CN102297047A - 用于二甲醚发动机的通道式egr系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于二甲醚发动机的通道式EGR系统和方法。本发明公开了一种通道式废气再循环(EGR)系统及其通道尺寸的确定方法。更具体地，本发明通过确定通道尺寸而使得废气在压差的作用下进入进气管，在无需采用EGR阀门元件或系统的前提下，保证一定的EGR率，使得机械泵的二甲醚发动机达到国V排放要求。本发明具有结构简单、成本低廉并且可靠性高的优点。

Description

用于二甲醚发动机的通道式EGR系统和方法

技术领域

本发明涉及低压燃料供给系统领域，更具体地，本发明涉及一种通道式二甲醚废气再循环(EGR)系统，其无需采用EGR阀以及后处理器而使机械泵的二甲醚发动机达到国V排放要求。

背景技术

随着环境保护问题的重要性日趋增加，如何降低发动机有害物排放是减少大气污染的一个重要议题，因此其也成为了未来发动机发展的重要方向。目前降低汽车尾气排放一般不再是从发动机本身的结构方面来采取措施，而通常采取排气后处理的方式来降低污染物的排放量。在现有的各种降低有害排放物的控制方法中，选择性催化还原(SelectiveCatalyst Reduction，简称为SCR)技术和废气再循环(Exhaust GasRecirculation，简称为EGR)技术成为控制发动机排放的主要技术手段。本发明主要涉及对于EGR技术或是系统的改进。

EGR的原理是在发动机工作过程中，将一部分废气引入进气管，与新鲜空气或雾化混合气混合后进入发动机气缸内参与再次燃烧。由于再循环气体的热容量较高，在燃烧过程中吸收较多的热量，能够降低发动机最高燃烧温度以及压力，而氮和氧只有在高温高压条件下才会发生化学反应，因此就抑制了氮氧化合物的生成。另外，提高废气再循环率会使总的废气流量(mass flow)减少，因此废气排放中总的污染物输出量将会相对减少。

一般采用两种方式来实现EGR：一种是将涡轮前的排气引入中冷器之后，称为高压废气反向；另一种是将涡轮后的排气引入压气机之前，称为低压EGR系统。当使用柴油作为发动机燃料时，由于柴油等含有C-C键以及硫，因此在燃烧过程中会生成碳烟和SO3，碳烟的颗粒使涡轮增压器的压气机磨损严重，而SO3遇到水后会生成硫酸从而腐蚀压气机，所以在柴油机中一般采用高压EGR系统并且需要与例如DPF(颗粒捕捉器)等后处理器同时使用，然而DPF压力过高后需要再生，因此使得整个系统的结构复杂并且成本较高。因此，虽然柴油机的热效率比汽油机高7-9个百分点，但是由于柴油污染大以及其逐渐紧缺等原因，采用二甲醚(分子式：CH3OCH3，简称DME)来替代柴油作为汽车燃料是能源时代发展的迫切需要。二甲醚的分子式简单，无C-C键，燃料二甲醚中不含有硫，因此燃烧过程中没有碳烟也没有硫化物的生成，此时如果采用EGR就不会对压气机的叶片造成磨损，也不会腐蚀叶片。此外，同样由于二甲醚发动机产生的颗粒很少并且几乎不生成碳烟，也就无需安装DPF等后处理器。从而降低了系统的复杂度和成本。

由于低压可有效降低氮氧化物，而废气循环工作范围较大，因此目前运用得最多的是低压二甲醚发动机的EGR系统。在现有的二甲醚发动机专用低压EGR系统中，由于发动机的工作状态不同，对EGR的量的要求也不同。当发动机在怠速工况下时，几乎没有废气循环至发动机。随着发动机转速和负荷的增加，进入燃烧室的废气量而增加。在发动机达到额定状况，即全负荷时，EGR率也达到最大。因为过量的废气在循环中将会影响发动机的正常运行，特别在怠速或低速小负荷和发动机处于冷态运行时，再循环的废气将会明显降低发动机的能量效率和机械耐久性。因此为了使EGR系统能更有效地发挥作用，一般需要采用电控或者气动阀来控制不同工况下参加EGR的废气量。通常采用EGR率作为排气再循环的控制指标，其MAP图一般形式为以转速(r/min)和负荷(％)为自变量的三维图形，可以将其简单定义为：

