Journal of KONES Internal Combustion Engines 2003, vol. 10, 3-4
THE INFLUENCE OF EXHAUST GAS RECIRCULATION RATE ON
EMISSION AND THERMODYNAMICS PARAMETERS OF DI DIESEL
ENGINE
Władysław Kozak, Piotr Lijewski
Jarosław Markowski, Krzysztof Wisłocki
Politechnika Poznańska Instytut Silników Spalinowych i Podstaw Konstrukcji Maszyn
60  965 Poznań ul. Piotrowo 3
Abstract
An increase of the output parameters of modern DI Diesel engines correlates very closely with the in-
cylinder parameters as pressure and temperature, which influence engine efficiency and emissions. The further
development of this kind of engines is being restricted by NOx and PM limits, where the significant problem is,
that the reduction of PM emission obtained by optimisation of thermodynamical parameters causes an increase
of NOx emission and counter wise. Application of the controlled Exhaust Gas Recirculation (EGR) in low and
middle load ranges could stand for an effective solution of this problem. The important question is, what an
EGR-rate in this engine operating range should be matched. Another words, how the EGR-valve should be
controlled and what kind of the controlling function should be evaluated and applied. For formulation of the
optimal controlling function of the EGR-valve the investigations on the 4-cyl. 80 kW DI Diesel engine have been
carried out. Research stand, measuring equipment and methodology of the investigations by changing of the
EGR-mass flow have been presented in the paper.
The obtained results, especially the sensitivity of engine parameters on changes in EGR-rate, could be
treated as being representative for DI Diesel engines of LDV (Light Duty Vehicle) application range.
WPA
YW RECYRKULACJI SPALIN NA EMISJ
ZWI
ZKÓW
SZKODLIWYCH SPALIN I PARAMETRY TERMODYNAMICZNE
SILNIKA O ZAPA
ONIE SAMOCZYNNYM
1. Wprowadzenie
Zagadnienia tworzenia się w silnikach o zapłonie samoczynnym szkodliwych związków
zawartych w spalinach emitowanych do atmosfery związane są nierozerwalnie z procesem
spalania. Ograniczenie emisji toksycznych składników spalin, a zwłaszcza tlenków azotu i
cząstek stałych przez silniki o zapłonie samoczynnym sprawia wiele trudności. Wynika to
przede wszystkim ze specyfiki realizowanego w nich procesu spalania, charakteryzującego się
bardzo dużą zmiennością lokalnego współczynnika nadmiaru powietrza, przyjmującego
wartości:  H" " w powietrzu znajdującym się w komorze spalania,  H" 1 w obszarze czoła
płomienia i  H" 0 w rdzeniu strugi paliwa. Duże znaczenie ma również zmieniająca się w
zależności od obciążenia wartość globalnego współczynnika nadmiaru powietrza. Stan ten
definitywnie uniemożliwia zastosowanie trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego, który, w
przypadku silników o zapłonie iskrowym, usuwa CO, HC i NOx z ponad 90-procentową
skutecznością. Dodatkowo w spalinach silników ZS występują znaczne ilości cząstek stałych,
które reaktor katalityczny neutralizuje w małym stopniu (nie więcej niż 25-30%).
Zastosowanie bardziej skutecznych filtrów cząstek stałych związane jest z ograniczeniami
wynikającymi ze wzrostu strat przepływu w układzie wylotowym silnika (wzrost zużycia
paliwa, spadek mocy), wysoką emisję węglowodorów podczas regeneracji filtra, wysokimi
wymaganiami serwisowymi.
Dlatego też w silnikach wysokoprężnych bardzo duży nacisk kładzie się na ograniczenie
emisji środkami, które wpływają na zmniejszenie szybkości tworzenia się wymienionych
związków podczas spalania, w obrębie komory spalania. Między innymi środkiem takim,
powszechnie stosowanym we współczesnych silnikach, jest recyrkulacja spalin (EGR).
