CN101892926B - 一种火花点火式发动机的废气再循环系统 - Google Patents
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Abstract
一种火花点火发动机的废气再循环(EGR)系统，包括发动机本体、进气管、排气管、节气门体、EGR导流管，其特征在于，所述EGR导流管将所述排气管或位于发动机本体内的排气道和节气门体连接，从而把燃烧生成的废气引入发动机进气系统实现废气再循环，所述EGR导流管从所述排气管或排气道到节气门体单调向上走向，或单调向下走向，或由一段单调向上和一段单调向下的管道组成，并且在其中途偏向所述排气管或排气道一侧设有一个内径小于所述EGR导流管内径的节流孔。
Description
技术领域
本发明涉及火花点火式内燃机，特别是采用进气节流方式调节输出扭矩并且需要控制发动机有害气体排放的小排量火花点火式内燃机。
背景技术
火花点火式内燃机是汽车、摩托车、通用动力机械等常用的原动机之一，然而其燃烧排放的废气中含有大量对人体或者人们的生活环境非常有害的物质。近年来，如何在一定的成本内减少这些有害物质排放，成为了内燃机技术发展的核心主题。
废气再循环(EGR)技术是降低包括火花点火式内燃机在内的各种内燃机的氮氧化物(NOx)排放的有效方法之一，例如美国专利5,746,190公开的技术，采用一个通过节气门位置传感器、EGR阀控制装置和发动机电控单元(ECU)等构成的系统来调节EGR的废气流量。
然而，上述系统相当复杂，既有电控部件，又有处于发动机排气温度的高温状态下工作的真空执行器件，并且在发动机上的布置设计比较麻烦，因此EGR系统成本较高，可靠性也难以保证。为了提高系统的可靠性，同时减少高温废气对进气系统的加热从而提高EGR减低NOx排放的效果，常用的方法是让EGR废气首先通过一个冷却器降温，但这样做，系统就会变得更为复杂，成本很高，根本无法用于小型车辆及小型动力装置，例如摩托车。
发明内容
本发明之目的在于提供一种低成本但仍然可以有效降低火花点火式内燃机NOx排放的EGR系统。
本发明之另一个目的在于提高EGR系统的工作可靠性。
本发明之目的通过下列技术方案达到，即：一种火花点火发动机的废气再循环(EGR)系统，包括发动机本体、进气管、排气管、节气门体、EGR导流管，其特征在于，所述EGR导流管将所述排气管或位于发动机本体内的排气道和节气门连接体，从而把燃烧生成的废气引入发动机进气系统实现废气再循环，所述EGR导流管从所述排气管或排气道到节气门体单调向上走向，或单调向下走向，或由一段单调向上和一段单调向下的管道组成，并且在其中途偏向所述排气管或排气道一侧设有一个内径小于所述EGR导流管内径的节流孔。
根据上述技术方案，所述EGR导流管内的节流孔将限制EGR废气再循环的最大流量，并将EGR废气的通道分为两部分，即在该节流孔的上游与发动机排气管连通的高温部分，和在该节流孔的下游受外界冷却风良好冷却的低温部分，EGR废气在低温部分的流速较慢，从而具有足够长的散热时间来使得进入发动机进气系统的废气温度比较低，从而提高了EGR减低NOx排放的效果，也提高了EGR系统的工作可靠性，而整个系统结构简单，成本低廉。另外，脉动压力较大的排气压力在经过所述节流孔后，其脉动幅度将大幅衰减，从而减小EGR流量的不稳定性，易于控制。再有，所述EGR导流管不存在低谷弯折部位的特征，保证了在EGR导流管中不会积存废气中的凝结水分，从而防止了发动机停车放置后再启动时将过多的凝结水分吸入发动机进气系统、进而影响发动机驾驶性能的可能。
下列技术方案可对本发明进行进一步改进。
所述节气门体的进气量调节装置为发动机进气节气门板，节气门体上设有EGR废气导入孔，位于所述节气门板关闭位置的上游近邻，所述节气门板控制所述EGR废气导入孔与进气真空部分的连通，当节气门板处于怠速位置时，所述EGR废气导入孔位于节气门板的上游从而处于非真空状态，而当节气门板开度大于某个预设角度时，所述废气导入孔将位于节气门板的下游从而处于进气管真空状态。
