EGR系统

EGR系统（精选8篇）

EGR系统 篇1

0概述

随着内燃机对高平均有效压力的追求及严格的排放法规实施,单级涡轮增压已经不能满足柴油机大范围流量使用需求[1,2]。特别是低温燃烧模式,燃烧方案多采用大废气再循环(EGR)率(>50%),要使柴油机在降低NOx排放维持输出功率的同时不产生更多的碳烟排放物,需保证缸内平均当量比在一定限值之内。提高柴油机进气压力来保持燃烧过程所需的空气量,是解决问题的关键[3,4,5]。而进一步增加EGR率,必然伴随着柴油机对更多的新鲜充量的需求,高增压技术就成为了必然[6]。

EGR在“高密度-低温燃烧”策略中得到大量应用,由于废气本身含CO2等比热容较大的物质,冷却后的废气通入进气管能增加滞燃期,为油气混合赢得时间;另外废气导入气缸必然降低缸内氧浓度,抑制化学反应速度,降低缸内平均燃烧温度,有利于降低NOx 排放[7,8];另外,从单位容积的组分来看,废气组分的加入对进气组分有稀释作用,能降低燃油分子与氧分子的接触几率,抑制燃烧反应速率。当然,加入过量的废气会使缸内局部缺氧,碳烟生成加剧。合理利用高增压技术,增加新鲜充量,在降低碳烟排放的同时适当加入EGR来降低NOx排放[9,10],是增压系统与EGR系统匹配的关键问题。本文在各转速中等负荷工况,通过对比低压EGR(LP-EGR)系统和高压EGR(HP-EGR)系统对增压系统运行规律的影响,进而分析其对燃烧过程的影响。

1试验设备和测控系统

为了研究燃烧方案对柴油机性能的影响,搭建了六缸重型柴油机台架,其气路系统采用两级涡轮增压和双EGR(HP-EGR和LP-EGR)系统,并在高压级涡轮端和压气机端均设计一条旁通道,以便对增压器运行状态进行调整,从而实现对进气状态参数的控制。HP-EGR系统和LP-EGR系统单独 或联合运用,既可以满足试验方案中大范围EGR率的变动需求,也能实现柴油机在瞬态工况中的快速响应[11]。由于燃烧方案需要,匹配的两级增压系统需在低速满负荷工况实现接近4.0的增压比,本试验系统配置了进气门晚关装置(IVCA),可避免气缸上止点最高压力超过极限值(16.5MPa),且这种装置本身能实现“拟米勒”循环,减小了压缩冲程而保持膨胀冲程不变,是一种有效提高柴油机热效率的方法。台架示意图和测试设备安装图如图1所示。柴油机参数和测试设备如表1和表2所示。

2试验结果及分析

2.1两种EGR系统对两级增压系统运行区域的影响

图2和图3为柴油机在1300r/min、50%负荷工况下,在相同喷油定时和进气门关闭时刻(IVCT)的条件下,采用两种EGR系统的两级增压器运行规律变化。由图2可知:采用LP-EGR系统时,随着EGR率增加 (图2中箭头所 指方向,第一个点 为EGR率为0时的情况),各级压气机增压比均略上升,进气流量略上升,但不太明显;而采用HP-EGR系统时,各级压气机增压比均快速下降,进气流量下降明显。这是因为采用LP-EGR系统时,由于循环油量不变,喷油定时在上止点后,随着EGR率增加,着火相位和燃烧中心逐渐远离上止点,柴油机输出功减小,且缸内平均温度下降,柴油机传热减少,故排气能量增加,此时涡前温度下降,故涡前压力增加。由图2和图3可知,两级压气机定熵效率变化不大,根据增压器自平衡方程可知,进气压力会增加。而采用HP-EGR系统时,随着EGR率增加,废气分流给EGR回路的能量不断增加,进入涡轮增压器的废气能量不断减少,各级增压器转速逐渐下降,则各级增压比逐渐减小。

2.2低速中等负荷工况下两种 EGR 系统对排放和热效率的影响

图4为1300r/min、50%负荷工况,两种喷油定时下单独使用LP-EGR系统或HP-EGR系统的情况(方框内数字代表EGR率)。由图4可知,在相同喷油定时的情况下,采用LP-EGR系统可得到更好的NOx和碳烟折中排放。这是因为在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,NOx排放几乎相等。如图5和图6所示,随着EGR率增加,采用LP-EGR系统时进气压力逐渐增加,而采用HP-EGR系统时进气压力逐渐减小,即在相同喷油定时和EGR率情况下,采用LP-EGR系统能得到更多的新鲜充量,故缸内平均温度相对采用HP-EGR系统时低。也就是说,采用LP-EGR系统时,相对“低温富氧”,而采用HP-EGR系统时,相对“高温贫氧”。最终在相同喷油定时和EGR率的条件下,采用两种EGR系统时NOx排放几乎相等。

在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,采用LP-EGR系统时碳烟排放更低。这是因为在相同喷油定时和相同EGR率下,采用LP-EGR系统时进气压力更大,进而进气流量更大,缸内平均当量比更小,故在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,采用LP-EGR系统时碳烟排放更低,如图7所示。

如图8所示,在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,采用LP-EGR系统时有效热效率更高。这是因为如图9所示,采用LP-EGR系统时,燃烧重心CA50更远离上止点,柴油机膨胀功减小。同时,随着EGR率增加,采用LP-EGR系统时缸 内峰值压 力pLP-MAX略微增加,采用HP-EGR系统时缸内峰值压力pHP-MAX明显减小,即随着EGR率增加,pLP-MAX与pHP-MAX之间差值逐渐增加。综合这两方面因素可知,在相同喷油定时条件下,随着EGR率增加,柴油机所做膨胀功减小,故有用功减小,有用功占循环油量低热值的比例ηgr减小,且采用LP-EGR时更明显。然而,随着EGR率增加,pLP-MAX与pHP-MAX之间差值逐渐增加,采用HP-EGR系统时,由于进气压力下降迅速,导致有用功快速减小,有用功占循环油量低热值的比例ηgr也迅速下降。在两方面因素影响下,从图10可见,在相同EGR率情况下,采用LP-EGR系统时,有用功占循环油量低热值的比例ηgr更大。

如图6所示,在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,虽然采用HP-EGR系统时排气与进气之间压力差值更小,但在1300r/min、50%负荷时,排气与进气之间压力差值均小于0.02MPa,故换气负功都较小,换气负功 占循环油 量低热值 的比例ηex较小。如图10所示,综合ηgr和ηex可知,采用HP-EGR系统时ηex更大(该值为负值),而采用LP-EGR系统时ηgr更大。综合两者可知,采用LP-EGR系统时,指示热效率ηit更大,且随着EGR率增加,增幅越大。而机械效率ηm随着EGR率变化不大,故在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,采用LP-EGR系统时有效热效率更高。

综上所述,柴油机在低速中等负荷时,在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,相比采用HP-EGR系统,采用LP-EGR系统可得到更好的NOx和碳烟折中排放,同时有效热效率更高。

2.3中速中等负荷工况下两种 EGR 系统对排放和热效率的影响

图11为在1600r/min、50%负荷工况单独使用LP-EGR系统或HP-EGR系统的对比(图11中方框数字代表EGR率)。由图11可知,在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,采用LP-EGR系统具有更好的NOx和碳烟折中排放。这是因为在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,NOx排放几乎相等,原因参考2.2节相关内容;在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,采用LP-EGR系统时,碳烟排放更少。采用LP-EGR时碳烟排放较少是因为在相同EGR率情况下:采用LP-EGR系统时当 量比更小(图12),如图14所示;同时,随着EGR率增加,采用LP-EGR时,进气压力逐渐增加,故在相同EGR率的情况下,废气流量也逐渐增加,废气作为大比热容工质,对着火时刻的延迟作用更明显,如图13和图14所示;而随着EGR率增加,采用HP-EGR时,进气压力逐渐减小,故在相同EGR率的情况下,废气流量也逐渐减小,其对着火时刻的延迟作用逐渐减弱。综上所述,在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,采用LP-EGR系统时碳烟排放更低。

