В областта на технологията на дизеловите двигатели за търговски превозни средства системата за рециркулация на отработените газове (EGR) винаги е била в основата на битката между разхода на гориво, мощността и емисиите. Тази на пръв поглед проста, но изключително сложна система непрекъснато движи иновациите и развитието на технологията на дизеловите двигатели.
I. Принцип на работа и класификация на системата EGR
Основният принцип на системата EGR е да въведе част от отработените газове към всмукателната страна и чрез прецизно контролиране на обратния хладник на отработените газове, тя променя средата на горене в цилиндъра. Съвременните EGR системи се състоят основно от два технически пътя: верига за високо-налягане и верига за ниско-налягане.
Системата EGR с високо{0}}налягане директно изтегля отработените газове от изпускателния колектор, охлажда ги през охладителя на EGR и след това прецизно контролира въвеждането им във всмукателния колектор чрез EGR клапана. Тази система реагира бързо, но може да повлияе на ефективността на турбокомпресора при условия на високо-натоварване.
Системата EGR с ниско{0}}налягане изтегля отработените газове зад филтъра за твърди частици, претърпява десулфуризация и обработка за отстраняване на частици и след това се въвежда отново в цилиндъра от всмукателния компресор. Това оформление има относително малко влияние върху ефективността на турбината и е по-подходящо за приложения с високи нива на EGR.
II. Дълбокото влияние на EGR върху характеристиките на емисиите
Механизъм за контрол на азотния оксид (NOx).
Ефектът от EGR за намаляване на емисиите на NOx е изключително значителен. Механизмът му на действие се състои главно в три аспекта:
· Топлинен ефект: три{0}}атомните газове като въглероден диоксид и водни пари в отработените газове имат по-висок специфичен топлинен капацитет, което ефективно намалява пиковата температура на горене.
· Ефект на разреждане: Отработените газове разреждат концентрацията на кислород в свежия входящ въздух, забавяйки скоростта на реакцията на горене.
· Химически ефект: Някои компоненти в отработените газове могат да участват в междинни химични реакции, като допълнително инхибират образуването на NOx.
Проучванията показват, че при условия на средно -натоварване, за всеки 10% увеличение на скоростта на EGR, емисиите на NOx могат да бъдат намалени с приблизително 30-50%. Този редуциращ ефект прави EGR необходима технология за спазване на строгите разпоредби за емисиите, като тези на националния VI стандарт.
Предизвикателството на емисиите на прахови частици
EGR не само намалява емисиите на NOx, но също така води до проблема с увеличените емисии на прахови частици. Рециркулацията на отработените газове води до разширяване на зоната с прекомерно богата смес, което води до увеличаване на производството на сажди. Този проблем е особено изявен, когато високата скорост на EGR се комбинира с тежки условия на натоварване.
Съвременните дизелови двигатели са се справили ефективно с това противоречие чрез комбинираните усилия на технологията за охлаждане на EGR, прецизен контрол на впръскването на гориво и ефективни филтри за твърди частици (DPF).
III. Комплексното въздействие на EGR върху икономията на гориво
Въздействието на EGR върху разхода на гориво показва значителна зависимост от работните условия и не може просто да се класифицира като увеличение или намаление.
Ефектът на-спестяване на гориво при условия на-ниско натоварване
При условия на ниска-скорост и ниско{1}}натоварване подходящата скорост на EGR може да подобри икономията на гориво. Основните причини за това включват:
· Намалява загубата на помпа, особено по-ефективно при дизелови двигатели, оборудвани с дроселова клапа
· По-ниска температура на горене и намаляване на топлинните загуби, пренасяни през стената на цилиндъра
· Оптимизиране на фазата на горене и подобряване на ефективността на горене
Експерименталните данни показват, че при обикновена средна-скорост и 25% натоварване на градските пътища, използването на скорост на EGR от приблизително 15% може да доведе до подобряване с около 2-3% на икономията на гориво.
Разходите за разход на гориво при високо{0}}условия на натоварване
Въпреки това, при условия на високо{0}}натоварване, EGR обикновено води до увеличаване на разхода на гориво:
· Коефициентът на излишък на въздух намалява, което води до намаляване на ефективността на горене.
· За да се поддържа изходната мощност, обемът на подаването на гориво в цикъла трябва да се увеличи.
· Работната точка на системата за усилване се измества, което води до намаляване на ефективността.
Близо до номиналната мощност, използването на EGR може да доведе до 3-5% увеличение на разхода на гориво. Това е цена, която трябва да се плати, за да се постигнат ниски емисии.
