Рециркуляция выхлопных газов

Клапан EGR в верхней части коробки над впускным коллектором двигателя Saab H в Saab 90 1987 года выпуска.

В внутреннего сгорания двигателях система рециркуляции выхлопных газов ( EGR ) представляет собой оксиды азота ( NO _x ) метод снижения выбросов, используемый в бензиновых/бензиновых , дизельных двигателях и некоторых водородных двигателях . двигателя EGR работает путем рециркуляции части выхлопных газов двигателя обратно в цилиндры . Выхлопные газы вытесняют атмосферный воздух и уменьшают содержание О ₂ в камере сгорания. Уменьшение количества кислорода уменьшает количество топлива, которое может сгореть в цилиндре, тем самым снижая пиковые температуры в цилиндрах. Фактическое количество рециркулируемых выхлопных газов зависит от параметров работы двигателя.

В цилиндре сгорания NO _x образуется из высокотемпературных смесей атмосферного азота и кислорода, и это обычно происходит при пиковом давлении в цилиндре. В двигателе с искровым зажиганием дополнительным преимуществом рециркуляции выхлопных газов через внешний клапан рециркуляции отработавших газов является повышение эффективности, поскольку разжижение заряда позволяет увеличить положение дроссельной заслонки и снижает связанные с этим насосные потери. с турбонаддувом и непосредственным впрыском топлива Mazda двигатель SkyActiv Бензиновый использует рециркулируемые и охлажденные выхлопные газы для снижения температуры в камере сгорания, тем самым позволяя двигателю работать с более высокими уровнями наддува, прежде чем потребуется обогатить топливовоздушную смесь для предотвращения детонации двигателя .

В бензиновом двигателе этот инертный выхлоп вытесняет некоторое количество горючего заряда в цилиндре, эффективно уменьшая количество заряда, доступного для сгорания, не влияя на соотношение воздух-топливо. В дизельном двигателе выхлопные газы заменяют часть избыточного кислорода в смеси предварительного сгорания. Потому что NO _x образуется в первую очередь, когда смесь азота и кислорода подвергается воздействию высокой температуры; более низкие температуры в камере сгорания, вызванные рециркуляцией выхлопных газов, уменьшают количество NO _x, образующийся в процессе сгорания. Газы, повторно подаваемые из систем EGR, также будут содержать близкие к равновесным концентрации NO _x и CO; небольшая фракция, первоначально находящаяся в камере сгорания, подавляет общее чистое производство этих и других загрязнителей при отборе проб в среднем по времени. Химические свойства различных видов топлива ограничивают количество использования EGR. Например, метанол более толерантен к EGR, чем бензин.

История

Первые системы EGR были сырыми; некоторые из них были такими же простыми, как жиклер между выпускным и впускным трактами, который пропускал выхлопные газы во впускной тракт всякий раз, когда двигатель работал. Неизбежно возникали затруднения при запуске, неровная работа на холостом ходу, снижение производительности и экономия топлива. К 1973 году клапан рециркуляции отработавших газов, управляемый вакуумом в коллекторе, открывался или закрывался, пропуская выхлопные газы во впускной тракт только при определенных условиях. Системы управления становились более сложными по мере того, как автопроизводители набирались опыта; Система Volkswagen «Рециркуляция выхлопных газов с контролем охлаждающей жидкости» 1973 года стала примером этой эволюции: датчик температуры охлаждающей жидкости блокировал вакуум в клапане рециркуляции отработавших газов до тех пор, пока двигатель не достиг нормальной рабочей температуры . Это предотвратило проблемы с управляемостью из-за ненужной индукции выхлопных газов; NO _x образуется в условиях повышенной температуры, обычно не присутствующей при холодном двигателе. Более того, клапан EGR частично контролировался вакуумом, создаваемым из трубки Вентури карбюратора , что позволяло более точно ограничивать поток EGR только теми условиями нагрузки двигателя, при которых NO _{x .} Вероятно образование Позже противодавления датчики к управлению клапаном рециркуляции отработавших газов были добавлены , чтобы дополнительно адаптировать поток рециркуляции отработавших газов к условиям нагрузки двигателя. Большинству современных двигателей теперь необходима рециркуляция выхлопных газов для удовлетворения выбросов NOx _Нормы . Однако недавние инновации привели к разработке двигателей, которые в них не нуждаются. 3.6 Двигатель Chrysler Pentastar — один из примеров, для которого не требуется система рециркуляции отработавших газов.

