Рециркуляция выхлопных газов - Exhaust gas recirculation

Клапан рециркуляции отработавших газов в верхней части коробки наверху впускного коллектора Двигатель Saab H в 1987 году Saab 90

В двигатель внутреннего сгорания, рециркуляция выхлопных газов (EGR) представляет собой оксид азота (Нет
Икс) метод снижения выбросов, используемый в бензин / бензин и дизельные двигатели. EGR работает за счет рециркуляции части двигателя выхлопной газ обратно к двигателю цилиндры. Это разбавляет О2 во входящем воздушном потоке и обеспечивает газы, инертные по отношению к горению, чтобы действовать как поглотители тепла сгорания, чтобы снизить пиковые температуры в цилиндрах. Нет
Икс производится в высокотемпературных смесях атмосферного азота и кислорода, которые возникают в цилиндре сгорания, и это обычно происходит при пиковом давлении в цилиндре. Еще одним основным преимуществом внешних клапанов системы рециркуляции ОГ на двигателе с искровым зажиганием является повышение эффективности, поскольку разбавление заряда позволяет увеличить положение дроссельной заслонки и снижает связанные с этим насосные потери.

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 лишнего. кислород в смеси предварительного горения.[1] Потому что Нет
Икс образуется в первую очередь, когда смесь азота и кислорода подвергается воздействию высокой температуры, более низкие температуры камеры сгорания, вызванные рециркуляцией отработавших газов, уменьшают количество Нет
Икс происходит сгорание. Газы, повторно вводимые из систем рециркуляции ОГ, также будут содержать близкие к равновесным концентрации Нет
Икс и СО; небольшая фракция, изначально находящаяся в камере сгорания, препятствует общему нетто-производству этих и других загрязнителей при взятии проб в среднем по времени. Химические свойства различных видов топлива ограничивают количество использованных EGR. Например метанол более терпим к EGR, чем к бензину.[2]

История

Первые системы EGR были сырыми; некоторые были так же просты, как сопло между выхлопным и впускным трактами, через которые выхлопные газы попадали во впускной тракт, когда двигатель работал. Результатом стал затрудненный запуск, резкий холостой ход, снижение производительности и экономии топлива.[3] К 1973 году клапан EGR, управляемый коллекторный вакуум открыт или закрыт для впуска выхлопных газов во впускной тракт только при определенных условиях. По мере накопления опыта автопроизводителями системы управления становились все более сложными; Система рециркуляции выхлопных газов, контролируемая с помощью охлаждающей жидкости, от Volkswagen в 1973 году продемонстрировала эту эволюцию: датчик температуры охлаждающей жидкости блокировал вакуум на клапане системы рециркуляции ОГ до тех пор, пока двигатель не перешел в норму. Рабочая Температура.[3] Это предотвратило проблемы с управляемостью из-за ненужного впуска выхлопных газов; Нет
Икс образуется в условиях повышенных температур, которые обычно отсутствуют при холодном двигателе. Кроме того, клапан рециркуляции ОГ частично управлялся за счет вакуума, подаваемого из карбюраторный Вентури, что позволило более точно ограничить поток системы рециркуляции отработавших газов только для тех условий нагрузки двигателя, при которых Нет
Икс скорее всего сформируется.[4] Позже, обратное давление преобразователи были добавлены в систему управления клапаном рециркуляции ОГ для дальнейшей адаптации потока рециркуляции ОГ к условиям нагрузки двигателя. Большинство современных двигателей теперь нуждаются в рециркуляции выхлопных газов, чтобы соответствовать стандартам выбросов. Однако недавние инновации привели к разработке двигателей, для которых они не требуются. 3.6 Двигатель Chrysler Pentastar является одним из примеров, для которого не требуется EGR.[5]

EGR

Выхлопной газ, добавленный к топливо, кислород и продукты сгорания, увеличивает удельная теплоемкость содержимого цилиндра, что снижает адиабатическая температура пламени.

В типичной автомобильной с искровым зажиганием (SI) двигатель, от 5% до 15% выхлопных газов направляется обратно во впускное отверстие как EGR. Максимальное количество ограничено необходимостью смеси для поддержания непрерывного фронта пламени во время горения; чрезмерная рециркуляция отработавших газов в плохо настроенных приложениях может вызвать пропуски зажигания и частичные ожоги. Хотя система рециркуляции отработавших газов значительно замедляет сгорание, это можно в значительной степени компенсировать за счет опережения момента зажигания. Влияние EGR на эффективность двигателя во многом зависит от конкретной конструкции двигателя и иногда приводит к компромиссу между эффективностью и Нет
Икс выбросы. Правильно работающая система рециркуляции отработавших газов теоретически может повысить эффективность бензиновых двигателей с помощью нескольких механизмов:

  • Снижение потерь на дросселирование. Добавление инертного выхлопного газа во впускную систему означает, что при заданной выходной мощности дроссельная заслонка должны быть открыты дальше, что приведет к увеличению давления во впускном коллекторе и снижению потерь на дросселирование.[6]
  • Сниженный отвод тепла. Снижение пиковой температуры сгорания не только снижает Нет
    Икс     Это также снижает потери тепловой энергии на поверхностях камеры сгорания, оставляя больше доступных для преобразования в механическую работу во время такта расширения.
  • Сниженная химическая диссоциация. Более низкие пиковые температуры приводят к тому, что большая часть выделяемой энергии остается в виде ощутимой энергии вблизи Верхняя мертвая точка (ВМТ), вместо того, чтобы быть связанным (в начале хода расширения) при диссоциации продуктов сгорания. Этот эффект незначителен по сравнению с первыми двумя.

EGR обычно не используется при высоких нагрузках, потому что это снизит пиковую выходную мощность. Это потому, что это снижает плотность всасываемого заряда. EGR также не учитывается на холостом ходу (низкая скорость, нулевая нагрузка), потому что это может вызвать нестабильное сгорание, что приведет к грубому холостому ходу.

Поскольку система рециркуляции выхлопных газов рециркулирует часть выхлопных газов, со временем клапан может забиться углеродными отложениями, которые мешают ему работать должным образом. Засоренные клапаны системы рециркуляции ОГ иногда можно почистить, но если клапан неисправен, необходима замена.

В дизельных двигателях

Клапан рециркуляции ОГ с электронным управлением для Двигатель VW BMN

В современном дизельные двигатели, газ EGR охлаждается теплообменник чтобы позволить ввод большей массы рециркулируемого газа. в отличие двигатели с искровым зажиганием, дизели не ограничиваются необходимостью непрерывного фронта пламени; кроме того, поскольку дизели всегда работают с избытком воздуха, они получают выгоду от коэффициента рециркуляции отработавших газов до 50% (на холостом ходу, когда в противном случае имеется большой избыток воздуха) при управлении Нет
Икс выбросы. Рециркуляция выхлопных газов обратно в цилиндр может увеличить износ двигателя из-за нагара. частицы удар по поршневые кольца и в масло.[7]

Поскольку дизельные двигатели не дросселируются, система рециркуляции отработавших газов не снижает потерь на дросселирование, как это происходит в двигателях SI. Выхлопные газы - в основном азот, углекислый газ, а водяной пар - имеет более высокую удельная теплоемкость чем воздух, поэтому он по-прежнему служит для более низких пиковых температур сгорания. Однако добавление EGR в дизельное топливо снижает удельную теплоемкость дымовых газов в рабочий ход. Это снижает количество энергии, которое может извлекать поршень. EGR также имеет тенденцию уменьшать количество топлива, сжигаемого во время рабочего такта. Об этом свидетельствует увеличение выбросов твердых частиц, что соответствует увеличению EGR.[8][9]

Твердые частицы (в основном углерод), которые не сжигаются при рабочем такте, являются потраченной впустую энергией. Более строгие правила в отношении твердых частиц (PM) требуют введения дополнительных мер по контролю за выбросами, чтобы компенсировать увеличение выбросов PM, вызванное EGR. Самый распространенный - это сажевый фильтр (DPF) в выхлопной системе, которая очищает выхлоп, но приводит к постоянному незначительному снижению эффективности использования топлива из-за создаваемого противодавления. Компонент диоксида азота Нет
Икс Выбросы являются основным окислителем сажи, попавшей в сажевый фильтр при нормальных рабочих температурах. Этот процесс известен как пассивная регенерация. Увеличение скорости рециркуляции отработавших газов приводит к тому, что пассивная регенерация становится менее эффективной при управлении загрузкой твердых частиц в сажевом фильтре. Это требует периодической активной регенерации DPF путем сжигания дизельного топлива в катализаторе окисления, чтобы значительно повысить температуру выхлопных газов через DPF до точки, когда PM быстро сгорает из-за остаточного кислорода в выхлопе.