如图15所示,在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,采用HP-EGR系统时有效热效率更高。这是因为如图16所示,相比LP-EGR系统,采用HP-EGR系统时,燃烧重心CA50更靠近上止点,若峰值压力相等,采用HP-EGR系统柴油机膨胀功更大;然而,随着EGR率增加,采用LP-EGR系统时缸 内峰值压 力pLP-MAX略微增加,采用HP-EGR系统时,缸内峰值压力pHP-MAX明显减小,即在燃烧重心CA50相等的情况下,采用HP-EGR系统时有用功更小;同时,采用HPEGR系统时,由于涡前压力随着EGR率增加而迅速下降,若要保持相同输出扭矩,其循环油量也逐渐减小,即在有用功相等的条件下,采用HP-EGR系统,有用功占循环油量低热值的比例ηgr更大。综合以上三方面因素,由图17可知,ηgr随着EGR率增加而下降,即在相同EGR率情况下,采用HP-EGR系统时ηgr更大,即此时采用HP-EGR系统,膨胀功增加,循环油量降低,两者的联合作用对ηgr的增幅大于进气压力迅速下降对ηgr的减少量。

如图18所示,在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,采用HP-EGR系统时,排气与进气之间压力差值更小。EGR%为15%时,排气与进气之间压力差值仅0.06MPa,而采用LP-EGR时,却达到0.11MPa。故采用HP-EGR系统时,换气负功 更小,且随着EGR率增加,换气负功占循环油量低热值的比例ηex越小。如图17所示,综合ηgr和ηex可知,此时循环油量差值和排气与进气之间压力差值对指示热效率起主导作用,在相同EGR率时,差值越大两种EGR系统指示热效率ηit差值越大,而机械效率ηm随着EGR率变化不大,故在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,采用HP-EGR系统时有效热效率更高。

综上所述,柴油机在中速中等负荷时,在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,相比HP-EGR系统,采用LP-EGR系统具有更好的NOx和碳烟折中排放,但有效热效率低一些。

2.4高速中等负荷工况下两种 EGR 系统对排放和热效率的影响

图19为1900r/min、50% 负荷工况 单独使用LP-EGR系统或HP-EGR系统的NOx和碳烟排放情况。由图19可知,在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,采用HP-EGR系统具有更好的NOx和碳烟折中排放。这 是因为在 相同喷油 定时和相 同EGR率的条件下,NOx排放几乎相等(原因参考2.2节相关内容)。在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,采用HP-EGR系统时碳烟排放更小。如图20和图21可知,随着EGR率增加,采用两种EGR系统时进气压力差值逐渐增加,进气流量差值也逐渐增加,缸内平均温度差值逐渐增加。采用HP-EGR系统时,相对处于“高温缺氧”的环境,不利于降低碳烟排放。但同时,如图22所示,随着EGR率增加,两种EGR系统燃油消耗率差值也逐渐增加。这是因为采用LP-EGR系统时,燃油消耗率随着EGR率增加而增加,而采用HP-EGR系统时,燃油消耗率随着EGR率增加而减小。从这个角度看,在柴油机处于高速工况时,缩短喷油持续期将非常有利于燃油在缸内的混合,使碳烟排放降低。从图19和图21可知,在高速工况,排气与进气之间的压力差值达到0.12MPa,采用HP-EGR系统能大 幅度降低 其差值,且随着EGR率增加,排气与进气之间的压力差值越小,燃油消耗率降低越多。而此时虽然进气流量也在减小,但当量比依然不大(图23),故当量比对碳烟排放的影响不及喷油持续期对碳烟排放的影响大。在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,采用HP-EGR系统时碳烟排放更小。

如图24所示,在相同喷油定时和相同EGR率条件下,采用HP-EGR系统时有效热效率更高。这是因为如图25所示,采用HP-EGR系统时,燃烧重心CA50更靠近上止点,柴油机膨胀功更大。同时,随着EGR率增加,两种EGR系统燃油消耗量差值增幅明显,即采用HP-EGR系统时,循环油量更小,有用功占循环油量低热值的比例ηgr更大。

如图21所示,在相同喷油定时和相同EGR率的条件下,采用HP-EGR系统时排气与进气之间压力差值更小,EGR率为13%时排气与进气之间压力差值仅0.06MPa,而采用LP-EGR时却达到0.12MPa,故采用HP-EGR系统时换气负功更小,且随着EGR率增加,换气功占 循环油量 低热值的 比例ηex越小。如图26所示,综合ηgr和ηex可知,柴油机在高速工况循环油量差值和排气与进气之间压力差值对指示热效率起主导作用,在相同EGR率时,差值越大两种EGR系统指示热效率ηit差值越大,而机械效率ηm随着EGR率变化不大,故在相同喷油定时和相同EGR率条件下,采用HP-EGR系统时有效热效率更高。

综上所述,柴油机在高速中等负荷时,在相同喷油定时和相同EGR率条件下,相比HP-EGR系统,采用HP-EGR系统具有更好的NOx和碳烟折中排放,同时具有更高的有效热效率。

3结论

(1)柴油机在喷油定时和IVCT相等的条件下,采用LP-EGR系统时,随着EGR率增加,各级压气机增压比均略微上升,进气流量略微上升,但不太明显;而采用HP-EGR系统时,各级压气机增压比均快速下降,进气流量下降明显。由此可知,HP-EGR系统是降低涡前压力的有效手段。

(2)在各转速中等负荷工况,单独使用LP-EGR系统或HP-EGR系统时,在相同喷 油定时的 情况下,NOx排放几乎相等。在 各中低转 速工况,采用LP-EGR系统时碳烟 排放更低;高速工况 时,采用HP-EGR系统时碳烟排放更低。

(3)在各转速中等负荷工况相同喷油定时的情况下,对比单独使用LP-EGR系统或HP-EGR系统的情况可知,有效热效率是有用功、换气功及循环油量三方面综合作用的结果。

EGR系统 篇2

关键词：EGR； POC；DOC；国IV排放法规

中图分类号：TK421.5文献标志码：A文章编号：1005-2550(2012)01-0023-04

Diesel Engine Research for NS4 Emissions Legislation by EGR

ZHANG Shi-bing，LI Yu-gui，ZHENG Guo-shi，YANG Hua，GAO Jun

（Dongfeng Cummins Engine CO.，Ltd.，Xiangyang 441004，China）

Abstract: This paper described turbocharger optimization，EGR cooler radiating area calculation，ANSYS model analysis，ESC & ETC test of engine with EGR. By choosing one kind of POC & DOC with EGR，the engine test results showed that prototype engine with EGR & POC & DOC meets NS4 Emissions legislation. On the other hand，the engine test results showed that prototype engine with EGR & DOC does not meet NS4 Emissions legislation.

Key Words: EGR; POC；DOC；NS4 Emission Legislation

中小型柴油机实现国IV排放有两条主要的技术路线：其一是采用EGR 降低机内NOx排放，再通过颗粒捕集（POC）或氧化催化(DOC)降低机外PM 排放；其二是利用缸内燃烧过程优化降低机内PM排放，再利用催化还原后处理技术(SCR）降低机外NOx排放。EGR 技术路线与SCR 技术路线相比，具有后处理系统相对简单、OBD 检测简易等特点。而且，较小排量的柴油机的EGR技术路线比SCR技术路线有较大的价格优势。

1 发动机参数

本研究是在一台排量为4.5 L的国III电控高压共轨柴油机上进行的，发动机主要参数如表1所示。

2 EGR/DOC/POC原理

2.1 EGR(废气再循环装置) 技术基本原理

EGR技术的主要作用是降低柴油机燃烧室内NOx的排放量。EGR废气中含有大量的N2等接近惰性的气体，可以导致混合气着火延迟，从而降低燃烧室内最高燃烧温度。EGR废气中含有水蒸汽和CO2等三原子分子，比热容大，可降低燃烧室内最高燃烧温度。EGR废气稀释作用降低氧气相对浓度，改善柴油机的富氧燃烧情况。

2.2 DOC（柴油机氧化催化剂装置）技术基本原理

DOC技术的主要作用是氧化HC、CO和NO并捕捉SOF部分，同时放出一部分热量。NO氧化生成NO2和放出热量非常重要，热量对于POC能够扩大反应窗口，使更多的碳和NO2反应。其基本原理如图1所示。

