廢氣再循環系統EGR的探討

桂 林，孫 亮

(河南工業職業技術學院，河南南陽 473000)

廢氣再循環系統EGR的探討

桂 林，孫 亮

(河南工業職業技術學院，河南南陽 473000)

隨著經濟水平、生活水平的不斷提高，汽車保有量激增，在給人們生活帶來便利的同時，也造成了十分嚴重的大氣污染。廢氣再循環技術(EGR)，是目前比較有效地尾氣控制手段。通過典型結構的介紹，深入分析廢氣再循環系統的工作原理、控制策略等。

再循環;氮氧化物;排放

前言

為了減少環境污染、滿足日益嚴格的排放法規，廢氣再循環系統被廣泛采用。廢氣再循環系統，簡稱EGR(Exhaust Gas Recirculation)，它的任務就是使廢氣的再循環量在每一個工作點都達到最佳狀況，從而使燃燒過程始終處于最理想的情況，最終保證排放物中的污染成份最低。盡管提高廢氣再循環率對減少氮氧化物(NOX)的排放有積極的影響，但同時這也會對顆粒物和其他污染成份的減少產生消極的影響。廢氣再循環EGR系統是目前用于降低發動機NOX排放的一種有效措施，它將一部分排氣引入進氣管與新混合氣混合后進入汽缸燃燒，從而實現再循環，并對進入進氣系統的排氣量進行最佳控制。

1.EGR的工作原理

EGR的作用主要是減少汽車尾氣中的NOX，所以我們先了解一下尾氣中NOX的生成機理。

NOX的生成分為有三種：

(1)“高溫”NOX：高溫(燃燒)過程中因離解反應同時生成氧和氮的原子及分子，根據Zeldovich的理論，這些分子和原子接著形成了NOX。

(2)“即時”NOX：在預混合燃燒的貧氧火焰層中的化學反應產生HC根，它與氫分子一起形成氰化物，再通過副反應從氰化物形成NOX。

(3)“燃油”NOX：在相對較低溫度下，燃燒期間從燃油邊界區脫離的氮生成的NOX。

通常在發動機尾氣中，“高溫”NOX占主要比例，其它兩種NOX的生成量微不足道。于是，NOX主要是在燃燒期間，燃燒區域附近，特別是在高溫和存在O2和N2的情況下生成的。因此，控制缸內NOX的生成需要用下面的方法同時控制兩方面的因素，即與局部氧/氮濃度有關的混合及燃燒過程;局部溫度及變化過程。

EGR是把一定數量的廢氣引入到發動機的進氣系統，使得進氣充量中惰性氣體(H2O蒸汽，N2和CO2等)的比例增加。由于這些惰性氣體具有較高的比熱，使得經再循環廢氣稀釋的混合氣的比熱容增高，致使發動機最高燃燒溫度下降，同時EGR的稀釋作用也降低了混合氣中的氧濃度，從而破壞了高溫NOX的生成機理，以至于有效地抑制了NOX的生成。另外，從排氣歧管進入進氣歧管的廢氣有一定溫度，使進氣歧管中的混合氣受熱膨脹，使吸入發動機氣缸中的有效燃燒物質減少，形成較弱的可燃混合氣和一定數量的廢氣進入發動機燃燒室。同時也降低了混合氣的燃燒溫度，使NOX生成量減少。因此，EGR成為控制NOX的主要技術措施之一。

2.EGR的整體結構及控制策略

圖1 電火花點火發動機所采用的尾氣再循環示意圖

EGR系統的任務是對進入進氣系統的廢氣量進行最佳控制，最終保證排放物中的污染物成分NOX含量最低。廢氣再循環程度可用EGR率來表示。其定義為：

有資料表明，當EGR率達到15%時，NOX的排放量可減少60%。但EGR率增加過多時，將導致油耗增加、HC的排放量增加以及由于廢氣再循環造成的缺火率增加，使燃燒變得不穩定，發動機性能下降。因此，必須對EGR率進行適時控制，既降低NOX的含量，又可以保證發動機的動力性。

