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助力節(jié)能減排，汽油機EGR技術解析

2019-08-30 21:45:59·  來源：汽車動力總成  
　
柴油發(fā)動機應用EGR（廢氣再循環(huán)）技術主要目的為降低NOx排放，在適應國Ⅲ以上排放標準的發(fā)動機減排技術路線中應用非常廣泛。汽油發(fā)動機應用EGR技術能夠降低油耗
 柴油發(fā)動機應用EGR（廢氣再循環(huán)）技術主要目的為降低NOx排放，在適應國Ⅲ以上排放標準的發(fā)動機減排技術路線中應用非常廣泛。汽油發(fā)動機應用EGR技術能夠降低油耗，根據發(fā)動機和EGR控制策略不同有效燃油消耗率能夠降低3%-8%。汽油發(fā)動機增加EGR系統(tǒng)，隨著EGR率的增加，HC增加，但NOx排放顯著降低，高達約80%，因此將三元催化器和EGR技術相結合，可以在滿足歐六排放法規(guī)的同時，大幅提高汽油機部分工況下的燃油經濟性?；贓GR技術在節(jié)能減排方面的顯著作用，國內多數汽油發(fā)動機廠已開始EGR項目的開發(fā)。


1、EGR分類：高壓EGR與低壓EGR
應用于帶渦輪增壓器的發(fā)動機的EGR系統(tǒng)按照布置位置可分為高壓EGR系統(tǒng)、低壓EGR系統(tǒng)和高低壓雙回路系統(tǒng)。在渦輪之前取氣，氣體壓力較高，稱為高壓 EGR。經過渦輪做功后氣體壓力較小，稱為低壓EGR。


高壓 EGR 優(yōu)點在于對壓輪和中冷器沒有損害；另外由于管路相對較短，壓力較高，空氣流速較高，使 EGR 反應速率較高。壓差大，小口徑的閥即可滿足流量要求。應用時間較長，標定技術成熟。
 
缺點在于僅在一定范圍的rpm和負荷下使用EGR，覆蓋不到抗爆震區(qū)域，其成本也高于低壓 EGR。由于在渦輪前端取氣，一定程度上降低渦輪效率。另外還需要考慮EGR閥和冷卻器被廢氣污染，總體節(jié)油效果相對低壓回路EGR較低。


低壓 EGR 的優(yōu)點是排氣經過壓輪、中冷器，然后被平均分配到四個氣缸中，因此四個缸的燃燒比較均勻，各缸的燃燒一致性比較好。另外，在渦輪后端取氣，渦輪效率無損失。而且廢氣百分百都經過壓輪，使其響應速率提高，減少渦輪遲滯現象。更為重要的是，低壓EGR可在全工況范圍內使用，相比高壓EGR能夠達到更好的節(jié)油效果。一般建議在三元催化器后端取氣，這樣對冷卻器和閥的污染較小。
 
低壓EGR的缺點是壓差低，因此需配合使用混合閥才能在全部工況內滿足流量要求。廢氣引入壓氣機之前，需考慮壓氣機和中冷器的污染問題，冷卻器進氣口法蘭需安裝濾網。相比高壓EGR管路要長，因此響應速度要慢。同時低壓EGR還需要考慮可靠耐久問題（管路布置、吸振設計）以及冷凝水問題，建議壓氣機和中冷器增加防腐蝕涂層，如此，相對高壓EGR，低壓EGR的系統(tǒng)更加復雜，成本更高，并且在標定技術上不如高壓EGR成熟。
 
低壓回路結構特點


低壓回路系統(tǒng)兩端壓差較低，為滿足流量要求，與高壓回路選用提升式EGR閥不同，其一般選用通流能力更強的蝶閥EGR閥；由于部分工況下系統(tǒng)兩端壓差過低，一般需在空濾器后增加混合蝶閥，通過調節(jié)混合閥的開度制造負壓，保證EGR流量滿足需求；為精準控制EGR流量，ECU需通過壓差、溫度及閥口開度計算廢氣流量，一般需在EGR閥進出口間安裝壓差傳感器，并增加EGR閥上游溫度傳感器。
 
