EGR+DPF系统降低柴油机的排放

2013-03-01 07:30杨辉张兆明
柴油机设计与制造 2013年2期
关键词:集器烟度调节阀

杨辉,张兆明

(上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804)

EGR+DPF系统降低柴油机的排放

杨辉,张兆明

(上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804)

柴油机具有良好的动力性和经济性,汽车柴油机已成为发展趋势,但柴油机NOx和颗粒(PM)的高排放成为制约柴油车发展的因素之一。随着机动车排放法规的日益严格,降低NOx和颗粒的排放成为现阶段柴油机汽车的主要研究课题。废气再循环(EGR)技术是现今降低柴油机NOx排放的有效方法之一,应用颗粒捕集器(DPF)可以有效的降低尾气中颗粒的排放。本文介绍了EGR技术和DPF技术的原理、特点,对不同工况下EGR对NOx排放进行了分析,同时对不同工况下颗粒捕集器的再生效率进行了研究,结果表明适宜的EGR率和颗粒再生效率才能同时降低柴油机NOx和PM的排放。

柴油机排放废气再循环颗粒捕集器

1 绪论

柴油机以热效率高、油耗低而备受青睐,已在船舶、载重汽车、工程机械等动力机械中得到广泛应用。目前,在汽车领域,美国、日本和欧洲发达国家在大、中型载重汽车上已全部实现柴油机化,在轿车和轻型车上柴油机的应用比例也逐渐增多。而降低排放(尤其是NOx和颗粒)是柴油机开发中的重要目标。但是,各国对机动车的排放法规限制越来越严格。表1为欧盟轻型车中柴油乘用车的排放标准。

人们往往会有一个认识上的误区,即认为柴油机的排放污染大于汽油机的排放污染,如表2所示,由于柴油机的过量空气系数大于1,所以柴油机的CO、HC排放少于汽油机,但NOx排放与汽油机差不多,柴油机排放的控制重点是颗粒,而解决颗粒排放的措施有时会使NOx排放升高。鉴于

此,目前国内外学者都在致力于同时降低柴油机NOx和颗粒排放的研究。

来稿日期:2012-12-14

表1 欧盟柴油乘用车排放标准g/km

表2 相同排量的柴油机和汽油机的排放比较

2 废气再循环与颗粒捕集器技术原理

2.1 废气再循环的特点与原理

废气再循环(Exhaust Gas Recirculation,EGR)是指在保证发动机动力性不降低的前提下,将发动机排出的一部分废气送回进气管,并与新鲜空气或新鲜混合气混合之后,再次进入气缸参与燃烧。运用EGR技术可减少本应进入气缸的空气量,使空燃比减小。在汽油机高负荷时进入气缸的EGR使燃气的热容量增加,相应的平均燃气温度降低;而在柴油机高负荷时,EGR引起的热容量变化较小且空燃比减小使氧浓度降低,这是柴油机抑制NOx生成的主要原因之一。为了能够做到既能减少NOx的排放,又能保持发动机的动力性,必须根据发动机运转的工况对再循环的废气量加以控制,NOx的生成量随发动机负荷的增大而增多,因此,再循环的废气量也应随负荷的增加而增加[1]。目前,国内外市场上出现的EGR系统主要有以下3种,包括机械式、气电式和电控式。

机械式EGR系统只是依据发动机工作的冷却液温度和节气门真空度来控制其工作时机和排气再循环量的。不难看出,机械式EGR系统的最大优点是结构简单、成本低且容易实施。但其缺点也是显而易见的,那就是系统缺乏柔性,一旦产品定型,其循环特性便取决于EGR阀里弹簧膜片的弹性系数,难以根据发动机的复杂工况做出灵活应变。因此机械式EGR系统只能发挥出EGR技术的部分优势。机械式EGR系统控制的EGR率为5%~15%。

气电式EGR系统与机械式EGR系统的主要区别在于真空通路的控制,它采用VCM阀(电磁真空阀)取代BVSV阀。在工作中,ECU根据发动机进气温度、冷却液温度、节气门开度和EGR阀位置传感器送来的信号,准确计算出排气再循环的时机和最佳控制量,然后再通过对电磁阀的控制来调节EGR控制阀里的真空度,从而可以根据发动机工况在一定范围内实现对EGR率进行调整,系统柔性有了较大改善。

