Егр в бензиновом двигателе что это такое: Рециркуляция отработавших газов. Что такое EGR? Автомобильный портал 5 Колесо — dvd-auto.ru — Штатные головные устройства c GPS навигацией

Содержание

Система ЕГР в дизельном двигателе что это такое | 🚘Авто Новости Онлайн

Содержание

Основные задачи, преследуемые системой ЕГР
Функции клапана рециркуляции газов
Особенности дизельных и карбюраторных клапанов ЕГР
Принцип действия системы рециркуляции
Системы рециркуляции дизельных двигателей
Системы рециркуляции низкого давления
Система рециркуляции комбинированного типа
Неисправности в системах EGR и причины их появления

В связи с повышенными требованиями экологов к дизельным и карбюраторным двигателям, с целью снижения уровня оксидов азота в выхлопных газах, применяется система рециркуляции ЕГР (EGR — ExhaustGasRecirculation). В соответствии с различными требованиями, выдвигаемыми стандартами, отслеживающими токсичность отработавших газов, система ЕГР в дизельном двигателе имеет несколько разновидностей:

Основные задачи, преследуемые системой ЕГР

При использовании клапана системы часть газов, отработавших цикл, возвращается через впускной коллектор для последующего сжигания. При этом силовые агрегаты работают более мягко и плавно, в бензиновых моторах отмечается ощутимое снижение уровня детонации.

Преимущества применения рециркуляционной системы:

Улучшение эксплуатационных показателей дизельных и бензиновых ДВС.
Снижение расхода горючего.
Уменьшение токсичности выхлопных газов.

Процесс образования вредных оксидов под воздействием высоких температур состоит из следующих этапов:

Возврат во впускной коллектор части отработавших газов способствует заметному снижению температуры сгорания топливных смесей. С понижением температуры происходит уменьшение интенсивности возникновения азотных оксидов.

При попадании в камеру сгорания газов, прошедших полный цикл, не нарушает количественный баланс основных компонентов, участвующих в создании топливно-воздушныхсмесей, мощностные показатели силовых агрегатов не изменяются при работе в различных режимах, топливо экономится.

Функции клапана рециркуляции газов

Клапан ЕГР в дизельном двигателе является основным элементом системы рециркуляции. На его работе основано функционирование всей системы. При помощи данного устройства отработавшие газы частично входят в коллектор для перемешивания с поступающим воздухом. Увеличение количества кислорода в камере приводит к возрастанию температуры сгорания рабочей смеси. Добавленные отработавшие газы позволяют уменьшить процент содержания кислорода, что способствует снижению рабочей температуры и количества азотных оксидов в выхлопных газах.

Особенности дизельных и карбюраторных клапанов ЕГР

Работа клапановEGR в дизельных и бензиновых двигателях имеет определенные отличия. В дизельных силовых агрегатах устанавливается клапан, открывающийся на холостом ходу, при этом количество впускаемого свежего воздуха уменьшается вдвое. При увеличении нагрузок на мотор ЕГР впускает меньше отработанных газов, при пиковых нагрузках клапан закрывается. Закрывание клапана происходит также и при прогреве дизеля.

Клапан EGR, установленный на бензиновом движке, при холостых оборотах и до достижения максимального крутящего момента находится в закрытом положении. При малых и средних нагрузках ЕГР впускает менее 10% кислорода.

Принцип действия системы рециркуляции

Принцип работы системы рециркуляции — замкнутый контур. Клапан ЕГР управляется за счет электрического контроллера или электронно пневматическим методом. При первом решении система получает данные на контроллер двигателя внутреннего сгорания со специального датчика. Во втором варианте клапан EGR на основании данных регулируется в зависимости от показаний, полученных с датчиков давления впускного коллектора, массового расхода воздуха, температуры впускаемого воздуха.

При улучшенной конструкции силовых агрегатов, где отработавшие газы усиленно охлаждаются при рециркуляции, клапан ЕГР встроен внутрь системы охлаждения. При этом несмотря на более сложную конструкцию системы, количество оксидов снижается намного эффективнее.

В процессе эксплуатации моторов, оснащенных клапаномEGR, выявляются следующие преимущества:

В бензиновых двигателях в районе расположения дроссельной заслонки наблюдается уменьшенный перепад давления.
Снижение температуры приводит к уменьшению детонаций, что позволяет применять более ранний момент зажигания, улучшающий моментные характеристики ДВС.
В работе дизеля с EGR появляется мягкость, снижается уровень шума на холостых оборотах, благодаря уменьшенному содержанию кислорода при сгорании топливной смеси.

Системы рециркуляции дизельных двигателей

Для обеспечения соответствия дизельных двигателей нормам Евро 4 их оборудуют клапанами EГР высокого давления. Согласно международным нормам допустимое количество азотных оксидов в отработавших газах должно составлять не выше 0,25 г/км.

Принцип работы системы рециркуляции состоит в отборе отработавших газов перед входом в турбину, перенаправляя их в специальный канал, ведущий к впускному коллектору.

Система рециркуляции состоит из следующих элементов:

Из выпускной системы клапан EGR забирает часть отработавших газов и направляет их на впускной коллектор.

Для работы клапана пневматического вида создается разрежение в районе впускного коллектора бензинового силового агрегата. В дизелях разрежение воздуха происходит благодаря работе вакуумного насоса. Вследствие образовавшегося вакуума происходит срабатывание клапана рециркуляции.