EGR-u używa się głównie w celu obniżenia emisji NOx. Jednak jego działanie nie jest
jednokierunkowo pozytywne. Obniżeniu emisji NOx towarzyszy, na ogół, wzrost emisji CO i
PM oraz w niektórych obszarach pracy wzrost emisji HC. Zatem przystępując do
projektowania układu EGR, a jeszcze bardziej ustalając funkcję sterującą natężeniem EGR-u,
odpowiednią do warunków pracy silnika, postępować należy ostrożnie. Jeżeli działanie
EGR-u wywołuje takie skutki, to powstaje pytanie, jak kształtować (dobierać) jego wartość w
dowolnie wybranym punkcie pracy silnika. Pytanie to dotyczy ustalenia kryterium, w oparciu
o które problem będzie rozwiązywany.
Dla udzielenia odpowiedzi na postawione pytanie autorzy referatu przeprowadzili badania,
wykorzystując dysponowany silnik (turbodoładowany silnik wysokoprężny z wtryskiem
bezpośrednim, wyposażony w chłodnicę powietrza i układ recyrkulacji spalin). Badania
ograniczono do punktów pracy silnika zawartych w teście 13-fazowym, pokazanych na
rysynku1. W punktach tych sporządzono charakterystyki regulacyjne wpływu wartości EGR
na parametry pracy silnika i emisję.
Ne 100% 75%
50% 25% M
90 300
80
2 8 250
70
10
60 200
6
4
50
12
150
40
5 3
13
30 100
7 9 11
20
50
10
1
0 0
800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000
n [obr/min]
Rys. 1. Warunki pracy silnika z zaznaczonymi kolejno punktami pomiarowymi testu ESC [1]
Fig. 1. Engine work conditions and phases of ESC cycle [1]
2. Stanowisko badawcze i aparatura
Badania przeprowadzono przy wykorzystaniu nastawnego zaworu EGR, montowanego w
miejsce fabrycznego, który umożliwił kontrolę otwarcia zaworu (wartość strumienia spalin
wykorzystanych do potrzeb recyrkulacji ustalano metodą dławieniową). Zmiany nastaw
otwarcia dokonywano skokowo z krokiem równym 2 mm. Ilość spalin wykorzystanych do
potrzeb recyrkulacji określano na podstawie ubytku powietrza zużywanego przez silnik. W
każdym punkcie otwarcia zaworu EGR zmierzoną wartość zużycia powietrza odnoszono do
wartości zmierzonej w takich samych warunkach pracy silnika przy zamkniętym zaworze.
Pomiaru stężeń gazowych składników spalin (CO, CO2, HC, NOx) dokonano analizatorem
Horiba Mexa 7100D (HC oznaczane jest jako THC), którego parametry zamieszczono w
tablicy 1. Ponadto do pomiaru zadymienia wykorzystano Opacimetr  pomiar stopnia
zaczernienia spalin N (%). Jednocześnie mierzono przebiegi ciśnień: w cylindrze silnika i w
przewodzie wysokiego ciśnienia bezpośrednio przed wtryskiwaczem.
o
Ne [kW]
M [Nm]
Tablica 1. Charakterystyka analizatora spalin systemu
Parameters of Horiba Mexa 7100D analyser
Ilość
Model Składnik Droga pomiarowa
zakresów
AIA-721-001 CO(L) 4 NDIR  non-dispersive infrared
AIA-722-010 CO(H)/CO2 4 NDIR
MPA-720-000 O2 9 MPA  Paramagnetic-analizator
FIA-725A THC 9 HFID  heated flame ionisation detector
CLA-756 NO/NOx 9 HCLD  heated chemiluminescent detector
3. Wyniki badań i ich analiza
Otrzymane w wyniku badań charakterystyki regulacyjne wpływu strumienia spalin,
wykorzystanych w recyrkulacji, wyrażonego wzniosem zaworu h EGR przedstawiono na
rysunkach 2, 3 i 4.