對EGR率的控制可按以下方法進行：即根據發動機的溫度及負荷大小，適當地控制引入進氣歧管的廢氣量。因此，當發動機水溫較低或處于怠速及小負荷運轉時，NOX的生成量很少通常不使用EGR。而當發動機水溫已達到正常工作溫度并且處于大負荷運轉時，燃燒室內的溫度升高，促使N2和O2化合生成NOX。此時最佳方法是降低燃燒室的溫度，引入EGR，并隨著發動機負荷的增加相應地提高EGR率。為了精確控制EGR率，應采用電子控制的EGR閥系統。

3.EGR閥的使用效果與控制策略

EGR閥是整個廢氣再循環系統的關鍵部件，通過控制EGR閥的開閉程度來控制廢氣再循環的量，達到控制EGR率的目的。

3.1.EGR閥的使用效果

作為減少尾氣中NOX的技術，有燃燒后進行處理的還原催化劑方法，也有在燃燒過程中抑制所產生有害氣體的EGR方法。NOX是各種氮氧化合物的總稱。惰性氣體N2正常條件下是穩定的，但在高溫(800℃以上)和有高濃度的氧存在時，則與氧反應生成NO，廢氣中NOX的95%是NO，NO與大氣中的氧進一步結合則產生NOX。

通過對燃燒溫度的控制可以減少NOX的產生。燃燒溫度高的區間能得到經濟的燃料費用，但在此區間產生的NOX濃度也高，NOX生成量下降時，CO或HC的生成量卻增加，如圖2所示。這時的燃料消耗可能增大，因此，從空燃比著手減小NOX的排放與降低CO、HC的排放是矛盾的。

圖2 空燃比與排氣成分的關系

在特別稀薄的混合氣燃燒方式下，用于減少NOX的催化劑通常不能有效發揮作用，故EGR方法則愈顯重要。圖3所示為三菱汽車工業公司的GDI發動機中減少NOX的效果。EGR率達到30%(原來的發動機至多僅20%左右)。在GDI發動機中，備有少量NOX催化劑的選擇還原型EGR統，其出口排放氣體中的NOX約減少97%，效果十分理想。

圖3 GDI發動機中減少NOX的效果

EGR技術不僅用于減少有害氣體中的主要成分NOX，而且還力求節約燃料。

汽車發動機中，裝有聯動于加速踏板并能調節吸氣量的節流閥。噴射的燃油量與通過此閥的空氣量相對應。由此，可將一定濃度的混合氣送入燃燒室。當發動機在小負荷工況下，通過節流閥的阻抗大，與發動機轉速對應的吸氣阻抗(泵損耗)會產生無功的燃油消耗。為降低發動機的泵損耗，通常采用能適當增大節流閥開度的稀薄混合氣燃燒方式以及大負荷時在吸氣管側設置多個EGR閥的控制方式。為了在較高EGR率條件下也能維持穩定的燃燒，消除EGR對動力性、經濟性的負面影響，往往采用一些快速燃燒的措施。不僅要加強氣缸內混合氣的湍流強度與點火能量，同時對直接噴射燃料進入燃燒室，高精度地控制燃燒等方面，都應最大限度地加以完善。

3.2.EGR閥的控制策略

現在我們使用最多的是低壓廢氣再循環系統，該系統的主要元件是數控式EGR閥。數控式EGR閥安裝在右排氣歧管上，其作用是排除歧管真空度的大小的影響，獨立地對再循環到發動機的廢氣量進行精確的控制。EGR閥通過三個孔徑遞增的計量孔控制從排氣歧管流回進氣歧管的廢氣量，以產生七種不同流量的組合。每個計量孔都由一個電磁閥和針閥組成，當電磁閥通電時，電樞便被磁鐵吸向上方，使計量孔開啟。旋轉式針閥的特性保證了當EGR閥關閉時具有良好密封性。

