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1、北京化工大学北方学院毕业设计（论文）文献综述文献综述（例如：剪切驱动色谱的现状） 前 言对于车用柴油机来说，在其排放的几种有害物中，N0x是较难控制的一种，虽然国内外汽车厂商和研究机构在这方面已做了大量研究工作，并提出了多种控制措施，如推迟喷油提前角、使用多次喷射、采用高压共轨喷射系统等。但是由于这些控制技术在降低N0x排放的同时，要么如推迟喷油提前角使发动机热效率降低，燃油经济性下降，燃油消耗率增加，要么提高制造成本，因此在降低N0x排放时受到限制。而废气再循环在技术成本增加较少的情况下，可以有效抑制NOx的生成，故而受到了广泛重视。废气再循环系统，简称EGR。废气再循环(EGR)是通过回引
2、部分废气与新鲜空气共同参与燃烧反应，利用废气中含有大量化学惰性气体(二氧化碳、氮气、水等)具有较高的比热这一特性来降低NOx的生成。但EGR系统也有它自身的不足。采用EGR 系统后, 若EGR 率控制不当, 极易造成柴油机经济性恶化, 其它排放污染物和烟度的增加。在低负荷时, EGR 将影响柴油机的工作稳定性。在高负荷时,EGR 将影响柴油机的动力性。充入的废气温度过高, 会影响柴油机的充气效率, 并会有降低燃烧温度的效果。 因此为了充分降低NOx，又不使其它排放增加，并能保证柴油机的良好性能，有必要对柴油机不同工况下的EGR率分别进行最优控制的研究。 一 目前本课题国内外发展的情况的详细介绍
3、1.柴油机EGR系统的介绍及其工作原理 1.1 系统构造柴油机废气再循环系统，简称EGR。如图1所示，EGR系统由控制系统，冷却器，EGR组合气缸阀和管路等组成。1.2 废气再循环系统(EGR)的基本原理：EGR，通过将部分废气返回到进气系统与新鲜空气混合后进人缸从而使气缸内的最高燃烧温度和压力降低，以控制有害气体N0x的产生，达到降低排放的目的。在EGR系统中，EGR率(重新进入进气歧管的废气量新进空气量)是根据发动机工况的变化而变化的。如果加入的废气量太多，则将造成发动机冒黑烟，性能恶化；如果加入的废气量太少，则不能满足排放法规要求。准确的EGR率是通过ECU控制的，在ECU内存储了发动机
4、各种工况的EGR最佳工作状态，通常称为EGR MAP图。ECU可根据发动机的油门位置、转速、离合器踏板及水温信号，在不同的工况提供给发动机最佳的EGR率(即废气量)，以满足发动机排放及性能要求。其具体原理如下：EGR系统通过核心元件废气循环控制单元(ECU)调节EGR阀的开度，从而达到控制进入燃烧室废气量的目的。ECU通过与其相连的离合器踏板传感器(安装在离合器踏板上)、水温传感器(安装在出水口处)、油门踏板传感(安装在高压泵加速手柄上)和发动机转速传感器(安装在油泵内侧)得到转速、负载、水温和离合器开关信号，然后在ECU根据负载和转速所对应的EGR阀开度值(每一对负载和转速值都对应调节器信号
5、从而使其调节EGR阀的开度，最终控制废气循环量。同时连接ECU和EGR阀的传感器(安装在ECU阀上)将阀门的开度值反馈给ECU，供ECU在负载和转速变化时做出判断，不断地调节阀门开度值，以同时满足排放和发动机各种工况的要求。图2 EGR工作原理图 1.3 EGR减少发动机NOx排放的措施和原理减少柴油机排放的技术大多受NOx的束缚。发动机研究者采用各种不同的技术，来降低排放，取得了一定的效果。简单的来说减少NOx的方法可分为两种，一是抑制它的生成，二是对排出的NOx进行后处理。在发动机燃烧室内NOx的生成速率受燃烧气体的温度和氧浓度的控制。也就是说，为了减少NOx的生成，就要采取使燃烧室内温度
