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内燃机废气再循环研究:综述
G.H. Abd-Alla
Al-Ain Technical School, P.O. Box 17835, Al-Ain, United Arab Emirates
Received 17 January 2001; accepted 25 April 2001
摘要：本研究的目的是探讨废气再循环(EGR)技术在减少废气排放，特别是排放方面的潜力，并划定该技术的应用范围。详细分析了EGR对柴油机、火花点火发动机和双燃料发动机排放和性能的影响。通过深入分析发现，将EGR加入到柴油机的空气流量中，而不是取代部分进口空气，似乎是柴油机使用EGR的一种更为有利的方式。这种方式可能会让排放量大幅降低。在火花点火发动机中，用10%到25%的EGR可以大幅度降低浓度。但是EGR也降低了燃烧速率，使得稳定燃烧更加困难。在恒定的燃烧时间和平均有效压力下，比油耗随EGR的增大而减小。随着EGR的增加，燃油消耗量的提高主要有三个方面的原因：一是泵送工作量的减少；其次，减少了气缸壁上的热损失；第三，高温燃烧气体中离解度的降低。采用热EGR的双燃料发动机，由于进气温度的提高和循环气体中未燃烧燃料的再燃烧，提高了热效率。同时，在高天然气馏分时，被还原，烟气几乎为零。冷态EGR的热效率低于热态EGR，但可以降低的排放。因此，EGR的使用被认为是改善废气排放最有效的方法。
关键词：EGR废气再循环；柴油机；火花点火引擎；双燃料发动机；排放；HC排放；热废气再循环；冷却EGR技术
简介
具有低环境影响的动力单元的开发已成为汽车技术中最有趣的挑战之一。实际上，为了实现较低的排放水平，结合其他技术，最近已成为一种必不可少的排气部分再循环技术[1]。
几个原因可以用来解释这种突然的兴趣。首先，未来欧洲指令的提议为排放设定了单独的甚至更加严格的限制。其次，由于其他最近使用的技术（例如高增压，更有效的喷射系统改善了混合工艺）的相关反向作用，进一步减少排放可能已成为最困难的目标。新一代的废气再循环（EGR）阀和电子控制装置的改进使瞬态条件下的EGR精度更高，响应时间更短。第四，由于城市交通密度的增加，最常见的工作条件（主要在乘用车中）已移至较低的发动机负荷，并且必须考虑到，由于较高的氧气含量，主要在部分负荷下使用EGR内容。最后，上世纪90年代初出台的颗粒物排放法规比烟雾不透明法规更为严格，这改变了从质量而非浓度方面减少排放的努力方向。降低总排气质量流量有利于减少排放。
2. 废气再循环系统实例
为了研究EGR对汽车发动机性能和排放的影响，图1所示的系统给出了EGR系统的示例。该系统设计、制造并安装在Ricardo E-6发动机上，用作间接喷射双燃料发动机[2]。为了清除烟雾，使用了15times;15times;30的微粒捕集过滤器。再循环废气的温度用装在进气歧管附近EGR管中的热电偶测量。过滤材料由钢丝绒制成。EGR管的一部分由柔性不锈钢制成，以避免将发动机振动传递到排气系统，再传递到测量仪器。玻璃棉用于隔离EGR管，以最大程度降低还原气体温度。
图1 EGR系统[2].
