内燃机的废气再循环技术
第4期2004年8月内燃机
InternalCombustionEnginesNo.4Aug.2004
内燃机的废气再循环技术
周玉明,胡健丽
(重庆石油高等专科学校,重庆400042)
摘要:介绍内燃机废气再循环(EGR)的工作原理、废气再循环量的评价指标EGR率、汽油机的EGR系统控制和柴油机EGR的效果及控制,以及采用EGR对柴油机工作过程和性能的影响。
关键词:EGR的工作原理;EGR率;汽油机的EGR系统控制;柴油机EGR的效果及控制
中图分类号:TK401.5 文献标识码:B 文章编号:1000-6494(2004)04-0040-03
EGRTechnologyforInternalCombustionEngines
ZHOUYu-ming,HUJian-li
(ChongqingPetroleumCollege,Chongqing400042,China)
Abstract:ThispaperintroducestheworkingprincipleofEGRinI.C.engine,theevaluationindex-EGRrateforEGRamount,EGRsystemcontrolingasolineengine,EGReffectandcontrolindieselengine,influenceofusingEGRontheworkingprocessandperformanceofdieselengines.
Keywords:theworkingprincipleofEGR;EGRrate;EGRsystemcontrolingasolineengine;EGReffectandcontrolindieselen2gine
内燃机的有害排放物主要是HC,CO,NOx和微粒。降低有害排放物的方法多种多样,废气再循环EGR是控制和降低排放,特别是降低柴油机有害排放的有效措施之一。国外已将EGR技术广泛地应用于车用内燃机上。国内对内燃机排放指标的要求也越来越严,对EGR技术的研究也越来越重视。
2 EGR率
废气混入的多少,用EGR率来表示,其定义为:
废气还流量
EGR率=
废气还流量+进气量
随EGR率的增加,NOx的排放量会迅速下降。新鲜混合气混入废气后,其热值下降,燃烧速度和燃烧温度下降,发动机在全负荷时的最大输出功率会有所下降;中等负荷时,采用较大的EGR率会使燃油消耗率升高,HC排放上升;小负荷,特别是怠速时,使用EGR使燃烧不稳定甚至导致缺火。为了使EGR系统能更有效地发挥作用,保证发动机的动力性能,其关键在于根据发动机的温度及负荷的大小控制EGR率,使之在不同工况下得到各种性能的最佳折中,实现减少NOx生成量的控制目标。当发动机启动、暖机时冷却水温和进气温度较低或发动机怠速或小负荷运转时,NOx的生成量很少,通常不使用EGR;当发动机水温达到正常工作温度、负荷增大运转时,燃烧室内温度升高,促使NOx的生成,此时最好的方法是降低燃烧室温度,采用EGR,由于NOx生成量随负荷的增大而增大,随负荷的增大应相应增大EGR率,一般不超过20%。由此NOx的排放可降低50%~70%。如果EGR率超过这个界限,燃烧速度太慢,燃烧波动增加,HC排放增加,动力性和经济性就随之恶化。但在全负荷运行时,由于最大输,,1 EGR的工作原理
所谓废气再循环是在保证内燃机动力性不降低的前提下,根据内燃机的温度及负荷大小将发动机排出的废气的一部份再送回进气管,和新鲜空气或新鲜混合气混合后再次进入气缸参加燃烧,使燃烧反应的速度减慢,从而降低NOx的排放量,是控制NOx排放的主要措施。