n=2200 obr/min n=2200 obr/min
N-127Nm N-192Nm
NOx-127Nm NOx-192Nm
N-64Nm THC-192Nm
NOx-64Nm EGR-192Nm
THC-127Nm THC-64Nm
EGR-127Nm EGR-64Nm
6 45
1400 45
40
1200
1000 4 35
30
800
30
600
2 25
15
400
20
200
0 15
0 0
0 2 4 6 8 10
0 2 4 6 8 10 12
h EGR [mm]
h EGR [mm]
n=2800 obr/min
n=2800 obr/min
N-125Nm N-188Nm
NOx-125Nm
NOx-188Nm N-63Nm THC-188Nm
NOx-63Nm
THC-125Nm THC-63Nm
EGR-188Nm
40
G
1000 45
25
800
30
30
600
15
400
20
15
200
5 10
0 0
0 2 4 6 8 10
0 2 4 6 8 10
h EGR [mm] h EGR [mm]
n=3400 obr/min 3400 obr/min
NOx-112Nm NOx-169Nm
N-112Nm N-169Nm
NOx-57Nm EGR-169Nm
N-57Nm THC-169Nm
600 45
EGR-112Nm EGR-57Nm
THC-112Nm THC-57Nm
65 40
35
55
400 30
30
45
25
200 15 35
20
25
15
0 0 15 10
0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10
h EGR [mm]
h EGR [mm]
Rys. 3. Emisja THC i N w fazach testu ESC
Rys. 2. Emisja NOx w fazach testu ESC Fig. 3. THC and N emission in each phase of ESC
Fig. 2. NOx emission in each phase of ESC cycle cycle
N [%]
EGR [%]
THC [ppm]
NOx [ppm]
NOx [ppm]
N [%]
EGR [%]
THC [ppm]
EGR [%]
N [%]
NOx [ppm]
THC [ppm]
We wszystkich punktach testu n=2200 obr/min
zwiększanie recyrkulacji spalin powoduje CO-192Nm CO-127Nm
CO-64Nm
obniżanie emisji NOx i jednoczesny wzrost
125
emisji pozostałych zmierzonych związków
100
toksycznych (THC, CO, N). Największą
75
efektywność w redukcji emisji NOx
50
uzyskano przy niewielkich otwarciach
25
zaworu EGR. Wraz ze wzrostem otwarcia
0
zaworu (zwiększanie recyrkulacji)
0 2 4 6 8 10
h EGR [mm]
asymptotycznie maleje efektywność
redukcji tlenków azotu i zwiększanie EGR
do wartości ponad 45% nie wpływa na
n=2800 obr/min
wielkość emisji NOx. Zwiększanie udziału
CO-188Nm CO-125Nm
CO-63Nm
recyrkulacji spalin wywołuje największe
400
zmiany (wzrost) w emisji CO, w drugiej
350
300
kolejności w zadymieniu spalin (również
250
wzrost), a dopiero w trzeciej kolejności w
200
emisji NOx (obniżenie).
150
100
Tendencje wpływu EGR na emisję w
50
warunkach testu (rys. 5) prawie w pełni
0
pokrywają się z obserwowanymi
0 2 4 6 8 10
h EGR [mm]
tendencjami wpływu w poszczególnych
punktach (rys. 2, 3, 4). Mimo stosunkowo
n=3400 obr/min
dużego otwarcia zaworu EGR (udział spalin
CO-169Nm CO-112Nm
ponad 40%) poziom emisji NOx badanego
CO-57Nm
1800
silnika, w stosunku do Euro III, pozostaje w
1500
dalszym ciągu przekroczony o około 50%.
1200
Należy zauważyć, że zwiększenie EGR do
900
około 40% spowodowało obniżenie emisji
600
NOx o około 33%.
300
Oceny parametrów procesu spalania dla
0
0 2 4 6 8 10
każdego punktu testu i każdej nastawy
h EGR [mm]
zaworu EGR dokonano na podstawie
wartości ciśnień w cylindrze dla
Rys. 4. Emisja CO w fazach testu ESC
uśrednionych dziesieciu przebiegów.
