渦輪增壓柴油機(jī)EGR閥對排放的控制及發(fā)展趨勢

姚強(qiáng)，賈育恒，李書偉，金明，李利員

（東風(fēng)股份商品研發(fā)院，武漢430057）

渦輪增壓柴油機(jī)EGR閥對排放的控制及發(fā)展趨勢

姚強(qiáng)，賈育恒，李書偉，金明，李利員

（東風(fēng)股份商品研發(fā)院，武漢430057）

本文結(jié)合渦輪增壓柴油機(jī)的的特點(diǎn)，介紹了EGR閥的分類，分析了不同EGR率對排放的影響。在排放法規(guī)日益嚴(yán)格的情況下，分析了EGR閥的發(fā)展趨勢。研究表明，汽車在中等負(fù)荷時EGR率最大，在高、低負(fù)荷時EGR率逐漸減小；直流電機(jī)EGR閥為以后的主要發(fā)展趨勢。

渦輪增壓；柴油機(jī)；EGR閥；負(fù)荷

姚強(qiáng)

畢業(yè)于武漢科技大學(xué)車輛工程專業(yè)，碩士研究生學(xué)歷，現(xiàn)任東風(fēng)股份商品研發(fā)院發(fā)動機(jī)部機(jī)構(gòu)科，研究方向：汽車排氣EGR閥及管路，已發(fā)表論文兩篇。

為了減少排放污染，滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求，排氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）、可變截面渦輪增壓系統(tǒng)（VGT）、選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）和柴油顆粒補(bǔ)集系統(tǒng)（DPF）等技術(shù)相繼用在電控柴油機(jī)系統(tǒng)中。排氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）技術(shù)作為降低排放的技術(shù)之一，在電控柴油機(jī)系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用。本文在EGR的技術(shù)背景下，介紹了EGR閥的分類，分析了不同EGR率對排放的影響和EGR閥的發(fā)展趨勢。

1．概述

EGR原理是通過控制將適量的發(fā)動機(jī)排氣再循環(huán)到進(jìn)氣歧管，并且在歧管處與吸入的新鮮空氣相混合，通過稀釋新鮮空氣，降低峰值燃燒溫度和燃燒壓力以抑制NOx的生成從而達(dá)到減少排放污染物NOx目的［1，2］。

在EGR系統(tǒng)中，EGR率等于廢氣量與進(jìn)氣總量的體積之比。根據(jù)不同的發(fā)動機(jī)工況，EGR率得到精確的調(diào)節(jié)。在循環(huán)的廢氣量因發(fā)動機(jī)不同的工況而改變，這些廢氣在進(jìn)入進(jìn)氣歧管時都得到精確的控制和計量。這種控制方式能很好的平衡發(fā)動機(jī)排放和性能之間的矛盾：如果太多的廢棄進(jìn)入發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)的性能會惡化，煙度將大幅度上升，并且發(fā)動機(jī)可能會發(fā)出敲擊噪聲；如果太少的廢氣回到發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)的排放將得不到較好的改善，以滿足相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。對于每一個不同的發(fā)動機(jī)工況（負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、溫度等）存有一個最優(yōu)化的EGR率。

一個傳統(tǒng)的EGR系統(tǒng)（如圖1.1所示），由各種傳感器（信號輸入）、ECU（控制單元）和驅(qū)動裝置構(gòu)成。發(fā)動機(jī)的實(shí)際工況由溫度、油門位置和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等傳感器反應(yīng)，ECU據(jù)此查找對應(yīng)的EGR率MAP并輸出與之相應(yīng)的控制量到控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對EGR率的有效控制［3，4，5］。驅(qū)動裝置主要由真空調(diào)節(jié)器和EGR閥組成，他們根據(jù)控制器送達(dá)的執(zhí)行指令驅(qū)動EGR閥門，從而調(diào)節(jié)EGR率，使其工作在最佳狀態(tài)。

在EGR系統(tǒng)中，EGR閥作為其核心執(zhí)行零件，其性能直接影響著發(fā)動機(jī)的性能。

2．EGR閥的分類及工作原理

根據(jù)EGR閥驅(qū)動方式的不同，可分為氣動EGR閥、直流電機(jī)EGR閥、步進(jìn)電機(jī)EGR閥、比例電磁式EGR閥。

2.1 氣動EGR閥

氣動式EGR閥在工作時主要受控于真空室壓力的變化。當(dāng)真空室真空度增大時，在膜片上產(chǎn)生較大的向上拉力，此時拉力若大于彈簧力，則膜片帶動閥門向上運(yùn)動，閥門打開。閥門打開的大小與真空室內(nèi)的真空度呈正比關(guān)系。

在選擇用氣動EGR閥時，要考慮排氣背壓的影響，若排氣壓力過大，也可能反作用于閥門上，從而推動閥門打開。

2.2 直流電機(jī)EGR閥

直流電機(jī)EGR閥結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。通過控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)動經(jīng)過齒輪傳動后帶動一曲柄機(jī)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，從而推動閥門的開關(guān)。同時在閥門機(jī)構(gòu)中，裝有一旋轉(zhuǎn)位置傳感器，實(shí)時監(jiān)測閥門的開度，把信號反饋給ECU，ECU據(jù)此查找對應(yīng)的EGR率MAP并輸出與之相應(yīng)的控制量到控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)［6］。

