EGR系统范文

EGR系统范文（精选9篇）

EGR系统 第1篇

体积大、噪音高、污染严重, 是人们前些年对柴油机的一致看法。然而, 随着各国日趋严格的排放法规的颁布, 大量新技术被应用到柴油机上。经过几十年的发展, 现代柴油机已成为一种排放清洁、节省能源的动力而被广泛应用到农业机械、工程机械、汽车 (客车以及轻型车、轿车) 等领域。从世界汽车工业发展的轨迹看, 动力引擎柴油化已成必然趋势。

1 柴油机排放有害物的组成

柴油机排放的废气中包含有气态、液态及固态的污染物。气态污染物中含有CO2, CO, H2, NOx, SO2, HC和氧化物、有机氮化物及含硫混合物等;液态污染物中含有H2SO4, HC和氧化物等;固态污染物有碳、金属、无机氧化物、硫酸盐, 以及多环芳烃 (PAH) 和醛等碳氢化合物。

而排放的污染物中, 最主要的是CO, HC, NOx以及固体微粒 (PM) 。CO是柴油不完全燃烧产生的无色无味气体;HC也是柴油不完全燃烧和气缸壁淬冷的产物;NOx是NO2与NO的总称, 它们都是在燃烧时空气过量、温度过高而生成的氮气燃烧产物, NO在空气中即被氧化成NO2, NO2呈红褐色并有强烈气味;PM是所排气体中可见污染物, 它是由柴油燃烧中裂解的碳 (干烟灰) 、未燃碳氢化合物、机油与柴油在燃烧时生成的硫酸盐等组成的微粒。为了控制废弃污染, 许多国家都制订了相应的环保法规和排放污染物防治的技术政策, 以及控制排放污染物限制的技术监督标准。欧盟柴油机稳态试验 (试验程序ESC) 时的排放标准, 如表1所示。

现在各国对NOx的排放限制越来越严格, 单靠改善发动机的工作过程, 一方面很难显著减少NO 的排放, 另一方面会影响发动机其他方面的排放指标, 而采用EGR可以有效地降低NOx的排放[1]。

2 EGR系统简介

废气再循环 (EGR) 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一部分再送回进气管。

废气中的氧含量很低, 含有大量N2, CO2和水蒸气, 这3种气体很稳定, 不能燃烧, 可吸收大量热量。当一部分排气经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。由于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。

3 电控EGR系统工作原理

目前, 市场上出现的EGR系统主要有3种:机械式、气电式和电控式[2]。由于电控式EGR系统与机械式、气电式相比具有动态响应好、调节精度高、排气回流量大及结构简单等优势, 因此成为柴油机控制系统的主要发展方向。

EGR电控系统控制原理, 如图1所示。根据发动机的转速信号、油门位置信号 (油泵齿条位移) 和水温信号等, 按预先设定的脉谱图改变EGR率。柴油机还流管直径比汽油机大得多, 这是由于柴油机进排气管之间的压差较小, 所需的EGR还流量远大于汽油机。另外, 为提高排气再循环量, 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。为了确保排气再循环, 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 EGR对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, CO浓度要小得多, 因而必须使用比汽油机更大的EGR率才能有效地降低NOx。

EGR率以进排气中CO2的体积分数来定义[3], 即

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式中 φCO2in经过再循环废气稀释后的进气中CO2的体积分数;

φCO2out排气中CO2的体积分数。

EGR率与NOx关系如图2所示。由图2可以看出, 随着EGR率的增大, NOx的排放明显降低。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%。试验研究证明, 废气再循环率为15%时, NOx排放可以减少50%以上, 而废气再循环率为25%时, NOx排放可减少80%以上[4]。

采用EGR可使NOx明显降低的原因:一方面由于大量惰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;另一方面, EGR对进气加热和稀释, 造成了实际的过量空气系数下降, 降低了混合气中氧气的浓度, 因而废气再循环破坏了NOx的生成条件, 从而有效抑制了NOx的生成。由于废气的温度比新鲜空气的温度高, 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, 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。尤其在负荷超过75%时节气门开度, 虽采用EGR仍可进一步减少NOx排放, 但会造成发动机动力性及经济性大幅度下降[5]。此时可以采取冷却EGR的方法, 使发动机性能恶化的趋势受到抑制。EGR温度对NOx排放的关系如图3所示。

5 EGR系统的控制原则

为了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。即按照发动机转速及负荷变化, 针对不同的工况、油门开度以及加减速等工况的特点, 同时适当考虑温度、气压等因素对EGR的修正影响, 对引入进气岐管的废气量进行综合控制。其基本原则是:在发动机起动、加速以及大负荷高速行驶时关闭EGR阀, 停止EGR;而在低、中等负荷时EGR率应随负荷的增大而增大。

6 结束语

1) EGR技术是降低内燃机, 特别是柴油机废气中NOx排放的有效措施。

2) 采用EGR后, 柴油机工作的粗暴性可得到明显改善。

3) 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。

4) 采用EGR技术后, 相关部件的磨损加大, 使用时应充分重视。

5) 发动机处于中小负荷工况时, 采用EGR的效果十分显著。当EGR率为3O%左右时, 发动机的排放及综合性能较好;采用较大的EGR率降低NOx排放效果更加明显, 且发动机经济性的下降并不突出。

6) 发动机在大负荷工况时, 若采用EGR, 则会导致发动机的经济性和动力性明显下降, 另外, 还会增加活塞环和缸套的磨损及加速润滑油的变质, 因此大负荷工况时不宜采用EGR。

7) 采用EGR, 虽使发动机的其他排放污染物有所升高, 但均在允许范围之内。

综上所述, 采用EGR技术可以有效地改善柴油机的排放污染。为了满足越来越严格的排放法规, 除了采用EGR技术以外, 还要辅以其他技术措施是很有必要的, 可以采用EGR+颗粒捕捉技术、EGR+电控高压喷油技术、EGR+进气富氧技术、EGR+涡轮增压中冷技术等组合方案。今后, EGR技术也将在重型柴油机领域得到广泛的应用。

参考文献

[1]李娜.EGR在柴油机中的研究应用[J].车用发动机, 2002 (2) :23-24.

[2]周奇.车用排气再循环系统的发展及应用研究[J].小型内燃机与摩托车, 2002 (2) :4-6.

[3]邬静川, 邓康耀, 尹琪, 等.开发EGR、压缩空气补气技术, 综合治理车用柴油机的有害排放[J].柴油机设计与制造, 2001 (2) :15-19.

[4]曲明辉.柴油机NOX排放控制技术[J].小型内燃机, 1999 (6) :1-5.

EGR系统 第2篇

关键词：塑料齿轮；变位系数；齿宽；全圆角

中图分类号： TM23 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）23-144-2

0 引言

近年，随着塑料齿轮具有质量轻、噪声低、自润滑好、生产效率高、制造成本低等特点，高强度、高性能的塑料，则成为当今社会研究的重要课题。

因塑料零部件较金属材料可实现节能减重，降低油耗，提高生产和组装的效率、减噪降震效果、可耐受各种车用液体、耐受摩擦和腐蚀性能等优势，在发动机零部件领域应用随之增加，而高精度、高强度则是塑料类零部件发展的主题，进而高功能塑料（如PES等）逐步得到应用。

1 问题描述

某发动机在耐久试验过程中，发动机存在故障灯点亮问题，排查发现发动机EGR阀无法开启，经对故障件拆解分析，EGR阀传动双联齿轮存在啃齿现象，排查同批次试验样件，同样存在齿轮啃齿现象，齿轮啃齿导致传动机构卡滞，EGR阀无法开启，齿轮啃齿现象如图1所示。

2 问题分析排查

2.1 齿轮受力情况排查

电控式EGR阀有直流电机驱动，经齿轮组减速后，由输出轴输出，经摇臂组件将旋转运动转化为直线运动，为实现电控阀的自回位功能，在阀杆组件位置设置有回位弹簧，实现阀的断电自回位功能。

经电机功率、扭矩对比及弹簧弹力对比，EGR阀试验运行过程中无异常受力情况，排除异常外力导致的齿轮断裂问题。

2.2 断口形态分析

首先对断裂齿轮断裂位置微观形态进行分析，经电镜1000倍放大后微观形态观察，如图2、图3所示，齿轮整体断裂，断裂部位源于齿轮根部R角与齿过渡区，断裂区域不存在气泡等注塑缺陷，碳纤组织分布均匀，初步分析为根部R角过渡区强度不足造成齿断裂。

