EGR对增压柴油机排放特性的影响_杨雪茹

第35 卷第 1 期20 08 年 2 月拖拉机与农用运输车

T ract o r& F ar m T ran s p o rter

V o.l 35 N o. 1

F eb. , 2 008

# 82#

U

E GR对增压柴油机排放特性的影响

杨雪茹, 梅德纯, 毕胜强

(江苏省交通技师学院, 江苏镇江212006 )

摘要: 对于轻型车用增压中冷柴油机, 应用真空驱动的弹簧膜片式E G R 阀, 真空度由控制器根据输入的电压信号量决定, 从而控

制E G R 阀的开度, 研究了在不同工况下EGR 阀的流通特性, 分析了柴油机的H C、CO、NO

x

排放, 烟度和比油耗随EGR 率的变化规

律。

关键词: 排放; 废气再循环; 增压柴油机

中图分类号: TK421. 5; U 464. 135+ . 2 文献标识码: B 文章编号: 1006- 0006( 2008 ) 01-0082- 03

E ffects o f EGR on T u r bocharged D i ese l Eng i ne Em issi o n s

YANG X u e-ru,M E I D e-c hun, B I S h e ng-q i a ng

( J i an g su C o m m u i cat i on T ech n i c i an C o lle g e,Z hen j i ang 2 120 06, Ch i n a)

A b s t r ac :t T o th e l i g h t h e avy v eh i cle, h i gh p r essu r e E GR is carr i ed o u t b y i ndu c i ng t h e e x hau s t be f o re th e t u r b o ch a r g er

i n t o the i n t ake a ir a f te r th e co m p r ess o r. A m e m b r an e E GR v a l ve, w h i ch is ba lan c ed b y th e sp r i n g an d t h e v acu u m, is app l i ed.

T h e v acuu m is d eter m i n ed b y t h e inpu t vo l tage s i g n al fro m the ECU, w h i c h t h e n c o n t r o ls the EGR v a l v e lift.T h e flow ch arac teris tics of E GR v a l ve are i n v est igated un der th e d i f f eren t o perat i n g c o n d it i o n s.A n d th e ch an g i n g regu lat i o n s o f H C, CO

and NO

x

e m i s s i on, s m oke, an d spec i

f i c f ue l c o n s u m p t i on w ith EGR rate are an a l yz e d.

Key wo r ds: Em iss i on; E x h a u s t gas rec ircu l at i on; T u r b o ch a rged d i ese l en g i n e

1 概述

近年来, 节能减排日益受到重视, 促使在轻型车和轿车上越来越

多地采用热效率更高的增压直喷式柴油机。与此同时, 为满足日趋

严格的废气排放法规, 对增压直喷柴油机的机内净化也进行了大量

的研究工作。NO

x

是柴油机尾气排放中一个重要的控制目标, 其成

因有高温、富氧和在高温下燃烧滞留时间三个主要因素。废气再循

环( E G R )技术是降低柴油机N O

x

排放的一种有效措施[1 ~2 ], 其作用

机理为: 将一部分废气导入燃烧室, 增加燃烧室内气体的热容量

( CO

2 为三原子分子), 降低燃烧气体的最高温度, 从而抑制NO

x

排

放。柴油机采用废气再循环可能对燃烧过程带来不利, 通过对E G R 量进行适时控制, 可以实现最佳的发动机排放及动力性能指标。

2 EGR 的结构及系统方案

2. 1 增压柴油机E GR系统方案

对于增压中冷柴油机, E G R 废气流动路线通常有以下两种方式:1从涡轮前取气回流到压气机后的E G R 系统, 如图 1 所示; o从涡轮后取气回流到压气机前的E G R 系统。压气机和冷却器不受排气中的微粒、碳氢化合物和硫的影响, 因而减少了可能出现的淤塞和腐蚀问题; 同时避免EGR 随工况变化响应滞后。若在压气机和冷却器的上游将EGR 气体引入发动机, 则会出现E G R 气体随发动机工况变化响应滞后的现象, 这对于按变工况循环考核排放并且经常在变工况下工作的车用增压直喷式柴油机来说, 对NO

x

排放控制效果是不利的。

2. 2 E GR阀的控制机理

本文采用真空负压控制的弹簧膜片式EGR 阀, 真空度作为阀开启动力, 其工作原理为: E G R 阀上部膜片室内的真空管与外界真空源相通, 膜片处于正常位置时EGR 阀是关闭的; 当真空源提供足够大的真空度时, 作用在膜片室内的真空度克服位于膜片与顶盖间的弹簧的作用力, 使膜片向上顶起, 从而带动阀杆上移将EGR 阀开启; 当真空源停止提供真空度时, 在弹簧回复力的作用下, 膜片复位带动阀杆下移将E G R 阀关闭。E G R 阀控制器根据输入的电压信号量, 输出与之对应的真空, 控制EGR 阀阀门的开度, 从而控制E G R 率。

