EGR+DPF系統降低柴油機的排放

楊輝，張兆明

（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海201804）

EGR+DPF系統降低柴油機的排放

楊輝，張兆明

（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海201804）

柴油機具有良好的動力性和經濟性，汽車柴油機已成為發展趨勢，但柴油機NOx和顆粒（PM）的高排放成為制約柴油車發展的因素之一。隨著機動車排放法規的日益嚴格，降低NOx和顆粒的排放成為現階段柴油機汽車的主要研究課題。廢氣再循環（EGR）技術是現今降低柴油機NOx排放的有效方法之一，應用顆粒捕集器（DPF）可以有效的降低尾氣中顆粒的排放。本文介紹了EGR技術和DPF技術的原理、特點，對不同工況下EGR對NOx排放進行了分析，同時對不同工況下顆粒捕集器的再生效率進行了研究，結果表明適宜的EGR率和顆粒再生效率才能同時降低柴油機NOx和PM的排放。

柴油機排放廢氣再循環顆粒捕集器

1 緒論

柴油機以熱效率高、油耗低而備受青睞，已在船舶、載重汽車、工程機械等動力機械中得到廣泛應用。目前，在汽車領域，美國、日本和歐洲發達國家在大、中型載重汽車上已全部實現柴油機化，在轎車和輕型車上柴油機的應用比例也逐漸增多。而降低排放（尤其是NOx和顆粒）是柴油機開發中的重要目標。但是，各國對機動車的排放法規限制越來越嚴格。表1為歐盟輕型車中柴油乘用車的排放標準。

人們往往會有一個認識上的誤區，即認為柴油機的排放污染大于汽油機的排放污染，如表2所示，由于柴油機的過量空氣系數大于1，所以柴油機的CO、HC排放少于汽油機，但NOx排放與汽油機差不多，柴油機排放的控制重點是顆粒，而解決顆粒排放的措施有時會使NOx排放升高。鑒于

此，目前國內外學者都在致力于同時降低柴油機NOx和顆粒排放的研究。

來稿日期：2012-12-14

表1 歐盟柴油乘用車排放標準g/km

表2 相同排量的柴油機和汽油機的排放比較

2 廢氣再循環與顆粒捕集器技術原理

2.1 廢氣再循環的特點與原理

廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation，EGR）是指在保證發動機動力性不降低的前提下，將發動機排出的一部分廢氣送回進氣管，并與新鮮空氣或新鮮混合氣混合之后，再次進入氣缸參與燃燒。運用EGR技術可減少本應進入氣缸的空氣量，使空燃比減小。在汽油機高負荷時進入氣缸的EGR使燃氣的熱容量增加，相應的平均燃氣溫度降低；而在柴油機高負荷時，EGR引起的熱容量變化較小且空燃比減小使氧濃度降低，這是柴油機抑制NOx生成的主要原因之一。為了能夠做到既能減少NOx的排放，又能保持發動機的動力性，必須根據發動機運轉的工況對再循環的廢氣量加以控制，NOx的生成量隨發動機負荷的增大而增多，因此，再循環的廢氣量也應隨負荷的增加而增加[1]。目前，國內外市場上出現的EGR系統主要有以下3種，包括機械式、氣電式和電控式。

機械式EGR系統只是依據發動機工作的冷卻液溫度和節氣門真空度來控制其工作時機和排氣再循環量的。不難看出，機械式EGR系統的最大優點是結構簡單、成本低且容易實施。但其缺點也是顯而易見的，那就是系統缺乏柔性，一旦產品定型，其循環特性便取決于EGR閥里彈簧膜片的彈性系數，難以根據發動機的復雜工況做出靈活應變。因此機械式EGR系統只能發揮出EGR技術的部分優勢。機械式EGR系統控制的EGR率為5%～15%。

