EGR对汽油机排放和性能影响的研究
摘要
汽车的排放法规越来越严格，欧3相对于欧2，欧4相对于欧3每一次排放法规的提升NOx排放限值都降低了一半。EGR技术（Exhaust Gas Recirculation）将一部分废气重新引入气缸，降低了氧浓度和燃烧温度，抑制了NOx的生成，现在已经成为改善排放的一个有效手段。国外对EGR技术进行了比较深入的研究，积累了丰富的经验。国内由于排放法规的滞后，净化技术与国外仍然存在着较大的差距。本文通过在一台单缸汽油机上应用EGR技术，在分析废气再循环对汽油机性能和排放影响的基础上，对各种负荷下不同比率的EGR进行了研究，为今后在发动机上采用EGR技术降低NOx排放和确定最佳EGR率提供了依据。
作者选取邦德富士达CG125单缸两气门四冲程汽油机作为实验样机，加装了外部排气再循环装置。开发了一套基于Visual Basic的串口通讯控制程序，可以实时获得发动机转速，节气门开度和进气温度的信号并灵活地调节喷油脉宽和点火提前角。开发了电控燃油喷射系统，采用进气口喷射方式。电控燃油喷射系统保持了原机的动力性，经济性大幅改善，HC和CO的排放处于同一水平，但是NOx的排放增加。在此基础上，通过废气引入量的调节，进一步降低NOx的排放。实验结果表明：EGR在不同负荷下都可以有效降低NOx排放，但是废气的引入在低负荷时容易造成失火，全负荷时功率不足，EGR的主要应用领域是中高负荷；适当比率的EGR在保持动力性和经济性的基础上，大幅度降低了NOx排放。研究结果对于改善汽油机的性能和排放具有一定的指导意义。
Emission regulation is more and more stern in recent years, the limit of NOx in Euro 4 is half of that in Euro 3.EGR (Exhaust Gas Recirculation) introduces part of exhaust into cylinder, due to reduced oxygen concentration and combustion temperature, generation of NOx is constrained. Study on EGR has been carried on deeply and abundant experience has been accumulated in developed countries. However, there is a great lag between our emission control technology and advanced level. This study focuses on reducing NOx with the respect of no influence in performance and fuel economy.
A CG125 single cylinder four–stroke gasoline engine is selected as sample engine with external EGR system. A communication program
based on VB is developed with flexible adjusting on injection pulse width and ignition timing, in the meantime, engine’s speed, intake temperature and throttle opening are fed back through transducer. With electrically controlled injection and ignition, effects of EGR on performance and emissions of gasoline engine are studied at different EGR ratios. The experimental results show that NOx emission is reduced effectively by EGR at various loads, however, EGR is restricted at low load by quench and at full load by insufficient power output; at part load, power and fuel economy are retained with optimal EGR ratio while NOx emission is reduced obviously. The study is helpful to the improvement of fuel consumption and emission control of gasoline engine.
作者选取邦德富士达CG125单缸两气门四冲程汽油机作为实验样机，加装了外部排气再循环装置。开发了一套基于Visual Basic的串口通讯控制程序，可以实时获得发动机转速，节气门开度和进气温度的信号并灵活地调节喷油脉宽和点火提前角。开发了电控燃油喷射系统，采用进气口喷射方式。电控燃油喷射系统保持了原机的动力性，经济性大幅改善，HC和CO的排放处于同一水平，但是NOx的排放增加。在此基础上，通过废气引入量的调节，进一步降低NOx的排放。实验结果表明：EGR在不同负荷下都可以有效降低NOx排放，但是废气的引入在低负荷时容易造成失火，全负荷时功率不足，EGR的主要应用领域是中高负荷；适当比率的EGR在保持动力性和经济性的基础上，大幅度降低了NOx排放。研究结果对于改善汽油机的性能和排放具有一定的指导意义。
Emission regulation is more and more stern in recent years, the limit of NOx in Euro 4 is half of that in Euro 3.EGR (Exhaust Gas Recirculation) introduces part of exhaust into cylinder, due to reduced oxygen concentration and combustion temperature, generation of NOx is constrained. Study on EGR has been carried on deeply and abundant experience has been accumulated in developed countries. However, there is a great lag between our emission control technology and advanced level. This study focuses on reducing NOx with the respect of no influence in performance and fuel economy.
A CG125 single cylinder four–stroke gasoline engine is selected as sample engine with external EGR system. A communication program
based on VB is developed with flexible adjusting on injection pulse width and ignition timing, in the meantime, engine’s speed, intake temperature and throttle opening are fed back through transducer. With electrically controlled injection and ignition, effects of EGR on performance and emissions of gasoline engine are studied at different EGR ratios. The experimental results show that NOx emission is reduced effectively by EGR at various loads, however, EGR is restricted at low load by quench and at full load by insufficient power output; at part load, power and fuel economy are retained with optimal EGR ratio while NOx emission is reduced obviously. The study is helpful to the improvement of fuel consumption and emission control of gasoline engine.
