排氣再循環(huán)

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。 但是在返流量與燃料噴射量無法精密控制的的情況下，為了使燃料能夠安定因此吸氣混合比必須設(shè)的很高(燃油會過剰)、這反而使燃料消費率惡化。 之后、控制技術(shù)提高且觸媒轉(zhuǎn)化器的實用化后，現(xiàn)在已經(jīng)可以用來解決NO x 的排出與燃料消費率提高向的問題。

原理上EGR在沒有節(jié)流閥的柴油機在減低油門損失上是沒有效果的，但在1990年代前期開始進行以減低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気和大氣來比有較高的熱容量，因此對于提升燃料消費率也有一些效果。

實際上排出氣體的返流是在吸氣與排氣的兩種流型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。

由于有高溫排氣返流所以可以忽略吸氣充填效率的低下，因此大型柴油機幾乎都裝有利用熱交換器制成的冷卻機構(gòu)(COOL EGR)。 多數(shù)會將一部份引擎的冷卻水分流，用冷卻機構(gòu)來將吸收的熱量進行散熱，但會使散熱器增加額外的30%負載，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等過給器的大型燃油機在高負載時若進行EGR，吸氣壓力會大于排氣、會使單純的閥門開關(guān)無法進行返流。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的節(jié)流閥、但大量的EGR 在點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成穩(wěn)定狀態(tài)等理由使其難以實用化。

EGR 與希薄燃燒技術(shù)很大的關(guān)連性，并且還有汽缸內(nèi)直接噴射技術(shù)中希薄混合氣下如何能穩(wěn)定的燃燒的課題。

內(nèi)燃機在燃燒后排出的氣體中含氧量極低甚至是沒有，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，汽缸與燃燒室壁面、活塞表面的熱能發(fā)散會降低，另外因熱解離造成的損失也會有些微降低。燃油引擎其部分負荷為汽缸內(nèi)在非EGR時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，燃料消費率會提高。 此即為活塞在一次行程下吸入的氧氣降低時，會如同使用小排氣量引擎采下加速前進時一樣的效果。EGR 的返流量依燃油引擎的情形(在吸氣量中)下最大為15%，而怠速時與高負載時則會停止。 以車輛重量來看引擎出力較小的大型柴油車，其引擎負載較高，為了能夠達到排氣量標(biāo)準也常會使用到EGR技術(shù)。

尾氣再循環(huán)--ExhaustGasRecirculation

?汽油機中節(jié)氣門全開時更低的燃油消耗

通過與濃混合氣和稀燃相比較，圖1詳細描述了高負荷工況尾氣冷卻再循環(huán)的潛力。試驗結(jié)果是在轉(zhuǎn)速為4000r/min和節(jié)氣門全開(扭矩為260Nm，平均有效壓力=1.9MPa)，沒有發(fā)動機掃氣壓力梯度即p2(中冷器之后氣體壓力)=p3(進入渦輪之前的尾氣壓力)的工況點下測得的。該圖說明混合氣體被冷卻后的尾氣中和，減少了爆震傾向，允許更早的燃燒相位，比稀混合氣燃燒更穩(wěn)定。效率的提高使得燃油消耗達到了稀燃水平，并且排氣溫度較低。

圖1 高負荷工況尾氣冷卻再循環(huán)的潛力

3種EGR實現(xiàn)路徑的分析

圖2展示了3種不同的EGR實現(xiàn)路徑。方案A為最大壓力梯度的EGR路徑(從尾氣進入渦輪之前導(dǎo)出并且在壓縮機之前導(dǎo)入)，方案B為一個高壓循環(huán)路徑，方案C為尾氣從渦輪之后導(dǎo)出并且在壓縮機之前導(dǎo)入的低壓循環(huán)。一般來說，在方案A和方案C中EGR冷卻是非常重要的，因為壓縮效率不僅受到增加的氣體流量影響，同時受到壓縮機進氣溫度影響。方案A對于渦輪增壓器的工作性能總體來說影響較小，但是，與方案B相似，這種布置會影響發(fā)動機瞬態(tài)響應(yīng)速度，因為從空氣動力學(xué)觀點來說，增大了的渦輪前端緩沖體積降低了渦輪增壓器動態(tài)"剛性"。因此方案A和方案B在尾氣冷卻的高溫側(cè)靠近渦輪處需要一個尾氣控制閥。在方案B中，雖然渦輪前端與壓縮機和中冷器后端之間的驅(qū)動壓力梯度較低，但是壓縮機因此完全不受EGR的影響:不管燃燒殘余中的污染物還是冷凝水都不會對壓縮機造成危害。而且，這一方案不需要設(shè)計更大的壓縮機來滿足附加的尾氣流量的壓縮需求，從而不需要對排氣渦輪增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)做出折衷處理。

