EGR冷卻器對(duì)汽油機(jī)的影響

王建東

摘 要：EGR冷卻器是EGR的主要組成部分，其在應(yīng)用以及運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)對(duì)汽油機(jī)的性能等產(chǎn)生一定的影響。本文在對(duì)EGR進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹的基礎(chǔ)上，從汽油機(jī)冷卻EGR的原理以及汽油機(jī)EGR冷卻器的要求等角度出發(fā)，對(duì)EGR冷卻器對(duì)汽油機(jī)的影響進(jìn)行了深入分析，希望能夠?yàn)橛嘘P(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：EGR冷卻器；汽油機(jī)；影響

NOX的排放問(wèn)題一直是汽油機(jī)使用過(guò)程中面臨的主要問(wèn)題，對(duì)于汽油機(jī)節(jié)能以及環(huán)保功能的實(shí)現(xiàn)十分不利，為解決這一問(wèn)題，將EGR應(yīng)用其中能夠起到很好的效果。冷卻廢氣循環(huán)系統(tǒng)具有熱性能好以及耐氣體和冷卻液重要溫度變化性等特點(diǎn)，利用到汽油機(jī)中，是現(xiàn)代汽油機(jī)節(jié)能與環(huán)保功能實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行效率提高的主要途徑。

1 EGR概述

1.1 EGR簡(jiǎn)介

EGR又稱(chēng)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，是目前汽油機(jī)以及柴油機(jī)應(yīng)用的主要系統(tǒng)之一。以汽油機(jī)為例，其在運(yùn)行過(guò)程中，所排出的氣體含氧量往往極低，這一部分氣體會(huì)對(duì)大氣造成嚴(yán)重污染[1]。在社會(huì)對(duì)可持續(xù)發(fā)展理念重視程度不斷提高的今天，如何降低這一部分氣體的排放量成為了汽油機(jī)設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)領(lǐng)域研究的主要方向。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠使汽油機(jī)所排放出的一部分廢氣，重新被送回到氣缸中，由于這一部分廢棄具有惰性，因此會(huì)延緩燃燒過(guò)程，此時(shí)，燃燒室中的壓力形成過(guò)程也會(huì)延緩，氮氧化合物便會(huì)減少，最終使污染氣體的排放量得到降低。鑒于廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的上述特點(diǎn)，汽油機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域已經(jīng)對(duì)其給予了極大的重視。

1.2 汽油機(jī)冷卻EGR原理

EGR系統(tǒng)由多部分組成，其中冷卻器便屬于其中重要的部分。冷卻系包括水冷型冷卻系和風(fēng)冷型冷卻系兩種，顧名思義，水冷型冷卻系指的是利用水的循環(huán)帶走熱量，從而達(dá)到冷卻目的的一種冷卻方法，而風(fēng)冷行冷卻系指的則是利用風(fēng)帶走熱量，以達(dá)到冷卻目的的一種冷卻方法。目前，汽車(chē)以及拖拉機(jī)中主要應(yīng)用水冷型冷卻系，而大型客車(chē)等則相反。

總的來(lái)說(shuō)，汽油機(jī)EGR冷卻系統(tǒng)的原理如下[2]：

從圖1中可以看出，汽油機(jī)EGR冷卻系統(tǒng)主要由10部分組成，不同部分功能各不相同。1為電控單元ECU，是對(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行控制的部分，對(duì)于汽油機(jī)冷卻功能的實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。2為文曲利管。3為旁通閥，是閥門(mén)的一種，通過(guò)閥門(mén)的開(kāi)與關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻器功能的控制。4是發(fā)動(dòng)機(jī)，功能在于啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)，并保證其運(yùn)行。5為EGR控制閥，功能在于從根源處實(shí)現(xiàn)對(duì)EGR的控制，在合理的情況下，開(kāi)啟或關(guān)閉系統(tǒng)。6為EGR冷卻器，使EGR冷卻系統(tǒng)的重點(diǎn)部分。7為EGR廢氣溫度傳感器，功能在于對(duì)廢氣溫度進(jìn)行監(jiān)控，以保證其溫度能夠在合理范圍內(nèi)。8為伺服電機(jī)水泵。9與10分別為單向閥與發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器。