EGR閥通常在下列條件下開啟：發動機暖機運轉;轉速超過怠速。目前采用的廢氣再循環系統還有一種類型，日野汽車公司開發的脈沖式廢氣再循環系統在柴油機進氣過程中，排氣門稍有提升，使部分高壓廢氣回流到氣缸內。排氣門的這個作用是通過修改排氣門凸輪的形狀和將廢氣再循環系統微升來實現的。在脈沖式廢氣再循環系統中，廢氣被重新送回氣缸內，因此廢氣的壓力應高到足以使氣流反向。要達到這樣高的壓力只有通過優化氣門微升和定時，從而利用廢氣的壓力波才能實現，在該廢氣再循環系統中，廢氣壓力“脈沖”被有效利用。

4.EGR應用實例

日系汽車以先進的車載電子設備而著稱，它的EGR系統發展的也比較早，下面引用本田轎車的廢氣再循環系統對EGR系統進行詳細介紹(如圖4所示)。

廢氣再循環裝置主要用于減少NOX的生成量、減少尾氣污染。因為NOX是在高溫富氧的條件下生成，引入適量廢氣進行再燃燒，可降低混合氣的燃燒溫度，抑制NOX的生成量。廢氣再循環裝置，通過EGR閥把少量的廢氣引入進氣歧管與混合氣混合，共同進入氣缸燃燒。廢氣中幾乎不含氧，是不可燃氣體。這些氣體與混合氣混合使可燃成份下降，減少了發動機燃燒時的溫度，從而減少了NOX的生成量。另外，從排氣歧管進入進氣歧管的廢氣有一定溫度，使進氣歧管中的混合氣受熱膨脹，使吸入發動機汽缸中的有效燃燒物質減少，形成較弱的可燃混合氣，同時也降低了混合氣的燃燒溫度，使NOX生成量減少。

圖4 本田轎車ACCORD廢氣再循環系統

本田轎車的電腦控制廢氣再循環系統主要由ECM電腦、EGR閥、EGR閥位置傳感器、EGR真空控制閥和EGR電磁閥等部件組成。電腦控制EGR系統由進氣歧管絕對壓力傳感器、進氣溫度、冷卻液溫度、EGR閥的位置和 A/F等檢測到的信號輸入ECM，ECM根據這些參數計算出EGR閥的開啟位置，同時向EGR電磁閥發出指令、使EGR閥的閥門處在優先位置，讓發動機燃燒生成的NOX降低到最低限度而又不影響發動機的動力性。在EGR系統管路中排氣歧管與進氣歧管相通，中間依靠EGR閥等執行元件控制開啟。在EGR閥的上方安裝有EGR閥位置傳感器，EGR真空控制閥、EGR電磁閥通過控制EGR閥的開度控制廢氣再循環量。EGR閥的開啟受真空度控制，真空度又由EGR真空控制閥控制，EGR真空控制閥的作用是保持進入EGR電磁閥的真空度恒定(如圖5所示)。

EGR閥位置傳感器安裝在EGR閥的上部，它能準確地檢測EGR閥閥門開啟或關閉的大小，并把準確位置輸入ECM。ECM根據這個位置和其他數據計算出最佳的廢氣再循環量，進而控制EGR電磁閥閥門變化達到最佳廢氣循環量，使NOX生成量減到最少。EGR閥位置傳感器如圖5所示。EGR閥位置傳感器與節氣門位置傳感器類似。當EGR閥工作時，傳感器中電阻的變化與EGR閥閥桿的運動成正比，EGR閥關閉時傳感器的電阻值最大，隨著EGR的開啟電阻逐漸減少，當EGR閥全部打開時，傳感器中的電阻值達到最小。