氣電式EGR系統與機械式EGR系統的主要區別在于真空通路的控制，它采用VCM閥(電磁真空閥)取代BVSV閥。在工作中，ECU根據發動機進氣溫度、冷卻液溫度、節氣門開度和EGR閥位置傳感器送來的信號，準確計算出排氣再循環的時機和最佳控制量，然后再通過對電磁閥的控制來調節EGR控制閥里的真空度，從而可以根據發動機工況在一定范圍內實現對EGR率進行調整，系統柔性有了較大改善。

電控式EGR系統與氣電式EGR系統的主要區別在于取消了電磁真空閥及真空控制通路，系統中的排氣再循環閥的位置直接由電磁閥來控制。與氣電式相比，電控式EGR系統又具有以下優勢：（1）動態響應好，（2）調節精度高，（3）排氣回流量大，（4）結構相對簡單。電控EGR系統可以使EGR率達到15%～20%。

2.2 顆粒捕集器（DPF）的特點與原理

柴油機顆粒過濾器（DPF），是目前國際上公認的、最實用有效的顆粒后處理技術[2]，DPF系統一般由過濾裝置、再生裝置、控制裝置三部分組成，其關鍵技術之一是過濾體再生。柴油機顆粒捕集器的作用是將柴油機的尾氣引入專門的后處理裝置，將排氣中的顆粒捕捉、集中，不使其排出機外，并利用催化劑、氧化器、燃燒器等進行分解、燃燒，清除其中的大部分微粒，從而減少顆粒排放。該裝置可將柴油機中有害物顆粒減少70%～98%，通過過濾體濾去大部分顆粒，達到凈化尾氣的目的。但由于日積月累，顆粒沉積在過濾體的微孔內，會使排氣阻力增加，導致發動機的性能惡化。為了顆粒捕集器不被堵死，正常工作，顆粒捕集器必須要定期清除顆粒，這就是再生。在再生過程中，顆粒捕集器收集的顆粒會被燃燒掉，故其技術的關鍵在于過濾材料的選取和再生技術。

一種好的再生系統應滿足如下條件：（1）能在各種條件下正常工作；（2）對柴油機性能影響小；（3）不對環境產生二次污染；（4）應具有良好的可靠性和耐久性；（5）應便于操作，成本相對低廉[3]。根據再生原理不同，過濾體再生方法分為主動再生（強制再生）和被動再生兩種。

在被動再生過程中，顆粒在沒有發動機控制器的干預下，持續地進行燃燒。由于顆粒捕集器離發動機很近，因此在高速公路上行駛時，溫度可以達

到350～500℃，此時顆粒通過化學反應轉換為二氧化氮和二氧化碳。這種過程發生得很慢，并且一定要在催化劑的作用下持續實現。

在主動再生中，通過發動機控制器，在拉升的排氣溫度條件下，顆粒進行燃燒。在城市交通中，在較低的發動機負荷下，排氣溫度對于顆粒捕集器的被動再生來說太低了。因為顆粒不能被清除，顆粒附著在顆粒捕集器上。只要顆粒捕集器上的顆粒數量達到一定的的程度，發動機控制器就會發出主動再生的指令，發動機控制器通過分析空氣質量流量計信號、顆粒捕集器前后溫度傳感器信號以及廢氣壓力傳感器信號來識別顆粒捕集器的顆粒沉積情況。在顆粒捕集器沒有顆粒沉積的情況下，廢氣的流動阻力是很小的，反之，如果有許多顆粒沉積在顆粒捕集器上，就會產生很大的流動阻力。當顆粒沉積達到一個極限值時，就會通過發動機控制器導入主動再生。在發動機控制器的指揮下，主要有以下幾個動作：（1）發動機控制器會指令廢氣再循環關閉，以便提高燃燒溫度；（2）為了提高排氣溫度，在燃油主噴射減少后，在上止點后一定角度（不同的發動機會根據匹配結果確定不同的數值），導入一個燃油后噴射；（3）電子節氣門體對進氣量自動進行調節，從而與增壓壓力相匹配，使得在再生過程中，駕駛員感覺不到扭矩的變化。通過這些措施，排氣溫度在很短的時間內就會被拉升到600～650℃。在這個溫度范圍內，搜集到的顆粒會氧化成二氧化碳。在主動再生之后，顆粒捕集器又可以重新投入使用，并把顆粒從廢氣中過濾出來。