2 EGR冷卻器對(duì)汽油機(jī)的影響試驗(yàn)

2.1 汽油機(jī)EGR冷卻器要求

從本質(zhì)上看，EGR冷卻器屬于換熱器的一種，將其應(yīng)用到汽油機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中時(shí)，應(yīng)充分考慮其選型的問(wèn)題[3]。由于EGR在汽油機(jī)中的應(yīng)用，主要功能在于實(shí)現(xiàn)對(duì)廢氣的冷卻，因此將其本身的溫度控制在合理范圍內(nèi)很有必要。如本身溫度過(guò)高，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)冷卻，如本身溫度過(guò)低，則容易導(dǎo)致汽油機(jī)排氣中的水蒸氣凝結(jié)，進(jìn)而與含硫化合物結(jié)合成酸，很容易造成冷卻器被腐蝕的問(wèn)題。受上述因素影響，汽油機(jī)EGR冷卻器的選型必須堅(jiān)持以下幾點(diǎn)原則：

第一，冷卻器要耐高溫耐腐蝕。第二，冷卻器體積要小，且具有較高的散熱率。第三，冷卻器必須具有防止堵塞的功能，同時(shí)壓力損失小。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

EGR冷卻器對(duì)汽油機(jī)影響主要體現(xiàn)在隨著EGR溫度的變化而變化的NOX的排放量這一方面，因此，試驗(yàn)主要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下NOX的排放量隨EGR溫度的變化而變化的規(guī)律進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試選擇了4缸8氣門(mén)四沖程汽油機(jī)作為主要器材，在其中設(shè)置了EGR。具體試驗(yàn)裝置如下[4]：

通過(guò)圖2可以看出，試驗(yàn)裝置主要以發(fā)動(dòng)機(jī)為核心，在此基礎(chǔ)上，其裝置包括節(jié)氣門(mén)、排氣閥、數(shù)字溫度計(jì)、手動(dòng)閥、冷卻器、五氣分析儀以及轉(zhuǎn)速表幾種，在空氣進(jìn)入節(jié)氣門(mén)之前，需要對(duì)其流量進(jìn)行測(cè)量，在空氣經(jīng)過(guò)排氣閥之后，需要通過(guò)數(shù)字溫度計(jì)測(cè)量其溫度，與此同時(shí)測(cè)量廢氣流量，其廢氣經(jīng)過(guò)冷卻器之后，要測(cè)量排氣的溫度。

試驗(yàn)中采用了廢氣分析儀，對(duì)經(jīng)過(guò)冷卻器后的汽油機(jī)所排放的氣體成分進(jìn)行了分析，該儀器采用不分光紅外吸收法實(shí)現(xiàn)對(duì)CO以及CO2的測(cè)量，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氧以及氮化物的分析。在廢氣分析儀以及溫度測(cè)量?jī)x器的支持下，能夠有效的分析出排放氣體所含的成分及其溫度，對(duì)于EGR冷卻器對(duì)汽油機(jī)影響的分析能夠起到一定的幫助。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)采用恒轉(zhuǎn)速控制，即轉(zhuǎn)速恒定，不會(huì)對(duì)氣體的排放等產(chǎn)生影響，因此在分析氣體排放時(shí)，無(wú)需考慮轉(zhuǎn)速問(wèn)題。節(jié)氣門(mén)的位置保持不變，此時(shí)空氣的進(jìn)入量保持一致，不會(huì)對(duì)氣體的排放產(chǎn)生影響，分析時(shí)不需要考慮空氣進(jìn)入量的問(wèn)題。在測(cè)量NOX排放量時(shí)，要通過(guò)手動(dòng)的方式，將EGR閥門(mén)關(guān)閉。根據(jù)汽油機(jī)的特點(diǎn)，其在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳含量較大，受二氧化碳性質(zhì)的影響，其排放氣體的整體溫度必定較高，綜合上述因素，可以判斷出EGR率[5]。

為有效判斷試驗(yàn)過(guò)程中所產(chǎn)生的廢棄的含量，將廢氣分析儀放在了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管附近，綜合各大試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)以及具體規(guī)定，將兩者的距離控制在了40cm，上述范圍能夠有效的避免排氣管的振動(dòng)對(duì)廢氣分析儀廢氣分析結(jié)果準(zhǔn)確性所造成的影響，對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的保證具有一定的價(jià)值[6]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 氣體排放情況

