基于排放标准的废气再循环技术

陆玲亚 颜振浩 李博文

（无锡职业技术学院汽车与交通学院 江苏 无锡 214121）

引言

近20 年来，使污染物排放满足排放标准一直是全球范围内车用发动机研发的工作重心[1]。迄今为止，全球范围内大多数车用发动机，尤其是欧洲、美国及日本等国的产品，不论是轻型还是重型，道路用还是非道路用，在排放控制上均取得了巨大成效[2]。

众所周知，发动机的燃料燃烧时产生的主要污染物有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM、PN）等。其中，NOx绝大部分为一氧化氮（NO），人体吸收NO 后，会迅速氧化成二氧化氮（NO2）。NO2有强烈的腐蚀性和毒性，能引起人的中枢神经麻痹和痉挛[3]。对此，本文梳理了欧洲、美国、日本以及我国排放标准的演变过程，研究了NOx排放限值的变化，探讨了基于排放标准的废气再循环技术的发展，并展望了其未来的发展趋势。

1 废气再循环原理

1.1 废气再循环的工作原理

废气再循环（EGR）的基本原理如图1 所示，在保证发动机动力性不降低的条件下，根据发动机的温度和负荷情况，将燃料燃烧后产生的废气的一部分重新引入进气歧管，和新鲜空气混合后形成新的混合气，再次进入气缸参与燃烧。

图1 EGR 工作原理

NOx的生成条件是高温富氧，EGR 降低发动机NOx排放有几个方面的原因。第一方面，从排气歧管排出的高温废气中存在大量的三原子气体，如CO2、NO2、水蒸气等，这些气体的比热容较高，当新鲜空气和高温废气混合后，热容量随之增大。发动机气缸内混合气发生燃烧反应时，在燃料燃烧放热总量不变的情况下，由于混合气的比热高，吸收的热量增加，因此气缸内的最高燃烧温度降低；第二方面，高温废气中存在惰性气体，当新鲜空气和高温废气混合后，惰性气体增加，使着火延迟期变长，燃烧速度减缓，最高燃烧温度下降；第三方面，由于新鲜空气与高温废气混合，混合气内氧的浓度相对减少。EGR 破坏了燃烧室内高温富氧条件，从而减少了NOx的产生。目前，EGR 技术是降低发动机NOx排放最有效的措施之一。

1.2 EGR 率

再循环的废气量用废气再循环率（EGR 率）表示。EGR 率的计算公式[4]如下：

式中：REGR为EGR 率，%；RCO2，in为中冷器后CO2的浓度，%；RCO2，air为空气中CO2的浓度，%；RCO2，exh为涡轮后废气中CO2的浓度，%。

EGR 率对发动机性能有很大影响：再循环废气量过少，不能有效地降低NOx排放；再循环废气量过多，发动机性能恶化，工作不稳定。增加EGR 率，可以使NOx排放降低，但同时会使HC 排放和油耗升高。基本EGR 率由发动机的转速及负荷来确定，各种工况采用的EGR 率必须综合考虑动力性、经济性和排放性能。

2 排放标准的演变

众所周知，汽车尾气排放会对环境造成污染。随着人们对环保意识的不断加强，汽车排放标准日益严格。早在20 世纪六、七十年代，世界各国就对汽车尾气排放建立了相应的标准，通过严格的标准推动汽车排放控制技术进步。而汽车排放控制技术的不断提高，又促使更高排放标准的制订。

2.1 欧盟相关排放标准及实施

在欧洲，汽车的排放标准一般是每4 年更新一次。

1992 年以来，欧洲排放标准已实施若干阶段，具体的排放标准及实施时间见表1。

表1 欧洲排放标准及实施时间

现阶段，欧盟实施欧Ⅵ排放标准。但新欧盟委员会于2019 年12 月11 日提出，欧盟将于2021 年6月之前修订汽车排放标准，以确保2025 年后朝着零排放的方向发展，这意味着欧洲可能将于2030 年实施欧Ⅶ排放标准。

2.2 美国排放标准及实施

美国是最早执行汽车排放标准的国家，也是排放控制指标种类最多、标准最严的国家，主要分2 个部分：联邦排放标准即环境保护局（EPA）排放标准和加利福尼亚州空气资源局（CARB）排放标准[5]，其各个阶段的排放标准对污染物的限制要求和欧洲标准大致类似。