2.3 POC(颗粒氧化催化剂装置)技术基本原理

POC技术的主要作用是拦截碳烟，燃烧碳烟中的Soot部分。POC基本原理见图1。

3 系统开发

本次系统开发是基于一台4.5 L国Ⅲ电控高压共轨柴油机。在原型机上重新设计EGR系统，然后配备DOC+POC后处理系统，其结构原理如图2所示。

3.1 增压器开发

EGR技术的应用中，在排放区域能够有足够的废气进入进气充量中是非常关键的，所以选择合适的增压器很重要。在原型机中，原配增压器在排放区域中（A转速1 455 r/min，B转速1 846 r/min，C转速2 237 r/min）的进排气压力如图3所示。在A转速和B转速之间，进气压力高于排气压力，虽然在EGR阀的前端有单向阀可以使进气充量不进入排气系统中，但此时不能实现有效的EGR率，所以在该区域就不能降低NOx的比排放值，解决此问题的方法有两种：一种是将原配增压器更换为可变截面增压器；另一种是减小增压器的涡壳，使低转速区域的进排气压差改变。由于可变截面增压器的价格较高，所以本次开发没有考虑这种技术，仅采用小涡壳增压器,即将涡壳由7#更换为5#，其形成的进排气压力如图4所示。由图4可知，在排放区域进排气压差均为负值，即废气在EGR阀打开的时候,可以在排放区域进入进气充量中,从而形成一定的EGR率，达到降低NOx排放的效果。

增压器开发还需要关注以下几个参数：涡前排气温度、低速烟度、低速扭矩、气缸燃烧压力、增压器转速等，这些参数都有一定的限值，如果在额定点或者最大扭矩点的试验数据超出限值，则需要重新匹配增压器。本次开发经过试验数据的分析，更换小涡壳增压器后，这些数据均在发动机的限值之内，不会影响发动机的性能及可靠性。

3.2 EGR冷却器开发

在系统的结构设计中，由于是在冷端安装EGR阀，所以必须将高温的废气冷却后与进气充量预混和，此时EGR冷却器的面积就需要进行优化设计。优化后的EGR冷却器首先能将废气冷却，但又不至于将废气温度降得过低，因为过低的废气温度很容易使废气中的未燃烧烃类变成油泥附着在管道中，造成污染；而废气温度过高则回流的废气将加热进气充量,导致气缸内燃烧温度和压力的大幅度升高，抵消了EGR降低NOx排放的作用，严重时还会损坏发动机机体结构。因此，有必要对高温的EGR气体进行冷却［1］。

计算散热面积首先需要确定散热量，散热量需要根据最大散热量的工况确定，并假定EGR率，还需要确定废气需要冷却到的温度，根据实际情况，在此选择ESC排放试验的第13工况点，假定EGR率30%，需要冷却到120 ℃，计算得到散热量为133 335 kJ/h，约等于37 kW，经过ANSYS软件建模分析并与生产厂家进行结构及工艺确认，最终确定EGR冷却器散热面积为0.35 m2。

4 试验开发

使用EGR技术的柴油机匹配标定是基于良好的涡轮增压器匹配和EGR系统设计基础之上的，在适当的工况下选择合适的EGR率，并辅以优化的喷油规律，使之在NOx比排放达标的前提下尽可能地降低气缸内颗粒物排放，以减轻后处理系统降颗粒的工作量。同时在瞬态工况下，合理地调节EGR率，调整喷油规律，满足发动机稳态、瞬态等法规循环要求［2］。

4.1 稳态试验开发

柴油机的主要排放污染物是NOx和PM。而首先机内净化的是NOx。不同的机型，可以根据其使用特点，确定稳态试验循环（ESC）中的13个工况点NOx比排放值。为此，可以在试验开发之前初步确定NOx目标值分布。

所谓NOx目标值分布，就是ESC试验中13个工况点的NOx（g/kWh）数值分布。ESC试验的最终结果要满足排放法规要求，但具体分配到每个工况点的NOx数值可以根据需要进行设计。主要考虑三个方面的因素：

①工作循环（Duty Cycle）。在常用工况区的点NOx尽量做大，以提高柴油机的经济性。

②各点的小时油耗。小时耗油量与功率大致成比例，功率越大，小时耗油量越高。小时耗油量高的点应尽量提高经济性，亦取较大的NOx值。

③可靠性限值。在建NOx目标值分布的时候，需要综合考虑柴油机的设计限值。比如在B100%和C100%附近，如果NOx值取得太小，会导致排温和增压器转速上升，有可能超过限值。

综合以上三方面的因素，可以初步确定柴油机的NOx目标值分布。图5为4.5 L柴油机的NOx目标值分布，其综合NOx比排放设计值为3.3 g/kWh。

使用EGR技术和电控高压共轨燃油系统的柴油机需要标定的参数有：EGR阀升程、主喷正时、高压油轨压力、预喷正时、预喷油量、后喷正时、后喷油量等。确定了每个工况点的NOx比排放值后，逐点进行标定。标定时，首先打开EGR阀，0.5 mm/升程逐步打开，观察此时的烟度值，当烟度值较大时（如超过0.1 m-1）不再打开EGR阀，此时确认该点阀的升程不能超过该值，否则烟度会超标。对13个工况点标定完毕后，再针对EGR阀的升程、主喷正时、高压油轨压力进行初步标定。

确定EGR阀升程后，依据NOx-烟度的Trade-Off关系，重新对主喷参数进行详细标定，随后可继续针对预喷、后喷等参数进行优化。

在13个工况点标定完毕后，可将NOx目标值分布扩大，依据转速和扭矩进行插值，得到排放区域每个整数转速点的比排放值，这样可以调整整个排放区域的NOx比排放值。同时满足排放认证试验必须进行的NOx检查点的抽查需要。

4.2 瞬态试验开发

瞬态排放控制的难点在于改变工况时增压气体响应的滞后及EGR阀开启本身带来的大烟度后果。提高发动机瞬态响应，在瞬态条件下使得油和气实现最佳匹配，以获得在NOx满足排放要求的条件下的最佳颗粒排放是瞬态试验循环（ETC）标定的关键。

ETC标定重要手段之一是根据发动机实测进气状态灵活调整喷油量，这称之为烟度限制。原理是：当变工况油气不匹配时，强制减少一定比例油量，从而强制增大空燃比，同时补偿喷油参数；等涡轮增压器及时响应后，再恢复设定油量。

在试验过程中，如果使用同样的EGR阀开度，则ETC的NOx比排放值会比较低，相反，PM会变大。因此，手段之一是减小EGR阀开度，让较少的废气进入柴油机进气充量，同时减小油气比，以实现烟度限制原理。

5 结果分析

在本研究中，共设计了7个方案。方案0是原型机+EGR技术方案，方案1～5是原型机+EGR技术+（DOC+POC）后处理方案，方案6是采用EGR技术+DOC-Only后处理方案，样品分别来自于不同的生产厂家。表2是各种方案的ESC试验结果,表3是各种方案的ETC试验结果。结果分析如下：

方案0（原型机+EGR技术）的ESC和ETC的试验结果表明，EGR技术可以降低NOx排放值，并使之满足国IV排放要求；同时通过电控标定优化，可以适当降低PM排放值，但仍然不能满足国IV排放要求。

方案5（原型机+EGR技术+（DOC+POC））的ESC和ETC的试验结果同时满足了国IV排放要求。由此可知，在DOC和POC体积及配方合适的情况下，最高的捕集率可以达到60%以上。此外，DOC对THC和CO降低明显。

方案6（原型机+EGR技术+DOC-Only）的ESC和ETC的试验结果不能满足国IV排放要求。即方案6不能使PM排放值满足国IV排放要求。

EGR 技术是机内降NOx排放的有效措施，该技术的关键是保证合适的EGR 率及选择合适冷却面积的冷却器以使EGR 废气温度降低到合适的范围，同时辅以优化的喷油规律，根据原型机气体和颗粒排放及烟度值等合理匹配颗粒后处理系统。本研究通过带EGR技术的柴油机试验标定，匹配合适的冷却器，选用合适的电动EGR阀以保证瞬态响应，通过稳态和瞬态标定，使在使用符合国IV标准燃油的前提下，排放升级至国IV水平。

6 结论

① 4.5 L国Ⅲ电控高压共轨柴油机匹配合适的EGR+DOC+POC技术，可以满足国IV排放法规。

② 4.5 L国Ⅲ电控高压共轨柴油机匹配EGR+DOC技术，不能满足国IV排放法规。

参考文献：

［1］ 孙剑涛，刘忠长，许允，等. YC4112ZLQ增压中冷柴油机排气再循环冷却器的设计计算［J］.吉林大学学报，2004，34(4):564-568.

