氣體再循環(huán)尾氣再循環(huán)

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出并且在壓縮機之前導入)，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出并且在壓縮機之前導入的低壓循環(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。與濃混合氣的標準標定相比，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，這一試驗目前在商用車發(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。

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，作為流過發(fā)動機排氣管的一部分廢氣的廢氣再循環(huán)氣體(如EGR氣體〉被混合到流過進氣管的進氣中，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，當廢氣被再循環(huán)時，發(fā)動機功率被減小了，并且發(fā)動機的動力性能降低了。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)燃機的排氣側(cè)再循環(huán)到進氣側(cè)及控制閥，它控制通過該通道再循環(huán)到進氣側(cè)中的該部分廢氣的量?？刂崎y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行旋轉(zhuǎn):其中，第一方向被定義成蝶形閥從閥全開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/關(guān)閉操縱裝置，在閥打開/關(guān)閉操縱裝置把蝶形閥操縱成在發(fā)動機停止時或者在發(fā)動機停止之后至少一個循環(huán)地越過閥全閉位置以打開和關(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，當發(fā)動機停止時或者在發(fā)動機停止之后多個循環(huán)地越過閥全閉位置進行打開和關(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)動機運轉(zhuǎn)時可以被刮去。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)動機停止之后，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，當發(fā)動機起動時和在發(fā)動機起動之后，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)動機的驅(qū)動情況相一致。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。

為降低燃燒排氣中氮氧化物濃度而設(shè)計的一種燃燒器，其基本原理是通過改進燃燒器的結(jié)構(gòu)來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)的滯留時間，以達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，當氧濃度降低時使燃料蒸發(fā)以促進氣化，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)個噴霧，以形成數(shù)個小的火焰放熱，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)的滯留時間。