Интенсивность рециркуляции зависит от режима работы двигателя, от перепада давления на впускном и выпускном коллекторах. Впускная система управляет давлением при помощи изменения положения дроссельной заслонки. При низком давлении на впуске заслонка дросселя находится в закрытом положении. Чем больше интенсивность рециркуляции, тем меньший поток отработавших газов, направляемых к турбокомпрессору.

Активная рециркуляция приводит к падению давления турбонаддува в дизеле, оборудованном системой EGR. При работе дизеля на холостых оборотах, при полном открытии дроссельной заслонки, до полного прогревания мотора и достижения рабочих значений температуры система EGR находится в режиме низкой активности.

Работу системы ЕГР в дизельном двигателе контролирует электронный блок управления силового агрегата. Клапан начинает свою работу при поступлении управляющего сигнала с ЭБУ, который регулирует открытие дроссельной заслонки в соответствии с показаниями датчика потенциометрического.

Системы рециркуляции низкого давления

Для соответствия требованиям стандарта Евро 5 дизельным двигателям необходимо иметь количество оксида азота в выхлопных газах не выше 0,18 г/км. В таких дизельных моторах установлена система EGR, относящаяся к типу низкого давления. Здесь газы следуют по определенному циклу:

Использование системы EGR, относящейся к виду низкого давления, приводит к появлению следующих положительных факторов:

снижается процент содержания сажевых элементов;
заметно понижается температура отработавших газов;
резко сокращается процентное содержание оксидов азота в выхлопе.

Прохождение отработавших газов через устройство турбокомпрессора стабилизирует давление турбинного наддува, что способствует сохранению мощности дизельного силового агрегата без потерь.

Электронный блок управления дизеля следит за интенсивностью процессов рециркуляции посредством следующих устройств:

заслонка дроссельная;
заслонка клапана рециркуляции;
заслонка выпускная.

Работа всех заслонок обеспечена электрическим приводом. При помощи потенциометрического датчика производится контроль за открытием каждой заслонки на определенную величину в соответствии со специальной программой, зашитой в ЭБУ. При этом отслеживается степень наполнения каждого цилиндра движка, давление турбонаддува и интенсивность действия EGR в каждом рабочем режиме дизельного двигателя.

Система рециркуляции комбинированного типа

Дизельные двигатели, чтобы соответствовать требованиям Евро 6, которые требуют иметь количественный состав оксида азота в выхлопных газах не превышающий 0,08 г/км, оборудованы комбинированной системой рециркуляции.

Наличие двух обособленных магистралей в конструкции для рециркуляции отработавших газов отличает данную систему от предыдущих вариантов. Одна магистраль — высокого давления, другая — низкого. Принцип работы комбинированной системы напоминает действие системы, применяемой в моторах, соответствующих требованиям Евро 5. В дополнение к этому осуществляется подвод газов из магистрали с высоким давлением, подключающаяся при переходе на определенные режимы работы двигателя.

Главная задача — это как можно эффективнее снизить уровень азотных оксидов в выхлопных газах.

Конструкцией комбинированной системы не предусмотрено охлаждениев радиаторе отработавших газов, которые находятся в магистрали высокого давления.

Неисправности в системах EGR и причины их появления

Самой распространенной причиной поломок в системе является возникновение нагара на деталях клапана ЕГР. Наиболее часто нагар образуется в гнезде или на поверхности пластины клапана. К образованиям вредных налетов приводят следующие причины:

использование горючего низкого качества;
разбалансированность работы системы питания дизеля;
неполное сгорание воздушно-топливных смесей;
сбои в системе вентиляции газов картерных.

Наличие нагаров приводит к ускоренному износу элементов турбокомпрессора ицилиндро-поршневой группы, закоксовке форсунок инжектора, сбоям в функционировании датчиков, передающих информацию в электронный блок управления (ЭБУ), что ведет к сбоям сигналов, управляющих работой клапана ЕГР. Засорение клапана ведет к некорректной работе и дальнейшему его заклиниванию.

Несвоевременное открытие и закрытие клапана особенно заметно при работе дизеля на холостых оборотах, при заклинивании теряется мощность, работа становится более грубой и шумной.У бензиновых двигателей заклинивание клапана EGRприводит к неустойчивой работе мотора вхолостую, а также к увеличению расхода горючего.

Чтобы выявить неисправности в системе рециркуляции необходимо визуально осмотреть трубопроводы, электрические разъемы в районе датчиков.

При углубленной диагностике производятся следующие операции:

сканирование элементов системы;
проверка на функциональность каждого привода и клапана ЕГР;
проверка сопротивления проводов;
управляющие сигналы проверяются при помощи осциллографа и мультиметра.

При сканировании может быть выявлено, что впускное давление не соответствует норме, а также расход воздуха повышен — это означает, что клапанEGR заклинивает.

При замене клапана необходимо предварительно произвести тщательную очистку подводящих магистральных трубок, разъемов, чтобы нагар, оставшийся после замены, не привел к новым неисправностям в системе рециркуляции отработавших газов.

Источник

EGR в бензиновом двигателе и экономия топлива?

Нашел пресс-релиз, посвященный выходу Jeep Liberty 2007 модельного года: 2007 CHRYSLER GROUP PRODUCT INFORMATION, WHAT’S NEW FOR ’07

Про двигатель:

3.7-liter SOHC V-6
The 3.7-liter, single-overhead-cam (SOHC), V-6 engine is standard on the 2007 Jeep Liberty. It produces 210 hp (157 kW) @ 5,200 rpm and 235 lb.-ft. (319 N•m) of torque @ 4,000 rpm. The valve train and combustion chamber work together as a system to enhance low-speed torque while providing a smooth idle and minimal engine noise. A sophisticated Electronic Throttle Control system tailors throttle response to pedal movement based on operating conditions, and maintains a consistent vehicle speed on rolling grades when cruise control is active.