EGR系统 篇3

随着公众对汽车尾气污染问题的日益关注,世界各国为控制汽车有害排放物,相继颁布了严格的汽车排放控制法规。在实际运行中,增压直喷柴油机优良的经济性和动力性受到用户的普遍关注,但由于柴油机的NOX和微粒在生成机理上的矛盾性,使得同时降低柴油机的NOX和微粒存在很大的难度,这种状况一度阻碍了柴油机的广泛应用。为了更好地发挥柴油机的性能潜力,必需采取一些新的技术措施来满足更高的排放法规要求。

近年来,废气再循环(Exhaust Gas Recirculation简称EGR)技术在柴油机上得到了较多的应用[1,2,3,4,5],并成为降低柴油机NOX排放的最有效措施之一。对于自然吸气式柴油机,由于其排气平均压力高于进气平均压力,将排气引回进气系统易于实现,但对于增压柴油机,其进气平均压力高于排气平均压力,因此增压柴油机实现废气再循环存在一些特殊的困难。

笔者针对某增压直喷柴油机的特点,研制了一种实用的EGR系统结构形式,分析了EGR率对柴油机性能和排放的影响规律,借助开发的EGR电控系统,实现了EGR率的自动控制。

1 EGR系统的组成及功能

如图1所示,EGR系统由电控系统、EGR冷却器、EGR阀、节流阀及EGR管路等组成。节流阀安装在中冷器后的进气管中,EGR系统从增压器涡轮前取气,废气经过EGR冷却器和EGR阀流入中冷器后的进气管中。节流阀和EGR阀均由步进电机驱动,节流阀用于调整进气管中废气入口处的压力,保证小负荷工况下足够的废气能流入进气管。EGR阀用于调整废气的回流量,满足一定工况下预定EGR率的要求。有研究表明[5],采用冷EGR系统有助于降低柴油机大负荷工况下的微粒排放,因此在本研究中,在EGR废气管上专门布置了一个EGR冷却器,该冷却器通过冷却水对废气进行冷却,废气的出口温度控制在120℃左右。EGR电控系统由传感器、ECU和执行机构三部分组成。在发动机运行过程中,发动机所处的工况由转速和油门位置信号确定,ECU依据发动机的状态信息及标定数据得出控制指令,通过步进电机使节流阀和EGR阀达到规定的开度,保证发动机在该工况下具有最佳的EGR率。

2 EGR对柴油机性能和排放的影响规律

在试验中以进排气中CO2的体积分数来定义EGR率:

试验中使用的主要测试仪器如下:AVL CEB2000废气分析仪,用于测量CO,HC,NOX,空燃比及排气中CO2的体积分数;QGS-08B型CO2分析仪,用于测量进气中的CO2的体积分数;微粒测量风洞、ZK-828真空干燥箱、AE163微量天平,用于测量微粒排放;CW260电涡流测功机,测量发动机扭矩、转速;FCM-D油耗仪;FQD-02型滤纸式烟度计,测量烟度。试验所用的发动机为增压直喷中冷柴油机,该发动机排量为5.202 L,压缩比为17.5,额定功率132 k W,最高转速为2 300 r/min,最大转矩为660N·m,最大扭矩转速为1 600 r/min。借助发动机试验台,分别测试了1 200,1 400,1 600,1 800,2 000,2 300 r/min及不同负荷组合下,不同EGR率对发动机性能和排放的影响情况,其部分结果见图2、图3。

由图2、图3可见,采用EGR可有效降低NOX排放。小负荷工况下采用EGR可以改善发动机的燃烧,微粒排放基本没有变化;大负荷时采用EGR降低NOX排放效果显著,但会使微粒排放增加。因此,在柴油机小负荷时,宜采用大EGR率;大负荷时宜采用小EGR率。在一定工况下,EGR率过大,由于会使烟度、微粒、油耗等迅速上升,特别是在大负荷情况下,加EGR后会使发动机的空燃比显著下降,使发动机燃烧过程恶化。因此,需要根据不同工况性能和排放的要求,确定各个工况下的最佳EGR率。

(发动机转速为1 600 r/min时)

3 EGR率的确定

原机NOX排放为8.42 g/k W·h,高于欧Ⅱ标准,原机HC,CO和PT排放均在欧Ⅱ标准限值之内。但由于PT与NOX在生成机理上的矛盾性,加入EGR后,在一些工况可能会使微粒排放增加。因此笔者针对各个工况的不同特点,结合加入EGR后柴油机性能和排放的变化趋势,逐个工况确定了13工况点所使用的EGR率。具体做法是:各工况点的微粒排放尽量不超过原机,并考虑NOx的改善程度、油耗的上升幅度以及功率损失程度等综合因素。发动机负荷低时,缸内空燃比大,选用较大的EGR率以最大限度地降低NOx排放;发动机负荷大时,缸内空燃比小,EGR率过大会造成燃烧恶化,此时要选用较小的EGR率;全负荷时,缸内空燃比最小,此时加入EGR会大大增加微粒排放,另外全负荷工况点的加权系数大,对微粒排放更加不利,因此全负荷时不使用EGR。依据上述原则,逐个确定了13工况点的EGR率,其结果见图4。

4 电控系统

电控系统采用C8051 F330单片机作为控制器,该单片机内部集成了8 k字节的Flash存储器、A/D转换器,系统时钟可达24.5 MHz。发动机控制器检测发动机的油门位置和转速信号,同时向步进电机输出控制信号。EGR电控系统的硬件形式见图5。

电控系统的控制软件采用C语言编写而成。在设计控制软件之前,事先通过试验确定发动机各个工况下的最佳EGR率,并把各工况最佳EGR率下的发动机转速、油门电位计电压值、步进电机相对起始位置的转动步数等数据以特性图的形式存放在电控系统的程序存储器中。发动机运行过程中,控制器根据检测的发动机油门位置和转速信号,在特性图中查表求出相应工况下的步进电机转动步数和电磁阀开启状态,并通过驱动电路使步进电机带动节流阀和EGR阀到达指定位置,以保证该工况下的最佳EGR率。

5 试验结果

EGR系统设计、调试完成后,安装在柴油机上,进行了原机与使用EGR系统后的13工况排放对比,对比结果见表1。

由表1可以看出,使用EGR系统后,柴油机的NOx排放明显下降,比原机降低26.4%,并达到欧Ⅱ标准限值的要求;HC,CO排放比原机略有增加,但均控制在欧Ⅱ标准之内;由于本EGR系统在全负荷工况不加EGR,因此13工况的微粒排放与原机相比略有增加。

6 结论

EGR技术是降低柴油机NOx排放的有效措施,但同时会对发动机的性能带来负面影响。因此需要依据发动机性能和排放的综合要求,精确匹配柴油机各个工况下的最佳EGR率,并通过电控技术对EGR率进行精确控制。

摘要：以增压直喷柴油机为研究对象,设计了一套EGR控制系统以降低NOX排放。试验研究了不同EGR率对柴油机性能及排放的影响规律,针对柴油机不同工况的特点,确定了各工况所用的EGR率,并设计了EGR率电控系统。台架试验表明,在保持其它排放物基本不变的情况下,借助EGR系统该柴油机的NOX排放下降了26.4%。

关键词：增压直喷柴油机,NOX排放,EGR率,EGR控制系统

参考文献

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EGR系统 篇4

废气再循环(EGR)系统的基本原理是将部分废气引出排气系统,再送入进气系统。由于废气中的 CO2 和 H2O 的比热较高,当新鲜混合气和废气混合后,热容量随着增大,缸内最高燃烧温度下降。同时,因再循环废气对新混合气的稀释作用,降低了混合气中O2 的浓度,破坏了NOx的生成条件,有效抑制了 NOx的生成,从而降低了 NOx排放。目前,EGR系统在国内外汽油机上的应用已相当普及,并取得了良好的降低NOx排放的效果。在重型柴油机中,随着世界各国对重型柴油机制定出更严格的NOx排放标准,EGR技术也越来越受到重视 [1,2]。但是柴油机采用废气再循环可能对燃烧过程带来不利,本文为一直列4行程增压直喷中冷农用柴油机确定了一种适用的EGR电控系统结构形式,并依据不同工况的要求对废气回流量进行最佳的调节与控制,有效降低了柴油机NOx排放[1,2]。该柴油机标定功率/转速为132kW/2 300r·min-1,最大扭矩/转速为660N·m /1 400r·min-1。

