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文献综述（例如：

剪切驱动色谱的现状）

前言

对于车用柴油机来说，在其排放的几种有害物中，N0x是较难控制的一种，虽然国内外汽车厂商和研究机构在这方面已做了大量研究工作，并提出了多种控制措施，如推迟喷油提前角、使用多次喷射、采用高压共轨喷射系统等。

但是由于这些控制技术在降低N0x排放的同时，要么如推迟喷油提前角使发动机热效率降低，燃油经济性下降，燃油消耗率增加，要么提高制造成本，因此在降低N0x排放时受到限制。

而废气再循环在技术成本增加较少的情况下，可以有效抑制NOx的生成，故而受到了广泛重视。

废气再循环系统，简称EGR。

废气再循环（EGR）是通过回引部分废气与新鲜空气共同参与燃烧反应，利用废气中含有大量化学惰性气体（二氧化碳、氮气、水等）具有较高的比热这一特性来降低NOx的生成。

⑥

但EGR系统也有它自身的不足。

采用EGR系统后,若EGR率控制不当,极易造成柴油机经济性恶化,其它排放污染物和烟度的增加。

在低负荷时,EGR将影响柴油机的工作稳定性。

在高负荷时,EGR将影响柴油机的动力性。

充入的废气温度过高,会影响柴油机的充气效率,并会有降低燃烧温度的效果。

⑩因此为了充分降低NOx，又不使其它排放增加，并能保证柴油机的良好性能，有必要对柴油机不同工况下的EGR率分别进行最优控制的研究。

⑥

一目前本课题国内外发展的情况的详细介绍

1.柴油机EGR系统的介绍及其工作原理

②1.1系统构造

柴油机废气再循环系统，简称EGR。

如图1所示，EGR系统由控制系统，冷却器，EGR组合气缸阀和管路等组成。

⑦1.2废气再循环系统（EGR）的基本原理：

EGR，通过将部分废气返回到进气系统与新鲜空气混合后进人缸从而使气缸内的最高燃烧温度和压力降低，以控制有害气体N0x的产生，达到降低排放的目的。

在EGR系统中，EGR率（重新进入进气歧管的废气量／新进空气量）是根据发动机工况的变化而变化的。

如果加入的废气量太多，则将造成发动机冒黑烟，性能恶化；如果加入的废气量太少，则不能满足排放法规要求。

准确的EGR率是通过ECU控制的，在ECU内存储了发动机各种工况的EGR最佳工作状态，通常称为EGRMAP图。

ECU可根据发动机的油门位置、转速、离合器踏板及水温信号，在不同的工况提供给发动机最佳的EGR率（即废气量），以满足发动机排放及性能要求。

其具体原理如下：

EGR系统通过核心元件——废气循环控制单元（ECU）调节EGR阀的开度，从而达到控制进入燃烧室废气量的目的。

ECU通过与其相连的离合器踏板传感器（安装在离合器踏板上）、水温传感器（安装在出水口处）、油门踏板传感（安装在高压泵加速手柄上）和发动机转速传感器（安装在油泵内侧）得到转速、负载、水温和离合器开关信号，然后在ECU根据负载和转速所对应的EGR阀开度值（每一对负载和转速值都对应调节器信号从而使其调节EGR阀的开度，最终控制废气循环量。

同时连接ECU和EGR阀的传感器（安装在ECU阀上）将阀门的开度值反馈给ECU，供ECU在负载和转速变化时做出判断，不断地调节阀门开度值，以同时满足排放和发动机各种工况的要求。

⑦

图2EGR工作原理图

⑩1.3EGR减少发动机NOx排放的措施和原理

减少柴油机排放的技术大多受NOx的束缚。

发动机研究者采用各种不同的技术，来降低排放，取得了一定的效果。

简单的来说减少NOx的方法可分为两种，一是抑制它的生成，二是对排出的NOx进行后处理。

在发动机燃烧室内NOx的生成速率受燃烧气体的温度和氧浓度的控制。

也就是说，为了减少NOx的生成，就要采取使燃烧室内温度降低和降低氧浓度的方法。

采用EGR降低NOx排放是通过降低了燃烧室内温度和氧浓度来完成的。

EGR对NOx的生成以及燃烧过程的影响主要体现在以下几个方面：

1）稀释效应:

再循环废气替代了一部分新鲜空气，使得原有的新鲜充量减少的氧气浓度降低。

氧气浓度降低后，一方面，燃料的焰前化学反应和燃烧反应速度都将降低，也就是着火滞燃期和燃烧持续期延长;另一方面，氮气与氧气接触的机会也减小，这样可以极大地降低NOx的生成量

2）热效应:

再循环废气中的C02和H20是三原子分子，具有较高的比热容，能比空气吸收更多的热量;工质总热容增加后吸收等量的燃烧放热时工质的温度变化较小，这有助于解决在EGR量较大时控制燃烧速度、防止压升率过高等问题。

3）化学效应:

在高温下，废气中CO、水蒸气会发生裂解，裂解是一个高的吸热过程，会吸收一部分燃烧热量，使得缸内峰值温度降低，这样会减少因峰值温度过高而造成对NOx排放的影响。

⑩

2.EGR技术及分类②-1③-11

③要想最大程度地使NOx减少又不影响柴油机经济性和HC与微粒排放，需要采用有效的调整装置来优化整个工作范围内的废气再循环，电控技术是解决这一矛盾的有效手段。

同时和增压中冷技术的结合使用可以提高发动机的整机性能。

为了满足未来更为严格要求的NOx限值，于是出现了冷却废气再循环的技术，研究表明这可以有效地降低柴油机NOx排放。

根据废气进入气缸是否通过发动机进气系统，EGR分为内部EGR系统和外部EGR系统。

2.1内部EGR技术

内部EGR通过改变配气正时实现。

该系统不需外加其它设备，结构简单，应用方便；而且可以避免再循环废气对管道的腐蚀，有利于提高系统耐久性。

但由于是在进气行程内直接开启排气阀使废气回流，因此难以精确控制EGR率；同时废气未经冷却直接回流，引起混合气温度升高，这一点又有利于NOx的生成，因此内部EGR对NOx的抑制效果并不显著。

但是随着控制技术的不断提高，内部EGR因其简单便利日益受到青睐。

废气残留法和废气重吸法是实现内部EGR的常用方法[47]。

2.2外部EGR技术

外部EGR利用专门的管道将废气引入进气歧管，使废气与新鲜充量在进入气缸前充分混合。

由于外部EGR不但可以通过电控系统精确控制EGR率，优化发动机性能，而且可以在外部系统中通过加装EGR冷却器，有效降低燃烧温度。

因此目前较为常用的是外部EGR系统。

目前国内外EGR技术的路线基本上是采用以下几种管路连接方式，并且大部分是采用冷却的EGR。

a）与涡轮增压器一体的EGR系统

图3为EGR涡轮增压器系统[49-50]。

这种EGR系统中，柴油机排出的废气分成两路，一路进入涡轮机，另一路经EGR阀流入EGR增压器中增压，从泵中流出的EGR废气与增压后的空气进行混合，并进入柴油机的进气总管向各缸分配。

图3EGR涡轮增压器系统简图

b）废气与空气混合后同时增压的EGR系统

如图4[51]。

由于排气压力高于压气机前空气压力，故该系统可顺利实现废气回流到进气系统，且布置简单，但是柴油机应用此种装置后废气中的颗粒物质和酸性气体将会随着废气一起进入到压气机中，使压气机受到废气污染，从而降低压气机寿命。

但可以在EGR冷却器后面加EGR微粒捕集器。

图4废气与空气混合后同时增压的EGR系统

c）带文丘里混合器的EGR系统

根据文丘里管原理制作而成，利用文丘里管缩口处气体流动产生的真空负压来引导废气循环。

采用文丘里管EGR系统能较方便地在高负荷工况下实现废气再循环，且附加泵气损失少、成本不高、有很大的优越性，适于大批量应用。

d）采用变截面涡轮驱动EGR系统

为改善柴油机在高速工况时排气管的平均压力低于进气平均压力，仅从排气管直接引出废气到进气管难以实现全工况范围的废气再循环的这种特性，国际上提出采用变截面涡轮的EGR系统，通过EGR与变截面涡轮技术优化匹配，可基本保持发动机满意的动力性和经济性。

