尾气再循环--ExhaustGasRecirculation

​汽油机中节气门全开时更低的燃油消耗

通过与浓混合气和稀燃相比较，图1详细描述了高负荷工况尾气冷却再循环的潜力。试验结果是在转速为4000r/min和节气门全开(扭矩为260Nm，平均有效压力=1.9MPa)，没有发动机扫气压力梯度即p2(中冷器之后气体压力)=p3(进入涡轮之前的尾气压力)的工况点下测得的。该图说明混合气体被冷却后的尾气中和，减少了爆震倾向，允许更早的燃烧相位，比稀混合气燃烧更稳定。效率的提高使得燃油消耗达到了稀燃水平，并且排气温度较低。

图1 高负荷工况尾气冷却再循环的潜力

3种EGR实现路径的分析

图2展示了3种不同的EGR实现路径。方案A为最大压力梯度的EGR路径(从尾气进入涡轮之前导出并且在压缩机之前导入)，方案B为一个高压循环路径，方案C为尾气从涡轮之后导出并且在压缩机之前导入的低压循环。一般来说，在方案A和方案C中EGR冷却是非常重要的，因为压缩效率不仅受到增加的气体流量影响，同时受到压缩机进气温度影响。方案A对于涡轮增压器的工作性能总体来说影响较小，但是，与方案B相似，这种布置会影响发动机瞬态响应速度，因为从空气动力学观点来说，增大了的涡轮前端缓冲体积降低了涡轮增压器动态"刚性"。因此方案A和方案B在尾气冷却的高温侧靠近涡轮处需要一个尾气控制阀。在方案B中，虽然涡轮前端与压缩机和中冷器后端之间的驱动压力梯度较低，但是压缩机因此完全不受EGR的影响:不管燃烧残余中的污染物还是冷凝水都不会对压缩机造成危害。而且，这一方案不需要设计更大的压缩机来满足附加的尾气流量的压缩需求，从而不需要对排气涡轮增压器的瞬态响应做出折衷处理。

图2 3种不同的EGR实现路径

最初的研究是在方案A上进行的。与浓混合气的标准标定相比，在转速5000r/min时，外部尾气冷却循环能降低燃油消耗达17%。除了燃油消耗显著降低外，带有尾气冷却循环的燃烧过程中还有更重要的优点:发动机排放物显著降低，包括NOX(降低达30%)和HC及CO(均可降低达80%)。在批量产品的应用中，方案B的高负荷工况尾气冷却循环的潜能已在一定的发动机工作范围内得到证实。不过正如人们所预料的，扫气压力梯度随着EGR比率提高而降低，使得在扫气压力梯度尚未完全形成之前，方案B中可能达到的最大EGR导入率就实现了。在进气被EGR稀释的情况下，进气压力提升的必要性也被证实(见图2方案A)，因为发动机实行尾气再循环时需要增加扫气气流量。

通过马勒快速启闭空气脉动阀提高压力梯度

上述现象说明尾气再循环在简单的机械增压发动机上应用的局限性，因此需要视应用情况进行详细的开发工作。在高负荷工况EGR系统中对于提高驱动压力梯度的一般途径有两个:

1.带有相对较大尺寸低压涡轮增压器的"两级"增压:这类人们较熟悉的发动机增压配置在较宽的可能发生爆震的高负荷运行区域中不需额外的改进就能获得期望的逆向扫气梯度;

2.利用进气系统压力波动间歇降低EGR入口处的局部压力:在这方面，马勒正在成功地进行快速启闭空气脉动阀(SLV)的试验，这一试验目前在商用车发动机中进行，以期在靠近节气门全开的工况点上实现EGR。

对于发动机的热管理来说，所需要EGR冷却能力的估计基于1台两片式EGR冷却器。在发动机额定功率140kW及尾气循环率15%等边界条件下，尾气再循环导管所需的散热功率大约为24kW。分析中设定排气温度为980℃。

通过快速启闭阀和尾气再循环冷却器方面的专业技术，马勒集团为完善尾气再循环系统做出了有实际意义的贡献。

在改善抗爆性能或降低排气温度的众多实现方法中，高负荷工况下尾气冷却再循环(EGR)逐渐成为关注的焦点。它不需要对涡轮增压系统、喷射系统或尾气后处理系统进行重大变动。这种技术，使得在节气门全开时燃油消耗降低大约15%。此外，由于它和传统三元催化剂(λ=1)排气后处理技术的兼容性而更具吸引力。