2.3 齿轮受温度影响排查

侧隙是指安装好的齿轮副当一个齿轮固定时，另一个齿轮的圆周方向晃动量，以分度圆上弧长计。齿轮侧隙是为了保证齿面间形成正常的润滑油膜和防止由于齿轮工作温度升高引起的膨胀变形致使齿轮卡滞。因前期考虑齿轮受热的膨胀量，齿轮按照基齿厚制，拉大齿轮中心距，设定齿轮侧隙为（0.09-0.12）mm。经从有限元的分析结果看，高温条件下侧隙与常温差别不明显（PES塑料受温度影响不大），高温下不存在齿轮膨胀卡滞问题（图4所示）。

2.4 齿轮啮合排查

齿轮参数包括：模数，齿数，压力角，齿顶高系数，齿根高系数，齿宽，变位系数。齿轮传动其强度分为齿根强度和齿面接触强度。齿面接触强度，主要和两啮合齿轮的材料和齿面硬度及齿宽有关系；齿根强度，主要和齿轮模数和齿宽有关系；对于变位齿轮，则和变位系数也有一定的关系：对于正传动，也就是正变位齿轮，其齿根强度越强，而负变位齿轮则因齿根处被削弱，其承载能力下降，也就是强度下降。因考虑主动齿轮为小模数且齿数<17，采用滚齿加工方式，故齿轮变位系数设计为X1=0.3，中间过渡齿轮为PES高功能塑料齿轮，采用注塑工艺获得，故变位系数设计为X2=-0.298，经齿轮静态核算，齿轮不存在卡滞等问题。对比标杆齿轮数据，本设计中间过渡齿轮变位系数较大，且根部过渡角较小，存在齿根强度不足问题。

2.5 强度校核

按运行方式，通过动力学分析可以得出中间过渡齿轮啃齿原因是：在阀关闭后从动齿轮与主动齿轮运动不同步，主动齿轮（阀门关闭时转速约1200rpm）在惯性作用下会对中间齿轮产生冲击（如图5所示），中间齿轮同时会把冲击传递给从动齿轮，进而造成齿轮根部受冲击载荷达到110.3MPa，超过塑料齿轮的许用应力102MPa，造成齿轮齿根部断裂。

3 齿轮优化措施

3.1 啮合中心距修正

为防止齿顶干涉，将中心距a进行适当修正；为防止齿侧干涉，将公法线长度Wk、变位系数x作适当修正。中间过渡齿轮为轻载高速组齿轮，轻微的干涉将导致噪声甚至卡滞，过大的间隙则降低重合度并产生噪声、同时降低齿轮强度。其模数m 取0.45，在无侧隙啮合设计计算的基础上，将中心距增加量Δa=（0.15～0.25）m，小齿轮的公法线长度减小量ΔWk=-0.0425mm，大齿轮的公法线长度减小量ΔWk=-0.045mm。因此齿轮组中心距已确定，按中心距反推思路，变位系数取0.2。

3.2 齿顶圆直径的修正

为了减少生产中可能出现的干涉，防止齿顶过度变尖和模具加工困难，齿顶圆直径取下偏差，直径减小量0.045。

3.3 齿顶、齿根过渡圆弧半径的设计

齿顶、齿根过渡圆弧是影响齿轮强度及啮合过程的关键因素，结合塑料齿轮的设计经验，齿根圆过渡圆弧采用全圆角设计思路，而齿顶过渡圆弧则结合齿根圆弧的大小做对应的调整。设计过程中联合注塑齿轮模具的生产工艺（齿根过渡圆弧根据线切割加工工艺而设置的，其最小曲率半径取决于线切割加工所用的电极铜丝直径d、火花间隙、走刀次数等工艺条件）。为了保证足够的重合度和齿顶厚度，应尽量减小齿顶过渡圆弧半径，同时应满足条件：

ρa min=d/2+放电间隙+0.01

按小模数齿轮齿廓基本参数，齿根过渡圆弧半径ρf≤0.2m。为了保证轮齿齿根抗弯强度，在确保不发生过渡曲线干涉的情况下，应加大ρf的取值，且须满足线切割工艺限制条件，故按全圆角设计思路，取0.25。

3.4 齿轮宽度设计

齿轮传动组采用的为减速齿轮，设计经验中显示：为了保证齿轮接触线长度及提高小齿轮的齿面接触强度，取小齿轮的齿宽大于大齿轮的齿宽。本设计齿轮传动组中，小齿轮为铜合金材质，大齿轮采用塑料齿轮，材料性能的差异导致在啮合运行中，大齿轮齿面强度相对较小，故塑料齿轮设计经验中显示将强度低的齿轮齿宽增大5—10mm。

经计算，齿轮参数优化方案，参数见表1所示：

4 塑料齿轮的强度校核及验证

4.1 采用单齿受力校核

通过齿轮分度圆加载载荷方案进行强度校核，法向载荷0.07N·m，均匀分布在直齿圆柱小齿轮节点上，通过分析，齿轮各项应力值均大幅降低（约40%），具体数值见表2。

4.2 运动仿真校核

应用动力学运动仿真分析：①正常运行状态加载系统的传统载荷；②在阀门关闭时刻，增加从动齿轮与主动齿轮运动不同步冲击力。

应力等值线图显示（图6所示），在EGR阀关闭时刻因受齿轮不同步运动的冲击力，齿根过渡圆弧处接触线上出现最大负应力，即最大压应力，此是导影响塑料齿折强度的关键因素。

在初始设计中，最大压应力在齿根过渡圆弧上处，达110.3MPa，超过材料的许用极限应力值的8%。优化设计后，齿根过渡圆弧处压应力为52MPa，齿根应力显著下降。

4.3 试验验证

按优化后方案制作样件，装配总成进行试验，经单体耐久试验验证规范，带温度变化运行575H，各齿轮无啃齿及断裂问题，且齿轮副无异常磨损，与受力分析结果一直。试验后照片图7所示。

5 结论

本文提供了塑料齿轮设计思路及优化方案，结合注塑模具制造工艺（慢走丝线切割模具）和塑料注射成型工艺的特点，给出了相应的齿廓造型参数的设计修正原则和齿轮过渡圆角的设计原则，并应用有限元分析方法进行齿轮强度优化设计强度校核。改进后的齿轮使用寿命6百万次以上，满足在汽车行业的设计使用要求，此次改进研究，对塑料齿轮设计有非常重要的意义。

参 考 文 献

[1] 陈良玉，等，机械设计手册第二卷，机械零部件设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2] 樊志敏，朱东华.圆柱齿轮啮合干涉干涉及根切的分析研究[J].机械科学与制造，2003（4）.

[3] 陈霞，等.直齿圆锥齿轮修形仿真[J].机械科学与技术，200.（3）.

[4] 李永祥，毕晓勤，等.基于ANSYS的直齿面齿轮的承载接触分析[J].机械科学与技术，2009（7）.

EGR系统 第3篇

柴油机以其热效率高, 功率范围大, 使用寿命长等优点在船舶领域有着广阔的应用前景。但船舶柴油机也是全球大气污染的一个重要源头, 伴随着相关海洋环境保护法规的出台, 降低有害物的排放成了船舶柴油机生产商迫切解决的问题。目前, 世界各大船舶柴油机生产商大都选择了SCR技术 (选择性催化还原技术) 以应对2016年即将实施的Tier III排放法规, 但SCR技术设备投资费用高、运行成本大, 这使得价格低廉的EGR技术成为了新的研究方向。EGR技术 (废气再循环技术) 就是利用EGR阀将少量废气引入进气管与新鲜空气混合后进人气缸进行燃烧, 降低燃烧速度和燃烧峰值, 从而破坏NO高温富氧的生成条件, 冷EGR就是在进行废气再循环的过程中对EGR废气冷却来降低混合气燃烧的温度, 从而更大程度上抑制NOx的生成, 冷EGR不仅可以降低柴油机的NOx排放, 而且可以降低HC排放, 车用冷EGR已经被广泛研究, 但对于船舶冷EGR技术却探究较少, 本文研究了一种可以对EGR温度进行实时控制的应用于船舶柴油机的自控冷EGR系统。

1 冷EGR系统总体设计

冷EGR系统是从柴油机的排气管取废气, 废气经过EGR阀、EGR海水冷却器冷却后在文丘里管中与新鲜的空气混合后进入气缸参与燃烧, 冷EGR系统总体设计如图1所示, 柴油机运行过程中控制系统根据对各种传感器送来的信号进行判断、分析、处理和运算后, 发出水泵转速控制命令, 使海水从舷外或船体海水冷却系统引入, 经过直流电动水泵后流入EGR冷却器, 最后经单向阀流回舷外或船体海水冷却系统。其中冷却器中采用冷热流体逆向的方式, 电动水泵用来控制冷却水的循环量, 单向阀用来防止海水的回流, 电源由船舶提供。

2 冷EGR自控系统设计

2.1 自控系统控制方法

自控系统整体控制方法为开环控制, PID反馈控制用于对具体执行机构进行控制。开环控制是总体控制方法, PID控制是辅助控制方法。

以柴油机冷EGR试验得到的不同工况下最佳冷却温度和柴油机转速、负荷的信号, 由ECU判断属于哪一种工况, 然后将该工况下实际测得的参数转化为控制信号来控制伺服电动水泵的转速, 从而达到用控制冷却水的循环量来控制EGR温度目的。