3.废气再循环率的定义
废气再循环百分比(EGR(%))定义为回收废气占总进气混合气的百分比，
(3.1)
是废气再循环的质量，高达30%的废气可以再循环。
根据EGR与新鲜混合物(燃料和空气)的比例，有EGR的另一种定义:
(3.2)
在某些情况下，EGR比也定义为再循环气体与引入气缸的总充气量的体积比。 在这种情况下，EGR率可以达到50％[3]。
(3.3)
4. 柴油发动机的废气再循环
EGR是目前最有效的减少内燃机排放的技术之一。然而，使用EGR也会有其他负面作用。就柴油发动机而言，有不断恶化的特定燃料消耗和微粒排放[4,5]。特别是，EGR改变了氮氧化物和颗粒物排放之间的平衡，尤其是在高负荷下。EGR的应用也会对润滑油质量和发动机耐久性产生不利影响。同时，由于EGR增加了活塞环和缸套的磨损，使得EGR在重型柴油机上还没有得到实际应用。人们普遍认为废气中的硫氧化物与磨损密切相关。结果表明，油层中硫氧化物浓度与EGR率关系密切，与发动机转速成反比，在轻载工况下呈下降趋势。研究还发现，随着EGR引起的二氧化碳水平的增加，燃烧噪声水平也会增加，但在某些频率上影响更明显。此外，无论进气混合气的二氧化碳含量如何，可以观察到，随着发动机负载的增加，噪声水平降低了[6]。通过提高EGR率，可以更有效地抑制预混燃烧过程中的热释放速率，预混燃烧具有燃烧速度快的特点，并且对的形成有显著的控制作用。此外，EGR和增压的联合作用在燃烧方面取得了相当大的改善，同时降低了的排放。结果表明，的排放量几乎可以按EGR率的比例减少，在EGR率为20%的情况下，的排放量可减少约50%，且不存在烟气恶化和未燃尽的HC排放 [7]。柴油发动机在运行时没有人为的进气节流(即没有节流阀)。因此，在给定的发动机运行条件下(如图2所示，0.5 g)，柴油发动机尽可能多地吸入气缸内的空气。因此，EGR(如图2所示，0.1 g)的应用涉及到EGR对部分进口空气的置换。这种空气置换的结果(例如，0.1 g，参见图2)是可用于燃烧的空气的减少。为了保持给定的扭矩和功率输出，提供给发动机的燃料量必须保持不变，减少可用于燃烧的空气会降低发动机工作时的空气-燃料比。这种空气燃料比的降低会对废气排放产生重大影响。
图3总结了EGR对柴油机进气成分的影响。在图2的例子中，25%的进口空气流量被等体积流量的热EGR代替。可以看出，对进气成分的影响，首先是进气质量流量减少了14%。这是由于进气温度升高导致发动机容积效率降低所致。其次，一些进入的空气被二氧化碳()和水蒸气()取代，它们是EGR的主要成分。因此，热EGR的应用降低了发动机的氮气()流量约15%，氧气()流量约19%。约五分之一的流量的减少是由于EGR中存在的和的置换，其余的是由于体积效率的降低。EGR与供柴油发动机的进口空气混合后，进气充量温度升高，对压缩充量温度和燃烧过程[4]有显著影响。
图2.内燃机中使用EGR的不同方式的比较[4].
部分负荷下的EGR可用于减少柴油机排放。请注意，由于柴油发动机在部分负荷下运行时气流未被节流，因此废气中的和浓度较低，基本上与燃料/空气比例成正比。因此，需要高EGR水平才能显著减少氮氧化物排放。图4显示了在恒定的加燃料率下，当柴油柴油机进气流量被稀释时，浓度如何下降。稀释后的浓度用混合物中的氧浓度表示。图5显示了EGR在典型的汽车发动机部件负载条件下对小型高缸径柴油机的具体和HC、油耗和烟尘的影响。实现了有效降低氮氧化物和适当降低HC浓度。然而，随着EGR率[8]的增加，烟尘也随之增加。
图3.用热的（700 K）EGR（空燃比为32：1的柴油发动机）代替25％的进气量对发动机进气的影响[4]。
图4.不同稀释剂（EGR，，）降低氧气浓度对柴油燃烧中排放的影响[8].
NOX排放主要受两个因素影响：（1）进气中氧气的存在；（2）反应温度，在形成和破坏阶段均促进化学活性。
在形成阶段，反应温度接近绝热火焰温度，这是进气中氧气浓度，初始温度和压力以及局部燃料-空气比的结果。 EGR降低了进气中的氧气浓度，从而降低了燃烧压力和温度，如图6 [1]所示。
发动机测试表明，当燃烧室中的氧气浓度降低时（稀释效果），的生成会被抑制。因此，产生了一个问题，即为什么气缸中浓度的降低会抑制的生成。下面借助图7讨论对此影响的可能解释，图7显示了在两种柴油燃料喷雾中发生的燃烧，其中一种存在，另一种不存在EGR。首先，假设燃烧发生在空燃比处于化学计量比的区域，如图7的左图所示。在使用EGR时，气缸内的一些被代替。气缸中的浓度会降低。随着局部浓度的降低，在要形成理想配比的混合物遇到足够的之前，一定数量的燃料必须在更大的区域内扩散（图7的右图）。现在，对于给定的燃料量，该化学计量混合物区域不仅包含化学计量混合物，还包含额外的，和。这些气体的额外量吸收了燃烧释放的能量，从而降低了火焰温度并降低了的产生[4]。
5. 火花点火发动机的废气再循环
EGR是控制发动机氮氧化物排放的主要技术。一部分废气通过控制阀从排气口再循环到发动机进气系统。再循环废气通常在节气门正下方与新鲜的燃料-空气混合物混合。EGR在部分负荷下作为未燃烧气体混合物中的额外稀释剂，从而降低了峰值燃烧气体温度和NO生成率[8]。
研究发现，EGR可降低废气中的浓度。它还降低了比油耗，减少了从气缸内容物到周围表面的传热。实际上，EGR的数量被限制在一个点上，超过这个点，燃烧温度和火焰速度就会低到足以使发动机难以运行。EGR增加了HC排放，但对CO排放影响不大。在较高的EGR率下，HC排放量的增加可能达到60%以上。
图5.在1250 rpm和255 kPa bmep的条件下，对于2.4 dm3四缸高涡流柴油发动机机，抑制HC，排放，降低燃料消耗和烟排放与EGR率的关系[8].