e）在进排气管装有节流阀的EGR系统

利用节流阀的节流使进气管产生真空负压来引导废气再循环,并可以根据柴油机负荷的不同来调节EGR率的大小,小负荷时用较高的EGR率,大负荷时用较低EGR率。

装置结构简单,高实用性，但节流阀节流作用使进气管产生较大进气阻力，影响充气效率，使动力性损失。

f）利用进排气管压力波动的EGR系统

涡轮增压柴油机在高负荷时的排气平均压力虽低于进气平均压力，但是车用发动机的排气管较小排气的峰值压力较高；每个排气周期中,有相当的时间排气压力高于进气压力。

用旋转阀和短EGR管等,利用其压力波动的EGR系统,该EGR系统可使高负荷时有较高的EGR率。

目前的技术水准中，EGR通常可以分为高压回路和低压回路两大类。

高压回路就是采用涡前到压气机后端或涡后到压气机的后端；低压回路就是采用涡前到压气机前或者是涡后到压气机前的方案。

高压回路可以大部分工况点实现循环，效率很高，废气不经过压气机和中冷器，压气机和中冷器不会出现碳烟污染。

但是在某些工况点由于压力差问题无法调节EGR率，而低压回路恰恰解决了这方面的问题，但在低压回路中废气直接进入到压气机中，将会对压气机造成腐蚀或磨损。

③

3.EGR系统的控制原则

⑥为了满足不同的动力性和经济性需求，发动机需要在多种运行工况间不断切换。

实践证明，发动机的工况不同，对EGR量的要求也不同。

因此为了充分降低NOx，又不使其它排放增加，并能保证柴油机的良好性能，有必要对柴油机不同工况下的EGR率分别进行最优控制。

为了使EGR系统能更有效地发挥作用，必须对参与EGR的废气数量加以限制。

即根据发动机的转速及负荷大小，针对起动工况、怠速及低负荷工况、中等负荷工况、大负荷、高速或油门全开工况以及加减速等工况的不同特点，同时适当考虑温度、气压等因素对EGR的修正影响，对引入进气歧管的废气量进行综合控制。

其基本原则就是：

在发动机起动、加速以及大负荷高速行驶时关闭EGR阀，停止EGR；而在低、中等负荷时EGR率应随负荷的增大而增大。

目前市场上出现的EGR系统主要有三种：

机械式，气电式和电控式。

而由于上述控制因素的多样性和参考工况的复杂性，传统的机械式EGR控制方式很难面面俱到。

电控式EGR系统由于具有动态响应好，调节精度高，排气回流量大及结构简单等优势，因而成为了柴油机控制系统的主要发展方向⑥

（11）柴油机的EGR控制比较复杂，尤其是增压柴油机，一般均采用电子控制。

其控制也是分开环控制和闭环控制。

（1）、开环控制

开环控制一般基于脉谱（MAP）的控制，即通过实验来确定柴油机的典型工况下，达到排放要求的最佳EGR率。

这种方法控制简单，目前应用较为普遍，但其准确性依赖于各种工况下的MAP图的准确制取，同时动态的相应比较慢。

较典型的开环控制为对混合气的成分加以考虑，根据不同的转速、负荷条件，由进气和排气中的氧气浓度来确定最优的EGR率。

如图3所示，电子控制装置（ECU）根据柴油机的转速、负荷，以及进气和排气中的氧气的浓度、温度等传感器的输入信号，按照标定的EGR脉谱对EGR阀、进气节流阀、执行机构进行控制。

EGR阀可以是一个真空阀，由电子控制装置（ECU）通过对一个独立的真空源产生的真空度加以调整，来控制真空度的开度，EGR阀也可以是一个电磁阀，由电子控制装置（ECU）通过电信号直接控制。

（2）、闭环控制

闭环控制可以选择基于排气背压的闭环控制，也可以选择基于排气氧传感器的闭环控制。

基于排气氧传感器的闭环控制，选取对发动机性能影响最大的两个参数－进气中和排气中氧气的浓度。

基于过量空气系数的EGR控制，是通过过量空气系数来间接测量的排放量，其受EGR律的影响大，可作为EGR闭环控制的反馈信号。

闭环控制可以实时根据工况的变化自动调整EGR量，使其达到最佳，因此它比开环控制的效果更好，但其结构也比较复杂。

（11）

4.EGR率②的2.1③-28（12）-2（11）-2

EGR的合理控制对于NOx的净化效果极其重要。

但就目前的技术条件而言很难精确地测定废气再循环率。

EGR率是再循环的废气参与量与吸入气缸的进气总量之比，即:

EGR率=[EGR废气还流量/（进气量+EGR废气还流量）]×100%，有多种表达方式，（12）其中最基本的可以分为质量流量型（EGRm）、体积流量型（EGRv）和二氧化碳浓度型EGR率（EGRco2）这三大类[4]。

就冷EGR而言EGRm＝EGRv＝EGRco2）；对于热EGR来说，三者之间的数量关系则与EGR系统参数和发动机的运转状况等因素有关[5]。

下面将阐述一下这三类EGR率定义的物理意义。

4.1质量流量型EGR率（EGRm）

由流体力学及传热学推导得到在EGR状态下吸入的新鲜空气量为：

Ga=VLnPinηγ／2RaTin，再循环废气量（或废气回流量）为：

由EGR率的定义可以得到质量流量型EGR率的计算公式（1-1）：

VL——发动机排量，n——发动机转速（r/min），ηc——充气效率，α——流量系数，A——节流孔面积。

下标代号：

a为大气压力；in为进气管；ex为排气管处；r为EG式中G——质量流量（kg/s），P——绝对压力（KPa），R——气体常数（kJ/（kmol*K））R回路；c为废气引出点。

虽然（1-1）式可确切地表征引人的废气再循环量，但由于测量参数比较多，实际测定很困难，因此在研究中难以用于定量分析。

另外，由于废气温度高，其中的颗粒与水蒸气容易在管路中沉积。

为了便于测定，姚春德等人提出了热力学法测量EGR率。

假设空气与废气的总焓在混合前后保持不变，使用温度传感器测量新鲜空气温度（Ta）、混合前废气温度（Tb）和混合气温度（Tm），计算出各个温度下各种气体对应的焓值，整理得到EGR率为：

EGRrH=μr（CpamTm－CpaTa）／[μr（CpamTm－CpaTa）﹢28.97（CpbTb－CpbmTm）]×100％公式（1-2）

式中Cp——定压摩尔比热容（下标：

a表示空气；b表示燃气；m为温度）；μr——废气的摩尔质量[6]。

4.2容积流量型EGR率（EGRv）

当发动机的转速不变时，柴油机的进气量基本不发生变化。

用层流流量计测流量，并计算得到未进行排气再循环时吸入气缸的空气体积Vao，然后再测出相同转速下进行排气再循环时吸入气缸的空气量Vr。

在相同状态下，Vra=Va0-Vr为相对减少的量，即相当于进入气缸内的废气量。

这样，不需测量发动机的废气参数就可求出进入气缸的废气量。

因此容积流量型EGR率的定义式为：

EGRv=Vr/（Va+Vm）*100％公式（1-3）

式中的Va表示EGR状态下吸入气缸的空气体积。

但是当转速不变而负荷变化时，由于废气温度的改变，导致引入相同质量的废气却具有不同的体积。

因此只有在同一负荷（相同排温和转速）下的EGRv才能完全反映再循环废气量的多少，而不同负荷时的EGRv率则必须对比废气温度的差别才能进行分析。

2.3CO2浓度型EGR率（EGRco2）

由于废气引入进气管，导致进气管中的CO2浓度（体积分数）增加，进气管中的CO2浓度越大，EGR率也越大。

二氧化碳浓度型EGR率定义为[7]：

EGRco2=（[CO2]man-[CO2]bkg）／（[CO2]exh-[CO2]bkg）×100﹪式（1-4）

式中[CO2]man——进气管中的CO2浓度；[CO2]exh——排气管中CO2的浓度；[CO2]bkg——在背景气体中CO2的浓度。

通常情况下，[CO2]bkg=0；无EGR时，[CO2]man=[CO2]bkg。

使用CO2传感器测出CO2浓度，可方便求得EGRco2。

类似这种二氧化碳浓度型EGR率评价方法还有基于进气中O2体积分数的变化、基于排气中O2体积分数的变化、排气中CO2体积分数的变化、基于过量空气系数Φa的变化，分别得到相应的EGR率评价指标；使用O2传感器或CO2传感器测量O2和CO2度，可以计算得到各种EGR率，各种方法所得到的EGR率最大误差为8%。