РОГ

которых ниже, Выхлопные газы содержат водяной пар и углекислый газ, коэффициент теплоемкости чем у воздуха. Таким образом, добавление выхлопных газов снижает давление и температуру во время изоэнтропического сжатия в цилиндре, тем самым снижая адиабатическую температуру пламени .

В типичном автомобильном двигателе с искровым зажиганием (SI) от 5% до 15% выхлопных газов направляется обратно на впуск в виде EGR. Максимальное количество ограничено необходимостью поддержания непрерывного фронта пламени смеси во время горения; чрезмерная рециркуляция отработавших газов в плохо настроенных приложениях может вызвать пропуски зажигания и частичные ожоги. Хотя EGR заметно замедляет сгорание, это в значительной степени можно компенсировать за счет изменения момента зажигания. Влияние EGR на эффективность двигателя во многом зависит от конкретной конструкции двигателя и иногда приводит к компромиссу между эффективностью и эффективностью. NOx _{Выбросы} . В определенных ситуациях правильно работающая система EGR теоретически может повысить эффективность бензиновых двигателей за счет нескольких механизмов:

• Уменьшение потерь дроссельной заслонки . Добавление инертного выхлопного газа во впускную систему означает, что для заданной выходной мощности дроссельную заслонку необходимо открыть дальше, что приводит к увеличению давления во впускном коллекторе и снижению потерь при дросселировании.
• Снижение теплоотдачи . Снижение пиковой температуры сгорания не только снижает NO _x , это также уменьшает потери тепловой энергии на поверхности камеры сгорания, оставляя больше доступной для преобразования в механическую работу во время такта расширения.
• Снижение химической диссоциации . Более низкие пиковые температуры приводят к тому, что большая часть высвобождаемой энергии остается в виде разумной энергии вблизи верхней мертвой точки (ВМТ), а не связана (в начале такта расширения) при диссоциации продуктов сгорания. Этот эффект незначителен по сравнению с первыми двумя.

EGR обычно не используется при высоких нагрузках, поскольку это снижает пиковую выходную мощность. Это связано с тем, что это снижает плотность всасываемого заряда. EGR также не используется на холостом ходу (низкая скорость, нулевая нагрузка), поскольку это может вызвать нестабильное сгорание, что приводит к неровным холостым ходам.

Поскольку система EGR рециркулирует часть выхлопных газов, со временем клапан может засориться нагаром, что помешает ему работать должным образом. Засоренные клапаны EGR иногда можно почистить, но если клапан неисправен, необходима замена.

Дизельные двигатели

Клапан EGR с электронным управлением для двигателя VW BMN

Поскольку дизельные двигатели воспламеняются за счет теплоты сжатия, они принципиально отличаются от двигателей с искровым зажиганием. Физический процесс сгорания дизельного топлива таков, что наиболее полное сгорание происходит при самых высоких температурах. К сожалению, производство оксидов азота ( NO _x ) увеличивается при высоких температурах. Таким образом, целью системы EGR является снижение Производство NO _x за счет снижения температуры сгорания.

В современных дизельных двигателях газ EGR обычно охлаждается теплообменником , чтобы обеспечить введение большей массы рециркулируемого газа. Однако конструкции неохлаждаемой системы рециркуляции отработавших газов существуют; их часто называют рециркуляцией горячего газа (HGR). Охлажденные компоненты EGR подвергаются повторяющимся и быстрым изменениям температуры, что может привести к утечке охлаждающей жидкости и катастрофическому отказу двигателя.

В отличие от двигателей с искровым зажиганием , дизельные двигатели не ограничены необходимостью наличия непрерывного фронта пламени. Кроме того, поскольку дизели всегда работают с избытком воздуха, они получают выгоду (с точки зрения снижения выход NO _x ) от уровня EGR до 50%. Однако уровень EGR 50% подходит только тогда, когда дизельный двигатель работает на холостом ходу, поскольку в противном случае имеется большой избыток воздуха.

Поскольку современные дизельные двигатели часто имеют дроссельную заслонку, система рециркуляции выхлопных газов может уменьшить необходимость в дросселировании, тем самым устраняя этот тип потерь так же, как это происходит в двигателях с искровым зажиганием. В безнаддувном двигателе (т.е. без турбонаддува) такое уменьшение дросселирования также снижает проблему всасывания моторного масла через поршневые кольца в цилиндр и образования там масляных нагарных отложений. (Это преимущество применимо только к двигателям без турбонаддува.)

