氣體再循環(huán)

現(xiàn)有技術(shù)的廢氣再循環(huán)設(shè)備是公知的。在該設(shè)備中，作為流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的一部分廢氣的廢氣再循環(huán)氣體(如EGR氣體〉被混合到流過(guò)進(jìn)氣管的進(jìn)氣中，從而最高燃燒溫度減少了。因此，含在廢氣中的有毒物質(zhì)(如氧化氮)減少了。但是，當(dāng)廢氣被再循環(huán)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率被減小了，并且發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能降低了。因此，需要控制再循環(huán)廢氣量〈即EGR量)，該廢氣囊被再循環(huán)到進(jìn)氣管中。

廢氣再循環(huán)設(shè)備包括:通道，它使一部分廢氣從內(nèi)燃機(jī)的排氣側(cè)再循環(huán)到進(jìn)氣側(cè)及控制閥，它控制通過(guò)該通道再循環(huán)到進(jìn)氣側(cè)中的該部分廢氣的量。控制閥包括:殼體，它具有管部分以提供一部分通道:蝶形閥，它安裝在管部分中并且可以沿著第一方向和第二方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn):其中，第一方向被定義成蝶形閥從閥全開(kāi)位置到閥全閉位置的旋轉(zhuǎn)方向，及第二方向與第一方向相反;密封環(huán)，在蝶形閥定位在閥全閉位置上的情況下，它密封位于管部分的內(nèi)壁和蝶形閥的外壁之間的間隙，其中密封環(huán)安裝在蝶形閥的外徑部分中:及閥打開(kāi)/關(guān)閉操縱裝置，在閥打開(kāi)/關(guān)閉操縱裝置把蝶形閥操縱成在發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)或者在發(fā)動(dòng)機(jī)停止之后至少一個(gè)循環(huán)地越過(guò)閥全閉位置以打開(kāi)和關(guān)閉之后，它使蝶形閥停止在閥全閉位置上。

在上面設(shè)備中，密封環(huán)安裝在外徑中的蝶形閥被操縱成，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)或者在發(fā)動(dòng)機(jī)停止之后多個(gè)循環(huán)地越過(guò)閥全閉位置進(jìn)行打開(kāi)和關(guān)閉。因此，粘附在靠近閥全閉位置的管部分的內(nèi)徑表面上的微粒的沉積物在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可以被刮去。之后，密封環(huán)安裝在外徑中的蝶形閥停止在閥全閉位置(即閥停止位置)上。因此，密封環(huán)向著徑向的內(nèi)徑側(cè)進(jìn)行彈性變形，因此可以防止密封環(huán)的外徑膨脹成大于管部分的內(nèi)徑。此外，由于在除去微粒沉積物之后，密封環(huán)安裝在外徑中的蝶形閥停止在閥全閉位置上，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)停止之后，可以防止密封環(huán)由于微粒的粘附和沉積而被粘附和發(fā)生操縱失敗。因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)和在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)之后，作為再循環(huán)廢氣量控制閥的蝶形閥可以被平穩(wěn)地操縱以打開(kāi)和關(guān)閉。相應(yīng)地，使再循環(huán)廢氣量(即EGR量〉最佳化從而與發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)情況相一致。因此，廢氣再循環(huán)設(shè)備可以精確地控制再循環(huán)廢氣量。

尾氣再循環(huán)--ExhaustGasRecirculation

?汽油機(jī)中節(jié)氣門全開(kāi)時(shí)更低的燃油消耗

通過(guò)與濃混合氣和稀燃相比較，圖1詳細(xì)描述了高負(fù)荷工況尾氣冷卻再循環(huán)的潛力。試驗(yàn)結(jié)果是在轉(zhuǎn)速為4000r/min和節(jié)氣門全開(kāi)(扭矩為260Nm，平均有效壓力=1.9MPa)，沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣壓力梯度即p2(中冷器之后氣體壓力)=p3(進(jìn)入渦輪之前的尾氣壓力)的工況點(diǎn)下測(cè)得的。該圖說(shuō)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(dá)到了稀燃水平，并且排氣溫度較低。