將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別控制在1000r/min、1500r/min、2000r/min、2500r/min、3000r/min、3500r/min及以上，利用廢氣分析儀，對(duì)其所排放出的廢氣進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)果：

1.在轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，EGR冷卻器的冷卻效果對(duì)NO的排放量沒(méi)有明顯影響，NC以及CO的排放量有所上升。

2.在轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)，EGR冷卻器的冷卻效果對(duì)NO的排放量產(chǎn)生了些許影響，但影響不大，在冷卻器溫度達(dá)到最低時(shí)，其排放量并未達(dá)到最低。

3.在轉(zhuǎn)速為2000r/min、2500r/min、3000r/min時(shí)，EGR冷卻器的冷卻效果與NO的排放量呈正比，簡(jiǎn)單的說(shuō)，隨著溫度的增加，其排放量也有所增加，相對(duì)而言，CO排放量先增后減，HC排放量減小。

3.2 EGR溫度

不同轉(zhuǎn)速下的EGR溫度也不盡相同，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為978r/min時(shí)，EGR溫度為230-250攝氏度；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1532r/min時(shí)，EGR溫度為130-150攝氏度；當(dāng)轉(zhuǎn)速為2012r/min時(shí)，EGR溫度為120-140攝氏度；當(dāng)轉(zhuǎn)速為2520r/min時(shí)，EGR溫度為110-120攝氏度；當(dāng)轉(zhuǎn)速為3035r/min時(shí)，EGR溫度分別為110-120攝氏度。在轉(zhuǎn)速達(dá)到3506以上時(shí)，不冷卻。

3.3 結(jié)果討論

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，EGR對(duì)于降低NO的排放量能夠產(chǎn)生極好的效果，在EGR冷卻之后，其對(duì)于NO排放量的降低效果能夠達(dá)到更好。隨著EGR冷卻器溫度的降低，NO的排放量逐漸減少，這對(duì)于汽油機(jī)性能的改善以及環(huán)保目的的達(dá)成具有重要價(jià)值。由此可見(jiàn)，EGR冷卻器的存在對(duì)于汽油機(jī)而言及其重要[7]。

4 EGR冷卻器控制

為了最大程度的控制EGR冷卻器，進(jìn)而使其能夠?yàn)槠蜋C(jī)NO排放量的減少帶來(lái)更大的價(jià)值，可以從開(kāi)環(huán)控制以及PID控制兩個(gè)角度出發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

首先，開(kāi)環(huán)控制是控制EGR溫度的主要手段，其控制功能的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)ECU，即電控單元來(lái)完成，工作人員需要對(duì)其原理加以分析，同時(shí)通過(guò)ECU，使控制過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)。

其次，PID控制也是一種主要的控制方法，相對(duì)于開(kāi)環(huán)控制而言，PID控制屬于一種輔助控制手段，在具體應(yīng)用過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況判斷是否需要綜合開(kāi)環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。PID控制的功能主要在于實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服水泵的實(shí)時(shí)控制，具體控制過(guò)程同樣需要通過(guò)ECU來(lái)實(shí)現(xiàn)，ECU具有設(shè)定溫度值的功能，受溫度值的影響，水泵的轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，此時(shí)，廢氣的溫度便能夠控制，可以利用上述方法，將EGR廢氣溫度設(shè)置在合理范圍內(nèi)，降低廢氣對(duì)空氣所造成的影響，從而使EGR冷卻系統(tǒng)以及冷卻器的性能能夠得到最大程度的優(yōu)化，這對(duì)于汽油機(jī)整體設(shè)計(jì)以及運(yùn)行水平的提高具有重要意義。

5 結(jié)論

綜上所述，EGR冷卻器的存在對(duì)于汽油機(jī)的性能能夠產(chǎn)生極大的影響，主要表現(xiàn)為積極影響，即能夠降低汽油機(jī)運(yùn)行所排放氣體的NO含量，這對(duì)于汽油機(jī)節(jié)能環(huán)保性能的優(yōu)化具有重要意義，由此可見(jiàn)，將EGR冷卻器以及整個(gè)EGR系統(tǒng)應(yīng)用到汽油機(jī)中十分必要，這是與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求相符合的重要手段，同時(shí)也是未來(lái)汽油機(jī)生產(chǎn)以及設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展的主要方向。

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