废气再循环系统EGR的探讨

桂 林，孙 亮

(河南工业职业技术学院，河南南阳 473000)

废气再循环系统EGR的探讨

桂 林，孙 亮

(河南工业职业技术学院，河南南阳 473000)

随着经济水平、生活水平的不断提高，汽车保有量激增，在给人们生活带来便利的同时，也造成了十分严重的大气污染。废气再循环技术(EGR)，是目前比较有效地尾气控制手段。通过典型结构的介绍，深入分析废气再循环系统的工作原理、控制策略等。

再循环;氮氧化物;排放

前言

为了减少环境污染、满足日益严格的排放法规，废气再循环系统被广泛采用。废气再循环系统，简称EGR(Exhaust Gas Recirculation)，它的任务就是使废气的再循环量在每一个工作点都达到最佳状况，从而使燃烧过程始终处于最理想的情况，最终保证排放物中的污染成份最低。尽管提高废气再循环率对减少氮氧化物(NOX)的排放有积极的影响，但同时这也会对颗粒物和其他污染成份的减少产生消极的影响。废气再循环EGR系统是目前用于降低发动机NOX排放的一种有效措施，它将一部分排气引入进气管与新混合气混合后进入汽缸燃烧，从而实现再循环，并对进入进气系统的排气量进行最佳控制。

1.EGR的工作原理

EGR的作用主要是减少汽车尾气中的NOX，所以我们先了解一下尾气中NOX的生成机理。

NOX的生成分为有三种：

(1)“高温”NOX：高温(燃烧)过程中因离解反应同时生成氧和氮的原子及分子，根据Zeldovich的理论，这些分子和原子接着形成了NOX。

(2)“即时”NOX：在预混合燃烧的贫氧火焰层中的化学反应产生HC根，它与氢分子一起形成氰化物，再通过副反应从氰化物形成NOX。

(3)“燃油”NOX：在相对较低温度下，燃烧期间从燃油边界区脱离的氮生成的NOX。

通常在发动机尾气中，“高温”NOX占主要比例，其它两种NOX的生成量微不足道。于是，NOX主要是在燃烧期间，燃烧区域附近，特别是在高温和存在O2和N2的情况下生成的。因此，控制缸内NOX的生成需要用下面的方法同时控制两方面的因素，即与局部氧/氮浓度有关的混合及燃烧过程;局部温度及变化过程。

EGR是把一定数量的废气引入到发动机的进气系统，使得进气充量中惰性气体(H2O蒸汽，N2和CO2等)的比例增加。由于这些惰性气体具有较高的比热，使得经再循环废气稀释的混合气的比热容增高，致使发动机最高燃烧温度下降，同时EGR的稀释作用也降低了混合气中的氧浓度，从而破坏了高温NOX的生成机理，以至于有效地抑制了NOX的生成。另外，从排气歧管进入进气歧管的废气有一定温度，使进气歧管中的混合气受热膨胀，使吸入发动机气缸中的有效燃烧物质减少，形成较弱的可燃混合气和一定数量的废气进入发动机燃烧室。同时也降低了混合气的燃烧温度，使NOX生成量减少。因此，EGR成为控制NOX的主要技术措施之一。

2.EGR的整体结构及控制策略

图1 电火花点火发动机所采用的尾气再循环示意图

EGR系统的任务是对进入进气系统的废气量进行最佳控制，最终保证排放物中的污染物成分NOX含量最低。废气再循环程度可用EGR率来表示。其定义为：

有资料表明，当EGR率达到15%时，NOX的排放量可减少60%。但EGR率增加过多时，将导致油耗增加、HC的排放量增加以及由于废气再循环造成的缺火率增加，使燃烧变得不稳定，发动机性能下降。因此，必须对EGR率进行适时控制，既降低NOX的含量，又可以保证发动机的动力性。

对EGR率的控制可按以下方法进行：即根据发动机的温度及负荷大小，适当地控制引入进气歧管的废气量。因此，当发动机水温较低或处于怠速及小负荷运转时，NOX的生成量很少通常不使用EGR。而当发动机水温已达到正常工作温度并且处于大负荷运转时，燃烧室内的温度升高，促使N2和O2化合生成NOX。此时最佳方法是降低燃烧室的温度，引入EGR，并随着发动机负荷的增加相应地提高EGR率。为了精确控制EGR率，应采用电子控制的EGR阀系统。

3.EGR阀的使用效果与控制策略

EGR阀是整个废气再循环系统的关键部件，通过控制EGR阀的开闭程度来控制废气再循环的量，达到控制EGR率的目的。

3.1.EGR阀的使用效果

作为减少尾气中NOX的技术，有燃烧后进行处理的还原催化剂方法，也有在燃烧过程中抑制所产生有害气体的EGR方法。NOX是各种氮氧化合物的总称。惰性气体N2正常条件下是稳定的，但在高温(800℃以上)和有高浓度的氧存在时，则与氧反应生成NO，废气中NOX的95%是NO，NO与大气中的氧进一步结合则产生NOX。