2、EGR主要作用及原理


1）增加混合氣比熱容，優(yōu)化燃燒
 
一部分廢氣通過EGR系統(tǒng)回到燃燒室，混合氣比熱容增大。引入冷卻EGR廢氣不僅能夠增加混合氣的平均比熱容，而且能夠增加混合氣的總質量，從而使總熱容增加。廢氣的稀釋作用和熱容效應對燃燒的抑制導致燃燒溫度下降，燃燒持續(xù)期（累計放熱效率為10%和90%對應的曲軸轉角的差值）延長，減少燃燒過程中的傳熱損失。


2）抑制爆震的發(fā)生
伴隨汽油發(fā)動機小型化，其爆震的傾向性加強。傳統(tǒng)的抑制爆震的方式為推遲點火提前角，降低壓縮比，不利于降低油耗。引入EGR廢氣可以降低燃燒溫度（比熱容增加），減緩燃燒速度，延長燃燒持續(xù)期，抑制爆震，保持燃燒環(huán)境穩(wěn)定。增加EGR系統(tǒng)，抑制爆震傾向，可以增大點火提前角，同時增大壓縮比，有利于熱效率的提升。抑制爆震主要基于經冷卻的惰性EGR廢氣的引入，EGR冷卻器下游溫度越低，效果越明顯，因此，EGR冷卻器的換熱能力對抑制爆震具有重要意義。
3）減少混合氣加濃
為保護發(fā)動機排氣端零部件，汽油機的排氣溫度有一定限制，伴隨轉速及負載的增加，廢氣排溫升高，高負荷工況時，一般會采用過噴油策略，降低空燃比，把排氣溫度降低。引入EGR后，混合氣的熱容增加，燃燒速度減緩，優(yōu)化燃燒，降低燃燒溫度，從而降低排氣溫度。壓縮比提升后，在發(fā)動機的低速高負荷區(qū)域，為抑制爆震，需延遲點火，而延遲燃燒又導致廢氣排溫的上升，從而不得不采用過噴油策略，引入EGR系統(tǒng)，能有效解決此問題。同時，過噴油導致PM排放增加，在發(fā)動機的高負荷區(qū)域，引入EGR后，降低過噴油使PM排放減少，在直噴汽油機中，這一作用尤其明顯。應用EGR技術，減少混合氣加濃，對于汽油發(fā)動機降油耗作用明顯。


4）降低泵氣損失
發(fā)動機在低負荷區(qū)域工作時，節(jié)氣門開度較小，產生更大的節(jié)流作用，導致泵氣損失比較大，隨著負載的增加，泵氣損失會逐漸減小。引入EGR廢氣后，為保持足夠的新鮮充量，必須增大節(jié)氣門開度，泵氣損失也會隨之減小。引入EGR系統(tǒng)，能夠在中低負荷區(qū)域有效降低泵氣損失，對于高壓系統(tǒng)，在高負荷區(qū)域，為減少渦輪增壓器的效率損失，EGR率降低，EGR系統(tǒng)在降低泵氣損失方面的作用也會降低。


5）各工況點的EGR率
汽油發(fā)動機最大EGR率一般在20%左右。標定EGR率是一個復雜的過程，需要在不同工況點下節(jié)氣門開度、VVT、增壓器、點火提前角等參數的完美匹配，標定過程對降油耗效果至關重要。EGR率的增加導致燃燒穩(wěn)定性（COV of IMEP）的下降，發(fā)動機負荷較低時，為保證一定的燃燒穩(wěn)定性，不宜采用過大的EGR率。對于高壓EGR系統(tǒng)，發(fā)動機高負荷運行時，必須保證足夠流量的廢氣驅動渦輪增壓器，EGR率不宜能過高。中等負荷時，可以引入較高的EGR率，從而抑制爆震，提高發(fā)動機的熱效率。


6）提高燃油經濟性
通過引進EGR使得發(fā)動機燃燒效率提高、泵氣損失減小、傳熱損失減小及燃燒相位的改善綜合作用的結果下，發(fā)動機的燃油消耗率得到較好的改善。如下圖所示，在發(fā)動機的抗爆震區(qū)域內可實現節(jié)油 4-6%，在優(yōu)化燃燒的區(qū)域內可實現節(jié)油 5-15%，內部 EGR 區(qū)域可實現節(jié)油1-2%，減少泵氣損失區(qū)域內可實現節(jié)油 2-4%。研究表明，同時采用高壓和低壓兩種 EGR 是最理想的，但是綜合考慮技術和成本問題，在清潔端取氣的低壓EGR 方案是應用的主要趨勢。



 
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