图6. 柴油发动机机中不同EGR的压力信号[1].
图7.使用EGR时，喷射火焰占用的体积增加[4].
现代汽油发动机以化学计量的空气-燃料混合物运行。当不使用EGR时，进入发动机气缸的空气燃料混合物的质量（例如，图2所示为0.3 g）控制着发动机产生的扭矩和功率。如果在引入EGR时扭矩和功率输出保持恒定，则滞留在气缸中的混合气也必须保持恒定（0.3 g）。因此，如图2所示，进入发动机气缸的EGR质量（如图2所示为0.1 g）必须是滞留的空气燃料混合物质量的附加值。因此，为了使转矩和功率输出保持恒定，总的进气质量（空气-燃料混合物加EGR）必须增加（至0.4 kg）。由于发动机气缸容积是固定的，因此只能通过提高进气密度来实现进气质量的增加，这需要进一步打开发动机节气门（见图2）。节气门开度增加的附带好处是发动机泵送功的减少和燃油经济性的提高[4]。
图8.废气中NO浓度随EGR的变化（％） 火花点火发动机，转速1600 rpm，gvfrac14;50％MBT正时[8].
图8显示了EGR对NO排放的效果。使用10％到25％的EGR可以实现NO浓度的大幅降低。 但是，EGR也降低了燃烧速率，这使得难以实现稳定燃烧。 EGR率在15％到30％的范围内，这是正常点火条件下点火发动机所能承受的最大EGR率[8]。
6.双燃料发动机中的废气再循环
双燃料是传统的压燃式柴油发动机，其中燃烧释放的一些能量来自气体燃料的燃烧，而柴油液体燃料则通过定时汽缸喷射继续提供剩余的全部燃料。释放的能量约占总能量释放的10％。“双燃料”一词不应与火花点火发动机的双燃料应用相混淆，在这种应用中，液体燃料不会与气体燃料同时燃烧。双燃料发动机是一种理想的多燃料发动机，可以有效地使用各种不同的燃料，同时又保持了常规柴油发动机的运行能力。通常，即使在负载条件下，也可以自动从双燃料转换为柴油，反之亦然。多年来，双燃料发动机已被广泛应用。现在有许多固定装置用于发电，产生二氧化碳，压缩气体和泵送作业。在运输中，气态燃料的可携带性问题以及在移动应用中提供紧凑的存储设施的问题仍然是紧迫的长期研究领域，这些领域可能会为双燃料发动机和扩大开发利用市场打开广阔的潜力。双燃料发动机可以是四冲程或二冲程类型。后者在转换为双重燃料原理方面有更多的要求，主要是为了避免在清除过程中燃料和空气的混合物不必要地通过废气。因此，与四冲程类型的发动机相比，相对较少的两冲程发动机以气态燃料燃烧运行。而且，无论是普通吸气式还是涡轮增压式柴油机，都已经在非常广泛的发动机功率范围内使用气态燃料运行，可以扩展到每台发动机功率数百万瓦的大型船用发动机[11]。通常将气体燃料引入简单的化油器系统中并与空气混合。有时，可以采用定时喷射到歧管中，而对于某些涡轮增压的二冲程应用，则采用定时喷射直接喷射到发动机气缸中[12]。然而，这种多燃料操作的控制原则上确实导致了操作复杂性的增加，导致较高的经济成本和操作成本。为双燃料发动机开发可靠，廉价和简单的控制系统还有很大的空间。压燃式发动机中的双燃料燃烧系统本质上具有将气体-空气混合物快速压缩的功能。图9.在恒定bmep和速度，化学计量混合比和各种燃烧持续时间下，EGR对燃油消耗率的影响。基于热力学的循环模拟预测[8]。在压缩冲程期间，通过以通常的方式点燃柴油液体燃料，在上止点位置附近的某个点处点燃充气。发动机保留了仅使用柴油液态燃料或与多种浓度的气态燃料-空气混合物结合运行的能力。柴油液体燃料是通过常规柴油燃料系统喷射的，每次喷射的先导充气量可以是固定的，与发动机的输出无关，也可以相对于以规定方式供应的气体燃料而变化[
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