PID控制主要是PID算法控制, 通过调节PWM信号的占空比来控制电动水泵的平均转速, 低于ECU所设定的EGR冷却温度范围时, 水泵不运转, 在设定的温度附近时, 自控系统自动调节水泵转速来改变水的循环量, 使得EGR冷却温度控制在设定的温度范围。

以车用冷EGR试验方法即通过不同工况和转速下进行的冷EGR试验得到EGR冷却温度对柴油机性能和排放的影响规律对船用柴油机进行冷EGR试验, 参考得到的EGR冷却温度对柴油机性能和排放的影响规律以及柴油机的EGR使用原则:低温低速时和高温高速时不进行EGR;低速小负荷和高温小负荷和高速中负荷时EGR投入使用, 确定了船用柴油机YC4F90L-C20的EGR冷却温度范围, 如表1所示。

2.2 自控系统硬件设计

控制单元采用AT89S52单片机作为核心部件, 冷EGR控制原理图如图2所示, 其中反馈信号由排气温度传感器和冷却后EGR温度传感器提供, 用于ECU控制电动水泵转速, 转速信号由柴油机转速传感器提供, 负荷信号由供油位置齿条传感器提供。当柴油机的转速过低、负荷较小或转速过高、负荷过高时, 对再循环废气不进行冷却, ECU控制电动水泵不转动。机体温度信号由机体淡水温度传感器提供, 当柴油机温度过低时, 对再循环废气不进行冷却。各种信号首先由信号放大处理电路对传感器的弱电信号放大, 同时对一些非线性信号进行线性化处理, 对开关信号进行滤波处理和电位变换。然后A/D电路对发动机负荷信号和冷却后EGR温度信号进行数字化处理后输入单片机, 机体淡水信号为数字信号可直接输入到单片机中, 转速信号为脉冲信号。驱动电路是完成对直流电动水泵的驱动。

2.3 自控系统软件设计

模块化程序设计作为自控系统软件设计的方法, 主要是方便各模块的单独设计、编程和调试, 各模块之间通过软件接口连接。程序模块有:主程序模块、A/D转换模块、循环采样模块、PID计算模块等, 软件部分主要完成柴油机转速、负荷、EGR温度和机体淡水温度信号的循环采样、查表和运算处理、PID计算、PWM信号驱动执行等功能。其中首先将EGR的冷却温度范围作为查表程序的数据源存入单片机。主程序框如图3所示。

PID控制原理图如图4所示, PID控制的基值信号是由单片机判断的发动机工况查表获得的EGR的冷却温度的值, 再由冷却后EGR温度传感器提供的实际的EGR废气温度信号为反馈信号。PID计算主要是在单片机接收到串口的控温指令和温度数据后, 把采集到的实时温度与控温要求的温度相比较后得出控制量, 用该控制量去控制PWM输出, 再驱动MOS管改变电机两端的平均电压, 进而控制电机的转速来调节冷却水循环量。改变EGR废气温度的目的, 使得EGR的温度值达到规定的温度范围。

温度信号的循环采样由冷却后EGR温度采样控制程序完成, 首先调用数字滤波程序对采样数值进行处理并判断所检测温度是否超出设定的温度范围, 然后控制电动水泵的转速等动作。温度采样控制程序流程如图5所示。当冷却后EGR温度达到规定值Tg±5℃时, 水泵保持原速运转, 当EGR温度高于Tg±5℃时, 由PID计算差值, 并调节PWM波的占空比, 调节电机两端的平均电压的方法提高电动水泵的转速, 保证EGR冷却温度达到设定值范围。

3 试验结果

在YC4F90L-C20船舶柴油机上做了装有该冷EGR系统与无EGR的对比试验 (图6) , 其中在转速为1 500 r/min时, 对比结果如图6 (a) , 图6 (b) , 图6 (c) , 图6 (d) 所示:采用冷EGR后NOx排放量比无EGR时减少13.3%~22.1%, HC排放量基本保持不变, CO排放量有所减少, 碳烟的量也有所下降。

4 结语

本文对船舶柴油机降低有害排放物的方法进行了探究, 验证了该冷EGR系统在船舶柴油机降低排放方面的可行性, 试验表明, 船舶柴油机在安装了冷EGR自控系统后, 在保持HC和CO的排放基本不变的情况下, 能有效的降低NOx的排放量, 烟度也有所下降, 达到了较好的排放效果, 保护了环境。

摘要：设计了一套船舶柴油机冷EGR系统, 并对其控制系统进行了软件和硬件的设计, 控制部分通过单片机控制伺服水泵的转速来调节冷却水的循环量, 保证不同工况下的最佳EGR冷却温度, 在船舶柴油机YC4F90L-C20上进行了试验, 结果表明, 与无EGR系统相比, 该自控冷EGR系统在CO和HC的排放基本不变的情况下, 可以有效的降低NOx的排放和烟度, 保护了海洋环境。

EGR系统 第4篇

据了解，目前我国商用柴油机达到国Ⅲ排放标准主要有四条技术路径：高压共轨（Common Rail）、电控单体泵（EUP）、电控泵喷嘴（EUI）和电控直列泵（EIL）。

四大技术路线之争也就酝酿着企业和市场格局之变。

四大技术路线较量市场

第一是高压共轨技术。高压共轨系统对发动机外形尺寸修改少，技术升级空间大。除博世以外，电装也普遍采用共轨系统达成欧Ⅲ以上排放。

据了解，此项技术已被沃尔沃、奔驰、依维柯、曼、陕汽等企业普遍采用，成为目前应用最广泛实现国Ⅲ排放的技术。

尽管如此，电装内部资料还是表明，中国目前的使用环境不足以支撑共轨的一个正常的运转，无论从使用环境还是从维护保养的习惯这方面，仍存在很多问题。

第二是电控单体泵技术。电控单体泵将发动机各汽缸的油泵分离，因而结构较为复杂。美国、欧洲除了一种之外，其他所有的包括世界水平最高的奔驰发动机，在欧IV时代全部装的是电控单体泵。国内提供单体泵技术的要数亚新科公司。

据德尔福称，在发动机整体结构不做大的调整下，都可以很好地完成改造。单体泵系统的另一个优势就是它的可靠性和寿命，这些性能已经在欧洲和北美市场上得到了10年甚至是15年的实际使用时间、数百万辆整车使用的证明。

第三是电控泵喷嘴技术。专家分析，电控泵喷嘴技术对发动机汽缸盖结构改动较大，国内外较少使用。

目前，电控泵喷嘴技术被沃尔沃、东风、陕汽等企业采用，另外，专业发动机制造商美国康明斯的全电控发动机应用的也是电控泵喷嘴技术，属久经考验的成熟产品。

第四是电控直列泵技术。据了解，电控直列泵是在国Ⅱ机械泵的基础上做成简易电控喷油泵外加EGR废气再处理系统，减少废气排放。在国际上，EGR在实现欧Ⅲ时都曾被采用，但在欧Ⅲ向欧Ⅳ升级的时候，单靠EGR实现排放标准的提高比较困难。

尽管如此，其低成本、节油、低维修费用等特征，在短期内可能抢占高压共轨系统市场份额。

据了解，中国重汽提供的EGR国Ⅲ发动机具有阶段适应性。如系统发生故障时维持运行到服务站进行维修；油品适应性好；降低维护和维修费用；发动机的故障诊断系统功能完备、操作简便，简化维修过程。

中国重汽EGR

或将成为最大赢家

“中国重汽现在有何动作？”中国重汽EGR低价国Ⅲ发动机的最后突然杀出让那些原本处于胜算的博世等企业措手不及，重卡巨头们也关注着中国重汽的一举一动。

据了解，中国重汽研发的EGR国Ⅲ发动机尽管构造不太复杂，却通过了国家检测，成为国内价格最低的国Ⅲ发动机。

在中国重汽优势凸显之时，亚新科企业高层却随着7月的到来焦虑重重。亚新科曾花巨资研制了世界先进水平的单体泵技术。如今，价格明显偏高的单体泵发动机面对来自中国重汽的低价压力，亚新科能否收回投资？又如何扩大市场？

博世虽然依靠垄断技术而一贯自信满满，但是随着一些先前购买本来供量不足的博世高价发动机的厂商开始转移。来自中国重汽方面的压力从博世高居榜首的价格下滑而略见一斑。

据专业人士介绍，对于一度在国内企图垄断叫出昂贵价格的博世，近来推出低价位高压共轨技术，又由于国内市场的竞争，价格又从3万元/套已降到1.5万元/套，甚至有传闻降到1.1万元/套。

