基于排放標(biāo)準(zhǔn)的廢氣再循環(huán)技術(shù)

陸玲亞 顏振浩 李博文

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院 江蘇 無錫 214121）

引言

近20 年來，使污染物排放滿足排放標(biāo)準(zhǔn)一直是全球范圍內(nèi)車用發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的工作重心[1]。迄今為止，全球范圍內(nèi)大多數(shù)車用發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是歐洲、美國及日本等國的產(chǎn)品，不論是輕型還是重型，道路用還是非道路用，在排放控制上均取得了巨大成效[2]。

眾所周知，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的主要污染物有一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM、PN）等。其中，NOx絕大部分為一氧化氮（NO），人體吸收NO 后，會(huì)迅速氧化成二氧化氮（NO2）。NO2有強(qiáng)烈的腐蝕性和毒性，能引起人的中樞神經(jīng)麻痹和痙攣[3]。對(duì)此，本文梳理了歐洲、美國、日本以及我國排放標(biāo)準(zhǔn)的演變過程，研究了NOx排放限值的變化，探討了基于排放標(biāo)準(zhǔn)的廢氣再循環(huán)技術(shù)的發(fā)展，并展望了其未來的發(fā)展趨勢(shì)。

1 廢氣再循環(huán)原理

1.1 廢氣再循環(huán)的工作原理

廢氣再循環(huán)（EGR）的基本原理如圖1 所示，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性不降低的條件下，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度和負(fù)荷情況，將燃料燃燒后產(chǎn)生的廢氣的一部分重新引入進(jìn)氣歧管，和新鮮空氣混合后形成新的混合氣，再次進(jìn)入氣缸參與燃燒。

圖1 EGR 工作原理

NOx的生成條件是高溫富氧，EGR 降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放有幾個(gè)方面的原因。第一方面，從排氣歧管排出的高溫廢氣中存在大量的三原子氣體，如CO2、NO2、水蒸氣等，這些氣體的比熱容較高，當(dāng)新鮮空氣和高溫廢氣混合后，熱容量隨之增大。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)混合氣發(fā)生燃燒反應(yīng)時(shí)，在燃料燃燒放熱總量不變的情況下，由于混合氣的比熱高，吸收的熱量增加，因此氣缸內(nèi)的最高燃燒溫度降低；第二方面，高溫廢氣中存在惰性氣體，當(dāng)新鮮空氣和高溫廢氣混合后，惰性氣體增加，使著火延遲期變長，燃燒速度減緩，最高燃燒溫度下降；第三方面，由于新鮮空氣與高溫廢氣混合，混合氣內(nèi)氧的濃度相對(duì)減少。EGR 破壞了燃燒室內(nèi)高溫富氧條件，從而減少了NOx的產(chǎn)生。目前，EGR 技術(shù)是降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放最有效的措施之一。

1.2 EGR 率

再循環(huán)的廢氣量用廢氣再循環(huán)率（EGR 率）表示。EGR 率的計(jì)算公式[4]如下：

式中：REGR為EGR 率，%；RCO2，in為中冷器后CO2的濃度，%；RCO2，air為空氣中CO2的濃度，%；RCO2，exh為渦輪后廢氣中CO2的濃度，%。

EGR 率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有很大影響：再循環(huán)廢氣量過少，不能有效地降低NOx排放；再循環(huán)廢氣量過多，發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化，工作不穩(wěn)定。增加EGR 率，可以使NOx排放降低，但同時(shí)會(huì)使HC 排放和油耗升高?；綞GR 率由發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及負(fù)荷來確定，各種工況采用的EGR 率必須綜合考慮動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

2 排放標(biāo)準(zhǔn)的演變

眾所周知，汽車尾氣排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。隨著人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，汽車排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格。早在20 世紀(jì)六、七十年代，世界各國就對(duì)汽車尾氣排放建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，通過嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)汽車排放控制技術(shù)進(jìn)步。而汽車排放控制技術(shù)的不斷提高，又促使更高排放標(biāo)準(zhǔn)的制訂。

2.1 歐盟相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)施

在歐洲，汽車的排放標(biāo)準(zhǔn)一般是每4 年更新一次。

1992 年以來，歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)已實(shí)施若干階段，具體的排放標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)施時(shí)間見表1。

表1 歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)施時(shí)間

現(xiàn)階段，歐盟實(shí)施歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)。但新歐盟委員會(huì)于2019 年12 月11 日提出，歐盟將于2021 年6月之前修訂汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，以確保2025 年后朝著零排放的方向發(fā)展，這意味著歐洲可能將于2030 年實(shí)施歐Ⅶ排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 美國排放標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)施

