Снижение выбросов NOx в двигателях внутреннего сгорания с помощью рециркуляции отработавших газов.

Введение

Метод снижения выбросов NOx, используемый в бензиновых и дизельных двигателях

В двигателях внутреннего сгорания рециркуляция выхлопных газов (EGR) – это метод снижения выбросов оксидов азота, используемый в бензиновых, дизельных двигателях и некоторых водородных двигателях. EGR работает путем рециркуляции части выхлопных газов двигателя обратно в цилиндры двигателя. Выхлопные газы вытесняют атмосферный воздух и снижают концентрацию кислорода в камере сгорания. Уменьшение количества кислорода снижает количество топлива, которое может сгореть в цилиндре, тем самым снижая пиковую температуру в цилиндре. Фактическое количество рециркулирующих выхлопных газов варьируется в зависимости от параметров работы двигателя. В цилиндре сгорания NOx образуется в результате высокотемпературных смесей атмосферного азота и кислорода, что обычно происходит при максимальном давлении в цилиндре. В двигателе с искровым зажиганием дополнительным преимуществом рециркуляции выхлопных газов через внешний клапан EGR является повышение эффективности, поскольку разбавление заряда позволяет увеличить угол открытия дроссельной заслонки и уменьшает связанные с этим потери на прокачку воздуха. Турбированный бензиновый двигатель SkyActiv с прямым впрыском использует рециркулирующие и охлаждаемые выхлопные газы для снижения температуры камеры сгорания, что позволяет двигателю работать на более высоких уровнях наддува, прежде чем смесь воздуха и топлива должна быть обогащена для предотвращения детонации. В бензиновом двигателе этот инертный выхлоп вытесняет часть горючей смеси в цилиндре, эффективно уменьшая количество смеси, доступной для сгорания, не влияя на соотношение воздуха и топлива. В дизельном двигателе выхлопные газы заменяют часть избыточного кислорода в смеси перед сгоранием. Поскольку NOx образуется главным образом, когда смесь азота и кислорода подвергается высокой температуре, более низкие температуры камеры сгорания, вызванные EGR, снижают количество NOx, образующегося в процессе сгорания. Газы, поступающие из систем EGR, также содержат концентрации NOx и CO, близкие к равновесным; небольшая доля, изначально присутствующая в камере сгорания, ингибирует общее чистое образование этих и других загрязняющих веществ при отборе проб в среднем за определенный период времени. Химические свойства различных видов топлива ограничивают количество EGR, которое может быть использовано. Например, метанол более устойчив к EGR, чем бензин.

In internal combustion engines, exhaust gas recirculation (EGR) is a nitrogen oxide emissions reduction technique used in petrol/gasoline, diesel engines and some hydrogen engines. EGR works by recirculating a portion of an engine's exhaust gas back to the engine cylinders. The exhaust gas displaces atmospheric air and reduces in the combustion chamber. Reducing the amount of oxygen reduces the amount of fuel that can burn in the cylinder thereby reducing peak in cylinder temperatures. The actual amount of recirculated exhaust gas varies with the engine operating parameters. In the combustion cylinder, is produced by high temperature mixtures of atmospheric nitrogen and oxygen, and this usually occurs at cylinder peak pressure. In a spark ignition engine, an ancillary benefit of recirculating exhaust gases via an external EGR valve is an increase in efficiency, as charge dilution allows a larger throttle position and reduces associated pumping losses. Mazda's turbocharged SkyActiv gasoline direct injection engine uses recirculated and cooled exhaust gases to reduce combustion chamber temperatures, thereby permitting the engine to run at higher boost levels before the air fuel mixture must be enriched to prevent engine knocking. In a gasoline engine, this inert exhaust displaces some amount of combustible charge in the cylinder, effectively reducing the quantity of charge available for combustion without affecting the air fuel ratio. In a diesel engine, the exhaust gas replaces some of the excess oxygen in the pre combustion mixture. Because forms primarily when a mixture of nitrogen and oxygen is subjected to high temperature, the lower combustion chamber temperatures caused by EGR reduces the amount of that the combustion process generates. Gases re introduced from EGR systems will also contain near equilibrium concentrations of and CO; the small fraction initially within the combustion chamber inhibits the total net production of these and other pollutants when sampled on a time average. Chemical properties of different fuels limit how much EGR may be used. For example methanol is more tolerant to EGR than gasoline.