到现在为止，EPA 发布的轻型汽车排放标准分3 个阶段，即Tier1、Tier2 和Tier3，颁布及实施时间见表2。

表2 美国EPA 排放标准及实施时间

CARB 排放标准比EPA 更为严格，CARB 采用的排放标准称为低排放车辆标准（Low Emission Vehicles，LEV），实施时间见表3。

表3 美国CARB 排放标准及实施时间

目前，美国加州实施的是LEV Ⅲ标准，有效期为2015～2025 年。在执行LEV Ⅲ标准过程中，根据实际情况调整标准，最终与EPA Tier3 统一要求。

2.3 日本相关标准法规及实施

日本的汽车排放法律法规分为2 种：最高值和平均值，即每一辆汽车的排放量不能超过最高值，每一季度每一辆汽车的排放平均值不能超过排放法律法规设计的平均限值。

1966 年，为限制CO 排放，日本实施了最初的汽车尾气排放法规。1968 年制定了《大气污染防止法》；2003 年推出了针对PM2.5及其以下颗粒物的法令，严于欧美当时正在执行的排放标准；2006 年4 月1 日，施行了《关于特定特殊机动车尾气规制的法律》，俗称《OFF-ROAD 法》；2007 年5 月，修订了《汽车NOx·PM 法》；2009 年，采取了针对该特定区域污染防治的对策以及汽车限行措施，空气质量标准增加了PM2.5的指标。

现阶段，日本机动车燃油排放标准采用JC08模式。

2.4 我国相关标准及实施

我国最早于1983 年颁布了第一项机动车尾气污染控制排放标准，实现了汽车尾气排放标准从无到有的突破。我国轻型汽车污染物排放标准及实施时间见表4。

表4 我国轻型汽车排放标准及实施时间

3 EGR 技术的发展历程

针对NOx排放，不管是哪个国家或地区，随着排放标准的日益严格，排放限值越来越低。

图2 显示了我国轻型汽车排放标准中NOx排放限值的变化情况。在国一和国二阶段，没有明确提出对NOx排放进行限制。在国三、国四、国五阶段，汽油机和柴油机的NOx排放限值分别为150 mg/km 和500 mg/km、80 mg/km 和250 mg/km、60 mg/km 和180 mg/km。到国六阶段，排放标准不再区分汽油机和柴油机，从国六a 阶段到国六b 阶段，NOx排放限值从60 mg/km 下降到35 mg/km。

图2 我国NOx 排放限值变化情况

EGR 是降低发动机NOx排放最有效的措施之一，但EGR 最先应用于汽油机上，主要的作用只是抑制NOx的生成。随着发动机技术的不断发展，EGR被更多的发动机生产厂家应用于汽油机上，不仅是为了降低机NOx排放，同时也是为了降低油耗。由于EGR 技术路线整体开发难度低，经济性好，特别是降低柴油机的NOx排放效果明显，因此广泛应用于柴油机上。如今，不管是汽油机还是柴油机，在配备发动机冷却循环系统以及缸内部件承温能力提高的情况下，都应用了EGR 技术。从工作原理上，汽油机EGR 和柴油机EGR 两者相似；从功用上，汽油机EGR 是降低NOx排放和油耗，柴油机EGR 是降低NOx排放。

EGR 技术的发展历程可以分为3 个阶段：

1）第1 阶段。20 世纪60 年代，欧洲、美国、日本等国先后以法规形式制定了排放标准，促使EGR 技术得到大幅度发展。在国外，EGR 技术首先应用于汽油机，EGR 系统最初只是纯气动形式，不带冷却循环系统，如图3 所示。

图3 气动式EGR 系统

该阶段，EGR 系统主要用于抑制NOx的生成。由于采用气动控制再循环废气量，无法达到精确控制的目的，对发动机性能有较大影响。不带冷却循环，EGR 阀需要经受再循环废气带来的高温考验，并且废气内所含杂质会对阀体本身造成腐蚀或者卡滞。

2）第2 阶段。20 世纪70 年代，带冷却循环的EGR 技术广泛应用于柴油机，并与电控技术相结合，开发出带闭环控制的气电式或电磁式EGR 系统，如图4 所示。

图4 带冷却循环的EGR 系统

该阶段，EGR 系统在第1 阶段基础上进行了改进。通过闭环控制，采用电控技术达到精确控制EGR率的目的，满足汽车不同工况下再循环废气量的要求，进一步降低了NOx排放。从排气歧管引出的再循环废气经过EGR 冷却器降温后再通过EGR 阀进入进气歧管，提高了EGR 阀及执行器的耐温性能。

3）第3 阶段。也就是现阶段，EGR 系统发展为多种形式：按系统布置，可以分为高压EGR 系统、低压EGR 系统和高低压双回路EGR 系统；按EGR 阀布置，可分为冷端EGR 系统和热端EGR 系统。