New on the 3.7-liter engine for 2007 is an exhaust gas recirculation, valve which helps increase fuel economy.

В общем-то, об этом уже упоминал. Новым стало появление электроуправляемой дроссельной заслонки и системы EGR (рециркуляции выхлопных газов).

Но обратите внимание на последнее предложение: New on the 3.7-liter engine for 2007 is an exhaust gas recirculation, valve which helps increase fuel economy. Заявляется, что появление EGR должно улучшить экономию топлива. Это правда или нет?

Основное предназначение EGR — это уменьшение содержания оксидов азота в выхлопе. Для этого выхлопные газы используются в качестве «разбавителя» поступающей топливной смеси, уменьшая содержание кислорода, понижая температуру сгорания.

Основное влияние EGR на экономию топлива за счет снижения насосных потерь на дроссельной заслонке бензиновых двигателей (при ее наличии, конечно, и нахождении в рабочем положении). Во-первых, сама по себе подача выхлопных газов во впускной коллектор уменьшает перепад давления на заслонке.

Во-вторых, в режиме EGR уменьшается мощность двигателя, что принуждает открывать заслонку еще больше, тем самым дополнительно снижая насосные потери.

Здесь хочется сделать отступление. Многие знают про существование двигателей, у которых отключаются цилиндры. Понятно, что отключение цилиндров связано с локальным отключением системы впрыска топлива и зажигания. Но многие удивляются, что именно само отключение цилиндров производится удержанием клапанов в закрытом состоянии (об этом упоминал в описании MDS моторов Hemi). Можно подумать, что холостое сжатие воздуха при движении поршня — это затратная операция, но реально насосные потери на дроссельной заслонке гораздо больше. Через отключенные цилиндры смесь не прокачивается, а падение мощности вызывает дополнительное открытие заслонки, что уменьшает суммарные насосные потери и приводит к экономии бензина.

Если вернуться к EGR, то кроме снижения насосных потерь еще может помогать уменьшение вероятности детонации, что позволяет использовать более ранний угол зажигания.

Поэтому, да, использование EGR теоретически приводит к уменьшению расхода бензина, но практический эффект зависит от реализации и настроек. Но, в принципе, у меня есть такое стойкое подозрение, что PowerTech V6 3.7 именно в версии 2007+ все же немного экономичнее своих предшественников. Хотя, конечно, добавление EGR и «электронной» заслонки усложняет конструкцию двигателя, но упрощает реализацию ESP и круиз-контроля, а так же можно порадоваться отсутствию клапана холостого хода (IAC).

Преимущества системы рециркуляции отработавших газов с охлаждением для бензиновых двигателей

Эта статья также появляется в

Подписаться »

Две общие конфигурации системы рециркуляции отработавших газов с охлаждением, протестированные Mahle Behr на бензиновом двигателе объемом 1,2 л.

2014-09-17 Брюс Мори

Посмотреть галерею »

«Системы EGR (рециркуляции отработавших газов), используемые в настоящее время на дизельных двигателях, использовались для соблюдения норм выбросов. В бензиновых двигателях мы считаем, что они являются идеальным способом соответствовать более строгим стандартам экономии топлива», — пояснил Мартин Бауэр, директор по развитию компонентов двигателя в Mahle Behr USA, в интервью

Автомобилестроение .

Системы рециркуляции отработавших газов отводят часть выхлопных газов двигателя и смешивают их обратно с потоком свежего всасываемого воздуха. Смешивание выхлопных газов с всасываемым воздухом снижает температуру и скорость горения. Это улучшает выбросы за счет уменьшения образования NOx. Это также снижает предел детонации, обеспечивая лучшую экономию топлива за счет более высоких степеней сжатия и/или опережения зажигания.

Охлаждение выхлопных газов перед их смешиванием с впускным потоком в специальном теплообменнике дополнительно снижает выбросы и предел детонации. По оценкам Бауэра, система рециркуляции отработавших газов с охлаждением может улучшить среднюю экономию топлива с 2% до 5%, если судить по текущим ездовым циклам, используемым регулирующими органами.

«Мы особенно видим улучшения от охлаждаемой EGR для бензиновых двигателей уменьшенного размера, которые оснащены турбонаддувом и используют непосредственный впрыск», — сказал он. Это потому, что такие двигатели предназначены для работы при более высоких нагрузках и скоростях. Это предел детонации рабочей области, и обогащение смеси серьезно влияет на экономию топлива.

Другим потенциальным применением являются двигатели, используемые в гибридных электромобилях. Как правило, эти двигатели с циклом Аткинсона также работают при высоких нагрузках и скоростях, хотя обычно они не оснащены турбонаддувом и не используют непосредственный впрыск.

Чтобы лучше понять преимущества системы рециркуляции отработавших газов с охлаждением, компания Mahle Behr провела серию испытаний трехцилиндрового 1,2-литрового бензинового двигателя с непосредственным впрыском топлива и турбонаддувом со степенью сжатия 9,3:1. Испытательный двигатель развивает пиковую мощность 120 кВт (161 л.с.

) и крутящий момент 286 Н·м (211 фунт-фут). Инженеры сравнили два типа охлаждаемых EGR: систему высокого давления, которая отводит выхлопные газы до того, как они приведут в действие турбину турбонагнетателя, и систему низкого давления, которая отводит выхлопные газы после турбины турбокомпрессора.