Fig. 4. CO emission in each phase of ESC cycle
Zgodnie z oczekiwaniami największą
wartość ciśnienia w cylindrze uzyskano
Stopniowe zwiększanie recyrkulacji spalin
przy zamkniętym zaworze EGR.
powodowało obniżanie wartości
CO NOx CO-limit NOx-limit
maksymalnego ciśnienia w cylindrze. Podobne
HC PM HC-limit PM-limit
zmiany zaobserwowano dla przebiegu
8 0,7
0,66 HC
7
szybkości przyrostu ciśnienia w cylindrze.
0,6
6
0,5 Tutaj największe wartości odnotowano
5 5,0 NOx
0,4
również dla spalania przy zamkniętym
4
0,3
zaworze EGR.
3
0,2
2,1 CO
2 Na rysunkach 6 i 7 przedstawione są
0,13 PM
0,1
1
przykładowe przebiegi omawianych wielkości
0 0,0
dla siódmego punktu testu ESC przy różnych
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
h EGR [mm]
ustawieniach zaworu EGR. Podobne tendencje
Rys. 5. Emisja poszczególnych związków w teście
zaobserwowano rónież dla pozostałych
ESC
badanych punktów pracy silnika.
Fig. 5. Emission in ESC cycle
CO [ppm]
CO [ppm]
CO [ppm]
[g/km]
[g/km]
HC, PM
CO, NOx
90
0mm EGR
80
2mm EGR
70 4mm EGR
6mm EGR
60
8mm EGR
50
10mm EGR
40
30
20
10
0
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
Kąt OWK [ o]
Rys. 6. Przebieg ciśnienia w cylindrze w siódmej fazie testu ESC z i bez EGR
Fig. 6. Cylinder Pressure in seventh phase of ESC test with and without EGR
dp/dą [bar/OWK ]
10
0mm EGR
8
2mm EGR
6
6mm EGR
8mm EGR
4
10mm EGR
2
0
-2
-4
-6
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
Kąt OW K [ o]
Rys. 7. Wartości przyrostów ciśnień w siódmej fazie testu ESC z i bez EGR
Fig. 7. Cylinder pressure rise in seventh phase of ESC test with and without EGR
W badanym silniku sytuacja jest bardzo niekorzystna, bowiem przekroczenie limitu emisji
CO przy zamkniętym zaworze EGR uniemożliwia praktycznie otwieranie zaworu. EGR. Nie
mniej otrzymane wyniki są interesujące z punktu widzenia poszukiwania wspomnianej we
wstępie funkcji sterującej natężeniem EGR-u.
4. Propozycja kryterium wyboru wartości EGR
Z matematycznego punktu widzenia funkcja kryterialna, w oparciu o którą ustalana będzie
wartość EGR-u, powinna mieć postać ułatwiającą stosowanie metod optymalizacyjnych. Przy
właściwej wartości EGR-u powinna posiadać jedno, silne ekstremum. Z fizycznego punktu
widzenia powinna uwzględnić co najmniej trzy czynniki. Jeżeli przy EGR=0 nastąpi
przekroczenie emisji NOx natomiast w emisji pozostałych składników spalin występuje zapas,
to czynnikami tymi powinny być:
cyl
P
[bar]
dp/dalfa [ bar/OWK ]
" zmiany w emisji każdego składnika, wywołane wprowadzeniem EGR,
" szkodliwość analizowanego związku,
" zapas względem wartości dopuszczalnej (lub jej przekroczenie).
Z matematycznego punktu widzenia najwygodniej jest powiązać te czynniki sumą lub
iloczynem.
Zmiany emisji w punkcie pracy silnika (określonym przez parę: n, Mo) najprościej wyrazić
jest w postaci różnicy w emisji Ei wywołanej wprowadzeniem recyrkulacji, odniesionej do
przypadku EGR=0, tj. E0,i. Ze względu na znaczne różnice liczbowe wartości emisji
dopuszczalnej, najlepiej wyrazić ją w postaci unormowanej, gdzie normą może być wartość
E0,i. W ten sposób zmiany w emisji mogą być opisane wyrażeniem:
Ei - E0,i
.