III. Ограничения и баланс на EGR върху мощността
Директното въздействие на мощността
Влиянието на EGR върху мощността на двигателя се крие главно в два аспекта. Въвеждането на отработен газ директно намалява количеството на входящия свеж въздух, което води до намаляване на общото количество кислород, участващ в горенето. В същото време инхибиторният ефект на отработените газове върху процеса на горене намалява ефективността на преобразуване на топлината.
Експериментът показва, че когато обемът на подаването на гориво остава постоянен, за всеки 10% увеличение на скоростта на EGR, изходящият въртящ момент на двигателя намалява с приблизително 2-4%. Този ефект е особено важен в зоните с висока-скорост и голямо натоварване.
Преходните характеристики на динамичния отговор
Освен стационарната-мощност, EGR също оказва значително влияние върху характеристиките на преходния отговор на двигателя. По време на процеса на ускоряване, остатъчните отработени газове в системата EGR временно намаляват чувствителността на реакцията на двигателя, което води до така -наречения феномен „дим при ускоряване“.
Съвременните двигатели са се справили ефективно с този проблем чрез бързо намаляване на скоростта на EGR при преходни работни условия, във връзка с координирания контрол на турбокомпресора с променлива геометрия (VGT).
IV. Технологични пробиви в усъвършенстваните стратегии за контрол на EGR
Пред лицето на противоречието между разхода на гориво, изходната мощност и емисиите, модерната система за контрол на EGR разработи множество иновативни решения.
Базиран-на модел прогнозиращ контрол
Усъвършенстваната система за контрол непрекъснато следи параметри като входящо налягане, температура и концентрация на кислород в реално време и комбинира това с работния статус на двигателя, за да предвиди оптималната скорост на EGR. Тази стратегия за предварителен контрол значително подобрява скоростта на реакция на системата и точността на управление.
Мулти{0}}системна съвместна оптимизация
EGR вече не работи независимо, а вместо това работи в тясно сътрудничество със системата за впръскване Common Rail под високо{0}}налягане, турбокомпресор с променлива геометрия и система за последваща{1}}обработка и т.н. Чрез координацията между тези системи той осигурява съответствие със стандартите за емисии, като същевременно минимизира отрицателните въздействия върху разхода на гориво и мощността.
Нова архитектура на системата EGR
Усъвършенстваната система EGR с ниско{0}}налягане, съчетана с ефективен междинен охладител, позволява работа с висока скорост на EGR в по-широк диапазон от работни условия, като същевременно избягва смущения в системата за усилване. Някои от най-новите конструкции дори са постигнали степен на EGR от над 40%, отговаряйки на изискванията за ултра-ниски емисии на NOx, като същевременно поддържат загубата на мощност в рамките на приемлив диапазон.
V. Бъдещи тенденции и перспективи
Тъй като разпоредбите за емисиите стават все по-строги, EGR технологията продължава да се развива непрекъснато. Следващото поколение EGR технология ще се фокусира върху:
· Интелигентен променлив контрол на скоростта на EGR: Динамично оптимизирайте скоростта на EGR въз основа на-работни условия в реално време
· Охлаждане на EGR с ултра{0}}ниска температура: Допълнително намаляване на температурата на входящия въздух и подобряване на ефективността на EGR
· Подобрена системна интеграция: Намаляване на загубата на налягане в EGR веригата и подобряване на характеристиките на реакция
Приложението на EGR технологията в областта на дизеловите двигатели демонстрира напълно мъдростта на инженерите в търсенето на баланс между множество цели. Това не е нито универсално решение, нито обикновен компромисен продукт, а по-скоро оптимален избор на конкретен технологичен етап.
Съответствие с разпоредбите за емисиите: Стандартите за емисии на NOx и прахови частици от шестата фаза на националните разпоредби и седмия етап на европейските стандарти са поставили по-строги изисквания, принуждавайки производителите да приемат по-ефективни EGR системи.
В сектора на търговските превозни средства EGR се превърна в стандартна характеристика. С надграждането на националните стандарти за емисии, първоначалният маршрут на SCR вече не е достатъчен, за да отговори на изискванията за емисии независимо. Технологията за последващо-третиране на EGR отново се превърна в основен път. Двигателите на тежкотоварни-товарни превозни средства обикновено приемат схеми с висок процент EGR (някои надхвърлящи 30%), комбинирани с ефективни SCR системи, за да отговорят на изискванията за ограничение на NOx в разпоредбите на National VI и VII.