美國是最早執(zhí)行汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的國家，也是排放控制指標(biāo)種類最多、標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)的國家，主要分2 個(gè)部分：聯(lián)邦排放標(biāo)準(zhǔn)即環(huán)境保護(hù)局（EPA）排放標(biāo)準(zhǔn)和加利福尼亞州空氣資源局（CARB）排放標(biāo)準(zhǔn)[5]，其各個(gè)階段的排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)污染物的限制要求和歐洲標(biāo)準(zhǔn)大致類似。

到現(xiàn)在為止，EPA 發(fā)布的輕型汽車排放標(biāo)準(zhǔn)分3 個(gè)階段，即Tier1、Tier2 和Tier3，頒布及實(shí)施時(shí)間見表2。

表2 美國EPA 排放標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)施時(shí)間

CARB 排放標(biāo)準(zhǔn)比EPA 更為嚴(yán)格，CARB 采用的排放標(biāo)準(zhǔn)稱為低排放車輛標(biāo)準(zhǔn)（Low Emission Vehicles，LEV），實(shí)施時(shí)間見表3。

表3 美國CARB 排放標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)施時(shí)間

目前，美國加州實(shí)施的是LEV Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，有效期為2015～2025 年。在執(zhí)行LEV Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)過程中，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)，最終與EPA Tier3 統(tǒng)一要求。

2.3 日本相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)及實(shí)施

日本的汽車排放法律法規(guī)分為2 種：最高值和平均值，即每一輛汽車的排放量不能超過最高值，每一季度每一輛汽車的排放平均值不能超過排放法律法規(guī)設(shè)計(jì)的平均限值。

1966 年，為限制CO 排放，日本實(shí)施了最初的汽車尾氣排放法規(guī)。1968 年制定了《大氣污染防止法》；2003 年推出了針對(duì)PM2.5及其以下顆粒物的法令，嚴(yán)于歐美當(dāng)時(shí)正在執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)；2006 年4 月1 日，施行了《關(guān)于特定特殊機(jī)動(dòng)車尾氣規(guī)制的法律》，俗稱《OFF-ROAD 法》；2007 年5 月，修訂了《汽車NOx·PM 法》；2009 年，采取了針對(duì)該特定區(qū)域污染防治的對(duì)策以及汽車限行措施，空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)增加了PM2.5的指標(biāo)。

現(xiàn)階段，日本機(jī)動(dòng)車燃油排放標(biāo)準(zhǔn)采用JC08模式。

2.4 我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)施

我國最早于1983 年頒布了第一項(xiàng)機(jī)動(dòng)車尾氣污染控制排放標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)從無到有的突破。我國輕型汽車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)施時(shí)間見表4。

表4 我國輕型汽車排放標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)施時(shí)間

3 EGR 技術(shù)的發(fā)展歷程

針對(duì)NOx排放，不管是哪個(gè)國家或地區(qū)，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，排放限值越來越低。

圖2 顯示了我國輕型汽車排放標(biāo)準(zhǔn)中NOx排放限值的變化情況。在國一和國二階段，沒有明確提出對(duì)NOx排放進(jìn)行限制。在國三、國四、國五階段，汽油機(jī)和柴油機(jī)的NOx排放限值分別為150 mg/km 和500 mg/km、80 mg/km 和250 mg/km、60 mg/km 和180 mg/km。到國六階段，排放標(biāo)準(zhǔn)不再區(qū)分汽油機(jī)和柴油機(jī)，從國六a 階段到國六b 階段，NOx排放限值從60 mg/km 下降到35 mg/km。

圖2 我國NOx 排放限值變化情況

EGR 是降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放最有效的措施之一，但EGR 最先應(yīng)用于汽油機(jī)上，主要的作用只是抑制NOx的生成。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，EGR被更多的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家應(yīng)用于汽油機(jī)上，不僅是為了降低機(jī)NOx排放，同時(shí)也是為了降低油耗。由于EGR 技術(shù)路線整體開發(fā)難度低，經(jīng)濟(jì)性好，特別是降低柴油機(jī)的NOx排放效果明顯，因此廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)上。如今，不管是汽油機(jī)還是柴油機(jī)，在配備發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)系統(tǒng)以及缸內(nèi)部件承溫能力提高的情況下，都應(yīng)用了EGR 技術(shù)。從工作原理上，汽油機(jī)EGR 和柴油機(jī)EGR 兩者相似；從功用上，汽油機(jī)EGR 是降低NOx排放和油耗，柴油機(jī)EGR 是降低NOx排放。