2. 3 E GR阀的流通特性

以进排气中CO

2

的体积百分比来定义E G R 率

U

1

EGR 率=

2

@ 100%

图1 涡轮前取气回流到压气机后的EG R 系统

F i g. 1 Exhaust

G as Rec i r cu l a t i on Sy s t e m

涡轮增压柴油机的冷却再循环结构设计适宜采用前一种方式[ 3~ 4 ]。该方式可以避免出现再循环废气污染压气机和中冷器, 使式中, U

1

是经过再循环废气稀释后的进气中CO

2

的体积百分比; U

2

是排气中CO

2

的体积百分比。

当发动机的转速为 2 000 r/m i n 时, 在相同的EGR 阀针阀升程,随着负荷的降低, 废气回流的流量增加, 如图2所示。图例中124, 83, 41 和17 N# m 等表示在该转速下发动机发出的扭矩, 表征不同负荷的工况, 下同。在相同的针阀开度下, 废气回流通道的喉口截面面积一致, 废气回流量取决于EGR 阀进出口两端的压差。负荷大而废气回流量低, 这是由于大负荷时排气的高压段的能量利用率高, 轴

收稿日期: 2007-06- 21; 收修改稿日期: 2007-09- 17

杨雪茹等: E G R 对增压柴油机排放特性 的影响

x

功传递到压气机端, 相应地提高了进气压力。因此, 低转 速的全负荷 下, E G R 有时很难实现。由于低负荷的废气流量较低, 相应的以此为 基数的 E G R 率将有明显的提高。

图 2 EG R 阀的流通特性

F i g . 2 F l o w C h a r ac t e r i s t i c s o f E

G R Va l v e

3 柴油机采用 EGR 系统的排放特性

3. 1 NO x 排放特性

废气再循环降低了缸内燃 烧的峰值 温度, 同时使 进气中氧 的浓 度下降, 从而使 NO x 排放 减少, 试 验结 果如 图 3 所示, 发 动机 转速 2 000 r /m i n 各个负荷下的 NO x 比排放随废气再循环率 的变化特性。 图 3分别为 NO x 比排放数值、NO x 比排放 随废气再 循环率增 加而下 降的百分率趋势。图示中的比 排放已考 虑到试验 现场的温 度、湿度 等条件的影响, 要比用体积浓度排放作为比较对象显得更合理。 为

不使发动机性能恶化, 在中高负 荷时, EGR 阀开度相 对较小, E G R 率也相应较低, 在小负荷时, E G R 阀的开度可适度 加大, E G R 率 也相应较高。从图 3b 可以看出, 在不同负 荷下的所 有这些数 据点, NO x 比排放的下降率与 EGR 率呈现近 似的线性。 以上为适 度 E G R 的情况下, NO 排放与 E G R 率之间的关系。

图 3 EGR 率对 N O x 排放影响 ( n = 2 000 r /m i n )

F i g . 3 E ff e c t s o f EGR Ra t e on N O x Em i s s i o n s

3. 2 烟度排放特性

图 4为发动机转速 2 000 r/m i n 各个负荷下 的烟度随 EGR 率的 变化特性。一般说来, 废气的引入会造成进气氧含量的 降低, 从而引 起烟度的增加。随 着 EGR 率的 增加, 发动 机排 气的烟 度 也随 之增

加, 在中高负荷时, E G R 对过量空气的影 响较大, 因 此烟度增 加的幅 度较大。而在小负荷时, EGR 对过量空气系数的影响相对减弱, 烟度 恶化的趋势也相对较小。但总体而言, EGR 对烟度 的影响呈 现二阶 或多阶多项式的关系。而非前 者 NO x 比排 放与 EGR 率的近 似线性 关系。若比较的特征工况原始的过量空 气系数较小, 则随 EGR 率的 增加, 烟度的恶化趋势较快。反 之, 特征工 况的过量 空气系数 较大, 烟度的恶化趋势略缓。

图 4 EGR 率烟度特性的影响 ( n = 2 000 r /m i n )