废气中的氧含量很低,含有大量N2,CO2和水蒸气,这三种气体很稳定,不能燃烧,可吸收大量热量。当一部份排气经EGR控制阀还流回进气系统与新鲜空气或新鲜混合气混合后,稀释了新鲜空气或新鲜混合气中的氧浓度,使燃烧速度降低。这两个因素都使燃烧温度降低,从而有效控制了燃烧过程中NOx的生成。
作者简介:周玉明(1946-),男,四川成都人,教授,主要从事内燃机方面的教学与研究工作。
收稿日期:2003-12-11
第4期周玉明等:内燃机的废气再循环技术# 41#
成量多,也不宜采用EGR。
此外,要保证再循环的废气在各缸之间分配均匀。为了精确控制EGR率,最好采用电子控制EGR阀系统。为提高降低NOx的排放效果,可采取中冷EGR,将废气冷却后再还流回气缸使进气温度降低。中冷EGR技术不仅可以降低NOx排放,还可使其他有害排放降低。
的减小而加大,因而EGR阀的开度将随负荷的减小而加大,这显然不符合要求。为此改用双膜片阀。
3 汽油机EGR系统的控制
3.1 EGR系统控制方法的分类
EGR系统按控制方法可分为四种类型。A型:进气负压控制,节流阀下方注入。B型:进气负压控制,节流阀上方注入。C型:排气压力控制,节流阀下方注入。D型:进气负压与排气压力双阀控制,节流阀下方注入。
从各控制方法的EGR率及NOx排放随负荷变化的特性来看,A型较为简单,但特性很差,尤其是在高负荷时,不能满足要求,使用较少。随着NOx排放法规的日益严格,采用C型和D型较多,但这两种方法的结构较复杂。
图1即为日本丰田4K-U发动机使用的C型调
节方法。
1.真空驱动EGR阀2.排气管3.发动机4.进气管5.温度控制阀6.电控真空调节器7.ECU8.EGR阀位置传感器9.电磁式EGR阀
图2 车用汽油机的EGR控制系统图
双膜片阀的主膜片保持最大负荷下驱动真空度小时EGR阀关闭。发动机转速降低时,排气背压降低,副膜片在小弹簧作用下下移,打开控制阀,使主膜片室内的真空度流失,EGR阀开度减小。若全靠真空控制,EGR阀设计得再巧妙也不能达到理想的控制。电控真空驱动的EGR系统用预先标定的脉谱通过电控真空调节器6控制EGR阀1的开度,大大提高了控制的自由度。闭环电控EGR系统应用了带传感器8的线性位移电磁式EGR阀9,进一步提高了控制精度。
3.3 用计算机直接控制的废气再循环
计算机直接控制的废气再循环见图3。
图1 C型EGR控制实例(4K-U机)
在进气负压控制气道中串入双金属温控真空阀(BVSV)及EGR排气阀(BPT)。当负荷上升时,EGR阀的开启变小,造成中负荷后EGR率下降。BVSV的作用是当水温低于30e时关闭气路,防止CO和HC增加;当水温超过40e时,阀打开。
3.2 车用汽油机EGR的控制系统
车用汽油机常用真空控制、电控真空控制、闭环电控三种EGR控制系统,如图2。
在真空控制EGR系统中,除切断EGR用温度控制阀5实现以外,其余控制全靠进气管节气门后的真空度和真空驱动EGR阀的构造来保证。如EGR
阀,1.空气流量计2.节气门位置传感器3.水温传感器4.发动机转速传感器5.ECU6.三通电磁阀7.废气调整阀8.废气再循环阀
图3 计算机直接控制的废气再循环
图3中,废气再循环阀的作用是调节再循环的废气量。作用在废气再循环阀8真空膜片室内的真空度越大,阀的开度就越大。废气调整阀7的作用是利用进气管真空度的变化,按节气门开度的大小8,