1 EGR系统的组成及功能

该系统由电控系统、EGR冷却器、EGR组合气缸阀、进气节流阀机构及EGR废气管路等组成。对于增压中冷柴油机,EGR废气流动路线通常有以下两种方式:一是从涡轮前取气回流到压气机后的EGR系统;二是从涡轮后取气回流到压气机前的EGR系统。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],避免出现再循环废气污染压气机和中冷器,使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,可以避免EGR随工况变化响应滞后,这对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,不利于控制NOx排放。本文正是将进气节流阀安装在中冷器后的进气管中,EGR系统从增压器涡轮前取气,废气经过EGR冷却器和组合气缸阀,引到进气管中的节流阀后侧。进气节流阀由步进电机带动,用于调整节流阀后的气体压力,保证小负荷工况下将足够的废气送入进气系统。组合气缸阀利用压缩空气驱动,并利用电磁阀控制,以调整EGR废气流量。EGR电控系统由传感器、ECU和执行机构等3部分组成。在发动机运行过程中,ECU依据发动机转速和油门位置信号确定发动机当前所处的工况,并根据发动机的状态信息及标定数据得出控制指令,通过步进电机和电磁阀调节进气节流阀和组合气缸阀开度,保证发动机在该工况下具有最佳的EGR率[5]。

2 EGR系统硬件设计

电控系统在实时控制过程中,用以完成信号的采集与处理、做出控制决策及生成控制信号等任务。柴油机EGR电控系统是以MCS80C196KC单片机为核心实现的,电控系统的组成如图1所示。电控系统的设计主要包括控制单元设计、信号采集系统及处理电路设计和执行机构驱动电路设计。其中,主要电路包括时钟电路、复位电路、转速信号处理电路、油门位置信号处理电路、步进电机驱动电路以及电磁阀驱动电路[6] 等。

2.1 时钟电路

80C196KC单片机工作时所需的时钟通过其XTAL1输入引脚从外部送入,80C196KC单片机内的振荡电路是一个单级非门电路,它与石英晶体配合,可组成一个振荡器。晶体振荡器提供的时钟信号经过二分频电路产生两个不同相位的内部时钟。两个振荡周期构成一个状态周期,它是80C196KC单片机操作周期的时间单位。

2.2 复位电路

为了使80C196KC单片机在上电后能正常工作,必需对其复位。80C196KC单片机复位信号是个低电平有效信号,在Vcc、振荡器和反向偏置发生器已达到稳定状态之后,RESET脚至少应该保持两个状态周期时间的低电平。通常反向偏置发生器需要1ms的稳定时间,而振荡器的稳定时间与电源电压的上升率有关,一般约需30～50ms。复位电路可以有多种,如复位电容、单稳电路都可完成复位,只要在Vcc、振荡器和反向偏置发生器稳定以后能提供至少2个状态周期的低电平信号即可。复位电路结构如图2所示。

2.3 转速信号处理电路

转速信号处理电路主要由霍尔转速传感器组成,其测速原理如图3所示。转速传感器的传感头放在飞轮附近,传感器头部永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮。当齿轮的齿根正对霍尔元件时,穿过霍尔元件的磁力线分散,磁场相时较弱;而当齿轮的齿顶正对霍尔元件时,穿过霍尔元件的磁力线集中,磁场相对较强。齿轮转动时,使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化,从而引起霍尔电压的变化,最后经过波形过滤、光电隔离、整形电路可以得到反映转速的幅值相等、频率变化的方波信号。其频率为

undefined (1)

式中 Z—飞轮齿数;

n—发动机转速。

将霍尔传感器输出的信号经过调理后变成速度频率信号,传输给80C196KC单片机。通过设置单片机的工作方式,可以有效地捕捉转速信号的跳变沿,并记录当前定时器的值,再计算与前一次捕捉到跳变沿的定时器数值之差就可以求得转速信号的周期。设定时器的计数频率为f0,前后两次捕捉到转速信号跳变沿的定时器计数个数之差为K,则转速信号的周期T为

undefined (2)

根据式(1)和(2)可以求得发动机的转速n为

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2.4 油门位置信号处理电路

油门位置传感器实际上是一个电位计,电位计的输出电压与转角之间呈线性关系。在80C196KC单片机中集成了一个10位A/D转换器部件,可对4个输入通道的模拟输入量进行A/D转换。油门位置传感器的输出电压接至80C196KC单片机A/D转换器的ACH0引脚,把油门传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能够接受的数字信号。假设单片机在进行A/D转换时所选用的参考电压为Vref,油门初始位置所对应的传感器电压为V0,则经过A/D转换后单片机所得到的数字量n0为

undefined (4)

若油门位置传感器的电压与油门开度之间的比例系数为K,则当单片机对油门位置传感器经过A/D转换后所得到的数字量n所对应的油门开度θ为

undefined (5)

2.5 步进电机驱动电路

电控系统采用ULN2003作为步进电机的驱动器,它是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路,由7对NPN达林顿管组成的,逻辑结构如图4所示。其高电压输出特性和阴极箝位二极管可以转换感应负载。单个达林顿对的集电极电流是500mA,达林顿管并联可以承受更大的电流。ULN2003的每对达林顿管都有一个2.7kΩ串联电阻,可以直接和TTL或CMOS装置连接。本系统中ULN2003用于驱动步进电机的四相绕组。

2.6 电磁阀驱动电路

EGR系统中,利用电磁阀控制高压气的通断来控制组合气缸的行程。系统中共使用了3个24V、电流0.1A的电磁阀。电磁阀的驱动也是利用ULN2003作为驱动器。

3 EGR系统软件设计

EGR控制系统使用80C196KC16位单片机作为核心控制器,控制软件采用80C196KC汇编语言编写。编程过程中,为使程序具有通用性、增强可读性,采用了模块化的设计思想,即将主控程序分成若干子程序和中断服务程序功能块,先单独编制调试各个功能块程序,最后再连接在一起构成电控EGR系统的控制程序。主程序流程及各子模块功能如图5所示。主控程序是控制软件的中心模块,它主要包括控制系统通电后的初始化程序以及发动机工况测定、判别和相应的处理程序等。程序的初始化包括堆栈指针的设定、RAM区的初始化、各种特殊功能寄存器的初始化以及I/O端口的初始化等。主控程序担负着判断发动机各种运行工况的任务,本程序中主要依据油门位置和转速来判定发动机所处的工况。主控程序是一个循环程序,发动机运行后,主控程序一直在循环执行,调用A/D转换子程序和转速测量子程序判定发动机的工作状态,在控制MAP表中查找发动机某工况下与EGR率对应的步进电机和电磁阀控制指令得出控制指令,调用步进电机驱动子程序及电磁阀控制子程序,向执行机构输出控制指令,完成各个工况预定的动作。

4 结论

根据本文设计的EGR系统控制电路,原机与加EGR后的13工况排放对比结果发现:NOx比原机降低20%,HC增加12%,CO增加7%,微粒排放与原机相比没有变化。NOx,HC,CO和微粒的排放均达到EUROⅡ标准。13工况加权系数综合评价油耗的对比结果表明,原机加权油耗为234.5g/kW·h,加EGR后的油耗为230g/kW·h,可见使用EGR系统后柴油机的13工况平均油耗略有降低。柴油机在中小负荷工况NOx和微粒的排放达到了良好的效果。试验结果验证了EGR电控系统的合理性与适用性,所设计的硬件电路具有在满足控制要求的前提下简单可靠的特点,控制软件程序具有任务明确、条理清楚的优点,便于修改调试。

参考文献

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[2]Yoshio Sato,Akira Noda,Tadashi Sakamoto.Combustionand NOx Emission Characteristics in a DI Methanol EngineUsing Supercharging with EGR[C]//SAE paper,971647,1997.

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[5]杨帅,张振东.增压直喷柴油机EGR系统设计与试验研究[J].车用发动机,2003,148(6):35-38.