EGR率＝EGR气体流量/(吸入空气量+EGR气体流量)×100％

目前采用机械式尤其是电子式控制来对EGR率进行控制和调节。普通的电控式EGR控制系统一般主要由EGR阀、电磁阀、节气门位置传感器、曲轴位置传感器、冷却水温度传感器、启动信号传送器等等组成，而更为复杂的可变式电控EGR控制系统还可能包括定压阀、调节阀等等。在工作中，当确定了发动机当前的EGR率之后，EGR阀调节进气口阀的开启高度和开启时间，从而控制流经EGR阀的废气量，故而高温废气流经EGR阀使得其需要承受工作高温。因此，EGR控制系统的结构比较复杂，相应地使得运营成本和维修成本都较高。

因此，在现有技术的EGR系统中，存在优化设计中涉及的人力物力较多、结构的复杂度较高以及相应地运营维修成本较大等缺陷。

发明内容

针对现有技术的上述不足之处，发明人通过构建燃烧模型，并且通过对燃烧机理的分析，提出了一种用于确定二甲醚发动机的通道式EGR系统的通道直径的方法以及通过该方法而得到的EGR系统，其无需采用现有EGR控制系统中所普遍采用的EGR阀以及相关的控制器件或设备，而是根据发动机的类型和额定工况时的参数，经过简单的计算，从而确定EGR系统的通道尺寸，例如通道直径，使得再循环废气在进排气压差的作用下进入进气管，接着和新鲜空气混合后进入压气机，并接着进入发动机内参与再次燃烧。由于进排气压差在各稳定工况点的压差基本上是稳定的，由此保证了一定的EGR率。因此，在确保EGR率的前提下，由于其无需采用现有技术中用以控制EGR率的阀门及其配套器件，从而使得用于二甲醚发动机的EGR系统的结构得到极大的简化，由此降低了设计、运营以及维修成本。

具体地，根据本发明的第一方面，提供了一种用于二甲醚发动机的通道式EGR系统，其包括EGR进口接管、EGR冷却器、EGR出口接管、进气管、排气管、以及增压器，其中EGR通道直径符合下述计算公式：

$Q\×\mathrm{\φ}=\sqrt{\left(2(C-\mathrm{\Δp})/\mathrm{\ρ}\right)}\×S$

其中S为通道直径，φ为发动机处于额定状况下的ERG率，Q为总进气量，Δp为额定点进排气压差，ρ为排气密度，C为经验常数。

根据本发明的优选方面，上述的通道式EGR系统中的通道直径优选地为最小流通横截面直径。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于确定二甲醚发动机的通道式EGR系统的通道直径的方法，其包括步骤：通过测量确定发动机处于额定状况下的EGR率；确定总进气量；确定排气密度；通过测量确定额定点进排气压差；确定经验常数C；根据下列计算公式确定EGR通道直径S：

$Q\×\mathrm{\φ}=\sqrt{\left(2(C-\mathrm{\Δp})/\mathrm{\ρ}\right)}\×S$

其中S为通道直径，φ为发动机处于额定状况下的ERG率，Q为总进气量，Δp为额定点进排气压差，ρ为排气密度，C为经验常数。

根据本发明的进一个方面，上述所确定的通道式EGR系统中的通道直径优选地为最小流通横截面直径。

可以看出，通过本发明所公开的这种用于确定二甲醚发动机的通道式EGR系统的通道直径的方法以及由该方法所得到的二甲醚发动机的通道式EGR系统无需采用电控或是气动阀来控制EGR率，仅仅依靠EGR系统尺寸就能够实现通过不同工况时EGR系统进口和出口的压差来控制EGR率，从而控制废气流量。

通过以下更为具体的描述，可以看出本发明的通道式EGR系统以及其通道直径设计方法使得本发明能够取得一系列的有益效果，包括但不限于结构简单、成本低廉并且能够提高发动机的可靠性等等。

参照以下结合附图及权利要求所进行的描述，本发明的其他特征和有益效果将变得明显。

附图说明

在下文中将参考附图中所示的实施方式而更为详细地描述本发明。可以理解的是，在此所给出的附图仅仅是出于示意性目的，而其中出于便于理解和简单示出功能性的原因，在很多地方采用了简易视图，任何涉及结构性、连接性的图形示意都不应当被理解为用以诠释本发明的限制性依据。在附图中，相似参考编号用于表示相似或在操作上相似的组件，其中：