根据上述技术方案，在节气门板处于怠速位置时，由于EGR导流管的出口端的压力基本没有真空度，所以EGR流量非常小，因此不会影响到发动机的怠速运行，而怠速工况下发动机的NOx生成量一般很低，所以也不需要EGR来减小。当发动机节气门板打开后，随着发动机负荷的增加，燃烧温度大幅增加，因此NOx排放将大幅增加，这时，因为节气门体上的EGR废气导入孔已经位于节气门板的下游，较高的进气管真空度将从排气管中通过EGR导流管大量吸入废气到进气中，从而抑制了NOx的生成。为了防止EGR量过大而导致发动机燃烧不稳定，所述的EGR导流管内的节流孔必须仔细设计，例如对于排量为50-150mL的摩托车发动机，该节流孔孔径一般在1.0-5.0mm比较合适。当节气门板全开使发动机达到全负荷状态时，进气管真空度又会变得很小，同时由于EGR导流管内的节流孔的限流作用，EGR流量相对于发动机进气流量即所谓的EGR率将很小，从而对发动机的外特性输出扭矩影响不大。当然这种工况下，EGR对NOx的降低也非常有限，但这种工况使用频度不高，此时最需要的是扭矩，而不是低排放。
上述方案构成了一种最简捷可靠的EGR系统，非常适用于小排量发动机。
根据本发明所述的火花点火发动机的废气再循环(EGR)系统，所述节气门板跨入所述废气导入孔的预设角度为3～15°。这个角度的设计原则是在最需要EGR废气流量的开度使所述废气导入孔完全处于进气管真空之中。
根据本发明所述的火花点火发动机的废气再循环(EGR)系统，所述EGR导流管可以由一段与所述排气管相连的耐热金属硬管和一段与所述EGR废气导入孔相连的软管组成，所述节流孔位于金属硬管之中，距离金属硬管和软管连接部位在50mm以上。这样，所述EGR导流管与其它部件的连接将非常方便，能够吸收较大的制造误差，还可以减小由于热胀冷缩或者振动等引起的导流管内部应力过大而造成的部件损坏。正是由于所述节流孔的设置，才能够保证所述软管的温度不致于过高，保证系统的可靠性。
对本发明所述的火花点火发动机的废气再循环(EGR)系统的进一步改进还包括，所述EGR导流管为在外表面设置有散热较好的散热肋片的金属管，或为金属波纹管。这样通过加强散热可以进一步降低EGR废气的温度。还有，将所述废气导入孔的孔径设计为约等于所述节流孔的孔径，可以提高所述节气门板跨过所述废气导入孔的预设角度和最大EGR废气流量之间的匹配自由度。
对本发明所述的火花点火发动机的废气再循环(EGR)系统的另一个改进包括，在所述EGR导流管中途或在所述节气门体上设置一个EGR控制阀，由所述EGR导流管引来的废气经过所述EGR控制阀再进入发动机进气系统，所述EGR控制阀可以为单位置截止阀，也可以为双位置截止阀，由油门拉线控制。在油门拉线使所述节气门板打开在一定位置时，所述EGR控制阀使EGR导流通道打开，产生EGR废气流量，而在油门拉线使所述节气门板处于全开位置附近时或处于怠速位置附近时，所述EGR控制阀将关闭EGR导流通道。这样，油门全开状态或全关状态将使EGR率为零，从而更为彻底地消除了EGR对发动机的外特性输出扭矩或怠速稳定性的影响。在采用双位置截止阀的场合，即可在节气门板接近全开位置时关闭EGR导流通道，也可在接近怠速位置时关闭EGR导流通道。
所述由油门拉线控制的EGR控制阀可以由带有环槽的阀芯、阀孔以及回位弹簧等组成，所述阀芯与所述阀孔滑动配合但间隙很小，因此当所述阀芯上的环槽与所述EGR导流通道不相交时，所述EGR导流通道和所述EGR废气导入孔将不能连通，只有所述环槽与所述EGR导流通存在重叠相交段时，所述EGR导流通和所述EGR废气导入孔才能通过所述环槽和阀孔形成的通道相通。
进一步的改进还包括，所述EGR控制阀为由发动机电控单元控制的电控阀。这样就可以更加自由地控制EGR流量与发动机的工况相适应。由于本发明的EGR系统，其节气门处的EGR废气温度较低，所以所述EGR控制阀的工作条件较好，可以有效地提高其工作可靠性。
总之，本发明的益处在于，提供了一种火花点火发动机的废气再循环(EGR)系统，其系统构成简单可靠，生产制造方便，成本低廉，同时能够有效降低常用发动机工况的NOx排放，还基本不影响发动机的外特性输出扭矩。
附图说明
图1为本发明实施例一之火花点火发动机的废气再循环(EGR)系统的构成简图。
图2为本发明实施例一之节气门体进气通道的剖面图，节气门板处于怠速位置。
