廢氣再循環(huán)系統(tǒng)形式

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)計使用的EGR裝置。其工作原理是:通過真空度和排氣背壓來控制EGR閥的開閉。

機(jī)械控制式EGR系統(tǒng)中的主要部件是一個膜片式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)動機(jī)的實際需要，故新型汽車發(fā)動機(jī)都趨向于選擇計算機(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)動機(jī)工況，進(jìn)行適量的EGR控制。在發(fā)動機(jī)工作時，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)氣門位置傳感器、點(diǎn)火開關(guān)等信號，確定發(fā)動機(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EGR閥流人進(jìn)氣管。系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機(jī)工況的需要，直接控制EGR閥的開度大小，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)簡單、控制方便。

工作時，EGR控制閥的開度由控制信號(一般為壓力信號，例如真空度、排氣壓力等)控制，而EGR電磁閥的開閉則影響著控制信號的變化，這樣可以為EGR控制閥提供更為理想的控制信號，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)中只有一個閥-EGR閥。工作時，EGR閥根據(jù)控制信號(壓力信號或電信號)的大小，改變閥的開度，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EGR控制閥和一個(或兩個)EGR電磁閥。通過"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閥含有多個獨(dú)立的電磁閥。有三個電磁線圈的數(shù)字式EGR系統(tǒng)即為這種典型的多閥控制式系統(tǒng)。

開環(huán)控制式EGR系統(tǒng)中，它只有PCM的控制信號，不用反饋信號。因而PCM不用復(fù)雜的計算，相對來講控制模式簡單。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作為反饋信號，可以稱作是一種簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

通常，在閉環(huán)控制式EGR系統(tǒng)中，是以EGR率作為反饋信號實現(xiàn)閉環(huán)控制的。

EGR凈化NOX的基本原理實際上是熱容量理論的具體應(yīng)用。

由于發(fā)動機(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;同時廢氣對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。

實際上排出氣體的返流是在吸氣與排氣的兩種流動間接上插有控制閥門的管子，利用控制閥門的開關(guān)時間來控制流量的增減。

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)會將一部份發(fā)動機(jī)的冷卻水分流，用冷卻機(jī)構(gòu)來將吸收的熱量進(jìn)行散熱，但會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)載時若進(jìn)行EGR，吸氣壓力會大于氣、會使單純的閥門開關(guān)無法進(jìn)行回流。因此、須設(shè)置EGR 控制閥門逆止閥(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)火時的困難會容易造成燃燒不穩(wěn)定，以及無法在怠速時達(dá)成穩(wěn)定狀態(tài)等理由使其難以實用化。

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(觸媒轉(zhuǎn)化器實用化以前、1970年代)，燃油機(jī)因無法使用氧化催化來凈化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(燃油會過剰)、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)化器的實用化，現(xiàn)在已經(jīng)可以用來解決NO x 的排出與燃料經(jīng)濟(jì)性提高的問題。

原理上EGR在沒有節(jié)流閥的柴油機(jī)在減低油門損失上是沒有效果的，但在1990年代前期開始進(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比有較高的熱容量，因此對于提升燃料經(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有，此排出氣體與吸氣混合后會使吸氣中氧氣濃度降低，因此會產(chǎn)生下列現(xiàn)象:

比大氣更低的含氧量在燃燒時(最高)溫度會降低，會抑制氮氧化物(NO x )的產(chǎn)生。燃燒溫度降低時，氣缸與燃燒室壁面、活塞表面的熱量傳遞會降低，另外因熱離解造成的損失也會有些微降低。燃油發(fā)動機(jī)其部分負(fù)荷與氣缸內(nèi)非EGR時相比，為了提供等量的氧氣量(為了得到同一軸的出力)，因此需要將油門開大，結(jié)果吸氣時的吸油(油門)損失較低，燃料經(jīng)濟(jì)性會提高。 此即為活塞在一次行程下吸入的氧氣降低時，會取得如同使用小排氣量發(fā)動機(jī)加速前進(jìn)時一樣的效果。EGR 的循環(huán)率在燃油發(fā)動機(jī)的情形(在吸氣量中)下最大為15%，而怠速時與高負(fù)載時則會停止。 以車輛重量來看發(fā)動機(jī)輸出較小的大型柴油車，其發(fā)動機(jī)負(fù)載較高，為了能夠達(dá)到排氣標(biāo)準(zhǔn)也常會使用到EGR技術(shù)。

