渦輪增壓柴油機EGR閥對排放的控制及發展趨勢

姚強，賈育恒，李書偉，金明，李利員

（東風股份商品研發院，武漢430057）

渦輪增壓柴油機EGR閥對排放的控制及發展趨勢

姚強，賈育恒，李書偉，金明，李利員

（東風股份商品研發院，武漢430057）

本文結合渦輪增壓柴油機的的特點，介紹了EGR閥的分類，分析了不同EGR率對排放的影響。在排放法規日益嚴格的情況下，分析了EGR閥的發展趨勢。研究表明，汽車在中等負荷時EGR率最大，在高、低負荷時EGR率逐漸減小；直流電機EGR閥為以后的主要發展趨勢。

渦輪增壓；柴油機；EGR閥；負荷

姚強

畢業于武漢科技大學車輛工程專業，碩士研究生學歷，現任東風股份商品研發院發動機部機構科，研究方向：汽車排氣EGR閥及管路，已發表論文兩篇。

為了減少排放污染，滿足日益嚴格的排放法規的要求，排氣再循環系統（EGR）、可變截面渦輪增壓系統（VGT）、選擇性催化還原系統（SCR）和柴油顆粒補集系統（DPF）等技術相繼用在電控柴油機系統中。排氣再循環系統（EGR）技術作為降低排放的技術之一，在電控柴油機系統中有著舉足輕重的作用。本文在EGR的技術背景下，介紹了EGR閥的分類，分析了不同EGR率對排放的影響和EGR閥的發展趨勢。

1．概述

EGR原理是通過控制將適量的發動機排氣再循環到進氣歧管，并且在歧管處與吸入的新鮮空氣相混合，通過稀釋新鮮空氣，降低峰值燃燒溫度和燃燒壓力以抑制NOx的生成從而達到減少排放污染物NOx目的［1，2］。

在EGR系統中，EGR率等于廢氣量與進氣總量的體積之比。根據不同的發動機工況，EGR率得到精確的調節。在循環的廢氣量因發動機不同的工況而改變，這些廢氣在進入進氣歧管時都得到精確的控制和計量。這種控制方式能很好的平衡發動機排放和性能之間的矛盾：如果太多的廢棄進入發動機，發動機的性能會惡化，煙度將大幅度上升，并且發動機可能會發出敲擊噪聲；如果太少的廢氣回到發動機，發動機的排放將得不到較好的改善，以滿足相關排放標準。對于每一個不同的發動機工況（負荷、轉速、溫度等）存有一個最優化的EGR率。

一個傳統的EGR系統（如圖1.1所示），由各種傳感器（信號輸入）、ECU（控制單元）和驅動裝置構成。發動機的實際工況由溫度、油門位置和發動機轉速等傳感器反應，ECU據此查找對應的EGR率MAP并輸出與之相應的控制量到控制執行機構，從而實現對EGR率的有效控制［3，4，5］。驅動裝置主要由真空調節器和EGR閥組成，他們根據控制器送達的執行指令驅動EGR閥門，從而調節EGR率，使其工作在最佳狀態。

在EGR系統中，EGR閥作為其核心執行零件，其性能直接影響著發動機的性能。

2．EGR閥的分類及工作原理

根據EGR閥驅動方式的不同，可分為氣動EGR閥、直流電機EGR閥、步進電機EGR閥、比例電磁式EGR閥。

2.1 氣動EGR閥

氣動式EGR閥在工作時主要受控于真空室壓力的變化。當真空室真空度增大時，在膜片上產生較大的向上拉力，此時拉力若大于彈簧力，則膜片帶動閥門向上運動，閥門打開。閥門打開的大小與真空室內的真空度呈正比關系。

在選擇用氣動EGR閥時，要考慮排氣背壓的影響，若排氣壓力過大，也可能反作用于閥門上，從而推動閥門打開。

2.2 直流電機EGR閥

直流電機EGR閥結構如圖2.1所示。通過控制直流電機正反轉動經過齒輪傳動后帶動一曲柄機構，將旋轉運動轉換為直線運動，從而推動閥門的開關。同時在閥門機構中，裝有一旋轉位置傳感器，實時監測閥門的開度，把信號反饋給ECU，ECU據此查找對應的EGR率MAP并輸出與之相應的控制量到控制執行機構［6］。