图3为本发明实施例一之节气门体进气通道的剖面图，节气门板处于打开位置。
图4为本发明实施例二之火花点火发动机的废气再循环(EGR)系统的构成简图。
图5为本发明实施例三之火花点火发动机的废气再循环(EGR)系统的构成简图。
图6为本发明实施例四之火花点火发动机的废气再循环(EGR)系统的节气门体的部分剖面图。
下面借助这些附图来详细说明本发明。
具体实施方式
在图1所示的本发明的第一个实施例中，所述发动机为一弯梁摩托车所用的100-125mL排量的发动机，包括发动机本体1、进气节气门体7、排气管11、EGR导流管(8、4)，在节气门体7上设置有EGR接嘴5，在排气管11上设置有EGR接嘴10，EGR导流管8为可耐排气高温的金属管，EGR导流管4为橡胶软管，两者通过管接头2相连。在EGR导流管8的靠近排气管11的一端，设置了节流孔9，其节流孔径为2.5-3.5mm。节流孔9到管接头2的EGR导流管部分的长度约90mm，以保证EGR导流管4的温度不会高于橡胶软管的耐热极限。EGR导流管(8、4)内部形成的EGR导流孔3的流通面积比节流孔9要大很多，例如内径为5-8mm的金属管和橡胶软管，以利于被导入发动机进气管6的发动机废气温度尽量低。EGR导流管8的外表面还可以设置散热肋片，以进一步降低EGR废气的温度。
在图1所示的实施例中，从排气管到节气门体，EGR导流管(8、4)一定要保持单调向上或单调向下，以防止废气中的凝结水的累积。因此，由于排气管低于节气门体，所以排气管11上的EGR接嘴10只能向上或斜向上。而如果节气门体7上的EGR接嘴5向下或斜向下，那么EGR导流管(8、4)就只能保持单调向上。由于EGR废气在EGR导流管(8、4)中被冷却必然要产生凝结水，如果这些凝结水不能从EGR导流管(8、4)的进口或出口派出，那么就会在EGR导流管(8、4)中累积，就会导致发动机加速变差，特别是在下次启动发动机时，会发生启动困难、启动后无加速等故障。
图2所示的本发明的第一个实施例之节气门体进气通道的剖面图显示，节气门体7上的EGR废气导入孔12在进气管6中的相对位置受节气门板13的控制，在节气门板13处于怠速位置时，节气门体7上的EGR废气导入孔12不能与具有进气真空度的节气门板下游空腔14相连通，而只与没有进气真空度的节气门板上游空腔15相连通。因此，EGR废气导入量很小，从而防止了EGR对发动机怠速稳定性的不利影响。
如图3所示，当节气门板13打开一定角度后，节气门体7上的EGR废气导入孔12将与具有进气真空度的节气门板下游空腔14相连通，从而EGR废气导入量将增加，可有效降低发动机的NOx的生成。但最大EGR废气导入量将受节流孔9的限制，因此，当节气门板13处于全开位置时，一方面由于节流孔9的限制，另一方面由于这时整个进气管6中的真空度都很小，而进气空气流量又很大，所以EGR率又会变小，不至于对发动机外特性扭矩产生太大的影响。
一般地，在节气门板开度小于5°的工况下，因为发动机内部EGR会使NOx生成量很小，所以不需要外部EGR。因此，上述节气门板13打开使EGR废气导入量增加的角度设定可以取3-15°。
在图4所示的本发明的第二个实施例中，EGR导流管采用了一根整体的金属管8。当然，在金属管4之外表面也可以设置散热肋片，或以散热性好的金属波纹管制作，以降低EGR废气的温度。
在图5所示的本发明的第三个实施例中，在节气门体7上设置了一个通过发动机电控单元(ECU)20控制其开关的EGR控制阀21，在电磁阀闭合(或断开)状态，阀杆22将关闭EGR导流通道3，而在电磁阀断开(或闭合)状态，阀杆22将打开EGR导流通道3，从而实现更为灵活的EGR控制策略。当然，EGR控制阀21也可以采用比例阀。
在图6所示的本发明的第四个实施例中，在节气门体7上设置了一个通过油门拉线的一个分支30操作、与节气门板13的运动同步直线运动的机械式EGR控制阀31，EGR控制阀31包括阀芯32、阀孔32、弹簧33等，阀芯32与阀孔32滑动配合但间隙很小，因此当阀芯32上的环槽通道35与EGR导流通道3不相交时，EGR导流通道3和EGR废气导入孔12将不能连通，只有环槽通道35与EGR导流通道3存在重叠相交段时，EGR导流通道3和EGR废气导入孔12才能相通。在油门拉线处于或接近于怠速或/和油门全开位置时，油门拉线的分支30将使EGR控制阀31截断EGR导流通道3，而在其它的油门位置则保持EGR导流通道3的畅通。