EGR系统 篇5

一、废气再循环 (EGR) 系统

废气再循环 (Exhaust GAS Recirculation ) 简称EGR, 是指在发动机工作时, 将一部分废气重新引入气缸参加燃烧的过程。NOx是空气中的氮气在高温、高压条件下形成的。发动机排出的NOx量主要与气缸内的最高温度有关, 气缸内最高温度越高, 排出的NOx量越多, 废气再循环是用于抑制燃烧室内由于高温、高压形成的NOx。EGR系统的工作是把排气管内的一部分废气引入进气管中参与燃烧, 稀释废气, 从而避免了燃烧室内的高温状态, 间接抑制了NOx的生成。此外, 为保证发动机正常工作和性能不受过多影响, 必须根据发动机工况的变化, 控制废气再循环量。

废气再循环的程度用EGR率来表示, 它是指发动机进行废气再循环时, 废气再循环量在进入缸内的气体中所占的比率, 即

EGR率=[EGR量÷ (进气量+EGR量) ]×100%

当EGR率达到15%时, NOx的排放量即可减少60%。

二、废气再循环系统控制方法

1.控制原则

发动机的工况不同, 对EGR量的要求也不同。为了使EGR系统能更有效地发挥作用, 必须对参加EGR的废气数量加以限制。同时, 适当考虑温度、气压等因素对EGR系统的修正影响, 对引入进气岐管的废气量进行综合控制。其基本原则就是在发动机起动工况、 怠速工况、暖机工况、加速以及大负荷高速行驶时关闭EGR阀, 停止EGR;在低、中等负荷时EGR率应随负荷的增大而增大。

2.控制方式

EGR的控制和调节的方法很多, 根据其主要特点可以从不同的角度进行分类。按控制方式可分为机械式和电子控制式。机械式EGR系统的优点是结构简单、成本低、容易实施执行, 缺点是系统缺乏柔性;电子控制式EGR系统 (气电式和磁电式) 的优点是动态响应好, 控制精度高。还可按照其它不同原则进行分类, 如开环控制和闭环控制。开环控制的优点是结构简单, 控制方便;闭环控制的优点是能根据发动机的工况自动调整到最佳EGR量, 控制精度高, 动态响应好。

(1) 开环控制EGR系统

开环控制EGR系统主要是由EGR阀和EGR电磁阀等组成。ECU根据发动机冷却液温度、节气门开度、转速和启动等信号来控制电磁阀的通电或开启。ECU给EGR电磁阀通电, EGR电磁阀被关闭, 停止废气再循环;ECU不给EGR电磁阀通电, EGR电磁阀开启, 进行废气再循环;废气再循环量取决于EGR阀的开度, 而EGR阀的开度直接由真空度控制。

(2) 闭环控制EGR系统

在闭环控制EGR系统中, 以实际检测的EGR阀的开度或EGR率作为反馈控制信号, 控制精度高。

用EGR阀的开度作为反馈控制信号闭环控制EGR系统, 与普通电子控制的开环控制EGR系统相比, 只是在EGR阀上增设了一个EGR阀开度传感器。闭环控制EGR系统工作时, EGR阀开度传感器可将EGR阀开启高度的信号转换为相应的电压信号, 并反馈给ECU, ECU根据反馈信号控制真空电磁阀的动作, 从而改变EGR率。

用EGR率作为反馈信号的闭环控制EGR系统中, ECU根据EGR率传感器信号对EGR电磁阀实行反馈控制, 使EGR率保持在最佳值, 有效地减少了NOx的排放量。

三、EGR系统的检测

1.一般检查

在冷启动后, 立即拆下EGR阀上的真空软管, 发动机转速应无变化, 用手触试真空软管口, 应无真空吸力;发动机温度达到正常工作温度后, 怠速时按上述方法检查, 其结果应与冷机时相同;发动机在正常工作温度下, 若将转速提高至2500 r/min以上, 折曲真空软管 (防止漏气) 后并从EGR阀上拆下软管, 发动机转速应有明显提高 (因中断废气再循环) 。若不符合上述要求, 说明EGR系统工作不正常, 应查明故障原因, 予以排除。

2.EGR电磁阀的检测

(1) 检测电磁阀线圈的电阻

关闭点火开关, 拔下EGR电磁阀连接器, 用万用表测量电磁阀线圈的电阻, 其值一般为20～50 Ω, 否则, 应更换EGR电磁阀。

(2) EGR阀的检测

EGR冷却器技术及制造工艺分析 篇6

1 EGR冷却器技术简介

发动机的排气温度较高, 通常在650℃左右, 若直接向气管中引入废气, 那么高温废气会加热进气, 从而大大增加缸内压力和温度, 使EGR减少NOx的作用降低, 在碳烟排放、燃油经济性、发动机动力性等方面都会产生不良影响, 所以目前大部分厂商在应用EGR技术时都选择EGR冷却器技术。指以热EGR技术为基础, 将EGR冷却器加入系统内, 并当作核心设备, 经过冷却器的高温再循环废气混合至新鲜进气中, 能够减少碳烟与NOx排放, 降低燃油经济性。EGR冷却器的性能好坏在很大程度上影响着冷EGR的技术效果, 其不仅要具有压力损失小、换热效率高等普通换热器的特点, 还应具有不易积碳、抗震、耐腐蚀和耐高温等优势。

2 EGR冷却器的常见类型

2.1 板翅式换热器

这种换热器的传热元件包括翅片与板, 其翅片在扰动流体时会导致边界层破裂, 因此传热效率很高。相关报道显示, 相比于管壳式换热器, 板翅式换热器具有更高的传热效率。与此同时, 板翅式换热器的制造材料通常是铝合金, 产品紧凑且轻巧、然而在制造板翅式换热器时, 有较高的工艺要求, 流程繁琐, 遇冷后的高温废气会积痰, 从而造成堵塞, 难以清理和检修。

2.2 管壳式换热器

构成管壳式换热器的元件包括管束 (含有许多管子) 与一个壳体, 管壁就是冷、热流体完成换热的换热器。这种换热器具有清洗方便、操作可靠、结构简单等优势, 能够使EGR冷却器的制作要求得到满足, 在EGR冷却器中得到了广泛应用。其常见形式有以下五种: (1) 光管形式。在众多管壳式换热器中, 这种形式最为基本和简单, 而且制造时无需较高的成本, 方便清洗与检修。但其具有传热面积小的缺点, 光管无法扰动流体, 光管表面很容易沉积和附着EGR废气, 降低传热效率。为满足时代需求, 这种冷却器已经逐渐被取代。 (2) 弓形折流板形式。其前身就是光管式EGR冷却器, 但多了弓形折流板, 使壳程流体流速得到提高, 传热系数增加。但这种冷却器的壳程流体经常会发生传热并出现流动死角, 难以充分利用传热面积, 容易结垢, 具有较大的流体阻力。如果管束被流体横掠, 很可能发生振动, 使冷却器寿命缩短。 (3) 波纹管形式。其主要是采用滚压设备处理光管, 使之形成外凹内凸的槽纹。变成波纹管后光管的换热面积显著增加, 能够扰动内外流体, 使其边界层受到破坏, 强化内外流体的传热, 但是会增大流动阻力, 增加积碳。如今技术的进步逐渐改善了该形式冷却器的缺点, 使其得到了广泛应用。 (4) 翅片形式。指将厚度、片距、高度均一定的翅片增设在光管上, 使单位体积具有更大的有效传热面积, 并且扰动流体, 使其边界层受到破坏, 传热系统提高。其布置形式包括套装翅片与螺旋翅片两种。 (5) 螺旋折流板形式。该种形式需要加工传统弓形折流板, 使之成为类似螺旋状或螺旋状折流板, 促使流体沿壳程的运动同样呈螺旋状。这样就不会遇到“死区”的情况, 而且管束表面和旋转运动形成的涡流能通过相互作用提高传热系数, 该过程中的高速旋转介质流可将沉积物与颗粒物冲走, 以免发生壳侧积炭。

3 EGR冷却器的选型标准

EGR冷却器目前有许多选型标准, 最常见和基本的就是费用、热负荷、温度、操作压力、待处理流体类型等。EGR冷却器除了要符合普通热交换器的要求, 还应当蛮子自身的特殊要求, 如冷却温度不可过低。当冷却温度过低时, 排气中凝结的水蒸气会结合含硫化合物变成酸, 酸性腐蚀联接管路与冷却器, 使其可靠性降低、寿命缩短。EGR冷却器以高温的再循环废气为冷却对象, 所以其应当在换热面积较小的情况下传递较多热量, 同时要尽量将其冷却效率提高。具体而言, 需要具备以下两方面特点, 其一是耐腐蚀、耐高温;其二是可防堵塞、压力损失小、散热效率高、体积小。

4 EGR冷却器的设计要点

4.1 换热管的尺寸规格

EGR冷却器中应用的换热管通常是薄壁、小直径、横截面呈圆形的管道, 而且数量较多。在传热方面, 管子的直径小可以提高传热系数, 使换热器更加紧凑, 然而这种情况会增大换热器压降, 换热器的管子外径基本上均在6.35 mm~50.8 mm的范围内。在管长方面, 在无相变换热的情况下, 增大管子的长度则会减小流动截面积, 增大流速, 减小管程, 同时在应用长管时还会降低单位平方米的传热面比价, 因此当换热面积一定时, 为了提高换热器的经济性, 应尽量缩小壳体直径, 采用较长的管子, 在制造时遵循“符合使用与制造现场”的原则。

