，因?yàn)榕艢鈮毫偸谴笥诃h(huán)境氣壓，所以這樣的連接方式可以順利的實(shí)現(xiàn)廢氣循環(huán)。但是由于廢氣在壓氣機(jī)前就導(dǎo)入進(jìn)氣了，廢氣中的部分有害物可能會(huì)損傷壓氣機(jī)，使壓氣機(jī)的使用壽命大打折扣，在廢氣管路中加裝后處理裝置可以解決此問(wèn)題，但也大大提高了成本。因?yàn)橐子趯?shí)現(xiàn)，此項(xiàng)方案在實(shí)驗(yàn)研究中應(yīng)用廣泛，但是在工業(yè)產(chǎn)品中比較少見(jiàn)。

文丘里管式EGR系統(tǒng)

根據(jù)文丘里管的工作原理，亞音速的氣體通過(guò)文丘里管的時(shí)候會(huì)先產(chǎn)生一個(gè)膨脹過(guò)程，再產(chǎn)生一個(gè)壓縮過(guò)程，膨脹過(guò)程中氣體的溫度和壓力都會(huì)下降，所以在文丘里管的喉口處會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，利用這個(gè)負(fù)壓，就可以順利的將廢氣引入到進(jìn)氣系統(tǒng)中。在使用了文丘里管以后，大大降低的廢氣的流動(dòng)阻力，可以輕松的實(shí)現(xiàn)較高的EGR率，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失小，文丘里管技術(shù)成熟，使用簡(jiǎn)單，成本較低，在產(chǎn)品中應(yīng)用比較廣泛。

EGR主要通過(guò)以下幾方面發(fā)揮作用:EGR中的CO2和水蒸氣大大增加了工質(zhì)的比熱容，同時(shí)廢氣的加入也稀釋了原來(lái)混合氣中的氧濃度，從而使燃燒速度變緩，使燃燒過(guò)程中的最高溫度和平均溫度都有所下降，破壞了NO生成的有利環(huán)境，從而大大降低NOX排放。因?yàn)槠蜋C(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)方式通常為量調(diào)節(jié)，所以在汽油機(jī)上應(yīng)用EGR可以相應(yīng)的增加進(jìn)氣量，EGR率的增加能降低汽油機(jī)在中低負(fù)荷工況下的節(jié)流損失，降低汽油機(jī)的燃油消耗率。因?yàn)閺U氣混入進(jìn)氣參與燃燒，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)中的各個(gè)環(huán)節(jié)和參數(shù)發(fā)生變化，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)產(chǎn)生多方面的影響，而且影響是整體化的，必須總體考量。