История

Первые системы EGR были примитивными; некоторые представляли собой просто отверстие между выпускным и впускным коллекторами, которое допускало поступление выхлопных газов во впускной коллектор при работающем двигателе. Это неизбежно приводило к затрудненному запуску, нестабильной работе на холостом ходу, снижению мощности и ухудшению топливной экономичности. К 1973 году клапан EGR, управляемый вакуумом во впускном коллекторе, открывался или закрывался, чтобы подавать выхлопные газы во впускной коллектор только при определенных условиях. Системы управления становились все более сложными по мере накопления опыта автопроизводителями; система "Рециркуляция отработавших газов с регулировкой по температуре охлаждающей жидкости" от Volkswagen 1973 года являлась примером этой эволюции: датчик температуры охлаждающей жидкости блокировал подачу вакуума к клапану EGR до достижения двигателем нормальной рабочей температуры. Впоследствии, для более точной регулировки потока EGR в зависимости от нагрузки на двигатель, в систему управления клапаном EGR были добавлены датчики обратного давления. Большинству современных двигателей требуется рециркуляция отработавших газов для соответствия нормам по выбросам. Однако недавние разработки позволили создать двигатели, которые не нуждаются в этой системе. Двигатель Chrysler Pentastar объемом 3.6 литра – один из таких примеров, не требующих EGR.

ЭГР

Выхлопные газы содержат водяной пар и углекислый газ, которые имеют более низкое отношение теплоемкости к воздуху. Добавление выхлопных газов снижает давление и температуру во время изоэнтропического сжатия в цилиндре, тем самым снижая адиабатическую температуру пламени. В типичном автомобильном двигателе с искровым зажиганием (SI) от 5% до 15% выхлопных газов направляется обратно во впускной коллектор в виде EGR. Максимальное количество ограничено необходимостью поддержания непрерывного фронта пламени в смеси во время сгорания; избыточное количество EGR в неправильно настроенных системах может вызывать пропуски зажигания и неполное сгорание. Хотя EGR замедляет сгорание, это в значительной степени можно компенсировать опережением угла опережения зажигания. Влияние EGR на эффективность двигателя во многом зависит от конкретной конструкции двигателя и иногда приводит к компромиссу между эффективностью и выбросами. В определенных ситуациях правильно работающая система EGR теоретически может повысить эффективность бензиновых двигателей за счет нескольких механизмов: снижение дроссельных потерь. Добавление инертного выхлопного газа во впускную систему означает, что для заданной мощности дроссельная заслонка должна открываться больше, что приводит к увеличению давления во впускном коллекторе и снижению дроссельных потерь. Снижение теплоотдачи. Снижение пиковой температуры сгорания не только уменьшает образование отложений, но и снижает потери тепловой энергии на поверхности камеры сгорания, оставляя больше энергии для преобразования в механическую работу во время расширения. Снижение химической диссоциации. Более низкие пиковые температуры приводят к тому, что большая часть выделенной энергии остается в виде полезной тепловой энергии вблизи верхней мертвой точки (ВМТ), а не расходуется (в начале фазы расширения) на диссоциацию продуктов сгорания. Этот эффект незначителен по сравнению с первыми двумя. EGR обычно не используется при высоких нагрузках, поскольку это снижает максимальную мощность. Это связано с уменьшением плотности впускного заряда. EGR также не используется на холостом ходу (низкие обороты, нулевая нагрузка), поскольку это может привести к нестабильному сгоранию и неровной работе двигателя. Поскольку система EGR рециркулирует часть выхлопных газов, клапан со временем может забиваться отложениями углерода, что препятствует его нормальной работе. Забитые клапаны EGR иногда можно очистить, но замена необходима, если клапан неисправен.

