涡轮增压柴油机EGR阀对排放的控制及发展趋势

姚强，贾育恒，李书伟，金明，李利员

（东风股份商品研发院，武汉430057）

涡轮增压柴油机EGR阀对排放的控制及发展趋势

姚强，贾育恒，李书伟，金明，李利员

（东风股份商品研发院，武汉430057）

本文结合涡轮增压柴油机的的特点，介绍了EGR阀的分类，分析了不同EGR率对排放的影响。在排放法规日益严格的情况下，分析了EGR阀的发展趋势。研究表明，汽车在中等负荷时EGR率最大，在高、低负荷时EGR率逐渐减小；直流电机EGR阀为以后的主要发展趋势。

涡轮增压；柴油机；EGR阀；负荷

姚强

毕业于武汉科技大学车辆工程专业，硕士研究生学历，现任东风股份商品研发院发动机部机构科，研究方向：汽车排气EGR阀及管路，已发表论文两篇。

为了减少排放污染，满足日益严格的排放法规的要求，排气再循环系统（EGR）、可变截面涡轮增压系统（VGT）、选择性催化还原系统（SCR）和柴油颗粒补集系统（DPF）等技术相继用在电控柴油机系统中。排气再循环系统（EGR）技术作为降低排放的技术之一，在电控柴油机系统中有着举足轻重的作用。本文在EGR的技术背景下，介绍了EGR阀的分类，分析了不同EGR率对排放的影响和EGR阀的发展趋势。

1．概述

EGR原理是通过控制将适量的发动机排气再循环到进气歧管，并且在歧管处与吸入的新鲜空气相混合，通过稀释新鲜空气，降低峰值燃烧温度和燃烧压力以抑制NOx的生成从而达到减少排放污染物NOx目的［1，2］。

在EGR系统中，EGR率等于废气量与进气总量的体积之比。根据不同的发动机工况，EGR率得到精确的调节。在循环的废气量因发动机不同的工况而改变，这些废气在进入进气歧管时都得到精确的控制和计量。这种控制方式能很好的平衡发动机排放和性能之间的矛盾：如果太多的废弃进入发动机，发动机的性能会恶化，烟度将大幅度上升，并且发动机可能会发出敲击噪声；如果太少的废气回到发动机，发动机的排放将得不到较好的改善，以满足相关排放标准。对于每一个不同的发动机工况（负荷、转速、温度等）存有一个最优化的EGR率。

一个传统的EGR系统（如图1.1所示），由各种传感器（信号输入）、ECU（控制单元）和驱动装置构成。发动机的实际工况由温度、油门位置和发动机转速等传感器反应，ECU据此查找对应的EGR率MAP并输出与之相应的控制量到控制执行机构，从而实现对EGR率的有效控制［3，4，5］。驱动装置主要由真空调节器和EGR阀组成，他们根据控制器送达的执行指令驱动EGR阀门，从而调节EGR率，使其工作在最佳状态。

在EGR系统中，EGR阀作为其核心执行零件，其性能直接影响着发动机的性能。

2．EGR阀的分类及工作原理

根据EGR阀驱动方式的不同，可分为气动EGR阀、直流电机EGR阀、步进电机EGR阀、比例电磁式EGR阀。

2.1 气动EGR阀

气动式EGR阀在工作时主要受控于真空室压力的变化。当真空室真空度增大时，在膜片上产生较大的向上拉力，此时拉力若大于弹簧力，则膜片带动阀门向上运动，阀门打开。阀门打开的大小与真空室内的真空度呈正比关系。

在选择用气动EGR阀时，要考虑排气背压的影响，若排气压力过大，也可能反作用于阀门上，从而推动阀门打开。

2.2 直流电机EGR阀

直流电机EGR阀结构如图2.1所示。通过控制直流电机正反转动经过齿轮传动后带动一曲柄机构，将旋转运动转换为直线运动，从而推动阀门的开关。同时在阀门机构中，装有一旋转位置传感器，实时监测阀门的开度，把信号反馈给ECU，ECU据此查找对应的EGR率MAP并输出与之相应的控制量到控制执行机构［6］。

2.3 步进电机EGR阀

步进电机EGR阀是通过控制步进电机中各项时序，使电机进行正、反转；通过电机内部涡轮涡杆机构，使中心轴向外伸缩，同时推动阀门打开；阀门是通过弹簧的弹力复位的。

2.4 比例电磁铁EGR阀

比例电磁铁EGR阀结构如图2.2所示，采用的是占空比（PWM）驱动，通过改变驱动电流，使电磁铁中产生的推力发生改变，当电磁力大于弹簧力时，阀门被推开，当驱动力为零时，弹簧复位，阀关闭。阀的开度一般会通过位置传感器进行反馈［7］。

表1　三种电动EGR阀特性对比

从上表可知，三类EGR阀最大区别在于驱动力。因此，一般柴油发动机对EGR率需求较大，且其排气中易积碳，因此为满足其需求（大流量、去积碳），要求阀的驱动力矩大，从而多数选择直流电机类产品；而在汽油机中，一般EGR率较小，且不产生积碳现象，一般多用比例电磁铁EGR阀或步进电机EGR阀。

3. EGR阀对排放的影响

如图3.1所示，为一个EGR在负荷分别为25%、50%、75%、100%时，EGR率对NOx、碳烟（Soot）、油耗（BSFC）的影响。

大负荷时（100%，75%），随着EGR率增加，碳烟和油耗大幅上升，而负荷较低时（＜20%），HC增加较快，故一般控制在中等负荷时EGR率最大，而高、低负荷时EGR率逐步减小。

如图3.2所示，为一台轿车柴油机的3D EGR MAP图，由图可知，按照轿车试验工况，在不考虑排放的要求下，低速低负荷时柴油机有较高的EGR率。

4. EGR阀的发展趋势

如图4.1所示，为欧洲排放法规和EGR阀生产示意图，可知，随着排放法规的日益严格，气动EGR阀的占有比例日益减少，直流电机EGR阀成为主要发展趋势。

5．结论

由上述可知，汽车在大负荷时，当EGR率增大时，碳烟的排放和油耗大幅上升；当负荷较低时，HC的排量较高。因此，汽车一般控制在中等负荷时EGR率最高，而高、低负荷时EGR率逐步减小。随着排放法规的日益严格，直流电机EGR阀将成为主要发展趋势。

［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，邓康耀，邬静川. EGR温度对涡轮增压柴油机燃烧和排放的影响［J］.农业机械学报，2004，（06）：40-43.doi：10.3969/j.issn.1000-1298.2004.06.012.

［4］陈友强.田维 涡轮增压柴油机EGR系统设计 ［期刊论文］-西华大学学报（自然科学版）2011（6）.

［5］EGR和冷EGR对柴油机燃烧和排放的影响 - 西安交通大学学报 - 2009， 43（9）.

［6］韦雄.冒晓建.祝轲卿.蒋祖华.梁锋.冯静 满足国V以上排放的轿车柴油机关键技术的研究.

［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.

专家推荐

张建东：

本文介绍了EGR的工作原理；EGR阀的种类和工作原理，并比较了EGR阀的特点，对设计人员选择EGR阀的方法给出了参考意见；比较发动机各种工况下EGR率对发动机排放，油耗的影响，总结了规律性给出了较为可靠结论。具有一定的参考意义。

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