2.3 步進(jìn)電機(jī)EGR閥

步進(jìn)電機(jī)EGR閥是通過控制步進(jìn)電機(jī)中各項(xiàng)時序，使電機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)；通過電機(jī)內(nèi)部渦輪渦桿機(jī)構(gòu)，使中心軸向外伸縮，同時推動閥門打開；閥門是通過彈簧的彈力復(fù)位的。

2.4 比例電磁鐵EGR閥

比例電磁鐵EGR閥結(jié)構(gòu)如圖2.2所示，采用的是占空比（PWM）驅(qū)動，通過改變驅(qū)動電流，使電磁鐵中產(chǎn)生的推力發(fā)生改變，當(dāng)電磁力大于彈簧力時，閥門被推開，當(dāng)驅(qū)動力為零時，彈簧復(fù)位，閥關(guān)閉。閥的開度一般會通過位置傳感器進(jìn)行反饋［7］。

表1　三種電動EGR閥特性對比

從上表可知，三類EGR閥最大區(qū)別在于驅(qū)動力。因此，一般柴油發(fā)動機(jī)對EGR率需求較大，且其排氣中易積碳，因此為滿足其需求（大流量、去積碳），要求閥的驅(qū)動力矩大，從而多數(shù)選擇直流電機(jī)類產(chǎn)品；而在汽油機(jī)中，一般EGR率較小，且不產(chǎn)生積碳現(xiàn)象，一般多用比例電磁鐵EGR閥或步進(jìn)電機(jī)EGR閥。

3. EGR閥對排放的影響

如圖3.1所示，為一個EGR在負(fù)荷分別為25%、50%、75%、100%時，EGR率對NOx、碳煙（Soot）、油耗（BSFC）的影響。

大負(fù)荷時（100%，75%），隨著EGR率增加，碳煙和油耗大幅上升，而負(fù)荷較低時（＜20%），HC增加較快，故一般控制在中等負(fù)荷時EGR率最大，而高、低負(fù)荷時EGR率逐步減小。

如圖3.2所示，為一臺轎車柴油機(jī)的3D EGR MAP圖，由圖可知，按照轎車試驗(yàn)工況，在不考慮排放的要求下，低速低負(fù)荷時柴油機(jī)有較高的EGR率。

4. EGR閥的發(fā)展趨勢

如圖4.1所示，為歐洲排放法規(guī)和EGR閥生產(chǎn)示意圖，可知，隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，氣動EGR閥的占有比例日益減少，直流電機(jī)EGR閥成為主要發(fā)展趨勢。

5．結(jié)論

由上述可知，汽車在大負(fù)荷時，當(dāng)EGR率增大時，碳煙的排放和油耗大幅上升；當(dāng)負(fù)荷較低時，HC的排量較高。因此，汽車一般控制在中等負(fù)荷時EGR率最高，而高、低負(fù)荷時EGR率逐步減小。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，直流電機(jī)EGR閥將成為主要發(fā)展趨勢。

［1］Van Nieuwstadt M J，Kolmanovsky I V，Moraal P E. EGR-VGT control schemes：experimental comparison for a high-speed diesel engine［J］.IEEE Control Systems Magazine，2000，（03）：63-79.doi：10.1109/37.845039.

［2］Ock Taeck L，Sato Y，Nozaki S. Development of DME engines for light-duty trucks using a large EGR system［A］.New York，USA：IEEE Society，2008.663-667.

［3］房克信，鄧康耀，鄔靜川. EGR溫度對渦輪增壓柴油機(jī)燃燒和排放的影響［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2004，（06）：40-43.doi：10.3969/j.issn.1000-1298.2004.06.012.

［4］陳友強(qiáng).田維 渦輪增壓柴油機(jī)EGR系統(tǒng)設(shè)計 ［期刊論文］-西華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2011（6）.

［5］EGR和冷EGR對柴油機(jī)燃燒和排放的影響 - 西安交通大學(xué)學(xué)報 - 2009， 43（9）.

［6］韋雄.冒曉建.祝軻卿.蔣祖華.梁鋒.馮靜 滿足國V以上排放的轎車柴油機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究.

［7］Cui Hongwei. Exhaust gas recirculation control in a spark-ignition LPG engine using neural networks［A］.New York，USA：IEEE Society，2006.6332-6335.

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張建東：

本文介紹了EGR的工作原理；EGR閥的種類和工作原理，并比較了EGR閥的特點(diǎn)，對設(shè)計人員選擇EGR閥的方法給出了參考意見；比較發(fā)動機(jī)各種工況下EGR率對發(fā)動機(jī)排放，油耗的影響，總結(jié)了規(guī)律性給出了較為可靠結(jié)論。具有一定的參考意義。

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