面对各方关注，深谙政策与市场之道的中国重汽，小心翼翼，低调做事。由于成为焦点的背后也有对EGR发动机质量的质疑，何况中国重汽目前发动机的产量也只够自己配用。

不仅如此，各对手并不甘于将国Ⅲ市场厚礼拱手相让。据市场灵通人士透露，中国重汽的“死对头”潍柴正在攻坚EGR技术，而玉柴等发动机企业则酝酿着与中国重汽谈合作，还有国内的一些整车生产企业也想购买EGR发动机。

中国重汽是否成为国Ⅲ时代的最大赢家？暗藏的对手是否还会后来者居上？

EGR系统 第5篇

电子调速系统属于第一代位置控制式电控系统[1],通过控制喷油泵油量控制拉杆调节喷油量。柴油机采用电子调速系统能够提高喷油精度和喷油稳定性,能够明显改善柴油机的经济性和动力性,但要达到国-Ⅲ排放法规必须进一步采用冷EGR技术来降低NOx排放[2],这一措施非常有效[3]。为了能够精确控制不同工况下的EGR率,需要对EGR阀采用电子控制,目前常用的驱动EGR阀方式是步进电机驱动[4,5]和真空阀驱动[6,7],本文采用真空阀驱动控制。如果电子调速系统和EGR系统采用独立控制,需两套传感器和ECU,控制成本增加,而且控制协调能力变差。为了降低成本,发挥电控系统控制灵活的优点,本文对这两部分采用集成控制。

1 电子调速系统和EGR系统集成基础

电子调速系统是在原机械直列喷油泵基础上,以比例电磁铁替代原飞块杠杆机构作为调速器的执行元件,并用控制单元ECU控制比例电磁铁的动作,实现柴油机调速的目的。它的控制原理是ECU通过传感器采集发动机的转速、负荷、水温、油温、进气压力、进气温度等运行参数,判断柴油机当前运行工况并计算该工况下的目标转速,比较实际转速与目标转速的差值,驱动执行机构调节供油量,实现实际转速与目标转速一致。由于不同工况所需的EGR率变化范围很大,必须时刻根据柴油机转速、负荷、水温计算该工况的EGR率,并根据进气压力和进气温度修正目标值,驱动EGR执行器实现所需的再循环废气量。两者在控制上有集成的基础,首先可以共用传感器采集的柴油机运行参数;其次原系统的控制芯片I/O、A/D、ROM等资源满足EGR系统的使用要求;另外控制原理上两者非常相似,很多功能模块能够共用。由一个ECU协调两部分的工作,降低了控制系统的复杂度、提高了系统的可靠性。但相对原电子调速系统,在增加了冷EGR系统后,控制参数、传感器和执行器都相应增加,控制算法和硬件电路更加复杂。因此,在硬件设计和控制算法设计中需系统地考虑。系统控制原理如图1所示。

2 控制算法集成设计

EGR技术降低柴油机NOx排放主要原理是通过向气缸内引入部分已燃废气,达到降低气缸内的氧浓度和燃烧的最高温度,从而减少NOx排放。EGR技术实际上是抑制了缸内的燃烧过程,不利于燃烧过程的稳定,影响柴油机的运转平顺性。由于柴油机性能和NOx排放对EGR率比较敏感,必须精确控制每个工况的EGR率。ECU根据传感器测得的柴油机转速、电子油门、冷却水温等运行参数,确定柴油机的运行工况、该工况的最佳EGR率和EGR阀的开闭时刻。通过EGR阀自带的位置传感器检测实际开度与目标开度的差值实现闭环控制,提高EGR率的控制精度。

电子调速系统的控制方法是对柴油机不同运行工况,如起动工况、过渡工况、怠速工况、加减速和超速等编制了功能控制模块,通过轮询主循环程序,对柴油机不断变化的工作过程调用相应的功能模块进行控制。因此在电子调速系统基础上增加冷EGR系统,需要增加EGR控制模块来实现EGR阀随柴油机工况的协调动作。通过程序控制循环,轮询实际EGR阀开度和目标EGR阀开度是否一致,不一致则调用EGR控制模块对EGR阀进行调控。通过轮询控制,能够实现EGR系统与电子调速系统的同步控制。集成控制的逻辑框图见图2。

由于存在机械零件的制造误差以及长期使用过程中造成零部件磨损,使EGR阀的“0”位发生偏移,导致EGR阀位置与控制目标值偏离,影响柴油机的性能和NOx排放。因此在控制算法设计时,增加EGR阀“0”位自检过程并重置初始值,实现EGR阀的自适应控制。EGR阀的工作环境非常恶劣,为防止积碳造成阀门卡死,导致排放或者性能恶化,对EGR阀一直要实时监控,一旦发生卡死故障,ECU应及时报警提醒,尽快得到维修。其控制流程如图3所示。EGR的最终控制参数是回流的废气量,每个工况的EGR率应控制在一个合理的值,既能有效减少该工况的NOx排放量,但又不至于引起油耗的明显升高和其它废气排放的增加。EGR阀的开度由真空调节电磁阀控制,ECU给电磁阀输出一个PWM脉冲信号(图4),通过PWM信号的占空比大小调节电磁阀开度,改变EGR阀膜片室内外压差来改变阀的平衡位置。为了提高控制精度和稳定性,电磁阀的开闭频率不能太低,应控制在200～300 Hz。

3 硬件系统集成设计

整个电控系统在原电子调速系统基础上增加了EGR阀及位置传感器、EGR冷却器、真空电磁阀等主要部件。为了减少零部件,真空源由柴油机自带的真空泵提供,通过软管与真空电磁阀一端相连,另一端通向EGR阀膜片室。ECU通过控制真空电磁阀的开度改变膜片室压力,EGR阀在弹簧力、气体压力下达到新的平衡,从而改变EGR率。ECU为了实现EGR阀的控制需增加一个真空电磁阀驱动电路,采用PWM信号控制。同时,需相应增加EGR阀位置传感器信号采集处理电路。ECU增加这两部分电路,对于采用微处理器的数字电路而言,非常容易实现,而且与原有的比例电磁铁控制信号及拉杆位移传感器信号处理电路类似,所以有很好的集成基础。图5为EGR阀位置传感器信号处理电路。EGR阀位置反馈信号输入后,经过滤波、放大、限幅后进入控制芯片进行A/D转换。其它如转速、电子油门踏板、冷却水温等信号与电子调速系统共用。电子调速系统与冷EGR系统集成后在柴油机上的布置如图6所示。

4 试验结果及分析

集成了电子调速系统和冷EGR系统的电控系统在4100增压中冷柴油机上进行了排放试验,气体排放测试设备采用日本HORIBA公司MEXA-7100气体排放分析仪,试验过程按国-Ⅲ排放要求实施。同时,考虑到采用EGR后,会对柴油机油耗及其它气体排放产生影响。因此,在选择各工况点的EGR率时,以不过分增大该工况的燃油消耗,及其它废气排放不恶化为原则。根据ESC试验方法确定A、B、C转速分别是2 056 r/min、2 507 r/min和2 960 r/min。3个转速下的外特性扭矩分别为267 Nm、255 Nm和237 Nm。选取ESC排放试验中的12个工况点(怠速工况不作比较),分别是3个转速下的25 %、50 %、75 %和100 %负荷工况,进行了NOx排放的比较,结果如图7所示。

根据EGR控制策略,在高速高负荷工况为了获得理想的动力性一般采用较小的EGR,甚至不采用EGR,因此NOx的排放水平相当。但其它如中低转速及部分负荷工况的NOx排放在采用冷EGR后都有不同程度的降低,最大降幅达37%,柴油机集成了冷EGR系统后对NOx排放有明显改善。

5 结论

目前,电子调速系统集成冷EGR系统的方案在发动机试验台架已经达到国-Ⅲ排放标准,并且这一方案相对原机械高压直列泵成本增加很少。因此,这一方案在4100增压中冷柴油机上的成功运用,为实现我国中小功率高速柴油机的国-Ⅲ排放提供了一种非常经济可行的解决方案。

摘要：为了改善柴油机的排放,抑制NOx的生成,在原电子调速系统基础上增加冷EGR系统。为了充分利用柴油机原有电子调速系统资源,降低系统成本,EGR系统与电子调速系统通过改进控制逻辑和硬件设计实现了集成控制,有利于更好地协调两部分的工作,充分发挥电控系统控制灵活的优势。

关键词：内燃机,柴油机,电子调速系统,冷EGR,控制集成

参考文献

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废气再循环(EGR)研究现状分析 第6篇

随着全球环境的恶化和人们环保意识的加强, 船舶防污染的法规、技术在近几年的变化非常大, 控制发动机有害气体排放的要求强烈。以船舶柴油机的污染物排放为主的环境污染已经日益引起人们的关注。世界海事组织对船舶主动力即柴油机污染的控制也越来越严格。柴油机及其能源向绿色环保方向发展已经成为一种必然的趋势。我们对船舶柴油机的废气再循环 (EGR) 技术的研究状况, 最新技术以及未来发展方向进行分析。