The exhaust gas contains water vapor and carbon dioxide which both have lower heat capacity ratio than air. Adding exhaust gas therefore reduces pressure and temperature during the isentropic compression in the cylinder, thereby lowering the adiabatic flame temperature. In a typical automotive spark ignited (SI) engine, 5% to 15% of the exhaust gas is routed back to the intake as EGR. The maximum quantity is limited by the need of the mixture to sustain a continuous flame front during the combustion event; excessive EGR in poorly set up applications can cause misfires and partial burns. Although EGR does measurably slow combustion, this can largely be compensated for by advancing spark timing. The impact of EGR on engine efficiency largely depends on the specific engine design, and sometimes leads to a compromise between efficiency and emissions. In certain types of situations, a properly operating EGR can theoretically increase the efficiency of gasoline engines via several mechanisms:
Reduced throttle losses. The addition of inert exhaust gas into the intake system means that for a given power output, the throttle plate must be opened further, resulting in increased inlet manifold pressure and reduced throttling losses. Reduced heat rejection. Lowered peak combustion temperatures not only reduces formation, it also reduces the loss of thermal energy to combustion chamber surfaces, leaving more available for conversion to mechanical work during the expansion stroke. Reduced chemical dissociation. The lower peak temperatures result in more of the released energy remaining as sensible energy near Top Dead Center (TDC), rather than being bound up (early in the expansion stroke) in the dissociation of combustion products. This effect is minor compared to the first two. EGR is typically not employed at high loads because it would reduce peak power output. This is because it reduces the intake charge density. EGR is also omitted at idle (low speed, zero load) because it would cause unstable combustion, resulting in rough idle. Since the EGR system recirculates a portion of exhaust gases, over time the valve can become clogged with carbon deposits, which will prevent it from operating properly. Clogged EGR valves can sometimes be cleaned, but replacement is necessary if the valve is faulty.