Охлаждаемое устройство рециркуляции отработавших газов представляет собой сваренную лазером конструкцию, аналогичную тем, которые компания поставляет для дизельных двигателей. Его размеры составляют 2 x 1,5 x 8 дюймов (50,8 x 38 x 203 мм) и обычно весят 1,4 фунта (0,63 кг). Устройство изготовлено из коррозионностойкой нержавеющей стали марки 300 или 400.

«Мы обнаружили, что система рециркуляции отработавших газов с охлаждением под низким давлением показала улучшение по всей рабочей карте скорости/нагрузки», — сказал Бауэр, с максимальным улучшением на максимальной скорости и нагрузке на 9 % экономии топлива. Система рециркуляции отработавших газов с охлаждением под высоким давлением продемонстрировала еще лучшее максимальное снижение, а также на 18 % лучшую экономию топлива при максимальной скорости и нагрузке.

Однако он смягчил этот вывод, заявив, что средняя экономия топлива, измеренная в четырех различных ездовых циклах (NEDC, WLTP, Artemis и MPT-HLC), на самом деле была лучше для EGR с охлаждением низкого давления.

«Мы прогнозируем, что более новые ездовые циклы, такие как WLTP или Artemis, будут иметь более высокую долю высокой нагрузки и высоких оборотов двигателя, а это означает, что в результате охлаждаемый EGR обеспечит преимущества в большей экономии топлива», — сказал он.

Продолжить чтение »

Использование одностороннего клапана для оптимизации производительности турбонагнетателя в двигателе со смешанной системой рециркуляции отработавших газов

Введение

Все более ужесточающиеся нормы выбросов в отрасли дизельных двигателей привели к исследованиям в области технологии рециркуляции отработавших газов (EGR) для уменьшения выхода двигателя из строя NO _X . Термическое, химическое и разбавляющее воздействие рециркуляции отработавших газов помогает снизить выбросы NO _X в двигатель. Традиционно в этом приложении на протяжении нескольких десятилетий использовалась система рециркуляции отработавших газов высокого давления (Park et al., 2014). Различные компоновки EGR были опробованы для проверки их влияния на производительность и выбросы двигателя (Mao et al., 2015; Zheng et al., 2004; Vitek et al., 2008) и концепция двойного контура, которая включает в себя высокую Из них рождается контур EGR с давлением (HP-EGR) и контур EGR с низким давлением (LP-EGR).

В системе LP-EGR выхлопные газы удаляются со стороны низкого давления турбины и подаются на сторону низкого давления компрессора (рис. 1А). Основное преимущество системы LP-EGR заключается в том, что турбина согласована, и, следовательно, перепад давления в двигателе не изменяется. Поскольку размер компрессора может отличаться от размера турбины, система LP-EGR может обеспечить большое количество EGR, особенно при низких скоростях и условиях высокой нагрузки (Williams et al. , 2017). Кроме того, поскольку линия подачи LP-EGR длиннее, чем у HP-EGR, смешивание газа LP-EGR и свежего воздуха улучшается, что приводит к более однородной смеси в цилиндрах. По сравнению с системой HP-EGR, система LP-EGR также оказывает меньшее влияние на энтальпию на входе в турбину, поскольку скорость EGR варьируется. Таким образом, изменение скорости вращения турбонагнетателя, эффективности компрессора и PMEP минимально по мере увеличения скорости EGR, и, как правило, может быть достигнуто более высокое давление наддува (Mao et al., 2015; Maiboom et al., 2010). Благодаря достаточному расширению через турбину потребность в охлаждении системы LP-EGR ниже, а распределение EGR на цилиндр лучше, чем в системе HP-EGR (van Aken et al., 2007; Torregrosa et al., 2006). ). Кроме того, LP-EGR еще раз охлаждается (по сравнению с HP-EGR) через промежуточный охладитель, что приводит к более низким температурам в коллекторе (Jun et al., 2007). Однако потенциальная проблема с двигателем, работающим только на LP-EGR, заключается в том, что EGR всегда будет проходить через CAC, где может произойти конденсация и выпадение воды. Вода может мешать работе двигателя, если она конденсируется в больших количествах.

РИСУНОК 1 . Схема системы (A, слева) LP-EGR и (B, справа) HP-EGR.

Система HP-EGR, с другой стороны, полностью заключена в части высокого давления воздушной системы, до турбины и после компрессора (рис. 1B). По мере увеличения HP-EGR противодавление выхлопных газов уменьшается. Эта система основана на положительном градиенте давления для направления EGR к впускному коллектору. Во время стехиометрической работы, когда впуск дросселируется, давление во впускном коллекторе может быть ниже, чем давление выхлопа, создавая таким образом эффект вакуума, который заставляет EGR течь без помощи дополнительного противодавления. Система HP-EGR более широко используется в дизельных двигателях из-за более простой компоновки, меньшего эффекта загрязнения компрессора и лучшей реакции EGR, чем другие системы EGR. С увеличением скорости HP-EGR в условиях частичной нагрузки противодавление выхлопных газов уменьшается, что приводит к уменьшению разницы давлений между впуском и выпуском. Это помогает снизить насосные потери, связанные с уменьшением расхода топлива (Williams et al., 2017; van Aken et al., 2007).