通过对燃烧温度的控制可以减少NOX的产生。燃烧温度高的区间能得到经济的燃料费用，但在此区间产生的NOX浓度也高，NOX生成量下降时，CO或HC的生成量却增加，如图2所示。这时的燃料消耗可能增大，因此，从空燃比着手减小NOX的排放与降低CO、HC的排放是矛盾的。

图2 空燃比与排气成分的关系

在特别稀薄的混合气燃烧方式下，用于减少NOX的催化剂通常不能有效发挥作用，故EGR方法则愈显重要。图3所示为三菱汽车工业公司的GDI发动机中减少NOX的效果。EGR率达到30%(原来的发动机至多仅20%左右)。在GDI发动机中，备有少量NOX催化剂的选择还原型EGR统，其出口排放气体中的NOX约减少97%，效果十分理想。

图3 GDI发动机中减少NOX的效果

EGR技术不仅用于减少有害气体中的主要成分NOX，而且还力求节约燃料。

汽车发动机中，装有联动于加速踏板并能调节吸气量的节流阀。喷射的燃油量与通过此阀的空气量相对应。由此，可将一定浓度的混合气送入燃烧室。当发动机在小负荷工况下，通过节流阀的阻抗大，与发动机转速对应的吸气阻抗(泵损耗)会产生无功的燃油消耗。为降低发动机的泵损耗，通常采用能适当增大节流阀开度的稀薄混合气燃烧方式以及大负荷时在吸气管侧设置多个EGR阀的控制方式。为了在较高EGR率条件下也能维持稳定的燃烧，消除EGR对动力性、经济性的负面影响，往往采用一些快速燃烧的措施。不仅要加强气缸内混合气的湍流强度与点火能量，同时对直接喷射燃料进入燃烧室，高精度地控制燃烧等方面，都应最大限度地加以完善。

3.2.EGR阀的控制策略

现在我们使用最多的是低压废气再循环系统，该系统的主要元件是数控式EGR阀。数控式EGR阀安装在右排气歧管上，其作用是排除歧管真空度的大小的影响，独立地对再循环到发动机的废气量进行精确的控制。EGR阀通过三个孔径递增的计量孔控制从排气歧管流回进气歧管的废气量，以产生七种不同流量的组合。每个计量孔都由一个电磁阀和针阀组成，当电磁阀通电时，电枢便被磁铁吸向上方，使计量孔开启。旋转式针阀的特性保证了当EGR阀关闭时具有良好密封性。

EGR阀通常在下列条件下开启：发动机暖机运转;转速超过怠速。目前采用的废气再循环系统还有一种类型，日野汽车公司开发的脉冲式废气再循环系统在柴油机进气过程中，排气门稍有提升，使部分高压废气回流到气缸内。排气门的这个作用是通过修改排气门凸轮的形状和将废气再循环系统微升来实现的。在脉冲式废气再循环系统中，废气被重新送回气缸内，因此废气的压力应高到足以使气流反向。要达到这样高的压力只有通过优化气门微升和定时，从而利用废气的压力波才能实现，在该废气再循环系统中，废气压力“脉冲”被有效利用。

4.EGR应用实例

日系汽车以先进的车载电子设备而著称，它的EGR系统发展的也比较早，下面引用本田轿车的废气再循环系统对EGR系统进行详细介绍(如图4所示)。

废气再循环装置主要用于减少NOX的生成量、减少尾气污染。因为NOX是在高温富氧的条件下生成，引入适量废气进行再燃烧，可降低混合气的燃烧温度，抑制NOX的生成量。废气再循环装置，通过EGR阀把少量的废气引入进气歧管与混合气混合，共同进入气缸燃烧。废气中几乎不含氧，是不可燃气体。这些气体与混合气混合使可燃成份下降，减少了发动机燃烧时的温度，从而减少了NOX的生成量。另外，从排气歧管进入进气歧管的废气有一定温度，使进气歧管中的混合气受热膨胀，使吸入发动机汽缸中的有效燃烧物质减少，形成较弱的可燃混合气，同时也降低了混合气的燃烧温度，使NOX生成量减少。