2.3 集成EGR和DPF系統的結構原理

圖1為柴油機EGR和DPF系統結構簡圖[4]。EGR的廢氣從渦前取氣，經EGR冷卻器和EGR閥后，與增壓后的空氣在文丘里管中混合，進入發動機燃燒室內燃燒。采用EGR冷卻，一方面保證氧傳感器的工作可靠性，另一方面降低由于進氣引起的溫度升高。在EGR率的控制方面，電控單元根據轉速、油門位置來判斷發動機工況，輸出控制信號，由步進電機來控制EGR閥的位置。此時氧傳感器將檢測到的空燃比反饋給控制單元，控制單元根據目標空燃比與實際空燃比進行校正，獲得EGR閥位置的精確閉環控制。對于DPF，過濾時，三通閥處于中間位置，廢氣同時從2個DPF中流過。若背壓達到預先確定的值時，則開始再生。一個再生時，另一個處于過濾狀態。再生過程分成2個階段：加熱階段和燃燒階段。2個階段加熱器始終處于加熱狀態。在加熱階段，三通閥關閉流經再生陶瓷的氣流，便于快速升溫。當再生陶瓷的前端溫度達到微粒的起燃溫度600℃時，三通閥開始動作使一定量的廢氣流經再生陶瓷，前端迅速燃燒，燃燒火焰向后傳播，很快將捕集在過濾器上的微粒全部燒掉，實現過濾器的再生。再生后三通閥又回到中間位置，整個再生過程中三通閥是由步進電機精確控制。

3 不同工況下EGR和DPF對排放的影響

3.1 不同工況下EGR對柴油機排放的影響

通過在一臺四沖程柴油機上應用EGR技術，在分析廢氣再循環對發動機性能和排放影響的基礎上，對柴油機燃燒過程中不同工況下的廢氣排放量進行研究。采用EGR后，由于廢氣返流，減少了排氣總量，并使進氣稀釋，減少了混合氣所具有的能量，降低了燃燒的最高溫度和氧的相對濃度，從而有效地控制了燃燒過程中NOx的生成量。試驗選擇的柴油機轉速為1 600 r/min，在試驗中，發動機

工況設定在定轉速/定油門模式，通過調節EGR閥的開度來測試EGR率和發動機的其他主要參數。其NOx和煙度隨EGR率和負荷的變化情況如圖2和圖3所示。

圖1 柴油機EGR和DPF系統簡圖

圖2 NOx的質量分數隨EGR率和負荷的變化情況

圖3 煙度隨EGR率和負荷的變化情況

采用EGR技術后，在各種轉速下的中小負荷工況中，NOx排放大幅度降低，但排氣煙度有所增加，其他各項性能均有明顯改善，且在加大EGR率時，發動機中、高負荷下NOx排放降低、煙度提高的現象更明顯。在接近全負荷工況時，EGR閥關閉，以保證發動機的動力性、經濟性不受影響。另一方面，隨著EGR率的增加，發動機排氣煙度也隨之增加。由于EGR一方面導致殘余廢氣系數增加，更多殘余廢氣進入發動機循環；另一方面，采用EGR導致的進氣節流會造成進氣阻力增加，新鮮充量減少。以上兩種因素都導致缸內混合氣的過量空氣系數降低，從而引起煙度的增加[5-9]。在中、高負荷時，柴油機過量空氣系數只有1.2左右，遠低于無EGR柴油機的對應工況，因此煙度增加的幅度較大。在低負荷時，柴油機過量空氣系數較大，EGR對過量空氣系數的影響相對較低，煙度惡化的趨勢也相對較小。隨著廢氣的引入，NOx排放降低，但煙度排放值升高，大負荷工況時煙度惡化更明顯。