В частности, в дизельных двигателях системы EGR имеют серьезные недостатки, одним из которых является сокращение срока службы двигателя. Например, поскольку система EGR направляет выхлопные газы непосредственно во впускной цилиндр без какой-либо фильтрации, этот выхлопной газ содержит частицы углерода . А поскольку эти крошечные частицы являются абразивными, рециркуляция этого материала обратно в цилиндр увеличивает износ двигателя. Это происходит потому, что эти частицы углерода проносятся мимо поршневых колец (вызывая при этом износ поверхности соединения поршень-цилиндр), а затем попадают в картерное масло, где они вызывают дальнейший износ всего двигателя просто потому, что их крошечные размеры проходят через обычные масляные фильтры. Это позволяет осуществлять их рециркуляцию неограниченное время (до следующей замены масла).

Выхлопной газ, который состоит в основном из азота, углекислого газа и водяного пара, имеет более высокую удельную теплоемкость , чем воздух, поэтому он по-прежнему способствует снижению пиковых температур сгорания. Однако добавление EGR в дизель снижает удельную теплоемкость газов сгорания в рабочем такте . Это уменьшает количество энергии, которую может извлечь поршень, тем самым снижая термодинамический КПД.

EGR также имеет тенденцию снижать полноту сгорания топлива во время рабочего такта. Это ясно видно по увеличению выбросов твердых частиц, которое соответствует увеличению EGR.

Твердые частицы (в основном углерод, также известные как сажа), которые не сгорают при рабочем такте, представляют собой напрасную трату энергии. Из-за более строгих правил в отношении твердых частиц (ТЧ) эффект рециркуляции отработавших газов, увеличивающий количество сажи, потребовал введения дополнительных мер контроля выбросов, чтобы компенсировать возникающее в результате увеличение выбросов ТЧ. Наиболее распространенным устройством для борьбы с сажей является сажевый фильтр (DPF), установленный после двигателя в выхлопной системе. Это улавливает сажу, но приводит к снижению эффективности использования топлива из-за создаваемого противодавления.

Дизельные сажевые фильтры предъявляют свои особые требования к эксплуатации и техническому обслуживанию. Во-первых, поскольку DPF улавливает частицы сажи (которых становится гораздо больше из-за использования EGR), сам DPF постепенно заполняется сажей. Эту сажу затем необходимо сжечь активно или пассивно.

При достаточно высоких температурах диоксид азота, составляющий Выбросы NO _x являются основным окислителем сажи, попавшей в DPF при нормальных рабочих температурах. Этот процесс известен как пассивная регенерация, и он лишь частично эффективен при сжигании захваченной сажи. И, особенно при высоких показателях EGR, эффективность пассивной регенерации еще больше снижается. Это, в свою очередь, требует периодической активной регенерации DPF путем сжигания дизельного топлива непосредственно в катализаторе окисления, чтобы значительно повысить температуру выхлопных газов через DPF до такой степени, что твердые частицы сжигаются остаточным кислородом в выхлопных газах.

Поскольку дизельное топливо и моторное масло содержат негорючие (т.е. металлические и минеральные) примеси, сжигание сажи (PM) в DPF оставляет после себя остаток, известный как зола. По этой причине после повторных событий регенерации DPF в конечном итоге необходимо либо физически удалить и очистить с помощью специального внешнего процесса, либо заменить.

Как отмечалось ранее, подача выхлопных газов с низким содержанием кислорода в воздухозаборник дизельного двигателя приводит к снижению температуры сгорания, тем самым снижая выбросы НЕТ _х . Заменяя часть впуска свежего воздуха инертными газами, EGR также позволяет двигателю уменьшить количество впрыскиваемого топлива без ущерба для идеального соотношения топливовоздушной смеси, тем самым снижая расход топлива в условиях низкой нагрузки двигателя (например, при движении автомобиля накатом). или круиз). Мощность никогда не снижается из-за системы EGR, поскольку система EGR не используется в ситуациях с высокой нагрузкой двигателя. Это позволяет двигателям по-прежнему выдавать максимальную мощность, когда это необходимо, но при этом снижать расход топлива, несмотря на большой объем цилиндров, когда частичная нагрузка достаточна для удовлетворения энергетических потребностей автомобиля и водителя.