4.2 管子的排列方式

管板上的管子能够排列为同心圆、三角形与正方形等。其中同心圆可以紧凑排列, 可以对于直径小的换热器比较适用, 由于换热直径小, 能够安排较多的换热管, 同时在与壳体靠近处均匀布管, 避免介质发生短路。这种方法优势较多, 比较常用。采用任何排列方法时都要控制壳体内壁与最外圈换热管外壁之间至少留有换热管外径1/4的距离, 同时应至少为8~10 mm。

4.3 冷却器流动方式

其流动方式为冷热流体逆流, 也就是两股流体在换热器中平行且沿相反方向流动。当参数相同时, 单流道换热器采取这种流动方式可达到最高效率;当冷流体初温相同与热流体状态相同时, 与顺流相比, 逆流加热的终温更高;交换的热量相同时, 这种逆流换热器只需要很小的换热面积, 可以制造出更加轻便、紧凑的换热器。

5 EGR冷却器的制造工艺

为了使冷却器的强度、密封性、耐腐蚀与耐高温等要求得到满足, 应结合真空钎焊与激光焊接两种工艺来制造芯子。采用的新型钎料与传统镍基钎料相比, 耐腐蚀、耐高温性能以及工艺性能均更强, 而且与之配套的真空钎焊工艺能够使EGR冷却器具有更高的可靠性, 达到设计要求。加工生产冷却器时, 主要分两期实施工艺。将激光焊接方法作为一期工艺, 主要流程包括三点:首先是装配, 在第一主片上装配管束, 连接管束和冷却器壳体;其次是激光焊接, 将管束和主片、主片和壳体依次焊接在一起, 接着进行试漏;第三步是装配, 将支架等装配好, 检查外观与尺寸, 认真包装后运输。将真空钎焊作为二期工艺, 流程主要是加工零部件、组装芯子、芯子填充焊料、点焊工件 (如支架等) 填充焊接其他部位、真空钎焊、检测密封性与包装产品等。

6 结束语

目前我国公认的能够使汽车NOx排放得到有效减少的措施就是冷却EGR技术, 操作方法简单, 受到了许多发动机和汽车生产厂家的青睐。最近几年, 为了满足欧Ⅲ、欧Ⅳ标准, EGR技术成为了必不可少的技术。而EGR冷却器技术除了能达到精确控制与智能控制的目的, 还可以使汽车尾气中的NOx含量减少, 从而达到国家排放法规的要求, 避免汽车尾气严重污染生活环境。

参考文献

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EGR系统 篇7

柴油车由于其动力强劲、经济性好、故障率低等优点在乘用车上得到了越来越广泛的应用。有数据表明，欧洲60%的汽车为柴油车，但在中国乘用车采用柴油机的比例为全球最低，仅占1%。随着柴油机技术的不断改进，中国乘用车采用柴油机的比例将不断提升。柴油机的Soot和NOx排放量相比汽油机高是限制其发展的一个重要原因，虽然通过后处理技术可以降低Soot和NOx的排放，但是要满足日益严格的排放法规，仅仅通过后处理技术是不够的。再高效的后处理系统，其未经处理的最大排放限值也是有限的，只有通过机内净化使未经处理的废气排放值限制在一定范围内，才能获得更低的排放。

目前机内净化的主要措施有EGR（废气再循环）、改善燃油喷射技术、改进点火系统、改进发动机燃烧室结构、改进燃油供给系统、积极开发分层充气及均质稀燃系统、综合控制的发动机管理系统。本文采用对原机硬件不改动或改动小的EGR和改善燃油喷射技术（喷油提前角和喷孔直径）进行优化排放的研究。实验设计（DOE）借助于研究过程中的复杂因果关系，寻求参数的最佳范围和组合，从而实现对参数的优化。

1 仿真模型的建立与验证

本文研究对象为直列四缸、两气门、涡轮增压中冷柴油发动机，燃油喷射系统为单体泵。发动机主要参数如表1所示。

1.1 发动机模型的建立

GT POWER是专业的发动机工作过程性能仿真软件，本文采用其中的准三维预测燃烧模型EngCylCombDIJet，该模型对NOx的排放采用Nagle and Strickland-Constable model模型进行预测，具有较高的准确性；对Soot的排放采用EngCylNO模型进行预测，也具有一定的参考价值。喷油器模块采用InjMultiProfileConn，该模块可以很方便地对喷油定时和喷孔直径等参数进行修改。传热模型采用WoschniGT模型，该模型可以更加精确地模拟气缸内的耗散损失和热能传递。EGR系统采取涡前取气的方式，通过对EGR阀的控制调节EGR率。根据发动机参数建立的仿真模型如图1所示。

1.2 模型验证

本文选取该柴油机十三工况法中的3个转速（1 950r/min、2 450r/min和2 950r/min）、最高扭矩转速2 050r/min和中转速1 800r/min为实验验证点，通过对仿真模型进行修正，计算得到各工况下的制动扭矩和燃油消耗率，并与原机实验结果进行比对，对比结果如图2所示。

由图2中可看出，仿真结果与实验结果各工况点的扭矩和油耗值都很接近，误差都在3%以内，说明所建模型基本正确，可用于研究对象的性能预测。

2 实验设计与优化过程

柴油机的运行参数很多，如果单独对各参数进行优化将耗费大量的时间和成本，因此有必要对柴油机的各参数进行耦合优化研究。运用实验设计（DOE）方法对实验方案进行优化设计，将降低实验误差、减少实验工作量并可以对实验结果进行分析。本文以发动机转速2 050r/min、75%负荷工况点为例，对实验设计与优化过程进行详细介绍。

2.1 自变量的选取

选取对原机硬件改动小且对排放影响较大的喷油定时、EGR率和喷孔直径为自变量，寻求最佳喷油定时、EGR率和喷孔直径达到降低柴油机NOx、Soot排放的目的。自变量的取值范围如表2所示。

2.2 抽样法的选择

根据本文自变量变化范围和水平数的选取，若采用全因子设计则需要进行1 001个工况点的仿真实验，工况点较多、仿真周期较长，本文选取D型抽样法（D-optimal）进行抽样仿真。D-optimal抽样法相对正交法在水平组合方面更具有灵活性，可根据需要设置组合数，并且无论样本大小，基于D-optimal法得到的参数估计标准差都小于正交实验法，尤其是样本容量较小的情况。本文最终用D-optimal法抽取了1/13的仿真量（77次）进行仿真计算。

2.3 曲面拟合

由于优化结果是对拟合面进行插值计算得到的，因此拟合面的准确性至关重要。通常需要对拟合面的精度进行评估，拟合面精度一般通过决定系数来判断，即模型预测响应值的误差平方和与观测响应值的误差平方和之比，该比值越接近1说明拟合面模型拟合效果越好、精度越高。对仿真计算结果的原始数据进行了曲面拟合，由拟合统计可知，扭矩、NOx、Soot拟合精度分别为0.999、0.998、0.980，拟合精度较高，可用于多目标优化。

2.4自变量的影响分析

自变量对响应量的影响可以通过系数图来反映，系数图表示出了响应面拟合多项式方程中各项的系数，每个多项式项对整体响应的重要性可以通过其高度来反映。

自变量对NOx排放、Soot排放和扭矩的影响系数图如图3～图5所示。从图3可以知，常数项、EGR率、喷油提前角和喷孔直径对NOx排放的影响都很大，且3个自变量对NOx排放的影响都呈负相关关系，也就是说NOx的排放量随着EGR率、喷油提前角和喷孔直径的增大呈减小的趋势。从图4可知，3个自变量中对Soot排放影响最大的是喷孔直径，且喷孔直径与Soot的排放呈正相关关系，即随着喷孔直径的减小，Soot排放量减小。由图5可知，对扭矩影响最大的是常数项，3个自变量对扭矩的影响都较小，说明扭矩随3个自变量的变化都较小。