F i g . 4 E ff e c t s of EGR Ra t e on Sm o k e Fea t u r e

随着废气的引入, N O x 排放会降 低, 但烟度 值会升 高, 负荷 较大 的工况烟度恶化将会很明显, 因此应限 制高负 荷工 况下的 EGR 率。 此外烟度和 E G R 率关系并不 能完全代 表颗粒 物的排 放特性。 烟度 毕竟只是反映一种光学 (视 觉 ) 效果, 颗粒物 P M 中 的组成成 分也将 对最终的排放结果产生重要的影响。一 般而言, 带有 EGR 系统的发 动机排气中 P M 的 H C 成分较少, 而收集到滤纸 上的颗粒物 P M 的外 观也更黑 ( 燃烧过程系统恶化的除外 ) 。 3. 3 CO 排放特性

随着 E G R 率的增加, 发动机排气中的 CO 浓度 排放总是 随之增 加。 CO 的生成是受化学反应动 力学控制 的, 其生成 时间较长, 缸内 温度对其形成起着关键性的 作用。随着废 气再循环 的增加, 缸 内燃 烧过程中的氧浓度有所 降低, 缸内 燃烧 温度也 有所 下降, 废气 中的 CO 浓度也随之增加。但废气再循环的采用, 使得排向大气 的总的排 气流量下降。 CO 比排放则是 CO 浓度排放 增加幅度 ( 与燃 烧过程相 关 ) 和排气流量下降幅度两者综合的反映。如图 5 所示, 在发动机转 速 2 000 r/m i n 的运转工况下, CO 比排放呈现下降趋势。

图 5 EG R 率对 CO 排放的影响 ( n = 2 000 r/m i n )

F i g . 5 E ff e c t s of EGR on C O Em i ss i o n

3. 4 HC 排放特性

随着 E G R 率的增加, 发动机排气中的 HC 浓度排放 与 CO 一致, 呈现上升趋势。在发动机转速 2 000 r /m i n 的运转工况下, 随着 E G R 率的增加, HC 比排放在中高负荷 时呈现增 加趋势, 在小负荷 时呈现 下降趋势, 如图 6 所示。图 6a 中有主、副两个纵坐标, 分别 对应于两

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拖拉机与农用运输车 第 1 期 20 08 年 2 月

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个较大、较小负荷工况。H C 排放主要来自于滞燃期内形成的极稀的 混合气, 因此 H C 排放 与滞燃 期时间 长短有 关。同样 地, 负荷 越低, 滞燃期内形成的极稀的混合 气也越 多, 发动 机排气 中的 HC 浓 度也 越高。在同样的低负荷时, 废气回流率越大, 加热进气的 作用就越明 显, 滞燃期将缩短 [ 5 ~ 6 ] , 对改善 HC 比排放有利。

图 6 EGR 率对 HC 排放的影响 ( n = 2 000 r/m i n )

F i g . 6 E ff e c t s of EGR Ra t e on HC Em i ss i on s

3. 5 EGR 率与过量空气系数及燃油消耗率之间的关系

由图 7可见, 随着 E G R 率的增加, 进入气缸的新鲜空 气减少, 过 量空气系数也几乎呈现线性下降, 但有效燃油消耗率则 保持不变, 或 有所波动, 而非潜意识中的一定会增加。

4 小结

1) 发动机转速恒定, 在相同 的 E G R 阀针 阀升程下, 随着负 荷降 低, 废气回流流量增加。由于低负荷的废气流量较低, 相 应的以此为 基数的 E G R 率将有明显的提高。

2) 在适度 E G R 的情况下, N O x 比排 放的下 降率随 E G R 率 增加 呈现近似的线性。随着 E G R 率的增加, 发动机排气的烟 度也随之增 加, 烟度随 E G R 率的劣化总体上呈现二阶或多阶多项 式的关系。在 小负荷时, E G R 对过量空气系数的影响相对减弱, 烟度恶化的趋势也 相对较小。随 E G R 率的增加, H C 和 CO 的体积浓 度排放增 加, 但比 排放总体上呈现下降的趋势, 也存在个别工况有所增加, 和燃烧过程

图 7 EG R 率对过量空气系数及燃油消耗率的影响

F i g . 7 E ff e c t s o f E

G R on E x c e s s A ir R a t i o and Sp ec i f i c F u e l Consu mp t i on

的组织有关。

3 ) 随着废气再循环率的增加, 进入气缸的新鲜空气减少, 过量空 气系数 也几 乎呈现 线性下 降, 但适 度的 EGR 未使 有效燃 油消 耗率

恶化。

参考文献:

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( 编辑 史洛晨 )

作者简介: 杨雪茹 ( 19 74 - ), 女, 讲师; 梅德纯 ( 1 976 - ) , 男, 硕士, 通讯作者。

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