2008年10月10日, IMO的海洋环境保护委员会 (MPEC) 会议上通过MARPOL73/78附则Ⅵ的修正案, 定义了包括三个级别在内的IMO船用柴油机排放标准体系, 增加了更加严格的TierⅢ标准, 同意实现减排目标:2016年在排放控制区域 (ECAs) 达到更严格的TierⅢ要求。IMO排放标准日趋严格, 见图1。满足TierⅢ阶段法规的技术措施主要为以下三种:在满足TierⅡ排放法规的柴油机机型上加装选择性催化还原 (SCR) 技术或者废气再循环 (EGR) 技术, 以及双燃料的柴油机天然气模式。目前, SCR技术相比于其他技术, 更加灵活, 技术也相对更加成熟。所以众多大的柴油机厂商选择了SCR技术来应对TierⅢ排放法规。但是SCR技术也有着其弊端, 这项技术设备投资和运行成本都相对高昂, 因此各个船用柴油机厂商都没有放弃对成本相对低廉的EGR技术进行探索与研究。

1 EGR系统机理

废气再循环技术就是利用废气的加入使燃烧区内氧气浓度降低, 同时混入进气中的废气中所含的CO 2, H 2O等具有较大的热容量, 从而达到降低燃气温度, 减少NOx排放的目的。

目前, 柴油机NOx控制方法可以分为三类:一是机内净化, 主要是根据NOx在气缸内的生成条件采取相应措施抑制其生成。二是后处理技术, 后处理是指利用还原剂将尾气中已生成的NOx还原除去。三是前期处理, 主要是燃油质量的提高与改善。

各项技术措施对降低NOx排放所能达到的效果见表1。

2 柴油机废气再循环 (EGR) 系统国内研究现状

我国对柴油机尾气排放控制起步较晚, 标准也相对宽松, 因此相应的净化水平与发达国家的相比存在一定差距。目前, 国内在降低柴油机尾气排放方面的研究重点基本限于对车用燃油系统和尾气系统的改进。国内在最近几年也致力于船用EGR系统的研究, 比如:武汉理工大学的钱作勤进行了船用柴油机排放措施以及船用EGR系统的控制措施的研究。李江华和江彦桥对船用NOx的产生机理进行了一系列研究, 并且比较了几种减少船舶NOx排放的技术, 对NOx净化效果、油耗率、烟度的影响等因素进行了分析, 并对其中主要净化技术的净化效果、投资费用和运行费用等进行了比较分析。并且分析了船用EGR技术的优势以及需要做出的技术改进。李辉从实验和模拟两方面研究了EGR对柴油机晚喷燃烧和排放特性的影响, 并且得到EGR率的增加, 缸内平均压力和温度逐渐降低, NOx排放显著降低的结果。

3 柴油机废气再循环 (EGR) 系统国外研究现状

国外针对废气再循环 (EGR) 系统的研究, 已经在车用上有了很大的进展, 并且也对船用的EGR系统进行了初步的研究。对于EGR系统的初步研究发现, EGR的确可以有效降低NOx的排放, 但是对于柴油机的动力性却有了影响, 并且并不是在所有工况下, EGR系统都可以运行。随着不同的工况, EGR率要有所改变, 甚至要关闭EGR系统。因此单纯的EGR系统不能最大效用地满足国外严格的排放标准, 因此, 国外把更多的研究重点放在废气再循环 (EGR) 系统和其他技术相结合, 从而降低NOx的排放。下面就对国外几种最新的研究成果进行简要介绍。

3.1 EGR与增压空气加湿结合技术

现代重工业有限公司 (HHI) 已经在研究增压空气加湿 (Ch AM) 技术。就是使用水蒸气加湿空气, HHI通过在一个中速柴油机上将EGR技术结合Ch AM系统来减少NOx的排放, 并且已经通过实验结论。这项技术可以作为一种有效手段应对TierⅢ法规。EGR和增压空气加湿结合技术的原理图, 见图2。

柴油机EGR系统可以减少NOx的排放60%, EGR和增压加湿空气技术系统可以降低NOx排放75%, 符合IMO Tier III的NOx的排放标准。

但是, 这种技术出现的问题是, 降低NOx的效率受到水冷凝的限制, 即当水浓度较高时压缩空气中的水会冷凝, 从而限制了进入气缸的水量, 所以NOx的下降量仅为10%~30%。而且该方法可能会对进气口和进气阀造成腐蚀或侵蚀, 与此同时双系统的柴油机会导致燃油消耗率的恶化和CO的排放增加的问题。

3.2 EGR技术与后喷射 (post-injection) 技术结合

高EGR率导致了不必要和不可接受的烟尘排放, 甚至增加空气注入压力。为了减少这些烟尘排放, 就产生了后喷技术与EGR技术的结合。后喷技术证明是一种有效的碳减排措施。不同后喷射对烟尘排放效果已经显现。图3即为EGR与后喷射结合技术的原理图。

在中速大型柴油发动机上没有推广EGR, 主要原因是EGR尾气的高硫含量导致腐蚀废气燃料组件。当采用废气再循环技术时, 废气中的烟尘排放量会不可避免地上升。这时可以应用多喷射技术, 就是在主要喷射道使用后喷射技术, 这是一种可以降低增加烟尘的有效措施。实验结果显示, 碳烟排放可以通过后排放技术减少到40%。

3.3 EGR与米勒循环、二级涡轮增压结合技术

米勒循环降低NOx排放, 因为它控制了较低的缸内气体的温度, 提高循环效率, 这项技术当时被用来满足TierⅡ排放标准。当有非常高的增压压力时需要较强的米勒循环, 较强的米勒循环和二级增压的结合在减少NOx排放方面有较好的前景。两者结合大概可以减少NOx排放50%。但是这还不能符合IMO TierⅢ排放标准。因此, 结合EGR技术将被视作应对排放标准的一种手段。但是一些诸如耐久性和可靠性的现实因素也需要考虑。

3.4 EGR与HAM结合技术

HAM (Humid Air Motor) 技术, 最初是德国Munters Euroform公司开发的一种改进型进气加湿系统。HAM系统是由加湿器、循环泵、增加水温的热交换器、泄放系统、水箱和过滤器等组成。其工作原理是用水蒸气加湿进气管中的进气, 这种湿空气进入气缸燃烧, 使燃烧最高温度降低, 从而降低NOx的产生。图4是HAM系统原理图。从压气机中出来的热压空气进入被称之为“加湿器”的装置中, 通过用发动机废热加热的水不断地冲刷热交换器表面, 使水吸热汽化。

由于过热空气的放热作用, 使空气的相态发生变化, 即从过热空气变化至饱和空气, 同时使混合气温度降低。在加湿器中, 经过3级加湿, 压气机出口的约160℃的空气经加湿后的相对湿度达到98%, 温度降低到65~70℃。为确保蒸发过程良好, 在整个蒸发过程中只有5%~10%的水被蒸发。

3.5 EGR与WEF结合技术

WEF (Water Emulsified Fuel) 技术是使用水溶入油形成乳化油, 在喷油之前将燃油和水进行乳化, 再喷入气缸, 可以降低NOx排放20%~30%。这项技术的主要优点是:设计上无需特别改变, 对燃烧的稳定性无影响, 即使水量达到30%, 对燃油消耗率也没有影响, 有利于排烟, 水消耗率低 (10%的水可使NOx减少10%) , 投资费用低。所存在的乳化油稳定性以及不用乳化油时柴油机性能变差、供油系统腐蚀等问题己得到了解决。

对于二冲程柴油发动机, 使用新开发的EGR&WEF结合技术可以有效应对TierⅢ排放法规。使用EGR和WEF结合技术的发动机, 可以有效降低氮氧化物与燃油的消耗损失。有实验通过对MAN B&W 2S50ME-C发动机的实验, EGR&WEF结合技术可以使氮氧化物的排放达到预期的减排。

这项技术中, 将涡轮增压器切断系统 (Turbocharger Cut-out System) 和变截面涡轮增压技术 (Variable Turbine Nozzle Area) 使用到EGR系统中, 涡轮增压技术可提高柴油机的空燃比, 使燃烧完善, 微粒排放大幅降低。然而, 采用常规的涡轮增压技术不能保证在大部分转速范围内都与柴油机良好匹配, 因此采用电控可变截面涡轮增压可以根据发动机的工况优化调节涡轮喷嘴截面积, 以改变涡轮机的转速。这样就可以在燃油消耗量增加很少的前提下, 减少NOx的排放, 并且可以根据海域的不同来对这个系统进行开闭。