2.5优化设计及结果

DOE优化设计提供了两种基于响应面的优化方法：一种是标准的遗传算法，该方法适合于找到目标唯一的解决方案；另一个则是多目标帕累托法，该方法适合于在多个目标之间呈此消彼长的关系中找到一个最佳的权衡方案。柴油机的NOx和Soot排放量往往呈trade-off关系，通常不存在一个优化解能使两者都达到最优排放，但是选用多目标帕累托法能找到同时满足两者目标值的解，也就是帕累托最优解。本文以NOx和Soot排放最小为目标，扭矩和燃油经济性为约束条件，进行多目标帕累托优化。帕累托优化结果为EGR率16.5%、喷孔直径0.144 mm、喷油角-11.1°。根据该方法最终得到转速1 800r/min、1 950r/min、2 450r/min和2 950r/min的优化结果：EGR率分别为28.1%、21.5%、17.1%和18.8%；喷孔直径分别为0.146 mm、0.155 mm、0.151 mm和0.152mm；喷油角分别为-9.3°、-10.3°、-16.1°和-22.2°。可以看出随着转速的增大，最佳EGR率先减小后增大，最佳喷孔直径都在0.15mm左右，最佳喷油提前角呈增大的趋势。

2.6 优化结果的验证

在优化算法中，使用了遗传算法的迭代法进行优化，从模拟计算结果中随机选择一个值开始优化计算，每当迭代值优于之前的最佳迭代值时，数组中的值将会更新保存，一直迭代到优化目标。因为优化结果是由拟合响应面的方程式决定而不是直接的模拟结果，所以最佳自变量值往往不是原始DOE中设定的值。基于这个原因，通常要在GT POWER中运行来验证优化结果。

将优化结果得到的最佳自变量值代到GT POW-ER中进行模拟验证，最后将仿真计算结果与响应面的优化结果对比，对比结果如表3所示。通过对比可知，基于响应面模型的优化结果与仿真结果很相近，其中Soot排放量的误差稍大，而扭矩和NOx的排放量误差都很小。说明本文采用的优化方法在缩短仿真周期的同时优化结果精度高。

3 结束语

本文针对某型柴油机喷油提前角、EGR率和喷孔直径对NOx和Soot的排放进行了优化设计，利用多目标帕累托法得到了优化结果，验证表明优化结果精度较高。该方法可扩展应用到其他参数的优化研究。

参考文献

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[2]周刊,杜爱民.基于GT-POWER DoE的发动机多参数优化[J].佳木斯大学学报,2012(5):701-705.

[3]杨时威,吴长水,冒晓建,等.电控单体泵燃油喷射系统仿真[J].系统仿真学报,2009(6):1743-1747.

[4]范毅,林绪东,张更娥,等.基于DOE的多参数稳定性优化[J].内燃机,2011(5):12-14.

EGR系统 篇8

当前汽车尾气排放是造成大气污染的一个主要来源, 随着各国对环境保护问题的日趋重视, 如何降低汽车有害排放物成为了当今汽车发动机发展的一个重要课题。目前国际油价居高不下, 柴油机因其良好的经济性, 在车用动力中占据着日益重要的地位。但是柴油机的排放问题一直是困扰柴油机设计工作者的一道难题。目前降低柴油机排放的技术路线主要有两种, 其中最常用的是EGR+后处理路线, 即先通过EGR降低NOx的生成量, 然后通过DPF等后处理器进行颗粒捕集, 最终实现降低排放。

1 EGR介绍

1.1 EGR的工作原理

EGR (Exhaust Gas Recirculation) 即废气再循环, 是指把发动机排出的部分废气回送到进气歧管, 并与新鲜空气混合, 一起进入气缸。由于废气中含有大量的CO2, 而CO2不能燃烧, 但是却能吸收大量的热, 使得气缸中混合气的燃烧温度降低, 致使NOx的生成量大大减少。EGR是净化排气中NOx的主要方法。

当新鲜空气与EGR气体混合后, 混合气的热值降低, 此时发动机的有效功率也将下降。因此, 为了能够既利用EGR减少NOx, 又能保证发动机的动力性, 必须根据发动机工况对EGR的量, 即EGR率进行控制。在怠速时, 由于NOx较少, 可不进行EGR循环;在全负荷或高转速时, 尽管NOx生成量较多, 但是为了使发动机有足够的动力性, 通常也不进行EGR循环。而在其它工况, 由于NOx的生成量随着发动机负荷的增大而增加, 此时需要增大EGR率来降低NOx。

1.2 评价指标

为了保证发动机稳定的工作, 通常要求EGR的气体能够均匀地分配到四缸燃烧。这就要求在某一发动机工况下, 各缸的EGR率保持一致。根据评价标准, 要求一个工作循环内EGR率的相对误差保持在±5%以内, 即认为各缸EGR率分配均匀。

EGR率的计算公式如下:

式中, EGR表示EGR率, mEGR表示EGR质量流量, m表示EGR+新鲜空气总质量流量。

2 计算过程

2.1 计算描述

本次计算首先由BOOST进行一维热力学计算, 得出进气总管支路、EGR管支路及各进气支管出口相应测点的压力、流量、温度, 将其作为边界条件赋给FIRE, 然后由FIRE对进气歧管的内流场进行数值分析。

计算时选取两个工况点:2 660 (r·min-1) /0.286 MPa (EGR率最大的工况点) 以及2 660 (r·min-1) /1.165 MPa (标定工程师重点关注的工况点) 。对于每个工况点, 一般都计算四个发动机循环, 以保证计算的收敛性。

2.2 热力学计算

图1所示的是在BOOST中搭建的一维热力学计算模型, 其中测点MP4, MP13, MP14, MP15表示1~4缸进气支管的出口, 测点MP12, MP13, MP14, MP15分别是排气歧管四个缸支管的进口, 而测点MP16则表示进气总管的新鲜空气进口, 测点MP11表示EGR气体入口。

根据标定工程师提供的两个EGR分布点, 在热力学模型中模拟出相应点的工况, 并计算出各个测点的压力、流速、温度、质量流量, 选择其中的数据作为CFD计算的边界条件。

2.3 CFD计算

2.3.1 划分网格

使用FIRE自带的前处理器FAME生成计算网格, 见图2。考虑到壁面附近的边界层影响, 在壁面上生成1层的边界层网格。为了明确出口流动方向, 将四个出口段延长30 mm。最终的网格数量约为18.5万。

2.3.2 设置求解参数

CFD计算时采用瞬态计算模式, 设置时务必设置一种名为EGR的空气物质, 其目的是能够在计算结束时, 与新鲜空气区别开, 以方便计算EGR率。

计算时设定管内空气流动为可压缩的粘性湍流流动, 空气密度为变量, 湍流模型选择常用的四方城模型k-zeta-f方程, 并使用混合壁处理来描述壁面附近边界层流体速度、压力等的分布。而对于收敛性的判断标准设置为参差小于0.000 1。

3 计算结果

图3为2 660 (r·min-1) /0.286 MPa (EGR率最大的工况点) 时EGR气体在进气歧管内部的分布。图中选取的分别是曲轴转角510°, 690°, 150°, 330°时的分布, 这四个曲轴转角代表的是EGR气体最多的时刻。从图中可以看到, EGR管路的区域EGR率为1, 即此时管路里面的气体全部是EGR气体;而进气总管处的区域EGR率为0, 即此时管路里面的气体全部是新鲜空气。

通过对各个时刻的EGR率进行统计, 得到图4、图5所示的计算结果。

根据评价标准, EGR率的相对误差必须控制在±5%以内。从计算结果来看, 两种工况下, EGR率的相对误差都在±2%以内, 完全满足评价标准, 可以认为EGR分布均匀。

4 结论

我们通过FIRE对某柴油机的EGR率进行数值模拟, 计算中选择两个工况点:2 660 (r·min-1) /0.286 MPa (EGR率最大的工况点) 以及2 660 (r·min-1) /1.165 MPa (标定工程师重点关注的工况点) 。结果显示, 在两种工况下, EGR率都保持在±2%以内, 满足评价标准。

这种运用CFD技术分析的方法, 可以了解各支管的EGR率分布情况, 并为进气歧管的优化设计提供理论指导, 是研发过程中必不可少的一种技术手段。

摘要：通过CFD技术对某型柴油发动机的EGR率分布进行数值模拟。计算中选择了两个计算工况, 采用瞬态计算模式, 对各个工况下EGR气体在进气歧管中的分布进行了计算, 结果显示, EGR率的偏差控制在±2%以内, 满足评价标准。

关键词：进气歧管,EGR率,CFD

参考文献

[1]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社, 2004.

[2]王超, 许涛.某柴油机进气歧管EGR率分布[J].汽车工程师, 2012, (6) .