Подавая выхлопной газ с низким содержанием кислорода во впускное отверстие, дизельные системы рециркуляции выхлопных газов снижают температуру сгорания, уменьшая выброс Нет
Икс. Это делает сгорание менее эффективным, что снижает экономию и мощность. Обычно «сухая» система впуска дизельного двигателя теперь подвержена загрязнению из-за сажи, несгоревшего топлива и масла в канализационной системе рециркуляции ОГ, что мало влияет на воздушный поток. Однако в сочетании с масляными парами от положительного система вентиляции картера (PCV), может вызвать накопление липкой смолы во впускном коллекторе и клапанах. Это также может вызвать проблемы с такими компонентами, как вихревые заслонки, если установлено. Дизельная система рециркуляции выхлопных газов также увеличивает образование сажи, хотя в США это было замаскировано одновременным введением сажевых фильтров.[10] Системы рециркуляции отработавших газов могут также добавлять абразивные загрязнения и повышать кислотность моторного масла, что, в свою очередь, может снизить срок службы двигателя.[11]

Хотя производители двигателей отказались публиковать подробную информацию о влиянии EGR на экономию топлива, правила EPA 2002 года, которые привели к введению охлаждаемой EGR, были связаны с падением КПД двигателя на 3%, что противоречит тенденции 0,5% a год увеличение.[12]

Смотрите также

Источники

  • Хейвуд, Джон Б., «Основы двигателя внутреннего сгорания», МакГроу Хилл, 1988.
  • ван Бассхуйсен, Ричард, и Шефер, Фред, "Справочник по двигателю внутреннего сгорания", SAE International, 2004.
  • «Автомобильное руководство Bosch», 3-е издание, Robert Bosch GmbH, 1993.
  • Алджер, Терри (2010). "Чисто и круто" (PDF). Технологии сегодня. Сан-Антонио, Техас: Юго-западный научно-исследовательский институт. 31 (2): 10–13. ISSN  1528-431X. Получено 8 апреля 2017.
  • Силегхем, Луи; Ван де Гинсте, Маартен (2011). «Метанол как топливо для современных двигателей с искровым зажиганием: исследование эффективности» (PDF). Кафедра механики потока, тепла и горения. Исследовательские ворота. Оригинал опубликован на сайте Гентского университета, http://users.ugent.be/~lsileghe/documents/extended_abstract.pdf. Гент, Бельгия. Получено 19 марта 2019.

использованная литература

  1. ^ Выбросы выхлопных газов и управляемость - Chrysler Corporation, 1973
  2. ^ Sileghem & Van De Giste, 2011. Цитата: «Результаты на двигателе Audi показывают, что метанол более устойчив к рециркуляции отработавших газов, чем бензин, из-за более высокой скорости пламени. При использовании метанола был обнаружен допуск на 27%. двигателя, работающего на метаноле, полученного с помощью EGR, выше, чем у двигателя с дросселированием стехиометрического режима ".
  3. ^ а б Розен (ред.), Эрвин М. (1975). Руководство по устранению неисправностей и ремонту автомобилей Peterson. Grosset & Dunlap, Inc. ISBN  978-0-448-11946-5.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (ссылка на сайт)
  4. ^ «Основные характеристики системы очистки воздуха 1973 года» - Chrysler Corporation, imperialclub.com
  5. ^ «Официально представлен Dodge Challenger 2011 года с 305-сильным двигателем Pentastar V6». autoguide.com. Получено 26 сентября 2011.
  6. ^ Alger, 2010. Цитата: «Недавние исследования, проведенные инженерами Юго-Западного научно-исследовательского института (SwRI), изучали роль, которую рециркуляция выхлопных газов (EGR) может сыграть в сокращении или даже устранении этих источников неэффективности бензиновых двигателей. исследования, они определили, что система рециркуляции отработавших газов может улучшить расход топлива бензиновых двигателей как с прямым, так и с портовым впрыском за счет снижения насосных потерь, смягчения детонации, охлаждения выхлопных газов и устранения необходимости обогащения топлива ».
  7. ^ Деннис А., Гарнер С., Тейлор Д. (1999). Влияние EGR на износ дизельного двигателя, SAE 1999-01-0839, Твердые частицы и частицы дизельного топлива в цилиндрах Нет
    Икс     Контроль 1999
  8. ^ Нагель, Джон (2002). Ремонт дизельного двигателя и топливной системы, ISBN  0130929816.
  9. ^ Беннетт, Шон (2004). Двигатели для средних и тяжелых грузовиков, топливо и компьютеризированные системы управления, 2-е издание, ISBN  1401814999.
  10. ^ SCR или EGR? - Журнал FleetOwner.
  11. ^ Беннетт, Шон (2004). Двигатели для средних и тяжелых грузовиков, топливо и компьютеризированные системы управления, 2-е издание, ISBN  1-4018-1499-9. Страницы: 206
  12. ^ Обзор партнерства грузовиков 21-го века, National Academies Press, 2008, стр. 98, ISBN  9780309178266

внешние ссылки