6、降低和降低氧浓度的方法。采用EGR降低NOx排放是通过降低了燃烧室内温度和氧浓度来完成的。EGR对NOx的生成以及燃烧过程的影响主要体现在以下几个方面：1）稀释效应: 再循环废气替代了一部分新鲜空气，使得原有的新鲜充量减少的氧气浓度降低。氧气浓度降低后，一方面，燃料的焰前化学反应和燃烧反应速度都将降低，也就是着火滞燃期和燃烧持续期延长;另一方面，氮气与氧气接触的机会也减小，这样可以极大地降低NOx的生成量2)热效应: 再循环废气中的C02和H20是三原子分子，具有较高的比热容，能比空气吸收更多的热量;工质总热容增加后吸收等量的燃烧放热时工质的温度变化较小，这有助于解决在EGR量较大时控制燃烧速
7、度、防止压升率过高等问题。3)化学效应:在高温下，废气中CO、水蒸气会发生裂解，裂解是一个高的吸热过程，会吸收一部分燃烧热量，使得缸内峰值温度降低，这样会减少因峰值温度过高而造成对NOx排放的影响。2.EGR技术及分类-1 -11 要想最大程度地使NOx 减少又不影响柴油机经济性和HC 与微粒排放，需要采用有效的调整装置来优化整个工作范围内的废气再循环，电控技术是解决这一矛盾的有效手段。同时和增压中冷技术的结合使用可以提高发动机的整机性能。为了满足未来更为严格要求的NOx 限值，于是出现了冷却废气再循环的技术，研究表明这可以有效地降低柴油机NOx 排放。根据废气进入气缸是否通过发动机进气系统，
8、EGR 分为内部EGR 系统和外部EGR 系统。2.1内部EGR技术内部 EGR 通过改变配气正时实现。该系统不需外加其它设备，结构简单，应用方便；而且可以避免再循环废气对管道的腐蚀，有利于提高系统耐久性。但由于是在进气行程内直接开启排气阀使废气回流，因此难以精确控制EGR率；同时废气未经冷却直接回流，引起混合气温度升高，这一点又有利于NOx的生成，因此内部EGR 对NOx 的抑制效果并不显著。但是随着控制技术的不断提高，内部EGR 因其简单便利日益受到青睐。废气残留法和废气重吸法是实现内部 EGR 的常用方法47。2.2外部EGR技术外部 EGR 利用专门的管道将废气引入进气歧管，使废气与新
9、鲜充量在进入气缸前充分混合。由于外部EGR 不但可以通过电控系统精确控制EGR 率，优化发动机性能，而且可以在外部系统中通过加装EGR 冷却器，有效降低燃烧温度。因此目前较为常用的是外部EGR 系统。目前国内外EGR 技术的路线基本上是采用以下几种管路连接方式，并且大部分是采用冷却的EGR。a）与涡轮增压器一体的EGR 系统图 3 为EGR 涡轮增压器系统49-50。这种EGR 系统中，柴油机排出的废气分成两路，一路进入涡轮机，另一路经EGR 阀流入EGR 增压器中增压，从泵中流出的EGR 废气与增压后的空气进行混合，并进入柴油机的进气总管向各缸分配。图3 EGR 涡轮增压器系统简图b）废气与
10、空气混合后同时增压的EGR 系统如图 4 51。由于排气压力高于压气机前空气压力，故该系统可顺利实现废气回流到进气系统，且布置简单，但是柴油机应用此种装置后废气中的颗粒物质和酸性气体将会随着废气一起进入到压气机中，使压气机受到废气污染，从而降低压气机寿命。但可以在EGR 冷却器后面加EGR 微粒捕集器。图4 废气与空气混合后同时增压的EGR 系统c） 带文丘里混合器的 EGR 系统根据文丘里管原理制作而成，利用文丘里管缩口处气体流动产生的真空负压来引导废气循环。采用文丘里管EGR 系统能较方便地在高负荷工况下实现废气再循环，且附加泵气损失少、成本不高、有很大的优越性，适于大批量应用。d）采用变
11、截面涡轮驱动EGR 系统为改善柴油机在高速工况时排气管的平均压力低于进气平均压力，仅从排气管直接引出废气到进气管难以实现全工况范围的废气再循环的这种特性，国际上提出采用变截面涡轮的EGR 系统，通过EGR 与变截面涡轮技术优化匹配，可基本保持发动机满意的动力性和经济性。e）在进排气管装有节流阀的EGR 系统利用节流阀的节流使进气管产生真空负压来引导废气再循环,并可以根据柴油机负荷的不同来调节EGR 率的大小,小负荷时用较高的EGR 率,大负荷时用较低EGR 率。装置结构简单,高实用性，但节流阀节流作用使进气管产生较大进气阻力，影响充气效率，使动力性损失。f) 利用进排气管压力波动的EGR 系统