电控式EGR系统与气电式EGR系统的主要区别在于取消了电磁真空阀及真空控制通路,系统中的排气再循环阀的位置直接由电磁阀来控制。与气电式相比,电控式EGR系统又具有以下优势:(1)动态响应好,(2)调节精度高,(3)排气回流量大,(4)结构相对简单。电控EGR系统可以使EGR率达到15%~20%。

2.2 颗粒捕集器(DPF)的特点与原理

柴油机颗粒过滤器(DPF),是目前国际上公认的、最实用有效的颗粒后处理技术[2],DPF系统一般由过滤装置、再生装置、控制装置三部分组成,其关键技术之一是过滤体再生。柴油机颗粒捕集器的作用是将柴油机的尾气引入专门的后处理装置,将排气中的颗粒捕捉、集中,不使其排出机外,并利用催化剂、氧化器、燃烧器等进行分解、燃烧,清除其中的大部分微粒,从而减少颗粒排放。该装置可将柴油机中有害物颗粒减少70%~98%,通过过滤体滤去大部分颗粒,达到净化尾气的目的。但由于日积月累,颗粒沉积在过滤体的微孔内,会使排气阻力增加,导致发动机的性能恶化。为了颗粒捕集器不被堵死,正常工作,颗粒捕集器必须要定期清除颗粒,这就是再生。在再生过程中,颗粒捕集器收集的颗粒会被燃烧掉,故其技术的关键在于过滤材料的选取和再生技术。

一种好的再生系统应满足如下条件:(1)能在各种条件下正常工作;(2)对柴油机性能影响小;(3)不对环境产生二次污染;(4)应具有良好的可靠性和耐久性;(5)应便于操作,成本相对低廉[3]。根据再生原理不同,过滤体再生方法分为主动再生(强制再生)和被动再生两种。

在被动再生过程中,颗粒在没有发动机控制器的干预下,持续地进行燃烧。由于颗粒捕集器离发动机很近,因此在高速公路上行驶时,温度可以达

到350~500℃,此时颗粒通过化学反应转换为二氧化氮和二氧化碳。这种过程发生得很慢,并且一定要在催化剂的作用下持续实现。

在主动再生中,通过发动机控制器,在拉升的排气温度条件下,颗粒进行燃烧。在城市交通中,在较低的发动机负荷下,排气温度对于颗粒捕集器的被动再生来说太低了。因为颗粒不能被清除,颗粒附着在颗粒捕集器上。只要颗粒捕集器上的颗粒数量达到一定的的程度,发动机控制器就会发出主动再生的指令,发动机控制器通过分析空气质量流量计信号、颗粒捕集器前后温度传感器信号以及废气压力传感器信号来识别颗粒捕集器的颗粒沉积情况。在颗粒捕集器没有颗粒沉积的情况下,废气的流动阻力是很小的,反之,如果有许多颗粒沉积在颗粒捕集器上,就会产生很大的流动阻力。当颗粒沉积达到一个极限值时,就会通过发动机控制器导入主动再生。在发动机控制器的指挥下,主要有以下几个动作:(1)发动机控制器会指令废气再循环关闭,以便提高燃烧温度;(2)为了提高排气温度,在燃油主喷射减少后,在上止点后一定角度(不同的发动机会根据匹配结果确定不同的数值),导入一个燃油后喷射;(3)电子节气门体对进气量自动进行调节,从而与增压压力相匹配,使得在再生过程中,驾驶员感觉不到扭矩的变化。通过这些措施,排气温度在很短的时间内就会被拉升到600~650℃。在这个温度范围内,搜集到的颗粒会氧化成二氧化碳。在主动再生之后,颗粒捕集器又可以重新投入使用,并把颗粒从废气中过滤出来。