同时, 湿式除尘器 (Wet Scrubber) 以及废水处理系统 (Waste Water Treatment) 也被应用到EGR&WEF系统中。这可以除去EGR系统的循环气体的SOx和PM, 从而防止腐蚀和污染, 起到净化空气的作用。湿式除尘系统的原理图见图5, 废水处理系统原理图见图6。研究人员对水的残留物的检测和控制已经进行了大量的研究和试验。水处理系统现在是EGR系统最重要的系统之一。

但是, 这项技术也面临以下问题:

EGR&WEF技术在NOx减排方面有很大前景, 但是WEF对于限制NOx的排放是需要付出燃油消耗提高的代价。同时WEF为保持发动机的功率输出量, 这种方法尚须使用超大尺寸的喷油装置, 以及洗涤器洗水的中和剂将会成为提高EGR率的负担。

如果EGR系统没有废气压力控制, 那么废气压力、压缩压力和最高燃烧压力将会随着EGR率的升高而降低。这样会使燃油消耗变得更糟糕。因此, 在现有技术上的改进是, 将废气压力控制引入到高压力的EGR&WEF系统中。

4 总结

a.EGR是控制发动机NOx排放的一项重要措施, 是一种发展趋势。

b.柴油机EGR仍旧有很多技术问题等待解决。EGR的控制与调节是解决柴油机EGR问题的关键, 是EGR研究的重点和难点。其中电控EGR不仅可以实现整个工况范围内EGR率的精确控制, 保证EGR技术和发动机性能的优化匹配, 而且可以使EGR技术和柴油机其它后处理技术相结合, 达到整体排放性能最佳。所以电控EGR是进一步实现低排放的基础, 最新EGR技术也有很多在着手研究EGR的电控。

c.单纯的EGR技术已经不能满足日益严格的排放标准, EGR与其它技术相结合将是应对日后严格排放标准的手段。比如EGR技术与增压空气加湿技术结合, EGR技术与米勒循环、二级涡轮增压技术结合等, 都是利用最新技术与EGR技术结合共同减少尾气中有害成分的排放, 这将是未来EGR技术发展的一个重要方向。

摘要：简要介绍了船用柴油机的排放法规、现今废气再循环 (EGR) 的技术发展, 全面论述了柴油发动机的废气再循环技术面临的技术困难和关键技术, 以及当今EGR最新技术研究情况。

发动机内部EGR建模与仿真分析 第7篇

在内燃机中,参加燃烧的气体由新进的新鲜空气和残留废气构成,废气所占比例直接影响发动机性能。废气比例越高,尾气中的NOX相对减少,经济性越好,但同时动力性变差[1,2,3]。当发动机处于怠速、低负荷时,NOX排放浓度相对较低,建议不进行EGR。随着负荷增加,EGR的量一般情况下也相应增加,直到达到最佳值。但是EGR的量不能超过一定限值,否则可能造成爆震[4]。因此,在对应的工况下,选择一个合理的废气比例是非常必要的。

目前,有两种方法来调整燃烧气体中的废气比例:(1)在尾气歧管并列一个回流管道,分流部分废气,冷却后再注入气缸内,即外部EGR;(2)通过调整气门打开和关闭角度来改变进气过程中的尾气回流量和气缸内的废气残留量,即内部EGR。外部EGR在回流管道一端存在一个安全阀,当发动机工况发生改变时,安全阀的开度发生相应改变,从而使EGR量也发生改变,达到理想效果。与外部EGR不同,内部EGR无需额外增加器件,只需根据工况调整进气和排气时刻便可改变废气比例,优化发动机工作性能。外部EGR在发动机上得到了广泛应用,随着可变气门技术的日趋成熟,内部EGR的应用也越来越广泛。天津大学在5气门单缸汽油机上利用缸内滚动流体实现分层EGR,在兼顾动力性和经济性的同时降低了NOx排放,为利用气流实现EGR提供了一个新途径[5];华中科技大学进行了内部EGR控制HCCI燃烧的研究,结果表明负气门重叠期的增大使发动IMEP降低,但可以降低NOx排放[6];G Fontana等[7]在部分负荷工况下,通过控制VVT实现了内部EGR和逆米勒循环,增大了节气门开度,降低了泵气功损失,改善了设备的经济性。

本文旨在建立不同气门开闭时刻所对应的废气残留比例动态模型,得到内部EGR与进气提前角和排气迟后角之间的关系。研究的实用性在于当汽车工况发生改变时,所需的内部EGR同样发生改变,这时ECU通过当下工况计算出此时所需的EGR量,由于已得出内部EGR与气门开闭时刻之间的关系,便可在第一时间找到合适的配气相位,对内部EGR作出适当调整。

2 EGR率与气门开闭角

发动机可变气门正时技术(VVT,Variable Valve Timing)原理是根据发动机的运行情况,调整进气(排气)量和气门开合时间、角度。由于VVT的存在,发动机存在气门重叠现象,气门重叠造成了废气回流,包括废气前回流和后回流。在排气冲程快要结束、活塞到达上止点之前,进气门提前打开。由于此时仍处于排气过程,气缸内压力大于进气歧管的内部压力,部分废气会回流到进气歧管中。在进气冲程,此部分废气再重新回到气缸内,这即是在VVT作用下的废气前回流现象,如图1(a)所示;在排气冲程结束、活塞到达上止点之后,排气门仍没有关闭。由于此时处于进气过程,活塞从上止点向下止点运动,气缸体积增加,气缸内压力减少,当缸内压力小于排气管内的废气压力时,废气歧管中的废气则会倒流到气缸内,这就是VVT废气后回流现象,如图1(b)所示。

对因存在气门重叠角而产生的废气回流量进行计算,先进行建模分析。建模分为3部分:气门升程建模、气门有效面积建模、气门气体流量建模。气门角重叠时回流的气体流量在软件环境中进行积分即得到气体回流量。具体建模分析过程如下:

2.1 气门升程建模

气门工作段气门升程函数[8]公式如下:

式(1)中,Lmax为凸轮最大升程,Lr为凸轮缓冲段高度,C2~Cs为待定系数,p、q、r和s为幂指数。X=(alpha-alpha0)/alpha1,其中alpha为凸轮工作角度值,alpha0为凸轮缓冲段包角,取值为14oCA,alpha1为凸轮工作半包角,取值为71oCA。按照配气凸轮设计准则,设计出新的凸轮型线。经运算,最终择优确定一组,幂指数为:(1)进气凸轮:p=16,q=28,r=42,s=52;(2)排气凸轮:p=16,q=28,r=40,s=50。

根据相应的方程组解出各系数。经过计算,新设计的进、排气凸轮工作段函数公式如下:

2.2 气门有效面积建模

气门的流通面积取决于气门升程以及气门座、气门头和气门杆等气门相关结构尺寸参数,气门尺寸参数如图2所示。随着气门升程增加,气门的流通面积分为3个阶段[9]:

第一阶段,当气门升程较低时,气门流通面积与气门座几乎成垂直关系,即当w/(sinβcosβ)>Lv>0时,气门流通面积公式如下:

式(4)中,β是气门座角度,Lv是气门升程,Dv是气门头直径(气门座的外直径),w是气门头外直径与内直径之间的距离。

第二阶段,随着气门升程的增加,气门流通面积与气门座不再是垂直关系,即当时,气门流通面积公式如下:

式(5)中,Dp是气门口直径,DS是气门杆直径,取Dm=Dv-w。

第三阶段,当气门升程足够大时,此时流通面积达到最大并保持不变,即当+wtanβ时,气门流通面积公式如下:

2.3 气门气体流量建模

进气流量大小在一定程度上反映了进气量大小,Heywood[9]对气门处空气流动过程的描述公式如下:

当空气流量流动不顺畅,即PT/P0≤[2/(γ+1)]γ/(γ-1)时,上述公式可以表示为:

式(8)中,为气门处空气质量流量,R为空气气体常数,T0是环境温度,Am为气门处等效流通面积,CD是流量系数,γ是绝热系数,取值为1.4。当气体因气压差发生流动时,P0代表上游压力,PT代表下游压力。废气前回流时,由于进气歧管的气体压力大于气缸内的气体压力,气体由进气歧管流入气缸,P0为进气歧管的压力,PT为气缸内的压力;废气后回流时,废气由排气歧管经回流过程重新进入气缸,P0为排气歧管的压力,PT为气缸内的压力。由于气体流动过程过于复杂,此时取T0、P0的值恒定不变。

3 仿真分析

气门升程模型的搭建过程及仿真如图4所示。没有运用VVT技术的发动机,排气冲程结束时即是进气冲程开始时,即在排气气门升程结束的时刻,进气气门升程开始出现。在仿真图形显示时,点a与点c应处于重合状态。本文中采用了VVT,出现了气门重叠现象。点a对应进气提前角打开点,点c对应排气迟后角关闭点,点a→b对应前回流,点b→c对应后回流,这两部分回流造成了发动机内部EGR的存在。前文中也已提出,本文对发动机内部EGR建模仿真,实际上就是求出两部分回流量。