图4 本田轿车ACCORD废气再循环系统

本田轿车的电脑控制废气再循环系统主要由ECM电脑、EGR阀、EGR阀位置传感器、EGR真空控制阀和EGR电磁阀等部件组成。电脑控制EGR系统由进气歧管绝对压力传感器、进气温度、冷却液温度、EGR阀的位置和 A/F等检测到的信号输入ECM，ECM根据这些参数计算出EGR阀的开启位置，同时向EGR电磁阀发出指令、使EGR阀的阀门处在优先位置，让发动机燃烧生成的NOX降低到最低限度而又不影响发动机的动力性。在EGR系统管路中排气歧管与进气歧管相通，中间依靠EGR阀等执行元件控制开启。在EGR阀的上方安装有EGR阀位置传感器，EGR真空控制阀、EGR电磁阀通过控制EGR阀的开度控制废气再循环量。EGR阀的开启受真空度控制，真空度又由EGR真空控制阀控制，EGR真空控制阀的作用是保持进入EGR电磁阀的真空度恒定(如图5所示)。

EGR阀位置传感器安装在EGR阀的上部，它能准确地检测EGR阀阀门开启或关闭的大小，并把准确位置输入ECM。ECM根据这个位置和其他数据计算出最佳的废气再循环量，进而控制EGR电磁阀阀门变化达到最佳废气循环量，使NOX生成量减到最少。EGR阀位置传感器如图5所示。EGR阀位置传感器与节气门位置传感器类似。当EGR阀工作时，传感器中电阻的变化与EGR阀阀杆的运动成正比，EGR阀关闭时传感器的电阻值最大，随着EGR的开启电阻逐渐减少，当EGR阀全部打开时，传感器中的电阻值达到最小。

本田雅阁轿车废气再循环系统如图6所示。由EGR阀、EGR真空控制阀、EGR控制电磁阀、控制器(ECM/PCM)和EGR阀提升传感器等组成。废气再循环系统和三元催化剂配合，能使排放污染气体中的NOX含量得到有效地降低。由于NOX产生的条件有两个，一是高温，二是富氧，所以EGR不是所有工况都工作，在低速、水温低于50℃时废气再循环不工作，防止失速现象的产生;在高速、中负荷时一般具备了产生NOX的条件，废气控制阀才投入工作，控制NOX排放的污染值。

本系统的主要部件：

(1)EGR控制电磁阀

EGR控制电磁阀为电子机械式真空开关阀，位于防火壁右侧的控制盒内，其作用是控制加在EGR阀的真空。该电磁阀由控制器控制，电磁线圈通电时阀门打开，进而进排气口之间的通道便接通。

(2)EGR阀提升传感器

该传感器利用由一个柱塞推动的电位计向发动机控制器传送EGR阀的实际提升高度信号。发动机控制器中储存有多种工况下EGR阀的最佳提升高度，如果实际提升高度值与储存在发动机控制器内的最佳值不同，发动机控制器便切断EGR控制电磁阀的电源，减少加在EGR阀上的真空。

(3)EGR阀

该阀体位于进气歧管右侧，靠近节气门体，其作用是使一定量的废气流入进气歧管实现再循环。EGR阀膜片的一侧连接一根枢轴杆，另一侧与弹簧相连(弹簧使阀门保持常闭)。当加在膜片上的真空压力大于弹簧力时，枢轴杆被拉离原位，通道打开，使废气进入再循环系统。再循环的废气量与节气门开度值直接相关。电磁阀接收控制器和继电器的控制信号，电磁阀开启真空电路，因而真空压力吸动E G R阀上的膜片，使阀打开，将废气引入气缸，进而使NOX排放降低。

5.废气在循环技术在其它领域的应用

当今，废气再循环技术不仅仅运用在汽车的污染物处理上，它还被用来控制一些锅炉(焚烧炉等)的NOX排放上。目前，国内垃圾的处理方式还主要依赖于焚烧，它的污染还是很大的。所以，运用废气再循环技术来减少其NOX的排放，意义也是十分重要的。

目前废气再循环技术在国内的垃圾焚烧炉中的应用才开始起步，但随着国内对焚烧锅炉排放要求的日益严格，此技术将得到越来越广泛的应用。

它的工作原理与汽车EGR相似，将锅炉尾部烟道中的一部分低温烟气(烟温约250～350℃)，通过再循环风机送入炉膛，从而改善炉膛烟气混合情况，有效控制炉膛温度水平，抑制或防止炉膛结焦，提高锅炉出力及降低NOX等有害物质的排放。

6.结论

全球的大气污染状况，已经到了不容逃避的地步，作为主要污染源的汽车、锅炉更要加大技术创新，较好污染物的排放。废气再循环技术是目前已知的，而且比较有效地环保技术，可以大幅度的减少NOX的排放，应大力普及。本文通过对汽车EGR技术的详细介绍，使读者比较全面的了解废气再循环系统的工作原理，EGR系统的结构、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">文献标识码：A

A

1671－3974(2012)01－0055－04

2011－12－22

桂林(1982－)，女，本科，河南工业职业技术学院汽车工程系，助教，研究方向：汽车工程。