阀8的开度能随节气门的开大而增大,使再循环的废气量能随发动机负荷的增大而相应增大。三通电磁阀6由计算机控制,计算机根据空气流量计1、节气门位置传感器2、水温传感器3、发动机转速传感器4等测得的信号,在一定条件下断开三通电磁阀6的电源,切断真空管路,让空气进入废气调整阀7,使废气再循环阀8关闭,取消废气再循环。废气再循环阀8的工作条件是:发动机水温低于50e;怠速或小负荷运转(转速低于1000r/min);高速运转(转速高于4500r/min);突然加速或减速。
有些车型的发动机在废气再循环阀上设置了一个位置传感器。废气再循环阀的膜片带动位置传感器可变电阻的滑动触点,使废气再循环阀的开度转变为电阻或电压的变化,计算机再根据废气再循环阀位置传感器的信号即可检测出废气再循环阀是否工作及开度是否正常。当废气再循环阀不能正常工作或开度过大、过小时,计算机可通过废气再循环控制电磁阀来调整废气再循环阀的开度。若调整无效,计算机将使发动机故障警告灯亮,表示发动机控制系统出现故障。
为消除EGR对动力性和经济性的负面影响,往往同时采用一些快速燃烧和稳定燃烧的措施,如加强缸内混合气的湍流强度,加大点火能量等。
EGR的这种效果也可以通过不充分排气增大滞留于缸内的废气量(即增大残余废气系数)来实现,这种方法称做内部EGR。它可通过调整进气相位角(如加大进排气重叠角)或排气系统的波动效应等方法来实现。这样,发动机不需大的改进,但内部EGR率难以控制,且新鲜混合气的加热作用强,除影响进气充量外,还会造成压缩终了温度的提高,导致降低NOx的效果变小。
由于废气的引入使进气的温度升高,在低负荷时因喷入柴油机的燃油量较少,使着火延长期减少;而在大负荷时,因喷入的燃油量增大,由于废气的引入使燃气中的氧浓度变小而对着火不利,使着火延长期增大。
采用EGR可使NOx明显降低的原因除由于大量隋性气体阻碍了燃烧的快速进行及混合气的比热容增大使燃烧温度降低(EGR率为20%和25%时,燃烧最高温度比无EGR时分别低50e和100e左右)外,EGR对进气加热和稀释造成实际的过量空气系数下降也是重要原因。因此,在NOx降低的同时,尤其在较大负荷时,碳烟和油耗会随之恶化,可采用冷却EGR的方法使发动机性能恶化的趋势受到抑制。
由于燃烧速度的减慢,可使压力升高比下降,既可改善柴油机工作的粗暴性,且随EGR率的增大而更明显,还可使最高爆发压力降低,且最高爆发压力的出现角度前移。4.2 EGR率的控制
EGR对发动机性能的负面影响,主要表现在大中负荷时,而小负荷时影响不大,甚至油耗和HC排放还略有改善。实际应用时,应随工况的不同而改变EGR率。高速大负荷时,停用EGR;随负荷及转速的降低逐步加大EGR率。各种工况的最佳EGR率应由试验来确定。
对EGR率的控制,国外多用电子控制系统,图4即为一实用化的EGR系统。
4 柴油机EGR的效果及控制
4.1 EGR对NOx和柴油机工作过程及性能的影响
由于柴油机燃烧时过量空气系数总是大于1,排气中的氧含量比汽油机高得多,CO2浓度要小得多,因而必须使用比汽油机更大的EGR率才能有效降低NOx。一般汽油机的EGR率不超过20%,而直喷式和非直喷式柴油机的EGR率可分别超过40%和25%。
由于废气的温度比新鲜空气的温度高,随着EGR率的增加,进气温度会提高;而柴油机负荷和排气温度的增加又会进一步提高引入废气的温度,随
着图4 柴油机的GRE控制系统
电控系统根据发动机的转速信号、油泵齿条位移信号(供油量)和水温信号等,按预先设定的脉谱图改变EGR率。柴油机还流管的直径比汽油机的大得多,这是由于柴油机进排气管之间的压差较小,所需的EGR还流量又远大于汽油机。另外,为提高
(下转第44页)
2 观察排烟温度分析故障原因