气门有效面积模型仿真如图5所示,有效面积仿真图的分析与气门升程仿真图类似,点a对应进气提前角打开点,此时进气气门升程开始出现,进气有效气体面积与气门升程的出现同步。随着进气升程的增加,气体有效面积逐渐增大。同理,可对点b到点c对应的排气迟后角的气体有效面积变化进行分析。

在MATLAB中搭建气门气体回流量模型并进行仿真。仿真结果如图6所示,反映的为进气提前角取值为24°CA、排气迟后角取值为20°CA时,所对应的前回流量与后回流量在气门重叠过程中的变化趋势,图中点a、b、c、d已标出对应的发动机冲程时刻。以废气前回流为例,a为进气门打开点,此时仍处于排气冲程,气缸内的压力大于进气歧管压力,造成废气由气缸流入进气歧管。随着气门升程的增加,回流废气量逐渐增加,由于气体流动的复杂性,文中没有对气体惯性进行考虑。当活塞到达上止点,即排气冲程结束进入进气冲程时,废气前回流结束。除了在气门重叠角下的废气前回流过程,仿真图像后面时刻的值均保持这一回流量值不变。废气后回流的仿真分析同理。当进气提前角、排气迟后角发生改变时,前回流与后回流量也会相应地发生改变。固定排气迟后角为17°CA,从小到大依次取进气提前角0°CA、3°CA、6°CA、9°CA直到30°CA,仿真出总废气回流量与进气提前角之间的关系如图7所示(排气迟后角值固定为20°CA)。同理,固定进气提前角为24°CA,从小到大依次取排气迟后角为0°CA、3°CA、6°CA、9°CA直到30°CA,仿真出总废气回流量与排气迟后角之间的关系如图8所示(进气提前角值固定为27°CA)。

4 实验验证及总结

在现实生活中,由于流量的动态复杂性,回流量是不可测的。本文通过间接测量进行实验验证,即用空气流量计测量出新鲜空气进入量,则可以反映出缸内废气残余量。采用容量为2L的4缸发动机,在进气歧管处采用空气流量计,计算进入气缸的实际新鲜空气量,并与建模中的新鲜空气量进行对比。如图9所示,可以看出两者虽存在细微差距,但是基本上吻合。因此,模型的合理性得到了验证。

如今EGR技术在国外已经作为一项成熟技术应用于发动机上。由于EGR对发动机性能和排放的影响较为复杂,相关技术仍在进一步完善中。下一步研究方向在于EGR系统和发动机的优化匹配以及如何在保证动力性和经济性的前提下,精确控制EGR率,以进一步降低NOx的排放。

摘要：在内燃机中,废气残留比例直接影响气缸内气体的燃烧状态,进而影响发动机的排放、动力性和经济性。可变气门正时技术(VVT)可通过调整气门开闭时间实现气缸内的废气再循环(内部EGR),从而控制燃烧气体内的废气比例。分析了气门的结构、物理过程以及气门处的气体流动过程,建立了不同气门开闭时刻对应的废气残留比例动态模型,并搭建仿真模型,分析各个物理参量间的关系,最后通过实验验证了模型的合理性。

关键词：内部EGR,VVT,发动机,MATLAB Simulink

参考文献

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[3]谭建勋,王志伟,等.内部EGR增压中冷柴油机排放性能试验研究[J].车用发动机,2011(3):52-55.

[4]徐帆,王志,等.内外EGR拓展汽油HCCI发动机高负荷的试验研究[J].内燃机工程,2010,31(4):6-10.

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EGR系统 第8篇

关键词：内燃机,柴油机,废气再循环

0引言

EGR (废气再循环) 系统是实现柴油机欧III 、欧IV排放标准的重要技术措施之一。通过在不同工况下, 控制EGR阀的位置来调节不同的EGR率, 可以最大限度地降低氮氧排放和提高发动机功率。随着排放法规的不断提高, EGR系统对于EGR率的控制精度越来越高, 在国III标准下配置的增压柴油机一般使用真空泵和EPW (电子真空调节器) 作为EGR的执行源。由于真空泵响应速度慢, 越来越不适应高精度EGR率的控制。

电子EGR以单片机作为控制源, 不需要真空泵和EPW, 不但减少了部件, 同时大幅度提高了响应速度, 已经成为实现国IV排放标准的增压柴油机的基本配置之一。

1EGR阀的结构与控制原理

本文以某型带位置反馈的电动EGR为例, 介绍电子EGR阀在笔者开发的EGR系统中的匹配与标定。图1为某型高压共轨增压柴油机的系统结构图。

电动EGR阀以PWM波作为控制输入, 这种具有固定开关频率、脉宽可调的脉冲宽度调制法在工业控制中比较常用。采用PWM波控制直流电机驱动的EGR阀, 具有低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点。

电动EGR阀的结构示意图如图2所示。PWM 波控制的直流电机作为驱动和控制器, 通过齿轮传动控制拨杆上、下活动。位置控制器根据拨杆的位置输出电压值, 经AD转换得到位置值。在电机没有驱动力时, 阀在回位弹簧的作用下压紧阀座。

用PWM控制的直流电动机的电磁转矩T可以表示为:

T=KTΦIa 。

其中:KT为与电机结构相关的常数;Φ为磁极的磁通;Ia为电枢电流。

1-微机;2-空滤;3-空气流量传感器;4-节流阀;5-后处理装置;6-EGR阀;7-EGR中冷

可以看出, 电机的输出扭矩跟磁极的磁通相关。在实际的EGR使用环境中, 由于EGR阀工作在高温、振动的环境中, 磁极磁通会发生变化, 所以在固定工况下 (同转速、同油量) 维持EGR相同位置的占空比输出是变化的, 这就需要使用PID控制器来实现。

2PID控制在EGR控制中的作用

PID控制在EGR控制中分为两部分, 第一部分的控制对象是新鲜空气量, 即对EGR率的控制;第二部分是对电动EGR的位置控制。

第一部分的控制系统的目标值是新鲜空气量设定值, 反馈值是通过传感器测得的实际新鲜空气量, 输出参数是EGR的位置值, 该值是第二部分控制系统的目标值。第二部分控制系统的反馈值是通过AD转化得到的EGR阀位置实际值, 输出值为对电动机的PWM波值。控制结构框图如图3所示, 其中, ΔM为实际空气量和空气量设定值偏差, Δr为EGR阀目标位置和实际位置偏差。

2.1 空气系统大闭环控制

从图3可以看出该系统为双闭环系统。大闭环根据空气流量传感器控制新鲜空气量, 并输出EGR位置值作为下一级闭环的输入。空气系统的大闭环控制有多种方式, 包括PID控制或者PI加预控制。从DT (微分控制器) 控制特性来看, 若设定值在某段时间内是单调递增或者单调递减, 则DT控制能很好地满足动态特性。但实际对设定值表进行标定时为了满足排放法规的需要某些点是非线性的, 同时空气系统相对于其他控制系统来说具有比较明显的迟滞性 (这是由空气系统的特性决定的) , 这样在某些工况点 (主要是排放点) , DT 控制对系统是起相反作用的。如某发动机转速从1 000 r/min通过加油门方式提高到3 000 r/min, 其中假设设定值在1 000 r/min～3 000 r/min之间存在某个排放点, 如2 000 r/min, 这样设定值就是非线性了。假如该段动态控制采用DT控制, 则效果不是很明显, 空气量的跟随性不是很好, 因此在空气系统的大闭环控制中PI加预控制的控制方式比PI加DT控制方式的效果好, 既可以消除系统的稳态误差, 又能提高系统的动态响应性。其中预控制值可以标定为该工况点的实际EGR率被满足条件下的实际EGR位置值。

2.2 EGR阀小闭环位置控制

EGR阀的位置控制同样包括稳态和瞬态两部分。由于PI控制能够比较好地满足系统的稳态要求, 这里主要讨论DT部分在瞬态控制中的作用。

在图3中, Δr有两种输入方式:一种以实际位置和目标位置的偏差作为输入, 一种是以实际位置作为输入。DT控制器是一种微分控制器, 采用DT控制器能够提高系统的瞬态响应性。若直接以实际位置作为DT控制器的输入参数, 则DT控制器的控制目标为EGR阀的运动速度;若以偏差作为DT控制器的输入参数, 则DT控制器的控制目标为EGR阀的加速度, 这两种方式分别对应一阶和二阶DT控制器。为防止急加速时冒黑烟, 瞬态控制要求空气系统的空气量实际值大于空气量的设定值, 即EGR在关闭时的速度可以略慢于EGR打开时的速度。同时为了实现理想的排放结果又要求在打开EGR阀时有足够的瞬态响应性。综上所述, 打开EGR阀可以通过控制阀的加速度来实现, 即使用以偏差作为输入的二阶DT控制器加PI控制器;关闭EGR阀可以使用以位置作为输入的一阶DT控制器加PI控制器。笔者在开发的控制软件中通过上述控制策略, 提高了EGR系统的瞬态响应速度。