12、涡轮增压柴油机在高负荷时的排气平均压力虽低于进气平均压力，但是车用发动机的排气管较小排气的峰值压力较高；每个排气周期中,有相当的时间排气压力高于进气压力。用旋转阀和短EGR 管等,利用其压力波动的EGR系统,该EGR 系统可使高负荷时有较高的EGR 率。目前的技术水准中，EGR 通常可以分为高压回路和低压回路两大类。高压回路就是采用涡前到压气机后端或涡后到压气机的后端；低压回路就是采用涡前到压气机前或者是涡后到压气机前的方案。高压回路可以大部分工况点实现循环，效率很高，废气不经过压气机和中冷器，压气机和中冷器不会出现碳烟污染。但是在某些工况点由于压力差问题无法调节EGR 率，而低压回路恰恰解决
13、了这方面的问题，但在低压回路中废气直接进入到压气机中，将会对压气机造成腐蚀或磨损。3. EGR系统的控制原则 为了满足不同的动力性和经济性需求，发动机需要在多种运行工况间不断切换。实践证明，发动机的工况不同，对EGR量的要求也不同。因此为了充分降低NOx，又不使其它排放增加，并能保证柴油机的良好性能，有必要对柴油机不同工况下的EGR率分别进行最优控制。为了使EGR系统能更有效地发挥作用，必须对参与EGR的废气数量加以限制。即根据发动机的转速及负荷大小，针对起动工况、怠速及低负荷工况、中等负荷工况、大负荷、高速或油门全开工况以及加减速等工况的不同特点，同时适当考虑温度、气压等因素对EGR的修正影
14、响，对引入进气歧管的废气量进行综合控制。其基本原则就是：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。目前市场上出现的EGR系统主要有三种：机械式，气电式和电控式。而由于上述控制因素的多样性和参考工况的复杂性，传统的机械式EGR控制方式很难面面俱到。电控式EGR系统由于具有动态响应好，调节精度高，排气回流量大及结构简单等优势，因而成为了柴油机控制系统的主要发展方向（11）柴油机的EGR控制比较复杂，尤其是增压柴油机，一般均采用电子控制。其控制也是分开环控制和闭环控制。（1）、开环控制开环控制一般基于脉谱（MAP）的控制，即通过实
15、验来确定柴油机的典型工况下，达到排放要求的最佳EGR率。这种方法控制简单，目前应用较为普遍，但其准确性依赖于各种工况下的MAP图的准确制取，同时动态的相应比较慢。较典型的开环控制为对混合气的成分加以考虑，根据不同的转速、负荷条件，由进气和排气中的氧气浓度来确定最优的EGR率。如图3所示，电子控制装置（ECU）根据柴油机的转速、负荷，以及进气和排气中的氧气的浓度、温度等传感器的输入信号，按照标定的EGR脉谱对EGR阀、进气节流阀、执行机构进行控制。EGR阀可以是一个真空阀，由电子控制装置（ECU）通过对一个独立的真空源产生的真空度加以调整，来控制真空度的开度，EGR阀也可以是一个电磁阀，由电子控制装置（ECU）通过电信号直接控制。（2）、闭环控制闭环控制可以选择基于排气背压的闭环控制，也可以选择基于排气氧传感器的闭环控制。基于排气氧传感器的闭环控制，选取对发动机性能影响最大的两个参数进气中和排气中氧气的浓度。基于过量空气系数的EGR控制，是通过过量空气系数来间接测量的排放量，其受EGR律的影响大，可作为EGR闭环控制的反馈信号。闭环控制可以实时根据工况的变化自动调整EGR量，使其达到最佳，因此它比开环控制的效果更好，但其结构也比较复杂。（11）4.EGR率 的2.1 -28 （12）-2 （11）-2EGR的合理控制对于NOx的净化效果极其重要。但就目前的技术条件而言很难精