Юго-Западный научно-исследовательский институт (SwRI) постоянно исследует новые концепции технологии двигателей в рамках нескольких внутренних исследовательских программ и Консорциума высокоэффективных бензиновых двигателей (HEDGE™). Предыдущие исследования HEDGE-II показали, что попытки согласования одного турбокомпрессора или нагнетателя с двигателем типа HEDGE оказались трудными (Joo et al., 2012). Когда оборудование повышения давления было настроено для работы на низкой скорости, диапазон расхода ограничивает работу на высокой скорости. И наоборот, при работе на высоких скоростях системы наддува были неспособны обеспечить высокие отношения давления, необходимые для работы на низких скоростях. Было высказано предположение, что двигатель HEDGE с системой HP-EGR и LP-EGR может соответствовать требованиям кривой крутящего момента с одним турбокомпрессором. Одно из предыдущих исследований (Alger et al., 2005) было проведено на бензиновом двигателе с различными степенями сжатия и конфигурациями EGR при различных скоростях и режимах нагрузки: HP-EGR с 17,5:1 CR, LP-EGR и HP-EGR. Системы рециркуляции отработавших газов с внешним наддувом при CR 12,5: 1. Исследование показало, что концепция HEDGE имеет потенциал для достижения почти таких же показателей экономии топлива, как дизельный двигатель, оборудованный для соответствия уровням выбросов MY2002/2004. Другое исследование (Mao et al., 2015), проведенное на дизельном двигателе большой мощности, показало, что двухконтурная система рециркуляции отработавших газов способна обеспечить наилучшую тепловую эффективность тормозов (BTE) и выбросы. Это произошло потому, что система рециркуляции отработавших газов с двойным контуром работала с оптимальным компромиссом между общим тепловым КПД и насосными потерями, а самые низкие выбросы были связаны с надлежащей задержкой воспламенения и коэффициентом эквивалентности. Во время этого исследования система HP-EGR могла работать наилучшим образом, когда уровень EGR был ниже 22,5%, следовательно, для системы EGR с двойным контуром контур LP-EGR включался, когда уровень EGR превышал 22,5%, а уровень LP — Доля EGR увеличилась с увеличением требуемой EGR.

При работе двигателя с системой HP-EGR было замечено наличие значительного обратного потока через контур HP-EGR. В результате этого обратного потока чистый EGR, подаваемый в цилиндры, был ниже заданного. Чтобы решить эту проблему, в систему HP-EGR был встроен односторонний клапан, который помог предотвратить этот обратный поток и привел к более высокой чистой доле EGR при сохранении разумных положений привода. В этом исследовании задокументированы подходы, использованные при настройке базового двигателя для работы со смешанными системами EGR (HP-EGR и LP-EGR), а также всесторонняя оценка использования одностороннего клапана для предотвращения обратного потока, возникающего во время работы HP-EGR.

Подход

Технические характеристики двигателя и условия эксплуатации

В этом проекте для демонстрации характеристик смешанной системы рециркуляции отработавших газов использовался 2,0-литровый двигатель KIA G4KH для легких условий эксплуатации. Технические характеристики двигателя приведены ниже в Таблице 1. Максимальная нагрузка серийного двигателя G4KH составляет 23 бар BMEP и 205 кВт.

ТАБЛИЦА 1 . Характеристики двигателя.

Уровень удельной мощности этого двигателя находится в диапазоне от среднего до высокого, однако поддержание такой высокой производительности с рециркуляцией отработавших газов было маловероятным. Следовательно, цель состояла в том, чтобы поддерживать постоянное BMEP 20 бар в диапазоне от 2000 до 5000 об/мин и производить 85 кВт/л при 6000 об/мин (достигается при BMEP 17 бар). Предлагаемая скорость рециркуляции отработавших газов 25% будет работать со стехиометрической заправкой во всех точках, но допускается снижение рециркуляции отработавших газов для достижения целевого показателя BMEP и стабилизации процесса сгорания. Один турбонагнетатель был адаптирован для удовлетворения требований к крутящему моменту на низких скоростях при работе с LP-EGR, чтобы сохранить возможности продувки. Предполагалось, что на высоких скоростях тот же турбокомпрессор сможет удовлетворить требования к крутящему моменту на высоких скоростях при работе с HP-EGR. На рис. 2 показана базовая линия и предлагаемая кривая крутящего момента.

РИСУНОК 2 . Базовые и предлагаемые кривые производительности.

Установка двигателя и базовые испытания

Двигатель был установлен вместе с блоком управления двигателем (ECU), предоставленным Hyundai Motor Company (HMC), который был загружен производственной калибровкой для проведения всех операций обкатки двигателя и для базовых испытаний двигатель. Двигатель был проверен на соответствие ожидаемому удельному расходу топлива при торможении (BSFC) в более чем 50 различных рабочих точках. Также была проверена кривая крутящего момента до 6000 об/мин. В качестве основы для будущих сравнений BSFC использовались восемь конкретных рабочих условий скорости нагрузки (показаны в таблице 2).

ТАБЛИЦА 2 . Измеренный BSFC в условиях теста HEDGE.

После проверки двигателя на испытательном стенде модель GT-Power, отправленная HMC, была проверена в соответствии с результатами двигателя. Затем модель была модифицирована, чтобы включить систему HP-EGR с набором клапанов горячей и холодной сторон, систему LP-EGR и подходящий турбонагнетатель. Первоначально турбокомпрессор OEM был масштабирован в модели, чтобы показать, что он может соответствовать целевым кривым выступа с конфигурацией Blended EGR. Затем эти результаты были использованы для подбора возможных турбокомпрессоров к двигателю. В дальнейшем в исследовании использовался увеличенный турбокомпрессор GT2056, предоставленный Garrett Turbochargers (ранее Honeywell).