3.2 冷EGR對柴油機排放的影響

由于單純采用EGR難以達到同時降低NOx和煙度排放的要求，本文在采用EGR的基礎上，對廢氣進行冷卻后再進入下一循環，研究此種情況（即冷EGR）下的發動機性能和排放。圖4為EGR溫度對煙度、NOx排放和燃油消耗率的影響。

在相同負荷下，采用冷EGR時，燃燒初期的壓力和壓力升高率均較不使用EGR冷卻系統時低，最高爆發壓力也較低。由于冷EGR使廢氣經過冷卻后再進入下一循環，進氣充量的溫度降低，節流損失降低，新鮮進氣充量相應有所增加，過量空氣系數增加。混合氣溫度降低使滯燃期有所增加，同時放熱率曲線和放熱率峰值相位后移，燃燒最高溫度降低。因此，采用冷EGR后，有利于降低NOx及煙度的排放。如圖4所示，與EGR相比，采用冷EGR后，在中高負荷下，NOx排放減少15%左右，碳煙排放也有所降低，比油耗變化不大，但發動機達到的最大負荷有所增加。

圖4 EGR溫度對煙度、NOx和燃油消耗率的影響

3.3 不同工況下DPF對柴油機排放的影響

在DPF的再生過程中，通過調整加熱器流通孔的流通面積和加熱絲在輻射盤上的分布密度，使再生期間過濾器內的最高溫度與溫度梯度都得到了合理的控制[10]?？紤]到在實際應用時，DPF的再生是在柴油機實際運轉工況下進行的，不同工況下廢氣氧含量不同。一般來說，柴油機的氧含量變化范圍為8%～17%，所以應選擇合理的調節閥開度，保證再生順利進行，以及有較高的再生效率。當負荷增加時，用于再生的廢氣氧含量下降，要保證過濾器再生所需要的氧含量，就必須加大調節閥的開度來維持正常的燃燒，當調節閥的開度過大時，流經再生陶瓷的廢氣流量會很大，將會帶走大量的熱量，使再生溫度急劇下降，導致再生效率降低。所以選擇合適的調節閥開度非常重要。在試驗中，選擇70%額定轉速(2 240 r/min)和75%負荷的工況掛煙，沒有使用廢氣再循環，然后在此工況下再生，調節閥的開度分別為2°、4°和6°。圖5、圖6和圖7分別是再生過程中不同調節閥開度的陶瓷內部各點的溫度變化曲線（圖中點1、2、3分別位于陶瓷入氣口的前端、中端和后端）。

從圖中可以看出，當調節閥的開度較小時，提供再生所需要的氧氣量不足，燃燒峰值溫度和平均溫度降低，再生效率在60%左右；當調節閥開度增大到4°時，這時氧氣量比較充足，燃燒溫度較高，而且廢氣帶走的熱量也不是很多，再生效率能達到80%；當調節閥的開度增大到6°時，廢氣帶走的熱量較多，再生溫度急劇下降，再生效率較低，只能達到50%左右。從調節閥的開度為2°、4°和6°的比較還可以看出，隨著調節閥開度的增加，再生的時間略微縮短。

圖5 調節閥開啟2°時再生溫度曲線

圖6 調節閥開啟4°時再生溫度曲線

圖7 調節閥開啟6°時再生溫度曲線

實際工作中，發動機主要利用排氣進行DPF再生，同時還用壓縮空氣進行DPF再生。壓縮空氣的氧含量高于廢氣的氧含量，從而有兩個的優勢：一方面氧氣充分，燃燒溫度較高，能充分燃燒；另一方面，由于壓縮空氣中的氧含量較高，再生所需要的氣體量要少于用廢氣再生所需要的氣體量。開始時，壓縮空氣再生溫度不高，微粒燃燒所需的氣量不足，燃燒不充分。隨著氣量的加大，壓縮空氣能使再生較充分的進行，而且氣體帶走的熱量也不多，燃燒溫度比較高。氣量進一步加大，前端的溫度迅速升高，接近1 100℃。但隨時間的增加迅速地降低，而且降低的速率較快，過濾器中段溫度升高的不是很多，只達到了800℃，大量的熱量通過陶瓷的前端與中端帶走，而后端的溫度較低，甚至不能再生。再生氣量過大或過小都會使再生效率降低。但是隨著氣量的加大，再生所需時間縮短，主要是由于氣體流速加快，使燃燒速率加快。