5.国内外EGR的发展历史⑦和研究进展⑨①【P1-柴油机发展现状；P8-国内外柴油机排放研究现状】③-16

③EGR技术首先应用于汽油机，从70年代开始，国外就将研究目标转向柴油机EGR技术。

直到现在，所有的汽车制造商都配备一套EGR系统，它能够报警提示驾驶员排放系统的工作状况是否正常。

目前应用的EGR基本上都结合了电控技术，使其控制更加精确，所有工况都能实现最佳EGR率。

各汽车生产厂家越来越多地用EGR来降低NOx排放，如福特公司、奔驰公司以及大众汽车公司的轿车柴油机上都采用了EGR系统降低NOx的排放。

对重型车用柴油机而言，倾向于使用中冷EGR技术，因为其不仅能明显降低NOx，还能保持其他污染物的低水平。

在国外，EGR在汽油车上已经作为成熟技术而广泛使用，EGR在柴油机上的应用不尽人意，其主要原因在于柴油机比油耗恶化和颗粒的排放增加。

在高负荷的情况下，表现的尤为突出。

另外，EGR还会降低润滑油的有效性和柴油机耐久性。

国内的一些高校和科研单位也已经对EGR进行了大量的研究。

但国内的研究时间相对于国外而言较晚，而且仅集中在少数几个大学和研究院所中。

而且我国目前的柴油机各种有害排放值较高，这主要是由于当初在设计柴油机时没有考虑到排放性，只注重动力性和经济性等指标。

因此为了全面控制排放，还需要投入更多的人力进行更深入的基础研究。

[53]。

③

二我认为的EGR技术的发展革新方向

EGR与其它技术相结合是改善发动机整体性能的总的发展趋势。

采用氧化催化剂与EGR反馈控制能同时改善PM和NOx；采用高压共轨喷油系统，结合高EGR率可使NOx和烟度同时大幅下降；改进燃烧系统和冷却EGR可进一步降低NOx排放。

另外内部EGR技术在增压柴油机上的应用也将是一发展趋势。

1.EGR应用的难点及发展展望⑨

1）对EGR的作用机理的深入研究是必要的，其中包括EGR中各种化学成分以及各种物性参数对工作的影响。

在试验室模拟EGR的作用机理是不失为一种较好的研究手段。

2）目前怎样把EGR运用于所有的速度和负荷，仍是一个问题。

尤其是内燃机在高负荷区运行时，如何在保证足够的动力性的情况下使用EGR降低NO。

的排放是一个重要的研究课题，采用各种EGR的处理措施，如EGR冷却、EGR氧化和EGR燃油重整等为解决此问题提供了努力的方向，其中EGR冷却目前已进人实用化的阶段。

3）由于大量使用EGR可能引起内燃机性能的不稳定，这样处于最优控制状态下实际使用的最大EGR率就要小，EGR的作用得不到最充分的发挥。

充分的EGR控制需要实际的EGR率和燃烧质量监测，要建立足够的反馈控制机制，这方面还需要进一步的研究。

2．EGR未来可做的改进：

1）另部件设计模块化

2）响应快

3）流量范围宽

4）成本低

5）提高可靠性

6）提高控制精确度

结论

废气再循环（EGR）技术，是降低柴油机NOx排放的有效措施之一。

它是通过将部分废气返回到进气系统与新鲜空气混合后进人缸从而使气缸内的最高燃烧温度和压力降低，以控制有害气体N0x的产生，达到降低排放的目的。

但EGR系统也有它自身的不足。

采用EGR系统后,若EGR率控制不当,极易造成柴油机经济性恶化,其它排放污染物和烟度的增加，故研究EGR率的变化和不同工况下应采用的合理EGR量，以实现EGR的最佳效果。

可有效地降低NOx的排放。

不但能够提高发动机的动力性，且能大大提高经济性。

即兼顾发动机的动力性和经济性。

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