图1为现有技术中带有EGR阀门的EGR系统的示意性框图；

图2为示意性地示出EGR率的MAP图；

图3示意性地示出了现有技术中EGR阀的一个示例；

图4为根据本发明一个实施方式的通道式EGR系统的示意性框图；

图5所示流程图示意性地说明了根据本发明一个实施方式的用于确定EGR系统通道直径的方法。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施方式进行进一步的描述。应当理解的是，由于燃烧机理的复杂性，在此仅出于强调本发明重点的意图，简化了很多原理性的描述。这些原理对于本领域的技术人员来说是可以获知并理解的。

图1所示为现有技术中带有EGR阀的EGR系统的示意性视图。其中，1为EGR进口接管，2为EGR阀，3为EGR冷却器，4为EGR出口接管，5为进气管，6为发动机盖中冷器，7为机械泵二甲醚发动机，8为压气机，9为排气管。当机械泵二甲醚发动机7工作时，一部分废气经EGR进口接管1、EGR阀门2、EGR冷却器3、EGR出口接管4引入到压气机8之前和新鲜空气混合后再进入压气机8。结合附图可以看出，在现有技术的这种EGR系统中，采用了EGR阀来对EGR率进行控制和调节。在工作时，当确定了发动机当前的EGR率之后，EGR阀调节进气口阀的开启高度和开启时间，从而控制流经EGR阀的废气量。如之前已经描述的，这种阀门的控制机理较为复杂，其中使用了大量的例如测量、传感和控制元件的器件，因此，除了由于系统的复杂性而导致的发生概率较高的故障之外，当发动机运转时，参与EGR控制的阀门以及阀门系统中的元件也极易由于承受高温而产生老化并发生故障。

图3出于举例性目的而给出了一个EGR阀的结构图的例子。可以看出，在该EGR阀中，将离合信号、水温、感测器信号和速度信号作为电路输入，并且通过EGR真空控制阀、EGR控制电磁阀以及EVP传感器对EGR阀门的开启进行调节。图2为EGR率的MAP图的示意性表示。其中EGR率由负荷(％)、转速(r/min)而确定。因此，在知晓负荷和转速的情况下，可以确定EGR率。

图4为根据本发明一个实施方式的通道式EGR系统的示意性视图，其通过特殊的通道直径尺寸而实现传统的EGR阀所实现的功能，因此无需采用EGR阀，从而克服了上述传统EGR系统中由于采用EGR阀所带来的各种不足之处。在图4中，用想象中的虚线框起来的部分即为本发明所采用的通道式EGR系统，可以看出，该系统通过管道与发动机盖中冷器(5)和发动机(6)相连接，当机械泵二甲醚发动机(6)工作时，一部分废气经EGR进口接管(1)、EGR冷却器(2)、EGR出口接管(3)引入到压气机(7)之前和新鲜空气混合后再进入压气机(7)。由于排气管(8)后端接消音器(未示出)，从而存在排气背压，进气管(4)前端安装空气滤清器(未示出)，从而存在负压，因此废气可在压差的作用下进入EGR进口接管(1)。

通过试验以及下述公式来确定EGR通道的通道直径：

$Q\×\mathrm{\φ}=\sqrt{\left(2(C-\mathrm{\Δp})/\mathrm{\ρ}\right)}\×S$

其中S为通道直径，φ为发动机处于额定状况下的ERG率，Q为发动机处于额定状况下的总进气量，Δp为额定点进排气压差，ρ为排气密度，C为经验常数，C一般的取值范围为0.8-1，在根据本发明的一个优选实施方式中，C取值为0.95。

更具体地，当发动机处于额定状况下时，通过发动机的MAP来确定其EGR率，此外能够确定总的进气量Q。其中的排气密度ρ为与排气温度相关的参数，因此可以通过查找表来进行确定。Δp为额定点进排气压差，通过在进气管(4)处测量进气负压并且在排气管(8)处测量排气背压，从而计算出额定点的进排气压差Δp，C为通过实验测定的经验常数，其一般取值范围为0.8-1，并且优选地选择0.95，因此，通过上述公式能够计算得出EGR通道的直径尺寸S。