EGR 技術(shù)的發(fā)展歷程可以分為3 個(gè)階段：

1）第1 階段。20 世紀(jì)60 年代，歐洲、美國、日本等國先后以法規(guī)形式制定了排放標(biāo)準(zhǔn)，促使EGR 技術(shù)得到大幅度發(fā)展。在國外，EGR 技術(shù)首先應(yīng)用于汽油機(jī)，EGR 系統(tǒng)最初只是純氣動(dòng)形式，不帶冷卻循環(huán)系統(tǒng)，如圖3 所示。

圖3 氣動(dòng)式EGR 系統(tǒng)

該階段，EGR 系統(tǒng)主要用于抑制NOx的生成。由于采用氣動(dòng)控制再循環(huán)廢氣量，無法達(dá)到精確控制的目的，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有較大影響。不帶冷卻循環(huán)，EGR 閥需要經(jīng)受再循環(huán)廢氣帶來的高溫考驗(yàn)，并且廢氣內(nèi)所含雜質(zhì)會(huì)對(duì)閥體本身造成腐蝕或者卡滯。

2）第2 階段。20 世紀(jì)70 年代，帶冷卻循環(huán)的EGR 技術(shù)廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)，并與電控技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出帶閉環(huán)控制的氣電式或電磁式EGR 系統(tǒng)，如圖4 所示。

圖4 帶冷卻循環(huán)的EGR 系統(tǒng)

該階段，EGR 系統(tǒng)在第1 階段基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。通過閉環(huán)控制，采用電控技術(shù)達(dá)到精確控制EGR率的目的，滿足汽車不同工況下再循環(huán)廢氣量的要求，進(jìn)一步降低了NOx排放。從排氣歧管引出的再循環(huán)廢氣經(jīng)過EGR 冷卻器降溫后再通過EGR 閥進(jìn)入進(jìn)氣歧管，提高了EGR 閥及執(zhí)行器的耐溫性能。

3）第3 階段。也就是現(xiàn)階段，EGR 系統(tǒng)發(fā)展為多種形式：按系統(tǒng)布置，可以分為高壓EGR 系統(tǒng)、低壓EGR 系統(tǒng)和高低壓雙回路EGR 系統(tǒng)；按EGR 閥布置，可分為冷端EGR 系統(tǒng)和熱端EGR 系統(tǒng)。

一般地，從渦輪前取廢氣回流到壓氣機(jī)后的EGR系統(tǒng)稱為高壓EGR 系統(tǒng)，從渦輪前取廢氣回流到壓氣機(jī)前的EGR 系統(tǒng)稱為低壓EGR 系統(tǒng)，這是根據(jù)壓氣機(jī)前后壓力大小來進(jìn)行區(qū)分的。高壓EGR 系統(tǒng)可避免再循環(huán)的廢氣污染壓氣機(jī)和中冷器，減少淤塞和腐蝕問題，同時(shí)可避免EGR 隨工況變化響應(yīng)滯后。但在高負(fù)荷下，可能會(huì)出現(xiàn)進(jìn)氣壓力大于渦前排氣壓力的情況，需要采用一定的措施來克服進(jìn)排氣壓差問題。低壓EGR 系統(tǒng)不用考慮進(jìn)排氣壓差問題，但再循環(huán)廢氣可能會(huì)污染壓氣機(jī)，降低壓氣機(jī)的使用壽命，并產(chǎn)生延遲響應(yīng)特性，不利于瞬態(tài)廢氣排放測(cè)試。圖5 所示的EGR 系統(tǒng)示意圖中，將布置于DPF（顆粒捕集器）后端的EGR 稱為低壓EGR，與此相對(duì)應(yīng)的正常EGR 稱為高壓EGR。

圖5 EGR 系統(tǒng)

EGR 閥還可以選擇放在EGR 冷卻器前或后，如圖6 所示。

圖6 冷、熱端EGR 系統(tǒng)

EGR 閥置于EGR 冷卻器前，可以避免EGR 冷卻器長期與高溫排氣直接接觸，但EGR 閥體距離排氣管很近，直接暴露在高溫排氣下，對(duì)其抗熱負(fù)荷的性能要求很高，有的閥體上加工冷卻水通道，利用發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)水來進(jìn)行閥體冷卻，這樣的布置方式稱為熱端EGR 系統(tǒng)；EGR 閥置于EGR 冷卻器后，廢氣先通過EGR 閥，然后冷卻，最后進(jìn)入進(jìn)氣道，這是冷端EGR 系統(tǒng)。

