浅谈柴油机废气再循环技术

【摘 要】详细介绍了废气再循环EGR工作的基本原理，EGR技术主要存在问题和设计控制原则，以及EGR在实际工作中的应用和其发展前景。

【关键词】柴油机；EGR；NOx

Discussion on the EGR technology of Diesel engine

SHI Kun-peng，LI Ling-min，DAI Zhan-chao，LI Jin-guang

（R & D Center of Yituo Group

Corporation，Luoyang 471039，China）

Abstract： Introduce in detail of the basic principles of EGR， the main problem of EGR Technology and the principle of design， as well as the practical application and its prospect of development.

Key words：Diesel engine；EGR；NOx

1、EGR概述

随着日趋严重的环境污染问题的加剧，世界各国对发动机排放的法规越来越严格，从而促进了对低排放发动机的研究。近年来，人们对发动机排放给予了高度重视，特别是废气再循环技术在柴油机中的应用[1-4]对于降低排放污染物、达到环保要求，起到了良好的效果。

EGR系统将柴油机产生的废气的一部分送回气缸，由于再循环废气具有惰性，不参加化学反应，进入缸内的混合气被稀释，氧气浓度降低，从而可燃混合气的发热量降低；另外由于废气中CO2及水蒸汽的热容量较大，降低了缸内的高峰温度，这两者都使柴油机燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢，缸内最高燃烧温度下降，从而破坏了NOx生成所需高温富氧的条件，使柴油机的NOx排放降低[5]。特别是在大负荷时，效果尤为显著。但采用EGR后，在不同的工况点，烟度和燃油消耗率有所增加，高负荷时增加更为明显。在大负荷下，为了保证微粒排放不致过大，取相对较小的EGR率，而在小负荷时，微粒排放小，可取大的EGR率。

2、EGR技术主要存在问题和设计控制原则

2.1目前EGR技术主要存在的问题

（1）采用EGR系统后，若EGR率[6]控制不当，极易造成柴油机经济性恶化，其它排放污染物和烟度的增加；（2）在低负荷时，EGR将影响柴油机的工作稳定性；（3）在高负荷时，EGR将影响柴油机的动力性；（4）EGR中颗粒可能造成柴油机活塞环、气缸套等零部件磨损加剧和对机油的污染，进而可能影响柴油机的可靠性和寿命；（5）EGR的废气温度过高，会影响柴油机的充气效率，并会有降低燃温度的效果；（6）各缸EGR分配均匀性和瞬态响应性不宜同时兼顾。

2.2设计控制原则

根据EGR技术主要存在的问题，一般设计控制原则为：（1）随着负荷的增加，使EGR率增加至允许限度；（2）在怠速及低负荷时，NOx排放浓度较低，为保证柴油机的正常燃烧，即工作稳定性，不进行EGR；（3）暖机过程中，柴油机温度低，NOx排放浓度也较低，为防止 EGR恶化燃烧稳定性，进行EGR；（4）在大负荷、高速或油门全开时，为保证柴油机的动力性，一般不进行EGR；（5）加速时，为保证汽车的加速性及必要的净化效果，EGR在过渡过程中起作用。

3、废气再循环EGR的应用

3.1车用EGR系统的作用

（1）车用EGR系统对于改善柴油机NOx的排放效果显著，图2中最大扭矩转速时大小EGR率在中低负荷均能有效改善NOx排放，最高降幅为55%。但是在高负荷工况，EGR对发动机其他性能的影响逐渐显现。

（2）车用EGR系统对于柴油机动力性和经济性影响较小。扭矩平均降低幅度小于10%，油耗增加最大幅度也只有4%左右。

（3）从试验结果得出的EGR率MAP图图3中表明：低负荷适当增大EGR率，中负荷选取适中EGR率，高负荷阶段，适当减少EGR率或者停止EGR。图中数据显示，其最大EGR率约为20%，出现在3200r/min左右，负荷小于25%，而当发动机负荷在75%以上时不宜采用 EGR。

