废气再循环系统对柴油机的影响

李伟

广西省玉林市537000

摘要：废气再循环技术(exhaustgasrecirculation,EGR)是柴油机空气预处理的重要手段,也是满足未来柴油机排放法规要求的关键技术。EGR具有稀释可燃混合气,降低燃烧温度的作用,无论是传统燃烧模式,还是新型高效清洁燃烧模式下,EGR技术都是改善柴油机性能,降低NOx排放的关键技术。采用EGR技术后,将燃烧废气引入气缸,改变了进气成分,稀释了缸内混合气的氧气浓度,提高了进气温度,达到了改善燃烧过程的作用。

关键词：废气再循环系统；柴油机；影响

前言

柴油机一般用于大型车辆，其NO2排放恶劣，EGR技术是目前减少NOx排放的最有效实用措施之一，但若控制不当，会对柴油机工作性能产生一定影响。并且车辆在实际行驶时，柴油机工作在工况改变条件下，对废气需求也会随着工况而变化，采用PID控制可即时精确地控制引入的废气量，可兼顾柴油机的综合性能。

1柴油机的发展状况

我国社会经济的不断发展，柴油机排放技术的研究落后于汽油机是不争的事实，柴油机空气利用率要差，功率比汽油机要低，低温启动性、加速性能要差，比质量要高，碳烟和高的NOx排放一直是阻碍柴油机车辆的瓶颈。我国的实际情况不管是标准的松紧程度，还是道路交通情况都和欧洲相似。因此，我国的排放法规是以欧洲的排放法规为蓝本，全面采用了欧盟指令、ECE技术和部分欧共体法规。我国在近些年来大力提倡节能减排政策并制定了严格的柴油发动机排放的法例加以规管。为了满足未来法规的要求，必须同时减少NOx和烟尘的排放。表1为我国重型柴油机排放标准。

表1我国重型柴油机排放标准

2柴油机EGR系统工作机理

柴油机燃烧后产生废气，EGR系统将这些废气的一小部分再送回气缸，降低燃烧室燃烧温度和燃烧速度，以此来抑制NO，的产生。再循环的废气质量与燃烧室内混合气质量之比，称为EGR率。

2.1柴油机典型EGR系统工作过程

根据控制方式分为：机械式和电控式。机械式控制，可调节的废气量过小，控制粗糙。电控式控制，可以实现高度精确灵敏的实时控制，并且可实现废气量调节范围宽广，可满足柴油机大部分工况下废气需求。小部分废气先经过冷却，而后通过EGR阀进入燃烧室内，由电控单元控制EGR阀门开度，以调节引入的废气量。EGR阀与电控单元是EGR系统的主要元件，通过设定在控制单元的控制算法与控制指令，电控单元可以根据柴油机工作状况的不同而即时精确的调节EGR阀的阀门开度，调节废气量，以此来抑制NOX的生成。

2.2EGR系统工作机理

柴油机在工作时，过量空气系数要远大于1，即燃烧室内空气量富余，这将导致燃烧室内温度高，且燃料高温燃烧时间长，这为NOx的产生创造了必要因素。EGR系统的作用主要是通过抑制NOx产生要素来实现的。通过将小部分废气(含H2O、CO2、N2等气体)，导入到燃烧室内，提高混合气的热容量，降低了燃烧室内混合气的燃烧温度和燃烧速度，以此破坏NOx的产生要素。

3EGR系统对柴油机性能的影响及相应控制策略

EGR系统的引入，在减少NO，生成的同时，也会对柴油机其他工作性能产生一定的影Ⅱ向，若对废气引入的控制不当，会对柴油机动力性及经济性产生较大影响。因而要对EGR系统对柴油机性能影响作以细致分析，基于此提出相应的控制策略，这对改善柴油机综合性能有实质意义。

3.1EGR对柴油机工作性能的影响

柴油机工作在不同工况下，引入废气量的多少将对柴油机工作性能产生不同程度的影响，以EGR阀开度￡的大小来表示废气量的多少，EGR系统对柴油机不同工况下的影响如表2所示。

表2EGR系统对柴油机工作性能的影响

3.2气体成分对压力和放热率的影响

由于CO2的比热容值较高,导致喷油时刻缸内混合气温度较低,在进气压力不变条件下,CO2对进气氧浓度起到一定的稀释作用,在高热容、低氧浓度的缸内氛围条件下,滞燃期延长,着火时刻推后,并且远离上止点,造成缸内最高爆发压力急剧降低,放热率峰值降低,峰值对应的曲轴转角推迟。

3.3气体成分对燃烧持续期和滞燃期的影响

CO2对进气氧浓度产生的稀释效应,氧浓度降低,缸内燃油和新鲜空气的混合速率降低,达到着火要求需要更长的混合时间,导致滞燃期增加,着火时刻推后,混合气变浓,燃料不能完全燃烧,燃烧结束较早,导致燃烧持续期缩短。而N2的比热容值较小,仅起到对进气氧浓度的稀释作用,着火前的缸内温度较高,对燃烧持续期的影响较小。

3.4废气温度对燃烧持续期和滞燃期的影响

EGR废气温度不仅会对进气温度产生影响,也会间接影响柴油机的循环进气量,进而对柴油机缸内的雾化、混合、着火等整个燃烧过程产生影响。同时,喷油时刻缸内温度对于混合气着火难易程度和滞燃期具有很大影响。随着废气温度增加,废气对进气的热节流作用增加,气缸内的氧浓度降低,燃烧速率降低,并且喷油时刻缸内温度较高,混合气达到自燃温度时的相位提前,由于废气温度升高导致着火时刻提前,预混燃烧比例减少,扩散燃烧比例增大,预混期内油气混合质量变差,喷油时刻缸内温度升高削弱了进气热节流作用,导致滞燃期缩短,混合气变稀,燃烧结束时刻推后,燃烧持续期延长。

3.5气体成分对燃烧中间产物的影响

与通入废气时相比,通入N2时,H2O2以及CH2O•的峰值均有所降低且形成时刻有所提前；通入CO2时,峰值均有明显升高且形成时刻推迟.与N2相比,通入CO2后,在CO2高热容值以及对进气氧浓度稀释作用下,使缸内燃烧温度有较大幅度降低,对产生•OH的反应H2O2＋Ｍ→OH＋OH＋Ｍ阻滞作用较强,同时导致CO的生成时刻也有所推迟。但由于引入CO2后,一方面燃烧温度降低,不利于CO氧化转化成CO2；另一方面,燃烧过程中在高温作用下,CO2会与C产生反应,生成大量CO；在两者共同作用下,导致与通入废气相比,只通入CO2时CO峰值有较大幅度增加.综上所述,EGR废气成分中,CO2对燃烧关键中间产物的影响最大,是阻滞燃烧的主要气体成分。

3.6废气温度对燃烧中间产物的影响

燃烧过程中一些关键中间产物的形成过程对温度的敏感性较高,柴油机采用EGR技术后,除了将柴油机燃烧产生的CO2、N2等气体成分再次引入气缸,还会对进气产生加热效果,改变燃烧过程中关键中间产物的生成条件。由于废气温度增加,达到柴油、H2O2等分解所需温度的时间较短,低温反应时间提前,反应速率加快,使•OH、H2O2、CH2O•以及CO生成时刻均有所提前,但随着EGR废气温度增加,对进气的热节流作用增大,导致缸内氧气含量下降,并起到主导作用,导致柴油脱氢、加氧反应以及H2O2的分解反应受阻,使•OH、H2O2、CH2O•以及CO的峰值均有所降低,生成的区域范围缩小。

参考文献：

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