Все полученные результаты были получены при целевом режиме рециркуляции отработавших газов 25 %, за исключением 2 000 об/мин и ниже, где скорость рециркуляции отработавших газов была снижена до 15 % для достижения целевого значения BMEP. Номинальная мощность 90 кВт/л (по сравнению с предлагаемой целью 85 кВт/л) была достигнута при номинальной мощности 6 000 об/мин, 18 бар BMEP и 25 % рециркуляции отработавших газов.

На рис. 3 показано, как две системы рециркуляции отработавших газов объединяются для удовлетворения общих требований к системе рециркуляции отработавших газов двигателя при полной нагрузке. При 2000 об/мин EGR обеспечивалась исключительно системой LP-EGR. Поскольку давление на входе в турбину увеличилось и потребовалось перепускание выхлопных газов через перепускной клапан, был использован HP-EGR. Общая стратегия управления EGR заключалась в том, чтобы использовать как можно больше HP-EGR при открытом перепускном клапане (рис. 4). Это связано с тем, что HP-EGR имеет меньшие насосные потери, связанные с его работой, поскольку он использует перепад давления для привода EGR.

РИСУНОК 3 . Смешанный EGR из систем HP-EGR и LP-EGR.

РИСУНОК 4 . Диаметр вестгейта при полной нагрузке.

Особое внимание уделялось характеристикам компрессора, чтобы определить, приводит ли стратегия рециркуляции отработавших газов к нежелательным рабочим областям, а именно к дросселированию или помпажу. Помпаж наиболее вероятен при низкой скорости и более высокой нагрузке, когда массовый расход низок, но степень повышения давления высока. Дроссель возникает при более высоких массовых расходах, когда компрессор достигает физического предела массового расхода. На Рис. 5 (СЛЕВА) показана смешанная рабочая область рециркуляции отработавших газов на базовом (стандартном) компрессоре (данные являются собственностью компании, поэтому значения степени сжатия, скорости, массового расхода и эффективности скрыты). Ключевым выводом из рисунка является то, что смешанная работа рециркуляции отработавших газов с базовым компрессором привела его к нежелательным рабочим областям дросселирования и помпажа, поэтому для этого исследования использовался другой компрессор (масштабированный по массовому расходу).

РИСУНОК 5 . Смешанные рабочие точки EGR на карте (СЛЕВА) базового/стандартного компрессора и на карте эффективности (ПРАВО) нового компрессора.

Стратегия смешанной системы рециркуляции отработавших газов позволяла одному турбонагнетателю работать в широком диапазоне скоростей. На высоких скоростях HP-EGR уменьшал массовый поток через турбонагнетатель, позволяя использовать турбонагнетатель меньшего размера по сравнению с использованием LP-EGR на высоких скоростях. Стратегия LP-EGR на низких скоростях увеличила массовый поток через турбонагнетатель по сравнению с HP-EGR. Более высокий массовый расход вызывал большую работу расширения в турбине, что приводило к более низкому наддуву и смещению рабочей точки компрессора вправо (в сторону от помпажа). На рис. 5 (справа) показаны рабочие точки нового компрессора (масштабированная модель Garrett Turbochargers), указывающие на то, что поток не попадает в области помпажа и дросселирования, как это было с базовым компрессором. Этот запас будет сохранен, если EGR будет заменен на свежий воздух, чтобы работать с более высоким BMEP.

Преобразование смешанного EGR

После проведения базовых испытаний и проверки модели были предприняты шаги по изменению конфигурации для соответствия стратегии смешанного EGR. Начальная часть этапа включала установку контуров LP-EGR и HP-EGR (с клапанами и охладителями). Система HP-EGR состояла из клапанов горячей и холодной сторон, охладителей EGR и одностороннего клапана. Оба набора клапанов были независимо оценены при моделировании и на двигателе, и было обнаружено, что при наличии клапанов горячей стороны через турбину проходит более высокий массовый расход, что приводит к большему наддуву и более высоким нагрузкам, достигаемым во время работы LP-EGR. . Из-за этого повышения производительности клапаны горячей стороны были выбраны в конфигурации HP-EGR. Требования к системе зажигания увеличились с увеличением разбавления из-за EGR. Таким образом, штатная система зажигания была заменена прототипом системы зажигания BorgWarner Dual Coil Ignition (DCI), в которой используется технология Dual Coil Offset (DCO™), ранее разработанная SwRI (Alger et al., 2011). На рис. 6 показана полная схема смешанной конфигурации EGR.

РИСУНОК 6 . Смешанная конфигурация EGR.

Производственный контроллер, использовавшийся для начальной обкатки и проверки, не был способен управлять двойными контурами рециркуляции отработавших газов, поэтому двигатель был переведен на специальный контроллер с полными полномочиями на основе cRIO (Compact Reconfigurable Input Output) от National Instruments. cRIO был сконфигурирован для работы EGR, впускных ограничительных клапанов и системы DCI. Впускной ограничительный клапан использовался для привода LP-EGR на низких скоростях, когда давление впуска было выше, чем давление выхлопа. При установке смешанных компонентов EGR была выполнена проверка контроллера SwRI. Результаты этого тестирования сравнивались с данными, собранными с помощью базового/базового контроллера (Таблица 2), чтобы гарантировать, что характеристики двигателя могут быть воспроизведены в восьми точках HEDGE. Полученная разница между штатным контроллером и контроллером SwRI, как видно на рисунке 7, показывает, что характеристики двигателя соответствуют ожидаемым допускам.

