助力节能减排,汽油机EGR技术解析

文章来源:汽车动力总成 点击数:2433 发布时间:2019-12-05
汽油发动机应用EGR技术能够降低油耗,根据发动机和EGR控制策略不同有效燃油消耗率能够降低3%-8%。
助力节能减排,汽油机EGR技术解析

柴油发动机应用EGR(废气再循环)技术主要目的为降低NOx排放,在适应国Ⅲ以上排放标准的发动机减排技术路线中应用非常广泛。汽油发动机应用EGR技术能够降低油耗,根据发动机和EGR控制策略不同有效燃油消耗率能够降低3%-8%。汽油发动机增加EGR系统,随着EGR率的增加,HC增加,但NOx排放显著降低,高达约80%,因此将三元催化器和EGR技术相结合,可以在满足欧六排放法规的同时,大幅提高汽油机部分工况下的燃油经济性。基于EGR技术在节能减排方面的显著作用,国内多数汽油发动机厂已开始EGR项目的开发。

微信图片_20191205152752.jpg

1、EGR分类:高压EGR与低压EGR

应用于带涡轮增压器的发动机的EGR系统按照布置位置可分为高压EGR系统、低压EGR系统和高低压双回路系统。在涡轮之前取气,气体压力较高,称为高压 EGR。经过涡轮做功后气体压力较小,称为低压 EGR。

微信图片_20191205152804.jpg

高压 EGR 优点在于对压轮和中冷器没有损害;另外由于管路相对较短,压力较高,空气流速较高,使 EGR 反应速率较高。压差大,小口径的阀即可满足流量要求。应用时间较长,标定技术成熟。

缺点在于仅在一定范围的rpm和负荷下使用EGR,覆盖不到抗爆震区域,其成本也高于低压EGR。由于在涡轮前端取气,一定程度上降低涡轮效率。另外还需要考虑EGR阀和冷却器被废气污染,总体节油效果相对低压回路EGR较低。

微信图片_20191205152806.jpg

低压 EGR 的优点是排气经过压轮、中冷器,然后被平均分配到四个气缸中,因此四个缸的燃烧比较均匀,各缸的燃烧一致性比较好。另外,在涡轮后端取气,涡轮效率无损失。而且废气百分百都经过压轮,使其响应速率提高,减少涡轮迟滞现象。更为重要的是,低压EGR可在全工况范围内使用,相比高压EGR能够达到更好的节油效果。一般建议在三元催化器后端取气,这样对冷却器和阀的污染较小。

低压EGR的缺点是压差低,因此需配合使用混合阀才能在全部工况内满足流量要求。废气引入压气机之前,需考虑压气机和中冷器的污染问题,冷却器进气口法兰需安装滤网。相比高压EGR管路要长,因此响应速度要慢。同时低压EGR还需要考虑可靠耐久问题(管路布置、吸振设计)以及冷凝水问题,建议压气机和中冷器增加防腐蚀涂层,如此,相对高压EGR,低压EGR的系统更加复杂,成本更高,并且在标定技术上不如高压EGR成熟。

低压回路结构特点

微信图片_20191205152809.jpg

低压回路系统两端压差较低,为满足流量要求,与高压回路选用提升式EGR阀不同,其一般选用通流能力更强的蝶阀EGR阀;由于部分工况下系统两端压差过低,一般需在空滤器后增加混合蝶阀,通过调节混合阀的开度制造负压,保证EGR流量满足需求;为精准控制EGR流量,ECU需通过压差、温度及阀口开度计算废气流量,一般需在EGR阀进出口间安装压差传感器,并增加EGR阀上游温度传感器。

2、EGR主要作用及原理

微信图片_20191205152811.jpg

1)增加混合气比热容,优化燃烧

一部分废气通过EGR系统回到燃烧室,混合气比热容增大。引入冷却EGR废气不仅能够增加混合气的平均比热容,而且能够增加混合气的总质量,从而使总热容增加。废气的稀释作用和热容效应对燃烧的抑制导致燃烧温度下降,燃烧持续期(累计放热效率为10%和90%对应的曲轴转角的差值)延长,减少燃烧过程中的传热损失。

微信图片_20191205152814.jpg

2)抑制爆震的发生

伴随汽油发动机小型化,其爆震的倾向性加强。传统的抑制爆震的方式为推迟点火提前角,降低压缩比,不利于降低油耗。引入EGR废气可以降低燃烧温度(比热容增加),减缓燃烧速度,延长燃烧持续期,抑制爆震,保持燃烧环境稳定。增加EGR系统,抑制爆震倾向,可以增大点火提前角,同时增大压缩比,有利于热效率的提升。抑制爆震主要基于经冷却的惰性EGR废气的引入,EGR冷却器下游温度越低,效果越明显,因此,EGR冷却器的换热能力对抑制爆震具有重要意义。

微信图片_20191205152816.jpg

3)减少混合气加浓

为保护发动机排气端零部件,汽油机的排气温度有一定限制,伴随转速及负载的增加,废气排温升高,高负荷工况时,一般会采用过喷油策略,降低空燃比,把排气温度降低。引入EGR后,混合气的热容增加,燃烧速度减缓,优化燃烧,降低燃烧温度,从而降低排气温度。压缩比提升后,在发动机的低速高负荷区域,为抑制爆震,需延迟点火,而延迟燃烧又导致废气排温的上升,从而不得不采用过喷油策略,引入EGR系统,能有效解决此问题。同时,过喷油导致PM排放增加,在发动机的高负荷区域,引入EGR后,降低过喷油使PM排放减少,在直喷汽油机中,这一作用尤其明显。应用EGR技术,减少混合气加浓,对于汽油发动机降油耗作用明显。

微信图片_20191205152818.jpg

4)降低泵气损失

发动机在低负荷区域工作时,节气门开度较小,产生更大的节流作用,导致泵气损失比较大,随着负载的增加,泵气损失会逐渐减小。引入EGR废气后,为保持足够的新鲜充量,必须增大节气门开度,泵气损失也会随之减小。引入EGR系统,能够在中低负荷区域有效降低泵气损失,对于高压系统,在高负荷区域,为减少涡轮增压器的效率损失,EGR率降低,EGR系统在降低泵气损失方面的作用也会降低。

微信图片_20191205152821.jpg

5)各工况点的EGR率

汽油发动机最大EGR率一般在20%左右。标定EGR率是一个复杂的过程,需要在不同工况点下节气门开度、VVT、增压器、点火提前角等参数的完美匹配,标定过程对降油耗效果至关重要。EGR率的增加导致燃烧稳定性(COV of IMEP)的下降,发动机负荷较低时,为保证一定的燃烧稳定性,不宜采用过大的EGR率。对于高压EGR系统,发动机高负荷运行时,必须保证足够流量的废气驱动涡轮增压器,EGR率不宜能过高。中等负荷时,可以引入较高的EGR率,从而抑制爆震,提高发动机的热效率。

微信图片_20191205152823.jpg

6)提高燃油经济性

通过引进EGR使得发动机燃烧效率提高、泵气损失减小、传热损失减小及燃烧相位的改善综合作用的结果下,发动机的燃油消耗率得到较好的改善。如下图所示,在发动机的抗爆震区域内可实现节油 4-6%,在优化燃烧的区域内可实现节油 5-15%,内部 EGR 区域可实现节油 1-2%,减少泵气损失区域内可实现节油 2-4%。研究表明,同时采用高压和低压两种 EGR 是最理想的,但是综合考虑技术和成本问题,在清洁端取气的低压EGR 方案是应用的主要趋势。

微信图片_20191205152826.jpg