一般地，从涡轮前取废气回流到压气机后的EGR系统称为高压EGR 系统，从涡轮前取废气回流到压气机前的EGR 系统称为低压EGR 系统，这是根据压气机前后压力大小来进行区分的。高压EGR 系统可避免再循环的废气污染压气机和中冷器，减少淤塞和腐蚀问题，同时可避免EGR 随工况变化响应滞后。但在高负荷下，可能会出现进气压力大于涡前排气压力的情况，需要采用一定的措施来克服进排气压差问题。低压EGR 系统不用考虑进排气压差问题，但再循环废气可能会污染压气机，降低压气机的使用寿命，并产生延迟响应特性，不利于瞬态废气排放测试。图5 所示的EGR 系统示意图中，将布置于DPF（颗粒捕集器）后端的EGR 称为低压EGR，与此相对应的正常EGR 称为高压EGR。

图5 EGR 系统

EGR 阀还可以选择放在EGR 冷却器前或后，如图6 所示。

图6 冷、热端EGR 系统

EGR 阀置于EGR 冷却器前，可以避免EGR 冷却器长期与高温排气直接接触，但EGR 阀体距离排气管很近，直接暴露在高温排气下，对其抗热负荷的性能要求很高，有的阀体上加工冷却水通道，利用发动机循环水来进行阀体冷却，这样的布置方式称为热端EGR 系统；EGR 阀置于EGR 冷却器后，废气先通过EGR 阀，然后冷却，最后进入进气道，这是冷端EGR 系统。

不同的发动机生产厂家针对不同的发动机产品类型配套不同的EGR 方案，以满足设计要求。

4 EGR 技术现状及发展前景

根据国家相关计划，国六排放标准分为“国六a”和“国六b”2 个阶段，对应的实施时间分别为2020年7 月1 日和2023 年7 月1 日。可以说，国六a 是国五到国六的过渡阶段。自2019 年7 月1 日起，已有19 个省市相继实行了国六a 排放标准。

4.1 柴油机EGR 技术现状

不管是SCR（选择性催化还原）、DOC（氧化性催化转化器），还是EGR，在国六阶段，应用单一的排放控制技术很难满足排放标准要求，所以一般将EGR与SCR+DOC 或EGR 与SCR 联合使用，以降低NOx排放。

1）DOC+DPF+SCR+高低压双回路EGR 系统。该系统如图7 所示。

图7 DOC+DPF+SCR+高低压双回路EGR 系统

在正常情况下，高压EGR 只在快速暖机和低负荷工况下使用；在车辆正常运行和高负荷工况下，基本上只单独使用低压EGR，2 者一起使用的工况极为少见。

2）NSC+DPF+SCR+高压EGR 系统。

加入高压EGR 系统的作用主要是提高EGR率，减轻SCR 系统的负担。在图8 所示的方案中，后处理新增NSC（NOx捕捉器），利用NSC 来减轻SCR系统的负担和提高NOx的转化效率。该方案是目前国外主流的技术方案。

图8 NSC+DPF+SCR+高压EGR 系统

4.2 汽油机EGR 技术现状

应用于汽油机上的EGR 方案同样分为3 种：高压EGR 系统、低压EGR 系统和高低压双回路EGR系统分别与电控汽油机EGR 冷却模块、三元催化器等联合使用，使再循环废气量在每一个工况都达到最多，保证排放物中的污染成份降至最低，可使冷却损失比现行发动机减少约8%，满足国六排放标准要求、改善性能、降低油耗。

4.3 发展前景

欧洲的排放标准一向走在世界前沿，2020 年10月27 日，欧盟汽车排放标准咨询顾问组召开第6 次会议，拟定欧盟第7 阶段汽车排放标准中需满足的污染物排放限值指标以及相关的技术手段。

对于汽油机EGR 的发展前景，博格华纳公司认为汽油机EGR 未来将是一个主要发展方向。采用高EGR 率+超高压缩比，可以实现缸内燃烧过程的高效与清洁，从而达到降低NOx排放、降低油耗、改善动力性的目的。

柴油机将继续采用EGR 与SCR、DOC 协同合作的技术路线。2019 年7 月1 日，我国天然气重型卡车率先实施国六排放标准。为达到排放标准要求，天然气重型卡车发动机100%增配EGR。对于柴油重型卡车，EGR 渗透率有望达到80%。其他车型产品升级持续带动EGR 市场发展。可以预见，未来EGR 市场前景可观。

5 结束语

目前，我国已开始实施国六排放标准，严格的标准要求以及动力性、经济性要求对车用发动机的技术路线选择起着非常重要的作用。基于此，废气再循环技术将广泛应用于内燃机车辆上，与机内净化措施及机外后处理技术相结合，使内燃机车辆成为更清洁、更环保的动力装置。