引文
[1]史绍熙，苏万华，内燃机燃烧研究中的几个前沿问题，《内燃机学报》，1990，(8)：1~8
[2]吴建平, 国外的汽车排放法规，汽车科技，2001，（1）：10~14
[3]Hadded等，适应超低排放车和欧洲第三阶段排放标准的低排放技术，国外内燃机，1996，(5)：18~22。
[4]村井俊水，丰田公司汽车技术研讨会议技术资料（二），1997年9月。
[5]周龙保，内燃机学，机械工业出版社，1999
[6]Rauscher M，分层喷水对降低氮氧排放的影响，国外内燃机，1997.1
[7]张志沛，汽车发动机原理，大连海运学院出版社，1993
[8] Deschamps B, Snyder R and Baritaud T，Effect of Flow and Gasoline Stratification on Combustion in a 4-Valve SI Engine, SAE Paper 941993, 1994
[9]汪映，周龙保，蒋德明，均匀充量压缩燃烧方式的研究进展及存在问题，车用发动机，No.5, 2002
[10]董英斌，提高化学计量比汽油机燃油经济性及降低排放的研究，2001硕士学位论文，西安交通大学
[11]秦有方，内燃机原理，机械工业出版社，1990
[12]Shi Shao-xi，Recent Process in Combustion Technologies for Automotive Engines，燃烧科学与技术，2001，(1)：1~10
[13]李勤，现代内燃机排气污染物的测量与控制,机械工业出版社，1998
[14]曲明辉，采用排气再循环降低柴油机NOx排放，柴油机，2000.5
[15]周奇,车用发动机EGR系统的研究开发,2002硕士学位论文，长沙交通学院
[16]G.Graf, etc. Layout of high EGR System for LD, Md and TD Truck Engines by means of Simulation, SAE2001-01-0225
[17]Bauder R,柴油机技术的未来，国外内燃机，1999
[18]Jeff Daniels, General Motors New DI Diesel Engine, Automobile Engineering, 1996.11
[19]郭志东，三菱公司缸内直喷汽油机的废气净化新技术，国外内燃机，1998第6期
[20] S.X.Shi,et al,A Study of Effect of EGR on Exhaust emissions and Fuel Economy for a Five-Valve SI Engine, Proceedings of 1999 Sino-Korea International Conference on Internal Combustion Engines,August,1999
[21]秦静,尧命发,段家修,许斯都, 内燃机燃烧研究的新进展, 小型内燃机与 摩托车, 2002年(第31卷)第4期
[22]Don Law, Jeff Allen, On the Mechanism of Controlled Auto Ignition, SAE2002-01-0421
[23] Jian Li, Hua Zhao, Nicos Ladommatos, Research and Development of Controlled Auto-Ignition Combustion in a 4-stroke Multi-Cylinder Gasoline Engine, SAE2001-01-3608
[24]CG125摩托车发动机使用说明书，天津邦德富士达摩托车有限公司
[25]ACD－30电力测功机系统产品使用说明书，天津大学科达测控技术公司
[26]卓斌，刘启华，车用汽油机燃料喷射与电子控制，机械工业出版社，1999.6
[27]胡春明，摩托车电控汽油喷射系统的应用及其匹配技术的研究，天津大学硕士论文，2001
[28]范逸之，陈立元，Visual Basic与RS－232串行通讯控制，清华大学出版社，2002
[29]魏小龙，MSP430单片机接口技术及系统设计实例，北京航空航天大学出版社，2002
[30]刘瑞新，汪远征，Visual Basic 程序设计教程，机械工业出版社，2001
[31]Microsoft Corporation，Visual Basic6.0中文版控件参考手册，北京希望电脑公司，2001
[32]袁大宏 周祺. 高能点火对汽油机性能的影响.小型内燃机. Vol.21(1992)No.3
[33]周育才,废气再循环降低车用汽油机NOx排放的数值模拟与实验研究,2002硕士学位论文，长沙交通学院
[34]Frank E.Belles, Clyde C.Swett. Ignition and Flammability of Hydrocarbon Fuels.NACA-report-1300
[35] [苏]г.A.米夏兹. 大功率毫秒脉冲的产生.原子能出版社.1982
[36]沈惠贤, 蒋德明. 点燃式发动机点火能量对火核生成和初期发展的影响.内燃机学报.Vol.11 (1993) No.1
[37]Coward, H.F., Jones, G.W. Limits of Flammability of Gases and Vapors.