通过机旁或机舱监控室监测系统,观察各缸排烟温度,从而分析可能的故障原因。2.1 排气温度过高
排气温度过高的主要原因可能是:柴油机负荷过大(这时应降低负荷,减少喷油量);喷油过迟,后燃现象严重;喷油器漏油;排气阀漏气;气口堵塞;扫气压力不足等。2.2 排气温度过低
排气温度过低的主要原因可能有:喷油过早(应调整提前角);喷油气油孔堵塞;喷油泵供油不足;负荷过低;高压油泵弹簧断掉或柱塞卡死等。
从以上的分析情况看,在设备运转的过程中,注意观察排温及烟色,对于分析处理各种故障是很有帮助的,实际情况也是如此。在处理故障时,一次遇到这样的情况,一台日本YANMA生产的型号为6HAL、增压器为IHI的船用柴油机,在运转过程中发现,其不带负荷运转时,一切正常,但是加上负荷后,
不能完全发挥其满负荷功率。分析过程中发现其各缸排气温度过高,而该设备刚刚检修过,当时认为可能是燃油系统的问题。其中高压油泵刚换新,进排气阀研磨过,这两部分就被排除,估计可能是喷油滞后,通过检查喷油提前角,发现滞后了5eA,经调整后发现排温虽稍微降低,但还是偏高,走到船尾,发现排烟呈现黑色,排除燃油系统原因,断定是进气系统的问题。由于进气压力不足,造成燃油不完全燃烧,而检修时进气滤器、管路都已检查过,唯独增压器没有动过,分析应该是增压器进气阻力太大造成。拆开增压器,发现转子叶片特别脏,附着很多油泥、灰尘等,经清除、装复、试车,一切恢复正常状态,排烟也呈现出淡灰色。
由此可见,在柴油机运转过程中,必须认真观察分析一些常见现象,从而来判断设备的状况,尤其是排烟温度及烟色,因为它是最简单、直观、准确的故障现象。设备管理人员只有把握住这些简单现象发生的原因,才能保证整台设备的正常运转,从而保证整艘船舶的正常航行。
(上接第42页)
排气再循环量,在柴油机的进气门上加上了节气门,以便在低负荷时通过进气节流的方法增大排气管与进气管之间的压差。
在增压柴油机中,经常会出现增压压力大于排气压力的现象。为确保排气再循环,在排气再循环阀前应加一个单向阀,以便利用排气脉冲进行排气再循环。4.3 EGR引起的异常磨损
由于柴油中含有硫份,排气中会生成SO2,最终可能会生成硫酸(H2SO4),这对系统的管路、阀门及气缸壁面会造成腐蚀,并使润滑油劣化;排气中的微粒还流回气缸,易附在摩擦面上或混入润滑油中。这些都会导致气缸套、活塞环及配气机构的异常磨损。在EGR率为20%时,第一道活塞环和气缸套的磨损量是无EGR时的4~5倍(试验时使用的柴油的含硫量为0.5%)。为了防止磨损,必须降低柴油的含硫量,欧美日等国已将柴油中的含硫量降至0.005%以下。润滑油也应作相应改进,缸套等部件的材料也应考虑耐腐蚀和耐磨损的问题。
中NOx排放的有效措施,可降低NOx20%~50%。
b.随工况的不同,其最佳EGR率也不同。因此应对不同工况进行细致的匹配,采用电控(计算机控制)最好。
c.柴油机的EGR率可比汽油机大,但一般以不超过30%为宜,否则会使功率和油耗恶化。d.采用EGR后,柴油机工作的粗暴性可得到明显改善。
e.在采用EGR技术的同时,对回导的废气进行冷却,即采用中冷EGR,效果更好。
f.采用EGR技术后,相关部件的磨损加大,使用时应充分重视。
1参考文献2
112 周玉明.内燃机废气排放及控制技术1M2.北京:人民交
通出版社,2001.
122 王忠.排气再循环对柴油机工作过程参数、性能和排放
的影响1J2.内燃机学报,2002,20(5):387-390.132 宋传平.气体燃料发动机新技术(一)1J2.内燃机,2003,
(5):5-7.
5 结束语
a.EGR技术是降低内燃机,特别是柴油机废气