本发明之火花点火发动机的废气再循环(EGR)系统，适用于汽车、摩托车、ATV、通用动力装置的发动机，尤其适用于二轮或三轮摩托车搭载的发动机。
上述实施例的目的是为了说明本发明，但并不限定本发明。凡利用本发明之构思和精神实质进行的、对于本领域普通专业技术人员而言显而易见的改变设计，仍然属于本发明之权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种小排量火花点火发动机的废气再循环（EGR）系统，包括发动机本体、进气管、排气管、节气门体、EGR导流管，其特征在于，所述EGR导流管将所述排气管或位于发动机本体内的排气道和节气门体连接，从而把燃烧生成的废气引入发动机进气系统实现废气再循环，所述EGR导流管从所述排气管或排气道到节气门体单调向上走向，或单调向下走向，或由一段单调向上和一段单调向下的管道组成，保证在EGR导流管中不会积存废气中的凝结水分，防止在发动机停车放置后再启动时将过多的凝结水分吸入发动机进气系统、进而影响发动机驾驶性能的可能；并且在所述EGR导流管中途偏向所述排气管或排气道一侧设有一个内径小于所述EGR导流管内径的节流孔，所述节气门体的进气量调节装置为发动机进气节气门板，节气门体上设有EGR废气导入孔，且位于所述节气门板关闭位置的上游近邻，所述节气门板控制所述EGR废气导入孔与进气真空部分的连通，当节气门板处于怠速位置时，所述EGR废气导入孔位于节气门板的上游从而处于非真空状态，而当节气门板开度大于某个预设角度时，所述废气导入孔将位于节气门板的下游从而处于进气管真空状态。
2.如权利要求1所述小排量火花点火发动机的废气再循环（EGR）系统，其特征在于，所述节气门板跨入所述废气导入孔的预设角度为3~15o。
3.如权利要求2所述小排量火花点火发动机的废气再循环（EGR）系统，其特征在于，所述EGR导流管由一段与所述排气管相连的耐热金属硬管和一段与所述EGR废气导入孔相连的软管组成，所述节流孔位于金属硬管之中，距离金属硬管和软管连接部位在50mm以上。
4.如权利要求1所述小排量火花点火发动机的废气再循环（EGR）系统，其特征在于，所述EGR导流管内径的节流孔孔径在1.0-5.0mm。
5.如权利要求1所述小排量火花点火发动机的废气再循环（EGR）系统，其特征在于，所述EGR导流管为外表面设置有散热肋片的金属管，或为散热较好的金属波纹管。
6.如权利要求3所述小排量火花点火发动机的废气再循环（EGR）系统，其特征在于，所述废气导入孔的孔径约等于所述节流孔孔径。
7.如权利要求1所述小排量火花点火发动机的废气再循环（EGR）系统，其特征在于，在所述EGR导流管中途或所述节气门体上设置有一个EGR控制阀，由所述EGR导流管引来的废气经过所述EGR控制阀再进入发动机进气系统，所述EGR控制阀由油门拉线控制，当油门拉线使所述节气门板处于怠速位置及其附近时，或处于全开位置及其附近时，所述EGR控制阀将EGR导流通道关闭。
8.如权利要求7所述小排量火花点火发动机的废气再循环（EGR）系统，其特征在于，所述EGR控制阀包括：带有环槽的阀芯、阀孔以及回位弹簧，所述阀芯与所述阀孔滑动配合但间隙很小，当所述阀芯上的环槽与所述EGR导流通道不相交时，所述EGR导流通道和所述EGR废气导入孔将不能连通，当所述环槽与所述EGR导流通道存在重叠相交段时，所述EGR导流通道和所述EGR废气导入孔通过所述环槽和阀孔形成的通道相通。
9.如权利要求1所述小排量火花点火发动机的废气再循环（EGR）系统，其特征在于，在所述EGR导流管中途或所述节气门体上设置有一个EGR控制阀，由所述EGR导流管引来的废气经过所述EGR控制阀再进入发动机进气系统，所述EGR控制阀为由发动机电控单元控制的电控阀，在油门全开位置或冷车状态，所述发动机电控单元控制所述电控阀使EGR导流通道关闭。
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