在EGR阀的结构中可以看出, 打开EGR阀和关闭EGR阀的力平衡方程是不同的。在打开EGR阀过程中, 直流电机输出扭矩除了要克服由压差引起的阻力外, 还需要克服复位弹簧的阻力;在关闭EGR阀过程中, 直流电机输出扭矩和弹簧力同时克服由压差引起的阻力, 所以在打开方向的PID控制参数要比关闭方向的PID控制参数值大。在关闭EGR阀过程中, 若弹簧刚度很大, 在弹簧的作用下阀体对阀座能够产生较大的冲击, 通过反向输出占空比, 可以降低阀体的下降速度, 减少阀体对阀座的冲击, 提高EGR阀的耐久度。

PID控制是对偏差进行比例积分和微分的控制规律, 该控制的前提是系统是线性系统。在EGR阀位置控制中对于打开阀的瞬间, 特别是小开度控制时, 由于阀打开和关闭时阀的一边的压力是突变的。这突变部分的压力是和排气背压相关的, 所以打开阀的瞬间若用PID控制则响应速度较慢, 一般可以通过实验方式测出在不同排气背压下打开阀需要的最小占空比, 以其作为PID参数的初始值或者作为积分环节的初始值, 从而能够满足小开度控制的瞬态响应性。

3结论

本文探讨了PID控制在EGR系统中的作用, 并从稳态和瞬态两方面探讨了不同的控制策略。在空气系统大闭环中采用PI加预控制的方式;在小闭环位置控制中打开方向采用PI加预控制方式, 在关闭方向采用PI加DT控制方式。试验表明设置合理的EGR率, 在该微机控制平台上氮氧的排放能够达到欧IV法规中对于氮氧化物的排放限值。

参考文献

[1]王天灵, 李骏, 吴君华, 等.EGR和VNT的匹配对增压柴油机排放的影响[J].吉林大学学报 (工学版) , 2006, 36 (4) :493-496.

EGR和EGC洗涤器协同效应浅析 第9篇

1 EGR和EGC洗涤器介绍

EGR (Exhaust Gas Recirculation)就是废气再循环系统,即把气缸内燃烧过的废气通过一套设备再引入到气缸内参与燃烧。采用EGR后缸内引入了部分燃烧后的气体,大量的惰性气体使得燃烧不能快速进行,同时新的混合气体的比热容增大了燃烧温度也就相应降低,因此氮氧化合物的排放明显减低。然而随着EGR率的增大,在氮氧化合物排放减低的同时,颗粒物也会随之增加燃油经济性性随之恶化,因此EGR也发展为带中冷和洗涤器,布置如图1所示。EGR采用冷却和洗涤后,明显提高了柴油机运行性能。为使柴油机发挥更好的性能,EGR率也应随着柴油机工况点的不同而变化。

EGC (Exhaust Gas cleaning)就是废气清洁系统,即通过清洁塔使得流经的废气的硫化物等与介质液发生反应产生无污染的物质从而达到清洁的作用。EGC洗涤器既能使用淡水也能使用海水。海水法是利用其天然弱碱性来吸收其硫氧化物,反应后形成硫酸盐,是海水的成分之一对环境无破坏。但海水酸碱度受地域影响变化波动大,其对高硫烟气吸收效果差。淡水法是闭式循环,通过加入氢氧化钠来调节介质液的成分达到对烟气脱硫的最佳效果,由于其可调成分稳定因此脱硫效果较好。

2 EGR/EGC洗涤器组合工艺描述

EGR洗涤器用于去除二氧化硫和颗粒物,保护发动机部件,避免发生因煤烟微粒产生的腐蚀和结垢。EGR洗涤器相应地清洁废气,清洁后的气体随后可重新流回燃烧室。在此过程中去除了部分硫化物和颗粒物后,因此不需要在废气清洁洗涤器EGC中再进行一次此类作业,也减少了废气总流量。发动机产生的废气中,大约有30-40%能够再循环利用。废气再循环系统在“内部回路”中循环30-40%的废气时,废气流经EGC洗涤器后,相比尺寸相当但未安装EGR洗涤器的发动机,能减少30-40%的废气。这意味着如果发动机载荷高于60-70%时启动废气再循环系统,EGC洗涤器仅需处理其中60-70%的废气。EGR和EGC洗涤器组合布置如图2所示。

组合使用EGR/EGC洗涤器的主要优点在于:如果发动机高载荷运行时,可以利用EGR洗涤器来去除部分二氧化硫,则可以缩小EGC洗涤器的尺寸。但洗涤器尺寸缩小后,若在非氮氧化物排放控制区外航行时发动机载荷高于80%,则要求启动废气再循环系统,或将燃油切换为使用低硫燃油。若船舶在非氮氧化物排放控制区和非硫氧化物排放控制区中航行,可关闭EGR洗涤器以节省燃油,且EGC洗涤器使用流速更慢的海水运行时,能达到0.5%SEQ (硫当量)的要求,耗电量也更低。在氮氧化物排放控制区和硫氧化物排放控制区中航行时,可以同时运行EGR/EGC洗涤器,可使排放物中的氮氧化物减少74%,硫化物减少98%,颗粒物排放下降80%。

3 组合系统的经济性评估

评估数据根据某4900TEU集装箱船得来,发动机使用的是MAN 6S80ME-C9.2。

3.1 投入成本

若将两个系统可能的全部组合考虑在内,则组合使用EGR和全尺寸EGC洗涤器系统后(洗涤器保持全尺寸不变),大约能节省5%的成本。而使用尺寸更小的洗涤器可以将节省幅度提高至20%左右,但必须考虑到运营成本损失。在这两种情况下,水处理系统和EGC洗涤器系统的成本下降是促成节省的主因,成本评估如图3所示。在实际船舶中,EGR/EGC洗涤器系统增加的成本,约占船舶价格的10-13%。

3.2 运营成本

组合系统的运营成本针对以下两种不同的排放控制情况进行估算:排放控制区和非排放控制区。另外还针对EGC洗涤器中用淡水和海水洗涤这两种情况分别进行了估算,EGR洗涤器只使用淡水,估算结果如表1所示。可以看到在排放控制区中用高硫燃油(含硫量3.0%)替代昂贵的低硫燃油(含硫量0.1%)产生很大的影响。在非排放控制区中也有同样的影响,但由于此控制区(含硫量0.5%)中允许使用的燃油成本较低,所以节省幅度较小。

非排放控制区硫0.5%无废气清洁非排放控制区硫3.0%淡水非排放控制区硫3.0%淡水排放控制区硫0.1%无废气清洁排放控制区硫3.0%淡水排放控制区硫3.0%海水

燃油、EGC洗涤器和废气再循环系统的总运营成本取决于在排放控制区中所航行时间。相比与使用IMO燃油,所有情况下EGC洗涤器对成本的影响都很大。在非排放控制区中航行时,总运营成本下降17%;而全部在排放控制区中航行时,则总运营成本能减少30%。

3.3 投资回报期

根据船舶在排放控制区中航行的时间所占比例,可以估算出安装组合EGR/EGC洗涤器系统产生的影响。若在排放控制区中的航行时间所占比例达到20%,则选择更标准尺寸的EGC洗涤器解决方案时,投资回报期将为1.5年,如果选择更小尺寸的EGC系统则为1.3年。随着在排放控制区中的航行时间所占比例逐渐上升到100%,投资回报期会更短,对于组合系统,标准尺寸只需0.8年;而对于小尺寸系统,只需0.7年。即便船舶仅在排放控制区外航行,投资回报期也仅为1.9年。

4 结论

通过将可去除氮氧化物的废气再循环系统与去除硫氧化物的EGC洗涤器系统组合使用,能够获得巨大的经济效应。组合使用后如果根据减少的废气流量使用尺寸更小的EGC洗涤器,则与废气再循环系统一起运行时,资本成本很可能降低20%左右。如果仍使用全尺寸EGC洗涤器,则资本成本可节省约5%。使用重燃油以及EGR/EGC洗涤器系统时,运营成本比使用船用汽油运行时节省20%,投资回报期少于两年。通过将EGR/EGC洗涤器组合使用,船主仍可以使用低成本的含硫重燃油,且不影响船舶在排放控制区的氮氧化物和硫氧化物排放水平。相对于船用馏分油/船用柴油(硫含量0.1%/0.5%),使用重燃油以及EGC洗涤器和废气再循环系统能使运营成本节省17%-30%,且投资回报期不足两年。

参考文献

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