E0,i
W potocznym języku pojęcie  szkodliwość rozumiane jest jednoznacznie. W odniesieniu
do analizowanych składników spalin ich obecność w powietrzu negatywnie działa na
zdrowie, pogarsza widoczność, itp. Do wyznaczenia miary szkodliwości poszczególnych
składników spalin można wykorzystać istniejące normy. Niezależnie od przesłanek, którymi
kierował się ustawodawca przyjmując wartości dopuszczalne emisji, interpretować je należy
jako granicę, przekroczenie której wywołuje niekorzystne zmiany, np. zdrowotne. Znaczne
różnice w wartościach dopuszczalnych świadczą o ich zróżnicowanej szkodliwości. Związek,
którego wartość dopuszczalna jest najmniejsza musi być zarazem najbardziej szkodliwy, gdyż
jego mała ilość wywołuje taki sam skutek zdrowotny jak związek o dużej wartości
dopuszczalnej. Fakt ten powinien być uwzględniony w kryterium, np. poprzez wprowadzenie
swego rodzaju współczynnika szkodliwości, czy też ważności, oznaczanego dalej prze xw.
Kierując się tylko intuicją można żądać, aby współczynnik ten miał charakter względny tzn.,
aby jego wartości mieściły się w przedziale 0�1. Jeżeli obliczyć sumę wartości
dopuszczalnych emisji w teście wszystkich związków SL i od niej odjąć wartość limitu EL,i
emisji analizowanego, i-tego związku, to otrzymana różnica musi przypadać na pozostałe
związki. Ponieważ analizowane są wartości graniczne (mimo różnic w wartościach
dopuszczalnych wywołują taki sam skutek) różnicę tą należy rozdzielić równomiernie na
pozostałe związki, tzn. podzielić przez (I-1)  gdzie I  ilość analizowanych składników
szkodliwych (w tym przypadku I=4), jednak nie przez wartość bezwzględną, lecz względną,
unormowaną do wartości SL. Opisaną operację ujmuje wyrażenie:
S0,i - EL,i 1
x = �" .
w,i
SL,i I -1
Suma wartości wszystkich współczynników powinna być równa 1.
Fakt przekroczenia emisji dopuszczalnej i-tego składnika można łatwo wyrazić ilorazem o
E0,i
postaci: xp,i = . Ma on charakter względny i jest współczynnikiem przekroczenia
EL,i
dopuszczalnego normą limitu.
Eo,i - EL,i
Zapas emisji można zapisać jako: . Wyrażenie to przyjmuje wartość ujemną,
EL,i
gdy emisja w teście przy EGR=0 jest mniejsza od wartości dopuszczalnej.
Kierując się nieco intuicją oraz metodą prób omówione wyżej składniki połączono w
postać iloczynu a następnie utworzono sumę, łączącą związki zawarte w spalinach, o postaci:
E0,i
ui - EL,i Ei - E0,i
f (EGR) = �" �" ,
"x w,i
xp,i EL,i E0,i
i
gdzie dodatkowo wprowadzono udziały wagowe ui.