4 結論

要滿足柴油機更高排放標準要求，除了進一步完善缸內燃燒外，還必須借助于機外的后處理措施。廢氣再循環是降低柴油機NOx排放的主要措施，但該技術在降低NOx排放的同時會導致功率、油耗和煙度增加。因此，需通過尋找各種工況對應的最佳EGR率精確控制EGR系統的使用環境。顆粒過濾器工作中，微粒吸附過濾于濾芯內，長期使用會影響排氣背壓，直接導致柴油機的動力性、經濟性下降，且在使用廢氣再循環時顆粒排放是增加的。因此，對于微濾過濾器的再生，需通過對不同工況時廢氣氧含量及氣體帶走熱量的數據變化綜合得到適宜的顆粒再生效率，保證同時降低柴油機NOx和顆粒的排放。

目前我國柴油機的后處理技術還不成熟，我們應致力于降低NOx排放同時降低PM排放，綜合降低尾氣排放，使柴油機在經濟運行時，能夠達到尾氣的綜合最佳排放。

1朱昌吉，劉忠長，許允等．廢氣再循環對車用柴油機性能與排放的影響[J].汽車工程，2004，26（2）．

2劉瑞祥，高希彥，楊德勝等．柴油機微粒陶瓷過濾器紅外加熱再生的優化[J].內燃機學報，2004，22（6）．

3郭猛超，姜大海，王琛等．柴油機排放控制技術發展綜述[J]．內燃機，2008（1）．

4郭鵬江，高希彥，王浩等．柴油機EGR和微粒過濾器的試驗研究[J]．現代車用動力，2008（2）．

5平銀生，張逸敏，蔡東波等.利用EGR降低柴油機排放的研究[J].內燃機工程，2000,21（4）：6-10.

6 Wang H W,Huang Z H,Zhou L B,et al. Investigation on Emission Characteristics of a Compression Ignition Engine with Oxygenated Fuels and Exhaust Gas Recirculation[J].Journal of Automotive Engineering,2000,214(5):503-508.

7蔣德明．內燃機燃燒與排放學[M]．西安：西安交通大學出版社，2001．

8姚春德，敬章超，傅曉光等．冷卻廢氣再循環對發動機性能影響的試驗研究[J]．汽車工程，2003（5）：537-541．

9 Zelenka P,Aufinger H,Reczek W,et al.Cooled EGR:a Key Technology for Future Efficient HD Diesels[C].SAE 980190.

10 Ohno K,Taoka N,Ninomiya T,et al.SiC Diesel Particulate Filter Application to Electric Heater System[C].SAE 1999-01-0464.

The System Combined EGR with DPF Reduces Diesel Engine Emission

Yang Hui,Zhang Zhaoming
（SAIC Motor Technical Center SMTC,Shanghai 201804,China）

Diesel engine has good dynamic and fuel economy performance,and the diesel automobile has become the development trend.However,the high emission about NOxand PM is one of the factors that restrict development.Since the emission regulations about motor vehicles are becoming more and more rigorous,reducing emission about NOxand PM has become the main research approach.Exharst gas recirculation(EGR)is an effective way to reduce diesel emission about NOx,and diesel particulate filter(DPF) can effectively reduce the emission about PM in exhaust.This paper introduced the principle and characteristics about EGR and DPF,analyzed EGR for the influence of NOxemission on different working conditions,and researched the rebirth efficiency of DPF on different working conditions.The results showed that only combined appropriate EGR rate and PM regeneration efficiency,diesel engine could reduce the emission about NOxand PM at the same time.

diesel engine,emissions,EGR,diesel particulate filter

楊輝（1970-），男，工程師，主要研究方向為工程車輛。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.02.002