EGR和DPF发动机如何保持清洁?

频繁的短途城市行驶会让DPF无法自我再生,导致发动机在不知不觉中逐渐堵塞.
频繁的短途城市行驶会让DPF无法自我再生,导致发动机在不知不觉中逐渐堵塞.

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EGR和DPF/GPF系统是两项相辅相成的排放技术,有助于保持发动机清洁:EGR将一部分废气重新送回气缸,降低燃烧温度,从源头上防止氮氧化物(NOx)的生成;DPF以及汽油发动机上的GPF则在排气系统中捕获产生的碳烟颗粒,并通过周期性再生将其烧掉.这两套系统都为清洁而设计,但在频繁的短途城市行驶中,它们无法完成自清洁循环,因此会逐渐堵塞.

要点速览

  • 在汽油发动机上,EGR通常以 %5-15 的比例回馈废气;柴油发动机在某些工况下这一比例 %50可达
  • NOx由氮与氧在高温下结合而成;EGR通过降低这一温度从源头上减少其生成.
  • 要烧掉DPF中的碳烟,排气温度需要约 600 °C .
  • 15-20 km以下的短途行驶中,发动机很少能达到被动再生所需的温度.
  • GPF在汽油发动机上采用壁流式陶瓷蜂窝结构,安装在催化转化器附近或与其集成在一起.

EGR为何要将废气送回气缸?

乍看之下这似乎是个矛盾的想法:为什么不送入新鲜空气,反而把已经燃烧过的气体送回发动机?答案在于化学原理.NOx由氮和氧在燃烧室中的高温下结合而成.温度越高,生成量越大.EGR系统将一部分废气混入进气侧,稀释气缸内的氧气量;氧气减少后,燃烧的燃油量也随之减少,气缸峰值温度下降.温度降低时,NOx的生成就从源头上被阻止了.

此外,废气中的水蒸气和CO2与空气相比具有不同的热容,这会进一步降低绝热火焰温度.在现代柴油发动机中,回馈的气体通常经过EGR冷却器,即一个热交换器.借助冷却,可以使用更高的EGR比率,进入气缸的充量温度也保持较低.

汽油发动机上平衡至关重要:典型的EGR比率 %5-15 范围内.如果将比率提高到超出必要程度,火焰前锋的连续性会被破坏,出现失火和燃烧不完全.因此EGR并非在所有工况下都工作:高负荷时会降低峰值功率,怠速时会使燃烧不稳定,所以会被关闭.而在柴油发动机上,在怠速这类空气过剩的工况下,比率可以达到更高的水平.汽油机上EGR还有附带的好处:节气门开度更大,降低了节气门损失;热损失和化学分解也减少.

EGR阀为何会逐渐堵塞?

EGR supabını tıkaran yalnızca kurum değil; sıcak egzoz gazı, yağ buharı ve taze hava manifolddaki katran benzeri tortunun ana malzemesidir.

EGR 在不经过过滤的情况下将废气重新送回.废气中的腐蚀性碳颗粒会沉积在阀门上;久而久之阀门变脏,限制气流,甚至可能完全卡死.阀门堵塞会阻碍NOx减排,并可能导致车辆无法通过排放测试.碳沉积不仅来自废气中的烟灰:高温废气与来自曲轴箱的油蒸气混合也会加剧积垢.在柴油和汽油发动机上,当EGR与曲轴箱通风(PCV)结合时,废气、新鲜空气和油蒸气的混合物会在进气歧管中转化为粘稠的焦油状沉积物.

由此得出的实际结论很明确:避免加剧沉积物形成的因素,特别是使用优质燃油,可以延长阀门的使用寿命.热问题在EGR故障中也起作用;系统会持续暴露于高温循环之中.

DPF如何捕获烟灰:再生是如何工作的?

EGR是有代价的:废气重新送回气缸会增加柴油机的颗粒物,即烟灰排放.正因如此,DPF被安装在柴油发动机的排气系统中,位于发动机下游.过滤器捕获烟灰;但积累的烟灰会在排气中产生背压,这种压力会随着时间降低燃油效率.过滤器要保护自身,就必须燃烧掉捕获的烟灰——这一过程称为再生.系统在捕获的烟灰与被氧化的烟灰之间以动态平衡的方式运行.

被动再生与主动再生的区别

被动再生无需额外干预即可进行:在足够高的温度下,NOx中的NO2成分会在正常工作温度下氧化过滤器中的烟灰.只是这一过程效果有限,在高EGR率下会更加减弱.主动再生则是ECU介入的燃烧过程:向氧化催化器喷射额外的燃油(通过燃油喷射后的附加喷射,即后喷射触发),提高排气温度,颗粒物与排气中的残余氧气一起被燃烧.烟灰转化为灰分和CO2.