不同的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家針對(duì)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品類型配套不同的EGR 方案，以滿足設(shè)計(jì)要求。

4 EGR 技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景

根據(jù)國家相關(guān)計(jì)劃，國六排放標(biāo)準(zhǔn)分為“國六a”和“國六b”2 個(gè)階段，對(duì)應(yīng)的實(shí)施時(shí)間分別為2020年7 月1 日和2023 年7 月1 日?？梢哉f，國六a 是國五到國六的過渡階段。自2019 年7 月1 日起，已有19 個(gè)省市相繼實(shí)行了國六a 排放標(biāo)準(zhǔn)。

4.1 柴油機(jī)EGR 技術(shù)現(xiàn)狀

不管是SCR（選擇性催化還原）、DOC（氧化性催化轉(zhuǎn)化器），還是EGR，在國六階段，應(yīng)用單一的排放控制技術(shù)很難滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求，所以一般將EGR與SCR+DOC 或EGR 與SCR 聯(lián)合使用，以降低NOx排放。

1）DOC+DPF+SCR+高低壓雙回路EGR 系統(tǒng)。該系統(tǒng)如圖7 所示。

圖7 DOC+DPF+SCR+高低壓雙回路EGR 系統(tǒng)

在正常情況下，高壓EGR 只在快速暖機(jī)和低負(fù)荷工況下使用；在車輛正常運(yùn)行和高負(fù)荷工況下，基本上只單獨(dú)使用低壓EGR，2 者一起使用的工況極為少見。

2）NSC+DPF+SCR+高壓EGR 系統(tǒng)。

加入高壓EGR 系統(tǒng)的作用主要是提高EGR率，減輕SCR 系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。在圖8 所示的方案中，后處理新增NSC（NOx捕捉器），利用NSC 來減輕SCR系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)和提高NOx的轉(zhuǎn)化效率。該方案是目前國外主流的技術(shù)方案。

圖8 NSC+DPF+SCR+高壓EGR 系統(tǒng)

4.2 汽油機(jī)EGR 技術(shù)現(xiàn)狀

應(yīng)用于汽油機(jī)上的EGR 方案同樣分為3 種：高壓EGR 系統(tǒng)、低壓EGR 系統(tǒng)和高低壓雙回路EGR系統(tǒng)分別與電控汽油機(jī)EGR 冷卻模塊、三元催化器等聯(lián)合使用，使再循環(huán)廢氣量在每一個(gè)工況都達(dá)到最多，保證排放物中的污染成份降至最低，可使冷卻損失比現(xiàn)行發(fā)動(dòng)機(jī)減少約8%，滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)要求、改善性能、降低油耗。

4.3 發(fā)展前景

歐洲的排放標(biāo)準(zhǔn)一向走在世界前沿，2020 年10月27 日，歐盟汽車排放標(biāo)準(zhǔn)咨詢顧問組召開第6 次會(huì)議，擬定歐盟第7 階段汽車排放標(biāo)準(zhǔn)中需滿足的污染物排放限值指標(biāo)以及相關(guān)的技術(shù)手段。

對(duì)于汽油機(jī)EGR 的發(fā)展前景，博格華納公司認(rèn)為汽油機(jī)EGR 未來將是一個(gè)主要發(fā)展方向。采用高EGR 率+超高壓縮比，可以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)燃燒過程的高效與清潔，從而達(dá)到降低NOx排放、降低油耗、改善動(dòng)力性的目的。

柴油機(jī)將繼續(xù)采用EGR 與SCR、DOC 協(xié)同合作的技術(shù)路線。2019 年7 月1 日，我國天然氣重型卡車率先實(shí)施國六排放標(biāo)準(zhǔn)。為達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求，天然氣重型卡車發(fā)動(dòng)機(jī)100%增配EGR。對(duì)于柴油重型卡車，EGR 滲透率有望達(dá)到80%。其他車型產(chǎn)品升級(jí)持續(xù)帶動(dòng)EGR 市場(chǎng)發(fā)展?？梢灶A(yù)見，未來EGR 市場(chǎng)前景可觀。

5 結(jié)束語

目前，我國已開始實(shí)施國六排放標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求以及動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性要求對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)路線選擇起著非常重要的作用?；诖耍瑥U氣再循環(huán)技術(shù)將廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)車輛上，與機(jī)內(nèi)凈化措施及機(jī)外后處理技術(shù)相結(jié)合，使內(nèi)燃機(jī)車輛成為更清潔、更環(huán)保的動(dòng)力裝置。