Дизельные двигатели

Поскольку дизельные двигатели зависят от тепла сжатия для воспламенения топлива, они принципиально отличаются от двигателей с искровым зажиганием. Физический процесс сгорания дизельного топлива таков, что наиболее полное сгорание происходит при самых высоких температурах. К сожалению, образование оксидов азота увеличивается при высоких температурах. Таким образом, цель системы EGR – снижение их образования за счет уменьшения температуры сгорания. В современных дизельных двигателях газ EGR обычно охлаждается теплообменником, чтобы обеспечить подачу большей массы рециркулируемого газа. Однако существуют конструкции EGR без охлаждения, которые часто называют рециркуляцией горячих газов (HGR). Компоненты охлаждаемой EGR подвергаются многократным и быстрым изменениям температуры, что может привести к утечке охлаждающей жидкости и катастрофическому выходу двигателя из строя. В отличие от двигателей с искровым зажиганием, дизельные двигатели не ограничены необходимостью наличия непрерывного фронта пламени. Кроме того, поскольку дизельные двигатели всегда работают с избытком воздуха, они выигрывают (с точки зрения снижения выбросов) от показателей EGR до 50%. Однако значение EGR в 50% подходит только для дизельного двигателя на холостом ходу, поскольку в этом случае наблюдается значительный избыток воздуха. Поскольку современные дизельные двигатели часто оснащены дроссельной заслонкой, EGR может уменьшить необходимость в дросселировании, тем самым устраняя этот тип потерь, как и в двигателях с искровым зажиганием. В атмосферном (т.е. без наддува) двигателе такое снижение дросселирования также уменьшает проблему прорыва моторного масла мимо поршневых колец в цилиндр и образования отложений углерода. (Это преимущество применимо только к двигателям без наддува.) В частности, системы EGR в дизельных двигателях имеют серьезные недостатки, одним из которых является сокращение срока службы двигателя. Например, поскольку система EGR направляет выхлопные газы непосредственно обратно во впускной коллектор цилиндра без какой-либо фильтрации, эти газы содержат частицы углерода. И, поскольку эти крошечные частицы абразивны, повторная циркуляция этого материала обратно в цилиндр увеличивает износ двигателя. Это происходит потому, что эти частицы углерода прорываются мимо поршневых колец (вызывая износ поверхности цилиндра в процессе), а затем попадают в масло картера, где они вызывают дальнейший износ по всему двигателю просто потому, что их крошечный размер позволяет им проходить через обычные масляные фильтры. Это позволяет им циркулировать бесконечно (до следующей замены масла). Выхлопные газы, состоящие в основном из азота, углекислого газа и водяного пара, имеют более высокую удельную теплоемкость, чем воздух, поэтому они все еще способствуют снижению пиковой температуры сгорания. Однако добавление EGR в дизель снижает показатель теплоемкости газов сгорания в рабочем ходе. Это уменьшает количество энергии, которое может извлечь поршень, тем самым снижая термодинамическую эффективность. EGR также имеет тенденцию снижать полноту сгорания топлива в рабочем ходе. Это очевидно по увеличению выбросов твердых частиц, которое соответствует увеличению EGR. Частицы (в основном углерод, также известные как сажа), которые не сгорают в рабочем ходе, представляют собой потерю энергии. Из-за более строгих норм по твердым частицам (PM) эффект увеличения сажи от EGR потребовал внедрения дополнительных мер контроля выбросов для компенсации увеличения выбросов PM. Наиболее распространенным устройством для контроля сажи является дизельный сажевый фильтр (DPF), установленный ниже по потоку от двигателя в выхлопной системе. Он улавливает сажу, но приводит к снижению топливной экономичности из-за создаваемого противодавления. Дизельные сажевые фильтры имеют свои собственные специфические требования к эксплуатации и техническому обслуживанию. Во-первых, поскольку DPF улавливает частицы сажи (которые становятся намного более многочисленными из-за использования EGR), сам DPF постепенно заполняется сажей. Затем эту сажу необходимо сжигать, либо активно, либо пассивно. При достаточно высоких температурах компонент диоксида азота в выбросах является основным окислителем сажи, уловленной в DPF при нормальных рабочих температурах. Этот процесс известен как пассивная регенерация, и он лишь частично эффективен для сжигания уловленной сажи. И, особенно при высоких показателях EGR, эффективность пассивной регенерации еще больше снижается. Это, в свою очередь, требует периодической активной регенерации DPF путем сжигания дизельного топлива непосредственно в окислительном катализаторе для значительного повышения температуры выхлопных газов через DPF до точки, где PM сжигается остаточным кислородом в выхлопе. Поскольку дизельное топливо и моторное масло содержат несгораемые (т.