低压EGR（废气再循环）背后的技术和算法

低压EGR（废气再循环）技术与算法解析

一、低压EGR的核心技术原理

低压EGR系统通过将废气从涡轮增压器下游（即涡轮机后）引出，经冷却和流量控制后重新导入压气机前端，与新鲜空气混合进入燃烧室。其核心目标是降低燃烧温度（一般降低150-200°C），抑制氮氧化物（NOx）的生成，同时优化燃油经济性。
关键机理：

1. 温度控制：废气中的惰性气体（CO₂、H₂O）稀释氧气浓度，降低燃烧峰值温度，从而减少NOx生成（可降低排放高达50%-80%）。
2. 压力管理：低压EGR废气压力较低（通常低于进气歧管压力），需通过混合阀调节负压差，确保废气流量稳定。
3. 路径设计：废气经过涡轮后温度降低（约200-400°C），且经过后处理系统（如DPF、催化器）过滤，减少颗粒物对压气机和中冷器的污染。

二、低压EGR系统的关键组件与技术特性

1.EGR阀：

• 蝶阀式设计：采用通流能力更强的蝶阀（而非高压EGR的提升式阀），以满足低压差下的高流量需求。
• 集成驱动：如Pierburg的蝶阀采用直流电机+两级伞齿轮单元，兼具进气节流功能，可精确控制开度（误差<±2%）。
• 耐腐蚀材料：外壳为铝压铸件，阀体采用耐高温合金钢（耐受700°C高温和3bar压力）。

2.混合阀（TVA/Throttle Valve）：

• 功能：通过调节进气侧压力梯度，增强EGR阀两端的压差，确保废气流量达标。
• 闭环控制：PID算法根据目标与实际开度差值动态调整，优化响应速度。

3.传感器网络：

• 压差传感器：监测EGR阀进出口压差，结合温度传感器数据计算实时废气流量。
• 氧传感器：检测混合气氧浓度，用于EGR率闭环修正（如长城汽车的氧浓度反馈算法）。

4.EGR冷却器：

• 高效热交换：采用水冷式内鳍片设计，将废气温度降至130°C以下，提升NOx减排效率。
• 旁通阀：在冷却液温度<60°C时启用，避免冷凝水腐蚀管路。

三、低压EGR的控制算法与实现

1.EGR率计算模型：

• 理论公式：基于气体动力学方程，通过压差（ΔP）、温度（T）和阀门开度（A）计算流量（Q）：

其中，

为进出口压力比，

为气体比热容比。

• 修正算法：引入冷却液温度、进气温度等参数，通过映射表或多项式拟合修正目标EGR率。

2.动态控制策略：

• 抗扰动算法：谢辉课题组提出基于进气流量滤波与预测型总扰动观测器的控制方法，解决低压EGR的强脉动和时滞问题。
• 瞬态响应优化：在节气门急闭时，通过排气压力延迟补偿算法减少EGR率波动。

3.故障诊断与容错：

• 失火率监控：当冷却液温度低或燃烧不稳定时，动态降低EGR率（如东风汽车的修正系数调整法）。
• 冷凝水管理：中国一汽的专利方案通过检测液体水量和发动机工况，动态调整EGR阀开度以避免燃烧失稳。

四、低压EGR与高压EGR的技术对比

五、实际应用与创新案例

1.吉利雷神智擎Hi·X混动平台：

• 采用低压水冷EGR+双传感器瞬态控制技术，实现闭环EGR率控制，热效率提升至43.3%。

2.比亚迪DM-i混动系统：

• EGR率提升至25%，结合深度米勒循环，综合油耗降低14%。

3.博格华纳IST技术：

• 将废气动能转化为进气预旋，提升涡轮效率，同时减少迟滞现象。

六、技术挑战与未来方向

1. 耐久性问题：废气冷凝水对管路和压气机的腐蚀需通过涂层技术（如陶瓷涂层）解决。
2. 控制精度提升：AI驱动的模型预测控制（MPC）有望进一步优化动态响应。
3. 系统集成：与48V轻混、热管理系统的协同设计将成为提高能效的关键。

通过上述技术与算法的协同，低压EGR不仅成为满足国六/欧六排放标准的核心技术，更在混动系统中展现了显著的节能潜力。其复杂性与高成本正随着规模化生产和技术迭代逐步优化，未来或将成为内燃机减排的主流方案之一。