punkt 1 punkt 3
0,00
0,00
-0,02
-0,01
fc
fc
-0,04
-0,02
-0,06
-0,03
-0,08
-0,04
02468
02468
h EGR [mm]
h EGR [mm]
punkt 4
punkt 5
0,00 0,00
-0,02
-0,02 fc
-0,04
fc
-0,06
-0,04
-0,08
-0,10
-0,06
02468
02468
h EGR [mm]
h EGR [mm]
punkt 6
punkt 7
0,00
0,00
-0,01
fc
-0,02
-0,05
fc
-0,03
-0,10
-0,04
0 2 4 6 8 10
02468
h EGR [mm]
h EGR [mm]
punkt 9
punkt 11
0,00
0,00
-0,05
-0,02
fc
fc
-0,10
-0,04
-0,15 -0,06
02468
02468
h EGR [mm] h EGR [mm]
punkt 12 punkt 13
0,15 0,00
-0,02
0,10
-0,04
fc
fc
0,05 -0,06
-0,08
0,00
02468
02468
h EGR [mm]
h EGR [mm]
Rys. 8. Przebieg proponowanej funkcji w punktach testu ESC
Fig. 8. Propose controlling function in each phase of ESC cycle
Dopuszczalne wartości emisji wymienionych związków, zawarte w normach, np. EURO
III, obejmują warunki pracy silnika określone odpowiednimi regulaminami, np. test jezdny,
13-fazowy wg ECE R83. Do analizy przyjęto EURO III, której wartości dopuszczalne
zamieszczono w kolumnie  Limit tablicy 2. W tablicy tej zamieszczono również wartości
współczynników występujących w funkcji kryterialnej, obliczone w oparciu o uzyskane
wyniki badań. Wykorzystano je do obliczenia funkcji f(EGR) w każdym punkcie testu (poza
punktami z charakterystyki zewnętrznej, w których RGR=0). Jej kształt zamieszczono na
rysunku 8.
Tablica 2. Wartości współczynników funkcji kryterialnej wyznaczone w oparciu o wyniki badań
Coefficient amount controlling function enumerate from research
Limit Udział wagowy Współczynnik ważności Współczynnik przekroczenia
g/km ui xw,i xp,i
CO 2,10 0,266 0,245 1,235774
HC 0,66 0,084 0,305 0,136051
NOx 5,00 0,634 0,122 1,829107
PM 0,13 0,016 0,328 0,975153
Suma 7,89 1 1
W uwagach dotyczących przebiegu funkcji autorzy chcą podkreślić dwa aspekty:
matematyczny i silnikowy.
W aspekcie matematycznym należy podkreślić, że we wszystkich punktach testu funkcja
ma przebieg zbliżony bardzo do monotonicznego. Odchylenia od takiego przebiegu,
obserwowane w punktach 4, 5, i 6 są niewielkie i nie powinny zakłócać wyznaczania
ekstremum metodami matematycznymi. Po drugie funkcja ta posiada jedno, wyraz
ne
ekstremum. Wprawdzie w niektórych punktach nie zostało ono osiągnięte, jednak zapewne
dlatego, że podczas eksperymentu nie zrealizowano tak dużego otwarcia zaworu EGR.
Patrząc na przedstawione przebiegi w aspekcie silnikowym należy podkreślić ich
poprawność. Układ wartości EGR, przy których funkcja osiąga ekstremum (minimum)
odpowiada temu, co realizowane jest w praktyce. Generalnie jest tak, że wraz ze
zmniejszaniem obciążenia silnika ekstremum pojawia się przy coraz to większych
wartościach EGR. Jedyne odstępstwo obserwuje się w punkcie 12-tym testu. Funkcja, zamiast
monotonicznie maleć jak we wszystkich pozostałych punktach, monotonicznie rośnie. Fakt
ten nie musi oznaczać jakiegoś błędu. Punkt 12-sty leży najbliżej charakterystyki zewnętrznej
i w obszarze tym recyrkulacja spalin nie jest już wymagana (jest wręcz niepożądana).
Zaprezentowane wyniki dotyczą jednego silnika, jednego przypadku eksperymentalnego i
w związku z tym nie muszą zawierać uogólnienia. Jednak wyglądają bardzo zachęcająco
i dlatego autorzy przedstawiają ją jako propozycję do dyskusji nad kryterium, w oparciu o
które wyznaczany będzie wymagany strumień recyrkulacji spalin.
Literatura
[1] [1] Merkisz J.: Ekologiczne problemy silników spalinowych, Wydawnictwo Politechniki
Poznańskiej, Poznań 1999.