е. металлические и минеральные) примеси, сжигание сажи (PM) в DPF оставляет после себя остаток, известный как зола. По этой причине после многократных событий регенерации DPF в конечном итоге необходимо либо физически удалить и очистить в специальном внешнем процессе, либо заменить. Как отмечалось ранее, подача выхлопных газов с низким содержанием кислорода во впускной коллектор дизельного двигателя приводит к снижению температуры сгорания, тем самым снижая выбросы. Замещая часть поступающего свежего воздуха инертными газами, EGR также позволяет двигателю уменьшить количество впрыскиваемого топлива без нарушения идеального соотношения воздух-топливо, тем самым снижая расход топлива в ситуациях с низкой нагрузкой на двигатель (например, при движении накатом или крейсерской скорости). Мощность не снижается за счет EGR в любое время, поскольку EGR не используется в ситуациях с высокой нагрузкой на двигатель. Это позволяет двигателям по-прежнему обеспечивать максимальную мощность при необходимости, но снижать расход топлива, несмотря на большой объем цилиндра, когда частичной нагрузки достаточно для удовлетворения потребностей автомобиля и водителя. EGR не имеет отношения к перенаправлению масляных паров из системы положительной вентиляции картера (PCV), поскольку последняя существует только для снижения выбросов масляных паров и может присутствовать на двигателях с EGR или без нее. Однако трехкомпонентная смесь, полученная в результате использования как EGR, так и PCV в двигателе (т.е. выхлопные газы, свежий воздух и масляный пар), может привести к образованию липкого смолистого осадка во впускном коллекторе и клапанах. Эта смесь также может вызвать проблемы с такими компонентами, как заслонки завихрения, если они установлены. (Эти проблемы, которые фактически принимают форму нежелательной положительной обратной связи, будут усугубляться с возрастом двигателя. Например, по мере прогрессивного износа поршневых колец больше масла из картера будет попадать в выхлопной поток. Одновременно больше топлива, сажи и продуктов сгорания будут попадать в моторное масло.) Конечным результатом рециркуляции как выхлопных газов, так и масляных паров из картера является снова увеличение образования сажи, которое, однако, эффективно компенсируется DPF, который собирает их и в конечном итоге сжигает эти несгоревшие частицы во время регенерации, превращая их в выбросы CO2 и водяного пара, которые, в отличие от газов NOx, не оказывают негативного воздействия на здоровье. Современные охлаждаемые системы EGR помогают снизить износ двигателя, используя отработанное тепло, полученное от рециркулируемых газов, для более быстрого прогрева охлаждающей жидкости и, следовательно, блока двигателя до рабочей температуры. Это также помогает снизить расход топлива за счет сокращения времени после холодных запусков, в течение которого контроллер двигателя должен впрыскивать несколько большее количество топлива в цилиндры для компенсации эффектов конденсации топливного пара на стенках цилиндров и снижения эффективности сгорания из-за того, что блок двигателя все еще ниже идеальной рабочей температуры. Снижение температуры сгорания также помогает снизить окисление моторного масла, поскольку наиболее значимым фактором, влияющим на это, является воздействие масла на высокие температуры. Хотя производители двигателей отказались раскрывать подробности о влиянии EGR на топливную экономичность, правила EPA 2002 года, которые привели к внедрению охлаждаемой EGR, были связаны со снижением эффективности двигателя на 3%, что противоречит тенденции к ежегодному увеличению на 0,5%.