РИСУНОК 7 . BSFC Разница в процентах между базовым (стандартным) контроллером и контроллером SwRI.

За проверкой контроллера SwRI последовало дальнейшее моделирование и испытания двигателя для полной смешанной системы EGR. Во время испытаний было замечено, что имеется достаточный обратный поток всасываемого топлива через систему HP-EGR. В некоторых рабочих точках этот обратный поток не позволял рециркуляции отработавших газов поступать в цилиндр. В следующем разделе подробно рассказывается об использовании одностороннего клапана для предотвращения этого обратного потока.

Односторонний клапан

Как указывалось ранее, во время работы HP-EGR мгновенные пульсации давления будут возвращать всасываемый заряд обратно через контур HP-EGR. Этот обратный поток создавал более высокие пиковые значения массового расхода через контур HP-EGR и ограничивал максимальное количество HP-EGR. В некоторых рабочих условиях перепад давления между впускным и выпускным коллектором не позволял потоку HP-EGR, и главный дроссель должен был быть закрыт, чтобы создать перепад давления для приведения в действие HP-EGR. Односторонний клапан уменьшал обратный поток в контур HP-EGR и позволял использовать HP-EGR там, где перепад давления в коллекторе на двигателе не приводил к естественному приводу HP-EGR. Первоначальное моделирование показало, что существуют некоторые условия, при которых возможен обратный поток (рис. 8). Обратный поток присутствовал, когда прогнозируемый массовый расход был ниже нуля.

РИСУНОК 8 . Массовый расход HP-EGR, указывающий на противоток.

Односторонний клапан, расположенный на соединении контура HP-EGR с впускным коллектором, предотвращает этот обратный поток. Устранение обратного потока должно обеспечить больший поток HP-EGR для данной разницы давлений. Односторонние клапаны были смоделированы в GT-Power как отверстия с коэффициентом обратного нагнетания, равным нулю (рис. 9). Эта модель представляла собой максимальный потенциал одностороннего клапана.

РИСУНОК 9 . Односторонний клапан, смоделированный в GT-Power.

При 3000 об/мин, BMEP 13 бар и рециркуляции отработавших газов 15% более высокий пиковый массовый расход развивался через контур высокого давления-рециркуляции отработавших газов без одностороннего клапана (обратного клапана), как показано на рис. при низкой нагрузке и высокой скорости, а также в условиях высокой нагрузки (рис. 11). Значительный обратный поток во всех точках предполагал потенциальное расширение работы HP-EGR.

РИСУНОК 10 . Обратный поток при 3000 об/мин, 13 бар BMEP и 15 % EGR.

РИСУНОК 11 . Сравнение одностороннего клапана на (A, слева) 2000 об/мин, 2 бар BMEP; (B, справа) 4500 об/мин, 18 бар BMEP.

Использование одностороннего клапана в контуре HP-EGR помогло снизить пиковый массовый расход примерно на 50% при 2000 об/мин, 2 бара BMEP и примерно на 25 % при 4500 об/мин, 18 бар BMEP.

При более внимательном рассмотрении графиков Log P и Log V (рис. 12) для вышеуказанных условий видно, что с самого начала нет существенной разницы между случаями с обратным клапаном и без него. Следует отметить, что это исследование проводилось в основном в одинаковых условиях между случаями, и, следовательно, на графиках Log P и Log V не наблюдалось существенной разницы.

РИСУНОК 12 . Сравнение Log P и Log V с обратным клапаном и без него на (A) 3000 об/мин, 13 бар BMEP; (B) 2000 об/мин, 2 бар BMEP и (C) 4500 об/мин, 18 бар BMEP.

Моделирование показало более разумное положение клапана EGR, когда система HP-EGR работает с односторонним клапаном, а не без одностороннего клапана. Это в значительной степени проявляется в условиях 3000 об/мин, 13 бар, где без одностороннего клапана более высокое положение привода на 67% обеспечивает более низкую долю рециркуляции отработавших газов в цилиндре по сравнению со случаем с односторонним клапаном (таблица 3).

ТАБЛИЦА 3 . Положение привода рециркуляции отработавших газов и рециркуляция отработавших газов в цилиндре при 3000 об/мин и 13 бар BMEP.

Наибольшее снижение пикового массового расхода с односторонним клапаном и наибольшее изменение положения привода клапана рециркуляции отработавших газов наблюдались при рабочих условиях BMEP 13 бар при 3 000 об/мин. Это существенное снижение пикового массового расхода указывает на более высокую производительность системы рециркуляции отработавших газов в данных условиях. Следовательно, это рабочее состояние было выбрано для дальнейшего изучения. GT-Power и данные двигателя указывали, что главный дроссель должен быть закрыт, чтобы приводить в действие HP-EGR в этом состоянии (шаг 1 таблицы 4). Был введен односторонний клапан (на шаге 2 в таблице 4) при сохранении того же угла дроссельной заслонки, и моделирование предсказало 8-процентное увеличение скорости HP-EGR, ограниченное только способностью турбонагнетателей производить достаточно наддува для поддержания нагрузки. Слегка приоткрытая дроссельная заслонка не идеальна для работы, но в некоторых условиях необходима для работы HP-EGR. Кроме того, клапан HP-EGR не был полностью открыт на шаге 2, что предполагало возможность дальнейшего открытия дроссельной заслонки. Шаг 3 таблицы 4 поддерживал то же количество рециркуляции отработавших газов, что и шаг 2, но теперь дроссельная заслонка была полностью открыта. Таким образом, полезная область HP-EGR может быть расширена, что приведет к возможности большего количества HP-EGR в этом состоянии. Для шага 4 в таблице 4 максимальное количество рециркуляции отработавших газов было достигнуто на уровне 27%, что снова ограничивается наддувом. Односторонний клапан смог почти удвоить скорость HP-EGR без увеличения противодавления или PMEP. Преимущество PMEP может быть лучше реализовано вблизи границы работы HP-EGR и обычно достигается за счет увеличения скорости EGR и работы WOT, обеспечиваемой односторонним клапаном.