圖2 3種不同的EGR實現(xiàn)路徑

最初的研究是在方案A上進行的。與濃混合氣的標(biāo)準標(biāo)定相比，在轉(zhuǎn)速5000r/min時，外部尾氣冷卻循環(huán)能降低燃油消耗達17%。除了燃油消耗顯著降低外，帶有尾氣冷卻循環(huán)的燃燒過程中還有更重要的優(yōu)點:發(fā)動機排放物顯著降低，包括NOX(降低達30%)和HC及CO(均可降低達80%)。在批量產(chǎn)品的應(yīng)用中，方案B的高負荷工況尾氣冷卻循環(huán)的潛能已在一定的發(fā)動機工作范圍內(nèi)得到證實。不過正如人們所預(yù)料的，掃氣壓力梯度隨著EGR比率提高而降低，使得在掃氣壓力梯度尚未完全形成之前，方案B中可能達到的最大EGR導(dǎo)入率就實現(xiàn)了。在進氣被EGR稀釋的情況下，進氣壓力提升的必要性也被證實(見圖2方案A)，因為發(fā)動機實行尾氣再循環(huán)時需要增加掃氣氣流量。

通過馬勒快速啟閉空氣脈動閥提高壓力梯度

上述現(xiàn)象說明尾氣再循環(huán)在簡單的機械增壓發(fā)動機上應(yīng)用的局限性，因此需要視應(yīng)用情況進行詳細的開發(fā)工作。在高負荷工況EGR系統(tǒng)中對于提高驅(qū)動壓力梯度的一般途徑有兩個:

1.帶有相對較大尺寸低壓渦輪增壓器的"兩級"增壓:這類人們較熟悉的發(fā)動機增壓配置在較寬的可能發(fā)生爆震的高負荷運行區(qū)域中不需額外的改進就能獲得期望的逆向掃氣梯度;

2.利用進氣系統(tǒng)壓力波動間歇降低EGR入口處的局部壓力:在這方面，馬勒正在成功地進行快速啟閉空氣脈動閥(SLV)的試驗，這一試驗?zāi)壳霸谏逃密嚢l(fā)動機中進行，以期在靠近節(jié)氣門全開的工況點上實現(xiàn)EGR。

對于發(fā)動機的熱管理來說，所需要EGR冷卻能力的估計基于1臺兩片式EGR冷卻器。在發(fā)動機額定功率140kW及尾氣循環(huán)率15%等邊界條件下，尾氣再循環(huán)導(dǎo)管所需的散熱功率大約為24kW。分析中設(shè)定排氣溫度為980℃。

通過快速啟閉閥和尾氣再循環(huán)冷卻器方面的專業(yè)技術(shù)，馬勒集團為完善尾氣再循環(huán)系統(tǒng)做出了有實際意義的貢獻。

在改善抗爆性能或降低排氣溫度的眾多實現(xiàn)方法中，高負荷工況下尾氣冷卻再循環(huán)(EGR)逐漸成為關(guān)注的焦點。它不需要對渦輪增壓系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)或尾氣后處理系統(tǒng)進行重大變動。這種技術(shù)，使得在節(jié)氣門全開時燃油消耗降低大約15%。此外，由于它和傳統(tǒng)三元催化劑(λ=1)排氣后處理技術(shù)的兼容性而更具吸引力。

自動再循環(huán)閥系統(tǒng)中自動再循環(huán)閥集止回閥、流量感知、旁路控制閥、多級降壓功能于一體，不需要動力源和控制系統(tǒng)。