Because diesel engines depend on the heat of compression to ignite their fuel, they are fundamentally different from spark ignited engines. The physical process of diesel fuel combustion is such that the most complete combustion occurs at the highest temperatures. Unfortunately, the production of nitrogen oxides increases at high temperatures. The goal of EGR is thus to reduce production by reducing the combustion temperatures. In modern diesel engines, the EGR gas is usually cooled with a heat exchanger to allow the introduction of a greater mass of recirculated gas. However, uncooled EGR designs do exist; these are often referred to as hot gas recirculation (HGR). Cooled EGR components are exposed to repeated, rapid changes in temperatures, which can cause coolant leak and catastrophic engine failure. Unlike spark ignition engines, diesel engines are not limited by the need for a contiguous flamefront. Furthermore, since diesels always operate with excess air, they benefit (in terms of reduced output) from EGR rates as high as 50%. However, a 50% EGR rate is only suitable when the diesel engine is at idle, since this is when there is otherwise a large excess of air. Because modern diesel engines often have a throttle, EGR can reduce the need for throttling, thereby eliminating this type of loss in the same way that it does for spark ignited engines. In a naturally aspirated (i. e. nonturbocharged) engine, such a reduction in throttling also reduces the problem of engine oil being sucked past the piston rings into the cylinder and causing oil derived carbon deposits there. (This benefit only applies to nonturbocharged engines.) In diesel engines in particular, EGR systems come with serious drawbacks, one of which is a reduction in engine longevity. For example, because the EGR system routes exhaust gas directly back into the cylinder intake without any form of filtration, this exhaust gas contains carbon particulates. And, because these tiny particles are abrasive, the recirculation of this material back into the cylinder increases engine wear. This is so because these carbon particles will blow by the piston rings (causing piston cylinder interface wear in the process) and then end up in the crankcase oil, where they will cause further wear throughout the engine simply because their tiny size passes through typical oil filters. This enables them to be recirculated indefinitely (until the next oil change takes place). Exhaust gas—which consists largely of nitrogen, carbon dioxide, and water vapor—has a higher specific heat than air, so it still serves to lower peak combustion temperatures. However, adding EGR to a diesel reduces the specific heat ratio of the combustion gases in the power stroke. This reduces the amount of power that can be extracted by the piston, thereby reducing the thermodynamic efficiency. EGR also tends to reduce the completeness of fuel combustion during the power stroke. This is plainly evident by the increase in particulate emissions that corresponds to an increase in EGR. Particulate matter (mainly carbon and also known as soot) that is not burned in the power stroke represents wasted energy. Because of stricter regulations on particulate matter (PM), the soot increasing effect of EGR required the introduction of further emission controls in order to compensate for the resulting PM emission increases. The most common soot control device is a diesel particulate filter (DPF) installed downstream of the engine in the exhaust system. This captures soot but causes a reduction in fuel efficiency due to the back pressure created. Diesel particulate filters come with their own set of very specific operational and maintenance requirements. Firstly, as the DPF captures the soot particles (which are made far more numerous due to the use of EGR), the DPF itself progressively becomes loaded with soot. This soot must then be burned off, either actively or passively. At sufficiently high temperatures, the nitrogen dioxide component of emissions is the primary oxidizer of the soot caught in the DPF at normal operating temperatures. This process is known as passive regeneration, and it is only partially effective at burning off the captured soot. And, especially at high EGR rates, the effectiveness of passive regeneration is further reduced. This, in turn, necessitates periodic active regeneration of the DPF by burning diesel fuel directly in the oxidation catalyst in order to significantly increase exhaust gas temperatures through the DPF to the point where PM is incinerated by the residual oxygen in the exhaust. Because diesel fuel and engine oil both contain nonburnable (i. e. metallic and mineral) impurities, the incineration of soot (PM) in the DPF leaves behind a residue known as ash. For this reason, after repeated regeneration events, eventually the DPF must either be physically removed and cleaned in a special external process, or it must be replaced. As noted earlier, the feeding of the low oxygen exhaust gas into the diesel engine's air intake engenders lower combustion temperatures, thereby reducing emissions of By replacing some of the fresh air intake with inert gases EGR also allows the engine to reduce the amount of injected fuel without compromising ideal air fuel mixture ratio, therefore reducing fuel consumption in low engine load situation (for ex. while the vehicle is coasting or cruising). Power is not reduced by EGR at any times, as EGR is not employed in high load engine situations. This allows engines to still deliver maximum power when needed, but lower fuel consumption despite large cylinder volume when partial load is sufficient to meet the power needs of the car and the driver. EGR has nothing to do with oil vapor re routing from a positive crankcase ventilation system (PCV) system, as the latter is only there to reduce oil vapor emissions, and can be present on engines with or without any EGR system. However, the tripartite mixture resulting from employing both EGR and PCV in an engine (i. e. exhaust gas, fresh air, and oil vapour) can cause the buildup of sticky tar in the intake manifold and valves. This mixture can also cause problems with components such as swirl flaps, where fitted. (These problems, which effectively take the form of an undesirable positive feedback loop, will worsen as the engine ages. For example, as the piston rings progressively wear out, more crankcase oil will get into the exhaust stream. Simultaneously, more fuel and soot and combustion byproducts will gain access to the engine oil.) The end result of this recirculation of both exhaust gas and crankcase oil vapour is again an increase in soot production, which however is effectively countered by the DPF, which collects these and in the end will burn those unburnt particles during regeneration, converting them into CO2 and water vapour emissions, that unlike NOx gases have no negative health effects. Modern cooled EGR systems help reduce engine wear by using the waste heat recouped from the recirculated gases to help warm the coolant and hence the engine block faster to operating temperature. This also helps lower fuel consumption through reducing the time after cold starts during which the engine controller has to inject somewhat larger amounts of fuel into the cylinders to counter the effects of fuel vapor condensation on cylinder walls and lowered combustion effectiveness because of the engine block still being below ideal operating temperature. Lowering combustion temperatures also helps reducing the oxidization of engine oil, as the most significant factor affecting that is exposure of the oil to high temperatures. Although engine manufacturers have refused to release details of the effect of EGR on fuel economy, the EPA regulations of 2002 that led to the introduction of cooled EGR were associated with a 3% drop in engine efficiency, thus bucking the trend of a 0.5% annual increase.