2.3 步進電機EGR閥

步進電機EGR閥是通過控制步進電機中各項時序，使電機進行正、反轉；通過電機內部渦輪渦桿機構，使中心軸向外伸縮，同時推動閥門打開；閥門是通過彈簧的彈力復位的。

2.4 比例電磁鐵EGR閥

比例電磁鐵EGR閥結構如圖2.2所示，采用的是占空比（PWM）驅動，通過改變驅動電流，使電磁鐵中產生的推力發生改變，當電磁力大于彈簧力時，閥門被推開，當驅動力為零時，彈簧復位，閥關閉。閥的開度一般會通過位置傳感器進行反饋［7］。

表1　三種電動EGR閥特性對比

從上表可知，三類EGR閥最大區別在于驅動力。因此，一般柴油發動機對EGR率需求較大，且其排氣中易積碳，因此為滿足其需求（大流量、去積碳），要求閥的驅動力矩大，從而多數選擇直流電機類產品；而在汽油機中，一般EGR率較小，且不產生積碳現象，一般多用比例電磁鐵EGR閥或步進電機EGR閥。

3. EGR閥對排放的影響

如圖3.1所示，為一個EGR在負荷分別為25%、50%、75%、100%時，EGR率對NOx、碳煙（Soot）、油耗（BSFC）的影響。

大負荷時（100%，75%），隨著EGR率增加，碳煙和油耗大幅上升，而負荷較低時（＜20%），HC增加較快，故一般控制在中等負荷時EGR率最大，而高、低負荷時EGR率逐步減小。

如圖3.2所示，為一臺轎車柴油機的3D EGR MAP圖，由圖可知，按照轎車試驗工況，在不考慮排放的要求下，低速低負荷時柴油機有較高的EGR率。

4. EGR閥的發展趨勢

如圖4.1所示，為歐洲排放法規和EGR閥生產示意圖，可知，隨著排放法規的日益嚴格，氣動EGR閥的占有比例日益減少，直流電機EGR閥成為主要發展趨勢。

5．結論

由上述可知，汽車在大負荷時，當EGR率增大時，碳煙的排放和油耗大幅上升；當負荷較低時，HC的排量較高。因此，汽車一般控制在中等負荷時EGR率最高，而高、低負荷時EGR率逐步減小。隨著排放法規的日益嚴格，直流電機EGR閥將成為主要發展趨勢。

［1］Van Nieuwstadt M J，Kolmanovsky I V，Moraal P E. EGR-VGT control schemes：experimental comparison for a high-speed diesel engine［J］.IEEE Control Systems Magazine，2000，（03）：63-79.doi：10.1109/37.845039.

［2］Ock Taeck L，Sato Y，Nozaki S. Development of DME engines for light-duty trucks using a large EGR system［A］.New York，USA：IEEE Society，2008.663-667.

［3］房克信，鄧康耀，鄔靜川. EGR溫度對渦輪增壓柴油機燃燒和排放的影響［J］.農業機械學報，2004，（06）：40-43.doi：10.3969/j.issn.1000-1298.2004.06.012.

［4］陳友強.田維 渦輪增壓柴油機EGR系統設計 ［期刊論文］-西華大學學報（自然科學版）2011（6）.

［5］EGR和冷EGR對柴油機燃燒和排放的影響 - 西安交通大學學報 - 2009， 43（9）.

［6］韋雄.冒曉建.祝軻卿.蔣祖華.梁鋒.馮靜 滿足國V以上排放的轎車柴油機關鍵技術的研究.

［7］Cui Hongwei. Exhaust gas recirculation control in a spark-ignition LPG engine using neural networks［A］.New York，USA：IEEE Society，2006.6332-6335.

專家推薦

張建東：

本文介紹了EGR的工作原理；EGR閥的種類和工作原理，并比較了EGR閥的特點，對設計人員選擇EGR閥的方法給出了參考意見；比較發動機各種工況下EGR率對發動機排放，油耗的影響，總結了規律性給出了較為可靠結論。具有一定的參考意義。

Control of emission on EGR valve of turbocharged diesel and tend of development

YAO Qiang， JIA Yu-heng， LI Shu-wei， JIN Ming， LI Li-yuan
（Dong Feng Automobile co.，Ltd Commercial Product R&D Institute，Wuhan，Hubei，China，430057）

In this paper. Based on the characteristics of the turbocharged diesel engine. this paper introduces the classification of EGR valve， and analyzes the effects of different EGR rate on emissions. when the car in the medium load， the EGR rate will decreased gradually in the high and load. Dc motor EGR valve as the main development trend in the future.

Turbocharged； diesel； EGR valve； load

TH-39

A

1005-2550（2015）04-0012-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.003

2015-01-27