圖1 高負(fù)荷工況尾氣冷卻再循環(huán)的潛力

3種EGR實(shí)現(xiàn)路徑的分析

圖2展示了3種不同的EGR實(shí)現(xiàn)路徑。方案A為最大壓力梯度的EGR路徑(從尾氣進(jìn)入渦輪之前導(dǎo)出并且在壓縮機(jī)之前導(dǎo)入)，方案B為一個(gè)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(jī)之前導(dǎo)入的低壓循環(huán)。一般來(lái)說(shuō)，在方案A和方案C中EGR冷卻是非常重要的，因?yàn)閴嚎s效率不僅受到增加的氣體流量影響，同時(shí)受到壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度影響。方案A對(duì)于渦輪增壓器的工作性能總體來(lái)說(shuō)影響較小，但是，與方案B相似，這種布置會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)速度，因?yàn)閺目諝鈩?dòng)力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，增大了的渦輪前端緩沖體積降低了渦輪增壓器動(dòng)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(gè)尾氣控制閥。在方案B中，雖然渦輪前端與壓縮機(jī)和中冷器后端之間的驅(qū)動(dòng)壓力梯度較低，但是壓縮機(jī)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(huì)對(duì)壓縮機(jī)造成危害。而且，這一方案不需要設(shè)計(jì)更大的壓縮機(jī)來(lái)滿足附加的尾氣流量的壓縮需求，從而不需要對(duì)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(shí)現(xiàn)路徑

最初的研究是在方案A上進(jìn)行的。與濃混合氣的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定相比，在轉(zhuǎn)速5000r/min時(shí)，外部尾氣冷卻循環(huán)能降低燃油消耗達(dá)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(guò)程中還有更重要的優(yōu)點(diǎn):發(fā)動(dòng)機(jī)排放物顯著降低，包括NOX(降低達(dá)30%)和HC及CO(均可降低達(dá)80%)。在批量產(chǎn)品的應(yīng)用中，方案B的高負(fù)荷工況尾氣冷卻循環(huán)的潛能已在一定的發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍內(nèi)得到證實(shí)。不過(guò)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(dá)到的最大EGR導(dǎo)入率就實(shí)現(xiàn)了。在進(jìn)氣被EGR稀釋的情況下，進(jìn)氣壓力提升的必要性也被證實(shí)(見(jiàn)圖2方案A)，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)行尾氣再循環(huán)時(shí)需要增加掃氣氣流量。

通過(guò)馬勒快速啟閉空氣脈動(dòng)閥提高壓力梯度

上述現(xiàn)象說(shuō)明尾氣再循環(huán)在簡(jiǎn)單的機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的局限性，因此需要視應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)的開(kāi)發(fā)工作。在高負(fù)荷工況EGR系統(tǒng)中對(duì)于提高驅(qū)動(dòng)壓力梯度的一般途徑有兩個(gè):

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

2.利用進(jìn)氣系統(tǒng)壓力波動(dòng)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(jìn)行快速啟閉空氣脈動(dòng)閥(SLV)的試驗(yàn)，這一試驗(yàn)?zāi)壳霸谏逃密嚢l(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行，以期在靠近節(jié)氣門全開(kāi)的工況點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)EGR。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理來(lái)說(shuō)，所需要EGR冷卻能力的估計(jì)基于1臺(tái)兩片式EGR冷卻器。在發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)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(tuán)為完善尾氣再循環(huán)系統(tǒng)做出了有實(shí)際意義的貢獻(xiàn)。

在改善抗爆性能或降低排氣溫度的眾多實(shí)現(xiàn)方法中，高負(fù)荷工況下尾氣冷卻再循環(huán)(EGR)逐漸成為關(guān)注的焦點(diǎn)。它不需要對(duì)渦輪增壓系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)或尾氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行重大變動(dòng)。這種技術(shù)，使得在節(jié)氣門全開(kāi)時(shí)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。

為降低燃燒排氣中氮氧化物濃度而設(shè)計(jì)的一種燃燒器，其基本原理是通過(guò)改進(jìn)燃燒器的結(jié)構(gòu)來(lái)降低煙氣中氧氣濃度、降低火焰最高溫度、縮短氣體在高溫區(qū)的滯留時(shí)間，以達(dá)到降低排氣中氮氧化物濃度的目的。目前低氮氧化物燃燒器燃燒型式主要有三種:①混合促進(jìn)型，燃料與空氣迅速混合后形成圓錐狀的薄火焰，縮短了氣體的滯留時(shí)間;②自循環(huán)型，在燃燒器內(nèi)部使燃燒氣體再循環(huán)，在循環(huán)區(qū)域，當(dāng)氧濃度降低時(shí)使燃料蒸發(fā)以促進(jìn)氣化，隨著后部燃燒溫度的下降而降低氮氧化物濃度;③分割火焰型，把從燃燒嘴噴出的燃料油分割成數(shù)個(gè)噴霧，以形成數(shù)個(gè)小的火焰放熱，因放熱性能提高而使火焰溫度下降，并縮短氣體在高溫區(qū)的滯留時(shí)間。