2.3 集成EGR和DPF系统的结构原理

图1为柴油机EGR和DPF系统结构简图[4]。EGR的废气从涡前取气,经EGR冷却器和EGR阀后,与增压后的空气在文丘里管中混合,进入发动机燃烧室内燃烧。采用EGR冷却,一方面保证氧传感器的工作可靠性,另一方面降低由于进气引起的温度升高。在EGR率的控制方面,电控单元根据转速、油门位置来判断发动机工况,输出控制信号,由步进电机来控制EGR阀的位置。此时氧传感器将检测到的空燃比反馈给控制单元,控制单元根据目标空燃比与实际空燃比进行校正,获得EGR阀位置的精确闭环控制。对于DPF,过滤时,三通阀处于中间位置,废气同时从2个DPF中流过。若背压达到预先确定的值时,则开始再生。一个再生时,另一个处于过滤状态。再生过程分成2个阶段:加热阶段和燃烧阶段。2个阶段加热器始终处于加热状态。在加热阶段,三通阀关闭流经再生陶瓷的气流,便于快速升温。当再生陶瓷的前端温度达到微粒的起燃温度600℃时,三通阀开始动作使一定量的废气流经再生陶瓷,前端迅速燃烧,燃烧火焰向后传播,很快将捕集在过滤器上的微粒全部烧掉,实现过滤器的再生。再生后三通阀又回到中间位置,整个再生过程中三通阀是由步进电机精确控制。

3 不同工况下EGR和DPF对排放的影响

3.1 不同工况下EGR对柴油机排放的影响

通过在一台四冲程柴油机上应用EGR技术,在分析废气再循环对发动机性能和排放影响的基础上,对柴油机燃烧过程中不同工况下的废气排放量进行研究。采用EGR后,由于废气返流,减少了排气总量,并使进气稀释,减少了混合气所具有的能量,降低了燃烧的最高温度和氧的相对浓度,从而有效地控制了燃烧过程中NOx的生成量。试验选择的柴油机转速为1 600 r/min,在试验中,发动机

工况设定在定转速/定油门模式,通过调节EGR阀的开度来测试EGR率和发动机的其他主要参数。其NOx和烟度随EGR率和负荷的变化情况如图2和图3所示。

图1 柴油机EGR和DPF系统简图

图2 NOx的质量分数随EGR率和负荷的变化情况

图3 烟度随EGR率和负荷的变化情况

采用EGR技术后,在各种转速下的中小负荷工况中,NOx排放大幅度降低,但排气烟度有所增加,其他各项性能均有明显改善,且在加大EGR率时,发动机中、高负荷下NOx排放降低、烟度提高的现象更明显。在接近全负荷工况时,EGR阀关闭,以保证发动机的动力性、经济性不受影响。另一方面,随着EGR率的增加,发动机排气烟度也随之增加。由于EGR一方面导致残余废气系数增加,更多残余废气进入发动机循环;另一方面,采用EGR导致的进气节流会造成进气阻力增加,新鲜充量减少。以上两种因素都导致缸内混合气的过量空气系数降低,从而引起烟度的增加[5-9]。在中、高负荷时,柴油机过量空气系数只有1.2左右,远低于无EGR柴油机的对应工况,因此烟度增加的幅度较大。在低负荷时,柴油机过量空气系数较大,EGR对过量空气系数的影响相对较低,烟度恶化的趋势也相对较小。随着废气的引入,NOx排放降低,但烟度排放值升高,大负荷工况时烟度恶化更明显。

3.2 冷EGR对柴油机排放的影响

由于单纯采用EGR难以达到同时降低NOx和烟度排放的要求,本文在采用EGR的基础上,对废气进行冷却后再进入下一循环,研究此种情况(即冷EGR)下的发动机性能和排放。图4为EGR温度对烟度、NOx排放和燃油消耗率的影响。

在相同负荷下,采用冷EGR时,燃烧初期的压力和压力升高率均较不使用EGR冷却系统时低,最高爆发压力也较低。由于冷EGR使废气经过冷却后再进入下一循环,进气充量的温度降低,节流损失降低,新鲜进气充量相应有所增加,过量空气系数增加。混合气温度降低使滞燃期有所增加,同时放热率曲线和放热率峰值相位后移,燃烧最高温度降低。因此,采用冷EGR后,有利于降低NOx及烟度的排放。如图4所示,与EGR相比,采用冷EGR后,在中高负荷下,NOx排放减少15%左右,碳烟排放也有所降低,比油耗变化不大,但发动机达到的最大负荷有所增加。