EGR не имеет ничего общего с перенаправлением паров масла из системы принудительной вентиляции картера (PCV), поскольку последняя предназначена только для уменьшения выбросов паров масла и может присутствовать в двигателях с какой-либо системой EGR или без нее. Однако трехкомпонентная смесь, образующаяся в результате использования в двигателе как EGR, так и PCV (т.е. выхлопных газов, свежего воздуха и паров масла), может вызвать накопление липкой смолы во впускном коллекторе и клапанах. Эта смесь также может вызвать проблемы с такими компонентами, как вихревые заслонки , если они установлены. (Эти проблемы, которые фактически принимают форму нежелательной петли положительной обратной связи, будут усугубляться по мере старения двигателя. Например, по мере постепенного изнашивания поршневых колец в поток выхлопных газов попадает больше картерного масла. Одновременно с этим в поток выхлопных газов попадает больше топлива и сажа и побочные продукты сгорания получат доступ к моторному маслу.)

Конечным результатом рециркуляции как выхлопных газов, так и паров картерного масла снова является увеличение образования сажи, чему, однако, эффективно противодействует DPF, который собирает их и в конечном итоге сжигает несгоревшие частицы во время регенерации, превращая их в CO2. и выбросы водяного пара, которые, в отличие от газов NOx, не оказывают негативного воздействия на здоровье.

Современные охлаждаемые системы EGR помогают снизить износ двигателя за счет использования отходящего тепла, рекуперированного из рециркулируемых газов, для более быстрого нагрева охлаждающей жидкости и, следовательно, блока цилиндров до рабочей температуры. Это также помогает снизить расход топлива за счет сокращения времени после холодного запуска, в течение которого контроллер двигателя должен впрыскивать в цилиндры несколько большее количество топлива, чтобы противостоять воздействию конденсации паров топлива на стенках цилиндров и снижению эффективности сгорания из-за того, что блок двигателя все еще ниже идеальной рабочей температуры. Снижение температуры сгорания также помогает уменьшить окисление моторного масла, поскольку наиболее значимым фактором, влияющим на это, является воздействие на масло высоких температур.

Хотя производители двигателей отказались раскрыть подробную информацию о влиянии системы рециркуляции отработавших газов на экономию топлива, правила EPA 2002 года, которые привели к внедрению охлажденной системы рециркуляции отработавших газов, были связаны с падением эффективности двигателя на 3%, что противоречило тенденции ежегодного снижения на 0,5%. увеличивать.

См. также

• Дизельный выхлоп
• Впрыск вторичного воздуха

Источники

• Хейвуд, Джон Б., «Основы работы двигателей внутреннего сгорания», McGraw Hill, 1988.
• ван Басшуйсен, Ричард, и Шефер, Фред, «Справочник по двигателям внутреннего сгорания», SAE International, 2004.
• «Справочник Bosch Automotive», 3-е издание, Robert Bosch GmbH, 1993 г.
• Алджер, Терри (2010). «Чисто и круто» (PDF) . Технологии сегодня . 31 (2). Сан-Антонио, Техас: Юго-Западный исследовательский институт: 10–13. ISSN   1528-431X . Проверено 8 апреля 2017 г.
• Силегем, Луи; Ван Де Гинсте, Мартен; Сиренс, Роджер; Верхелст, Себастьян; Ванкойли, Йерун (2011). «Метанол как топливо для современных двигателей с искровым зажиганием: исследование эффективности» . Кафедра механики потока, теплоты и горения. Гент, Бельгия: Гентский университет . Получено 19 марта 2019 г. - через Research Gate.

Внешние ссылки

• Конспекты лекций по повышению эффективности использования топлива, в которых обсуждается влияние удельной теплоемкости , Вашингтонский университет.
• Калькулятор дизельного цикла, который можно использовать для отображения влияния коэффициента удельной теплоемкости , Гиперфизика Университета штата Джорджия.
• Фан-клуб Chrysler Imperial описывает различные механизмы управления EGR. Архивировано 14 ноября 2019 г. на Wayback Machine.
• Не блокируйте и не удаляйте клапан EGR, это сэкономит ваши деньги.
• Каковы симптомы неисправности клапана EGR