可以看出，由此得到的通道直径尺寸能够使得进排气压差在各稳定的工况点的压差基本上是稳定的，因此可以保证一定的EGR率。

其中，所述的通道直径优选地为最小流通横截面的直径。

此外，由于从涡轮后引出的高温燃气容易使得增压器的热负荷过高从而影响其可靠性，因此，还需要对冷却器的尺寸进行设计及EGR冷却器。由于冷却器的尺寸设计并非本发明的主要关注点，因此对其不进行过多描述，在此仅出于示例性目的简单阐述其设计原理。一般RGR冷却器按照EGR废气的最大流量设计，并将EGR废气中冷后的温度控制在设计温度之下。由于控制废气最高温度，因此该系统不会造成压气机、发动机进排气门及座圈等热负荷超标。EGR冷却器的冷却面积和水流量根据公式Q＝q_b·C_pb·(T_b-T_b′)＝q_f·C_pf·(T_f-T_f′)，(其中，q_b-再循环废气质量流量，C_pb-再循环废气定压比热容，T_b-EGR冷却器再循环废气进口温度，T_b′-EGR冷却器再循环废气出口温度，q_f-发动机冷却水质量流量，C_pf-冷却水定压比热容，T_f-EGR冷却器冷却水进口温度，T_f′-EGR冷却器冷却水出口温度。

可以看出，本发明的这种通道式EGR系统仅依靠EGR系统的固有尺寸就能够实现控制废气流量，而在达到控制EGR率的技术效果的同时由于减少了所使用的元件量，从而使得系统的结构变得简单，操作和维修成本大大降低。

下面结合附图5对根据本发明一个实施方式的、确定用于二甲醚发动机的通道式EGR系统的通道直径的方法，其包括步骤：S110，通过MAP图表以及常规测量手段确定发动机处于额定状况下的EGR率φ；S120，在该处，确定发动机处于额定状况下的总进气量Q；接着，在步骤S130，通过查找表确定排气密度；在步骤S140，对进气管处的负压以及排气管处的背压进行测量，并且计算出额定点的进排气压差Δp；在步骤S150，确定经验常数C；最后，在步骤S160根据公式计算EGR通道直径S： $Q\×\mathrm{\φ}=\sqrt{\left(2(C-\mathrm{\Δp})/\mathrm{\ρ}\right)}\×S.$

根据本发明的一个优选实施方式，上述所确定的通道式EGR系统中的通道直径优选地为最小流通横截面直径。

上面结合附图和具体实施方式对本发明进行了阐述，可以看出，通过上述确定EGR通道尺寸的方法以及由该方法所获得的具有特殊通道尺寸的EGR系统能够在无需EGR阀的情况下，实现现有EGR系统降低排放中的NO_x含量、使二甲醚发动机达到国v排放的功能，并且同时具有结构简单、运行维修成本低廉、可靠性高等有益效果。

本领域技术人员能够理解的是，上述的具体实施方式以及示意性的视图仅仅是出于举例或是示意性的目的而给出的。上述公式中的各个参数可以通过本领域技术人员所知晓并采用的多种方法来确定或是测量，例如EGR率的测定也可以采用包括诸如转矩模块、发动机转速传感器以及踏板位置传感器和反馈控制模块的装置来实现。本领域的技术人员能够根据本发明所公开的原理和构思对实施方式进行各种变形、修改以及调整，而不会背离本发明的精神，并且这种变形、修改以及调整应当被视为涵盖在本发明权利要求所要求保护的范围内。

Claims (8)

1.一种用于二甲醚发动机的废气再循环系统，其特征在于包括废气再循环进口接管，废气再循环冷却器，废气再循环出口接管，进气管，排气管，以及增压器，其中废气再循环通道直径符合下述计算公式：

$Q\×\mathrm{\φ}=\sqrt{\left(2(C-\mathrm{\Δp})/\mathrm{\ρ}\right)}\×S$

其中S为通道直径，φ为发动机处于额定状况下的废气再循环率，Q为总进气量，Δp为额定点进排气压差，ρ为排气密度，C为经验常数。

2.根据权利要求1所述的废气再循环系统，其中所述的通道直径为最小流通横截面直径。

3.根据权利要求1所述的废气再循环系统，其中所述经验常数C的取值范围为0.85-1。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的废气再循环系统，其中所述经验常数C为0.95。

5.一种用于确定二甲醚发动机的废气再循环系统的通道直径的方法，其包括：

确定发动机处于额定状况下的废气再循环率φ；

确定总进气量Q；

确定排气密度ρ；

确定额定点进排气压差Δp；

确定经验常数C；

根据下列计算公式计算废气再循环通道直径S：

$Q\×\mathrm{\φ}=\sqrt{\left(2(C-\mathrm{\Δp})/\mathrm{\ρ}\right)}\×S.$

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述的通道直径为最小流通横截面直径。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述经验常数C的取值范围为0.85-1。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的方法，其中所述经验常数C为0.95。

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