图4 EGR温度对烟度、NOx和燃油消耗率的影响

3.3 不同工况下DPF对柴油机排放的影响

在DPF的再生过程中,通过调整加热器流通孔的流通面积和加热丝在辐射盘上的分布密度,使再生期间过滤器内的最高温度与温度梯度都得到了合理的控制[10]。考虑到在实际应用时,DPF的再生是在柴油机实际运转工况下进行的,不同工况下废气氧含量不同。一般来说,柴油机的氧含量变化范围为8%~17%,所以应选择合理的调节阀开度,保证再生顺利进行,以及有较高的再生效率。当负荷增加时,用于再生的废气氧含量下降,要保证过滤器再生所需要的氧含量,就必须加大调节阀的开度来维持正常的燃烧,当调节阀的开度过大时,流经再生陶瓷的废气流量会很大,将会带走大量的热量,使再生温度急剧下降,导致再生效率降低。所以选择合适的调节阀开度非常重要。在试验中,选择70%额定转速(2 240 r/min)和75%负荷的工况挂烟,没有使用废气再循环,然后在此工况下再生,调节阀的开度分别为2°、4°和6°。图5、图6和图7分别是再生过程中不同调节阀开度的陶瓷内部各点的温度变化曲线(图中点1、2、3分别位于陶瓷入气口的前端、中端和后端)。

从图中可以看出,当调节阀的开度较小时,提供再生所需要的氧气量不足,燃烧峰值温度和平均温度降低,再生效率在60%左右;当调节阀开度增大到4°时,这时氧气量比较充足,燃烧温度较高,而且废气带走的热量也不是很多,再生效率能达到80%;当调节阀的开度增大到6°时,废气带走的热量较多,再生温度急剧下降,再生效率较低,只能达到50%左右。从调节阀的开度为2°、4°和6°的比较还可以看出,随着调节阀开度的增加,再生的时间略微缩短。

图5 调节阀开启2°时再生温度曲线

图6 调节阀开启4°时再生温度曲线

图7 调节阀开启6°时再生温度曲线

实际工作中,发动机主要利用排气进行DPF再生,同时还用压缩空气进行DPF再生。压缩空气的氧含量高于废气的氧含量,从而有两个的优势:一方面氧气充分,燃烧温度较高,能充分燃烧;另一方面,由于压缩空气中的氧含量较高,再生所需要的气体量要少于用废气再生所需要的气体量。开始时,压缩空气再生温度不高,微粒燃烧所需的气量不足,燃烧不充分。随着气量的加大,压缩空气能使再生较充分的进行,而且气体带走的热量也不多,燃烧温度比较高。气量进一步加大,前端的温度迅速升高,接近1 100℃。但随时间的增加迅速地降低,而且降低的速率较快,过滤器中段温度升高的不是很多,只达到了800℃,大量的热量通过陶瓷的前端与中端带走,而后端的温度较低,甚至不能再生。再生气量过大或过小都会使再生效率降低。但是随着气量的加大,再生所需时间缩短,主要是由于气体流速加快,使燃烧速率加快。

4 结论

要满足柴油机更高排放标准要求,除了进一步完善缸内燃烧外,还必须借助于机外的后处理措施。废气再循环是降低柴油机NOx排放的主要措施,但该技术在降低NOx排放的同时会导致功率、油耗和烟度增加。因此,需通过寻找各种工况对应的最佳EGR率精确控制EGR系统的使用环境。颗粒过滤器工作中,微粒吸附过滤于滤芯内,长期使用会影响排气背压,直接导致柴油机的动力性、经济性下降,且在使用废气再循环时颗粒排放是增加的。因此,对于微滤过滤器的再生,需通过对不同工况时废气氧含量及气体带走热量的数据变化综合得到适宜的颗粒再生效率,保证同时降低柴油机NOx和颗粒的排放。

目前我国柴油机的后处理技术还不成熟,我们应致力于降低NOx排放同时降低PM排放,综合降低尾气排放,使柴油机在经济运行时,能够达到尾气的综合最佳排放。

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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

杨辉(1970-),男,工程师,主要研究方向为工程车辆。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.02.002

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