3.2EGR对运行在不同海拔地区增压柴油机的经济性和烟度的影响

随着海拔的升高，空气密度的减少，导致吸入柴油机气缸内的空气量减少。一般来讲，在任何海拔下柴油机的燃烧过程均取决于合适的过量空气系数。增压柴油机采用EGR之后，将大大影响过量空气系数，必然带来其经济性和烟度排放性的变化。图4和图5表示的是不同大气压下，增压柴油机进行EGR之后，其比油耗和烟度的变化规律。总体上来说，增压柴油机的烟度和有效燃油消耗率在例如80kPa下，10%EGR率的比油耗比2%EGR率下的比油耗减少了1.5%，在100kPa则减少了2.2%。随着负荷的加大，这种规律开始慢慢减弱，尤其是在模拟大气压为80kPa下，变化的比较快，在120N·m时，三种EGR率下的比油耗几乎没有区别；在100kPa下，则要延迟到150N·m才出现这种情况。这是因为在高的大气压下，柴油机的过量空气系数要大一些，而引入的废气量是相同的，所以产生上述变化的工况会有所延迟。当负荷进一步的加大，EGR率的增加会使比油耗开始增大，尤其是在全负荷工况，模拟大气压为80kPa下，大EGR率的比油耗会比小EGR率的比油耗上升6.5%，在模拟大气压为100kPa下，比油耗也会上升5.5%。负荷的增加会使发动机的过量空气系数减少，进行EGR后，过量空气系数进一步减少，尤其是当EGR率过高时，再循环废气的燃烧惰性、高温以及缸内氧浓度的下降，都会使燃烧恶化。

烟度问题是应用EGR系统的一个主要的难点。随着负荷的增加，烟度的大小都随EGR率的增大而增大。这种增大的幅度在不同大气压下不一样。在负荷最低的工况下（例如工况点为2200r/min、85N·m时），模拟大气压为100kPa下的过量空气系数比80kPa大气压时增大了近一半，所以在引入相同废气量的同时，缸内氧浓度的减少量要小，所以烟度的变化不明显。但在模拟大气压为80kPa下，10%EGR率下的烟度要比2%EGR率下的烟度增加了22%，这说明了柴油机的微粒排放增加。高原地区由于大气压的降低，进气密度的减少，即便是小负荷区域，过量空气系数也会有较大的减少，因此在这种工况下为防止出现微粒排放过大增加，加入再循环气体量要相应的比平原地区运行的柴油机要小一些。

表1 试验数据 Tab.1 Test Date

转速 r·min-1 扭矩 N·m 大气压力 kPa EGR率 % 烟度 Rb

3200 60 80 10 2.4

3200 60 100 10 2.1

2200 60 80 10 1.1

2200 60 100 10 1.0

为了更加深入地说明此问题，表1列举了不同大气压下柴油机在标定转速以及输出最大转矩转速的低负荷工况的烟度排放对比。从表中可以看出，增压柴油机转速2200r/min时，随着大气压的减少，烟度值上升了10%，当转速上升到3200r/min时，烟度值上升了14%。负荷增加，过量空气系数随之减少，当引入废气后，促使了缸内温度增加的趋势和氧浓度减少的趋势的增加，因此加大了烟度排放。这种趋势在80kPa下较明显，例如在2200r/min的全负荷点下，10%EGR率下的烟度比2%EGR率的烟度增加18%，这比100kPa下的15%增加了3%。图5、图6表示的是不同大气压下，增压柴油机外特性处不同EGR率与原机烟度排放的比较。从图中可以明显地观测到，烟度随EGR率的升高而增大，并且这种趋势随转速的升高而加剧。在2800r/min以后，加入废气再循环后，会对烟度有十分明显的增加作用，到2800r/min处最明显。这是由于EGR的作用使缸内扩散燃烧持续期变长，同时也减少了进气中的氧浓度，从而促使微粒排放加重，反映到烟度上则是使烟度排放值升高。

4、对EGR技术的展望

（1）对 EGR的作用机理的深入研究是必要的，其中包括EGR中各种化学成分以及各种物性参数对工作的影响。在试验室模拟 EGR的作用机理是不失为一种较好的研究手段。

（2）由于大量使用EGR可能引起内燃机性能的不稳定，这样处于最优控制状态下实际使用的最大EGR率就要小，EGR的作用得不到最充分的发挥。充分的EGR控制需要实际的EGR率和燃烧质量监测，要建立足够的反馈控制机制，这方面还需要进一步的研究。