本田雅閣轎車廢氣再循環系統如圖6所示。由EGR閥、EGR真空控制閥、EGR控制電磁閥、控制器(ECM/PCM)和EGR閥提升傳感器等組成。廢氣再循環系統和三元催化劑配合，能使排放污染氣體中的NOX含量得到有效地降低。由于NOX產生的條件有兩個，一是高溫，二是富氧，所以EGR不是所有工況都工作，在低速、水溫低于50℃時廢氣再循環不工作，防止失速現象的產生;在高速、中負荷時一般具備了產生NOX的條件，廢氣控制閥才投入工作，控制NOX排放的污染值。

本系統的主要部件：

(1)EGR控制電磁閥

EGR控制電磁閥為電子機械式真空開關閥，位于防火壁右側的控制盒內，其作用是控制加在EGR閥的真空。該電磁閥由控制器控制，電磁線圈通電時閥門打開，進而進排氣口之間的通道便接通。

(2)EGR閥提升傳感器

該傳感器利用由一個柱塞推動的電位計向發動機控制器傳送EGR閥的實際提升高度信號。發動機控制器中儲存有多種工況下EGR閥的最佳提升高度，如果實際提升高度值與儲存在發動機控制器內的最佳值不同，發動機控制器便切斷EGR控制電磁閥的電源，減少加在EGR閥上的真空。

(3)EGR閥

該閥體位于進氣歧管右側，靠近節氣門體，其作用是使一定量的廢氣流入進氣歧管實現再循環。EGR閥膜片的一側連接一根樞軸桿，另一側與彈簧相連(彈簧使閥門保持常閉)。當加在膜片上的真空壓力大于彈簧力時，樞軸桿被拉離原位，通道打開，使廢氣進入再循環系統。再循環的廢氣量與節氣門開度值直接相關。電磁閥接收控制器和繼電器的控制信號，電磁閥開啟真空電路，因而真空壓力吸動E G R閥上的膜片，使閥打開，將廢氣引入氣缸，進而使NOX排放降低。

5.廢氣在循環技術在其它領域的應用

當今，廢氣再循環技術不僅僅運用在汽車的污染物處理上，它還被用來控制一些鍋爐(焚燒爐等)的NOX排放上。目前，國內垃圾的處理方式還主要依賴于焚燒，它的污染還是很大的。所以，運用廢氣再循環技術來減少其NOX的排放，意義也是十分重要的。

目前廢氣再循環技術在國內的垃圾焚燒爐中的應用才開始起步，但隨著國內對焚燒鍋爐排放要求的日益嚴格，此技術將得到越來越廣泛的應用。

它的工作原理與汽車EGR相似，將鍋爐尾部煙道中的一部分低溫煙氣(煙溫約250～350℃)，通過再循環風機送入爐膛，從而改善爐膛煙氣混合情況，有效控制爐膛溫度水平，抑制或防止爐膛結焦，提高鍋爐出力及降低NOX等有害物質的排放。

6.結論

全球的大氣污染狀況，已經到了不容逃避的地步，作為主要污染源的汽車、鍋爐更要加大技術創新，較好污染物的排放。廢氣再循環技術是目前已知的，而且比較有效地環保技術，可以大幅度的減少NOX的排放，應大力普及。本文通過對汽車EGR技術的詳細介紹，使讀者比較全面的了解廢氣再循環系統的工作原理，EGR系統的結構、主要部件等。

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Exhaust Gas Recirculation Technology(EGR)

GUILin，SUN Liang

(Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473000，China)

With the continuous improvement of economic level and living standards，an explosion of car makes easier to people in the life，but also causes serious air pollution.Exhaust gas recirculation technology(EGR)is the more effective emission control means.By a typical structure introduction，this paper gives an in－depth analysis about how exhaust gas recirculation system works and the control strategies.

recirculation;nitrogen oxides;emissions

X734.2 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A

1671－3974(2012)01－0055－04

2011－12－22

桂林(1982－)，女，本科，河南工業職業技術學院汽車工程系，助教，研究方向：汽車工程。