Bull.503, Bur. Mines, 1952
[38]钱耀义，汽车发动机排气污染及净化，人民交通出版社，1987
[39]魏善镇，内燃机低污染化，柴油机设计与制造，1999年第一期
[40]刘世文，加氢燃烧，EGR对柴油/CNG双燃料发动机性能影响的研究。2003硕士学位论文，天津大学
[41]孙志远，火花点火式发动机的HC排放，小型内燃机，1998年(第27卷)第5期
[42]王利新，周龙保等，废气再循环降低汽油机NOx排放的实验研究及其微机控制系统的设计，内燃机工程，1999年第4期
[2]吴建平, 国外的汽车排放法规，汽车科技，2001，（1）：10~14
[3]Hadded等，适应超低排放车和欧洲第三阶段排放标准的低排放技术，国外内燃机，1996，(5)：18~22。
[4]村井俊水，丰田公司汽车技术研讨会议技术资料（二），1997年9月。
[5]周龙保，内燃机学，机械工业出版社，1999
[6]Rauscher M，分层喷水对降低氮氧排放的影响，国外内燃机，1997.1
[7]张志沛，汽车发动机原理，大连海运学院出版社，1993
[8] Deschamps B, Snyder R and Baritaud T，Effect of Flow and Gasoline Stratification on Combustion in a 4-Valve SI Engine, SAE Paper 941993, 1994
[9]汪映，周龙保，蒋德明，均匀充量压缩燃烧方式的研究进展及存在问题，车用发动机，No.5, 2002
[10]董英斌，提高化学计量比汽油机燃油经济性及降低排放的研究，2001硕士学位论文，西安交通大学
[11]秦有方，内燃机原理，机械工业出版社，1990
[12]Shi Shao-xi，Recent Process in Combustion Technologies for Automotive Engines，燃烧科学与技术，2001，(1)：1~10
[13]李勤，现代内燃机排气污染物的测量与控制,机械工业出版社，1998
[14]曲明辉，采用排气再循环降低柴油机NOx排放，柴油机，2000.5
[15]周奇,车用发动机EGR系统的研究开发,2002硕士学位论文，长沙交通学院
[16]G.Graf, etc. Layout of high EGR System for LD, Md and TD Truck Engines by means of Simulation, SAE2001-01-0225
[17]Bauder R,柴油机技术的未来，国外内燃机，1999
[18]Jeff Daniels, General Motors New DI Diesel Engine, Automobile Engineering, 1996.11
[19]郭志东，三菱公司缸内直喷汽油机的废气净化新技术，国外内燃机，1998第6期
[20] S.X.Shi,et al,A Study of Effect of EGR on Exhaust emissions and Fuel Economy for a Five-Valve SI Engine, Proceedings of 1999 Sino-Korea International Conference on Internal Combustion Engines,August,1999
[21]秦静,尧命发,段家修,许斯都, 内燃机燃烧研究的新进展, 小型内燃机与 摩托车, 2002年(第31卷)第4期
[22]Don Law, Jeff Allen, On the Mechanism of Controlled Auto Ignition, SAE2002-01-0421
[23] Jian Li, Hua Zhao, Nicos Ladommatos, Research and Development of Controlled Auto-Ignition Combustion in a 4-stroke Multi-Cylinder Gasoline Engine, SAE2001-01-3608
[24]CG125摩托车发动机使用说明书，天津邦德富士达摩托车有限公司
[25]ACD－30电力测功机系统产品使用说明书，天津大学科达测控技术公司
[26]卓斌，刘启华，车用汽油机燃料喷射与电子控制，机械工业出版社，1999.6
[27]胡春明，摩托车电控汽油喷射系统的应用及其匹配技术的研究，天津大学硕士论文，2001
[28]范逸之，陈立元，Visual Basic与RS－232串行通讯控制，清华大学出版社，2002
[29]魏小龙，MSP430单片机接口技术及系统设计实例，北京航空航天大学出版社，2002
[30]刘瑞新，汪远征，Visual Basic 程序设计教程，机械工业出版社，2001
[31]Microsoft Corporation，Visual Basic6.0中文版控件参考手册，北京希望电脑公司，2001
[32]袁大宏 周祺. 高能点火对汽油机性能的影响.小型内燃机. Vol.21(1992)No.3
[33]周育才,废气再循环降低车用汽油机NOx排放的数值模拟与实验研究,2002硕士学位论文，长沙交通学院
[34]Frank E.Belles, Clyde C.Swett. Ignition and Flammability of Hydrocarbon Fuels.NACA-report-1300
[35] [苏]г.A.米夏兹. 大功率毫秒脉冲的产生.原子能出版社.1982
[36]沈惠贤, 蒋德明. 点燃式发动机点火能量对火核生成和初期发展的影响.内燃机学报.Vol.11 (1993) No.1
[37]Coward, H.F., Jones, G.W. Limits of Flammability of Gases and Vapors.
Bull.503, Bur. Mines, 1952
[38]钱耀义，汽车发动机排气污染及净化，人民交通出版社，1987
[39]魏善镇，内燃机低污染化，柴油机设计与制造，1999年第一期
[40]刘世文，加氢燃烧，EGR对柴油/CNG双燃料发动机性能影响的研究。2003硕士学位论文，天津大学
[41]孙志远，火花点火式发动机的HC排放，小型内燃机，1998年(第27卷)第5期
[42]王利新，周龙保等，废气再循环降低汽油机NOx排放的实验研究及其微机控制系统的设计，内燃机工程，1999年第4期