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進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)入缸內(nèi)。

內(nèi)部EGR技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，不需要外部設(shè)備，一般情況下通過改變配氣相位就可以實現(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)動十分復(fù)雜，在不同工況下氣流運(yùn)動規(guī)律也不一樣，所以這種實現(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，廢氣沒有經(jīng)過冷卻，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提前關(guān)閉，這樣缸內(nèi)就有一部分廢氣殘余，在進(jìn)氣過程中實現(xiàn)殘余廢氣與新鮮混合氣的混合，此過程發(fā)動機(jī)會產(chǎn)生一部分壓縮負(fù)功，為避免較大的功率損失，一般進(jìn)氣門的開啟時刻也相應(yīng)推遲。廢氣再吸法可以通過兩種方案來實現(xiàn):一是在進(jìn)氣沖程中再次開啟排氣門，這樣活塞下行會將排氣系統(tǒng)中的廢氣吸入缸內(nèi);二是在排氣沖程中開啟進(jìn)氣門，這樣活塞上行會將部分廢氣壓入進(jìn)氣系統(tǒng)，在接下來的進(jìn)氣沖程中將帶有廢氣的混合氣一同吸入缸內(nèi)，但是無論是那種方案，廢氣再吸法都需要?dú)忾T的重復(fù)開啟，實現(xiàn)起來存在困難。所以從應(yīng)用難度來看，廢氣殘余法更方便且易于實現(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可以實現(xiàn)對廢氣的諸多參數(shù)的精確控制，從而最大程度的實現(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)動機(jī)的尾氣分為兩部分，一部分經(jīng)過渦輪為壓氣機(jī)提供動力，另一部分通過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)入各個氣缸。整套系統(tǒng)采用一個渦輪機(jī)，同時對兩個壓氣機(jī)提供動力，兩個壓氣機(jī)分別對新鮮空氣和廢氣進(jìn)行增壓，是目前最新最先進(jìn)的EGR技術(shù)。但是因為有兩個壓氣機(jī)，增壓匹配上的難度增大，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜的多，同時也大大增加了成本，目前國內(nèi)還沒有能力生產(chǎn)。

2、進(jìn)氣節(jié)流式EGR系統(tǒng)

此項技術(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，需要說明的是這個節(jié)流閥和汽油機(jī)的節(jié)氣門是不同的，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)上時進(jìn)氣道上一共有兩個節(jié)流裝置。通常情況下發(fā)動機(jī)工作在大負(fù)荷時，節(jié)流閥開度較大，EGR率較小;當(dāng)發(fā)動機(jī)處在中小負(fù)荷工況時，節(jié)流閥開度也較小，保證所需的EGR率。該系統(tǒng)容易實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)也比較簡單，控制上也不復(fù)雜，但是因為節(jié)流閥的存在，增加了進(jìn)氣阻力，使發(fā)動機(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EGR閥和冷卻器后在壓氣機(jī)前端將廢氣導(dǎo)入，因為排氣壓力總是大于環(huán)境氣壓，所以這樣的連接方式可以順利的實現(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題，但也大大提高了成本。因為易于實現(xiàn)，此項方案在實驗研究中應(yīng)用廣泛，但是在工業(yè)產(chǎn)品中比較少見。

文丘里管式EGR系統(tǒng)

根據(jù)文丘里管的工作原理，亞音速的氣體通過文丘里管的時候會先產(chǎn)生一個膨脹過程，再產(chǎn)生一個壓縮過程，膨脹過程中氣體的溫度和壓力都會下降，所以在文丘里管的喉口處會產(chǎn)生負(fù)壓，利用這個負(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阻力，可以輕松的實現(xiàn)較高的EGR率，發(fā)動機(jī)的功率損失小，文丘里管技術(shù)成熟，使用簡單，成本較低，在產(chǎn)品中應(yīng)用比較廣泛。

EGR主要通過以下幾方面發(fā)揮作用:EGR中的CO2和水蒸氣大大增加了工質(zhì)的比熱容，同時廢氣的加入也稀釋了原來混合氣中的氧濃度，從而使燃燒速度變緩，使燃燒過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。因為汽油機(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。因為廢氣混入進(jìn)氣參與燃燒，會使發(fā)動機(jī)中的各個環(huán)節(jié)和參數(shù)發(fā)生變化，對發(fā)動機(jī)也會產(chǎn)生多方面的影響，而且影響是整體化的，必須總體考量。