燃油和机油中的不可燃金属和矿物质杂质则无法通过再生燃烧掉;它们以灰分的形式留在过滤器中.经过多次再生之后,DPF需要拆下用专门的清洗工艺进行清洁或更换.再生能管理烟灰,却无法管理灰分.

汽油发动机上的GPF:与柴油有何不同?

颗粒过滤器并非柴油机独有.GPF——也称为OPF或PPF——通过捕获汽油发动机排出的细小烟灰和颗粒物,确保满足排放标准.其结构为陶瓷蜂窝(honeycomb)过滤器,通常采用壁流式(wall-flow)设计:废气通过过滤器时,颗粒物被截留在单元壁上.安装位置很重要:GPF被安装在靠近催化转化器的位置,或与其集成为单一壳体.得益于这一位置,排气系统能快速升温;这对过滤器的清洁是有利的.

频繁的城市短途使用为何会使这些系统不堪重负?

再生的前提条件是温度.DPF要烧掉积聚的碳烟,排气温度大约需要达到 600 °C .时速低于64公里(40 mph)的城市驾驶无法达到这一温度;被动再生停止,滤芯中的碳烟积聚加速. 在低于 15–20 km

的行程中,发动机很少能达到被动再生所需的工作温度.短途行驶中,再生要么完全不启动,要么在行程结束前被中止.反复的短途行驶,由于车辆无法达到完整的排气温度或无法完成再生,会加剧DPF问题.

这是柴油车主经常提及的现实:发动机在引擎盖下可能状态良好,但排气系统需要定期升温.仅用于短途行驶的柴油车,其滤芯可能永远无法自我清洁.读者心中自然产生的问题是完全禁用该系统:在EGR删除(delete)讨论中,尽管有提升动力的说法,删除该系统会提高燃烧温度,可能加剧发动机磨损和涡轮压力;同时会显著增加NOx排放.此外,如果EGR未与DPF一同删除,DPF中的碳烟负荷和再生温度会进一步升高——这两个系统不可分割地相互依存.

三元催化器和整个排气系统是如何工作的?

为了完整呈现这一图景,需要查看整个链条的第一环.三元催化器是一种排放控制装置,将发动机排出的有毒气体和污染物转化为毒性较低的物质:它降低一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物.汽油机和柴油机都利用这种装置来清除主要污染物.在大多数现代柴油车中,DPF与三元催化器协同工作,以满足严格的排放法规.

  • 纵观整个链条,分工十分明确: EGR
  • -从源头上减少气缸内NOx的生成. 三元催化器 / DOC
  • -转化排气中的一氧化碳、碳氢化合物和NOx成分. DPF
  • -捕获碳烟,并通过再生进行自我清洁. SCR

-利用喷入的尿素溶液,将进入排气管的NOx转化为无害的氮气和水. 一个环节失效,就会给其他环节增加负担.如果EGR工作不正常,NOx控制就会转移到气缸外;如果再生无法完成,背压就会使发动机窒息.

让发动机保持清洁的,正是这一链条作为一个整体的协同运作.

这个问题的答案不是单向的.一方面,废气未经过滤回流会导致柴油机的烟灰进入气缸、活塞环磨损和机油污染;从这个角度看,EGR 会缩短发动机寿命.另一方面,由于 EGR 能降低气缸温度——尤其是在排气门寿命方面——它也能保护发动机.两种作用方向相反;哪个占上风取决于使用条件以及系统保持得有多清洁.在效率方面,情况也很复杂:在柴油机上,EGR 可能降低热力学效率并增加颗粒物排放;而在某些汽油发动机上,它反而可能提高效率.冷却式 EGR 方案与效率下降约 %3 相关联.正因如此,一些现代发动机选择完全不使用 EGR 也能达到排放目标——这项技术并非唯一的必经之路,而是一种平衡手段.

结论:保持清洁的发动机,定期热车的发动机

EGR 与 DPF/GPF 不是彼此的替代品,而是互补的关系:前者在气缸内抑制 NOx 的生成,后者在排气管中捕捉最终残留的烟灰.它们最大的敌人是同一个:从未让排气温度升起来的短途、低速使用.用柴油车定期行驶足够的里程、使用优质燃油并避免助长积碳的条件,是这些系统按设计正常工作所需的首要条件.当系统堵塞时,解决方案往往不是一次性清洗,而是重新审视使用习惯.

参考资料