ТАБЛИЦА 4 . Расширение работы HP-EGR с односторонним клапаном.

Результаты одностороннего клапана на двигателе были столь же многообещающими. В условиях BMEP 13 бар при 3000 об/мин они предусмотрели более разумные положения исполнительных механизмов с точки зрения дроссельной заслонки и клапанов EGR (таблица 5).

ТАБЛИЦА 5 . Положения привода при 3000 об/мин/13 бар в условиях BMEP.

HP-EGR с односторонним клапаном также был протестирован при 1500 об/мин и в условиях высокой нагрузки. На рис. 13 показано, что без одностороннего клапана из-за обратного потока выхлопных газов в систему HP-EGR чистый поток EGR в двигатель равен 0%. Однако использование одностороннего клапана даже в условиях низкой скорости и высокой нагрузки, когда поток HP-EGR не ожидается, обеспечивает 16% чистого потока EGR. Это продемонстрировало способность одностороннего клапана расширить использование HP-EGR.

РИСУНОК 13 . Поток EGR с односторонним клапаном на низкой скорости и в условиях высокой нагрузки.

При более низком пиковом массовом расходе и более высоком уровне рециркуляции отработавших газов во время работы системы рециркуляции отработавших газов высокого давления с односторонним клапаном на турбину подается более высокое давление. Следовательно, турбина меньшего размера может использоваться для извлечения такого же количества наддува с помощью одностороннего клапана. Меньшая турбина также была бы полезна в переходных режимах, поскольку она могла бы обеспечить более быстрый отклик, что привело бы к меньшей турбо-задержке.

Заключение

В этой работе было проанализировано влияние одностороннего клапана в системе HP-EGR. При исследовании смешанной системы EGR на легком бензиновом двигателе было замечено, что во время работы HP-EGR мгновенные пульсации давления возвращали EGR обратно через контур EGR высокого давления. Для достижения желаемого уровня рециркуляции отработавших газов при заданных условиях двигатель должен был затрачивать энергию в виде насосной работы. Различные симуляции с односторонним клапаном на GT-Power показали его преимущество в предотвращении любого обратного потока через контур EGR высокого давления, что, в свою очередь, привело к расширению рабочего диапазона HP-EGR. Во время моделирования это означало гораздо более широкое положение дроссельной заслонки, что сводило к минимуму работу насоса и увеличивало пропускную способность системы HP-EGR.

Заметив многообещающие результаты моделирования, установка была реализована на движке. Результаты испытаний двигателя показали разумное положение привода с точки зрения клапана рециркуляции отработавших газов и угла дроссельной заслонки. Более широкий дроссель означал, что работа по перекачиванию значительно сократилась. Несколько лучший BSFC также наблюдался при наличии односторонних клапанов, чего не наблюдалось во время моделирования. Кроме того, способность одностороннего клапана увеличивать количество рециркуляции отработавших газов при любых условиях приводила к увеличению давления в турбине. Таким образом, турбина меньшего размера может использоваться для создания такого же наддува, чтобы соответствовать требованиям нагрузки.

Будущая работа

В этом документе исследуется влияние одностороннего обратного клапана на обратный поток через систему HP-EGR. Как уже отмечалось, во время работы HP-EGR из-за значительного обратного потока через контур HP-EGR через систему проходит более высокий пиковый массовый расход для достижения заданной скорости EGR в цилиндре. С введением одностороннего клапана пиковый поток снижается, чтобы обеспечить чистую скорость рециркуляции отработавших газов в цилиндрах. Также наблюдается то, что из-за меньшего обратного потока может быть достигнуто более разумное положение привода. Объем работы был ограничен предварительным использованием одностороннего клапана на управляемость EGR в системе HP-EGR и проверкой жизнеспособности концепции. Будущие публикации будут включать всестороннее исследование улучшений производительности в отношении BSFC и оптимизированных насосных потерь при работе смешанной системы EGR в течение нормативных ездовых циклов.

Заявление о доступности данных

Наборы данных, представленные в этой статье, были одобрены членами HEDGE. Дополнительные наборы данных являются собственностью и не всегда доступны. Запросы на доступ к наборам данных следует направлять доктору Грэму Конвею [[email protected]].

Вклад авторов

Компания BD участвовала в моделировании смешанной системы рециркуляции отработавших газов GT-Power. GC и BD провели эксперименты с двигателем, а SR внесла свой вклад в интеграцию блока управления для испытаний двигателя. GH участвовал в сборе результатов для литературы.

Финансирование

Эта работа финансировалась в рамках консорциума HEDGE-III ^TM Юго-Западного научно-исследовательского института.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Ссылки

Алджер Т., Гингрич Дж., Мангольд Б. и Робертс К. (2011). Система зажигания с непрерывным выпуском для расширения предела рециркуляции отработавших газов в двигателях SI.

Международный SAE. Дж. Инж. 4 (1), 677–692. doi:10.4271/2011-01-0661