CN104481742A - 一种控制发动机再循环废气量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发动机减排技术领域，公开了一种通过进气门预开启凸轮控制发动机内部废气再循环率的方法。提出在发动机排气行程中，通过进气门预开启凸轮作用，使进气门短暂、小幅度开启一次，依靠气缸与进气管压力差作用，将一定量废气推入进气管；在下一进气行程中，进气管中的废气便随同新鲜空气一同被吸入气缸，实现机内废气再循环的方法。通过调整进气门预开启凸轮配气相位、开启持续角及升程三个特征参数，对流入进气管的废气进行定量控制，达到发动机IEGR率自主调控的目的。本发明简单便捷，无需测量排气管和缸内压力波位置，因而其可以应用于多种复杂工况，适用性更广，成本更低，对IEGR率的控制更精确。

Description

一种控制发动机再循环废气量的方法
技术领域
本发明涉及发动机减排技术领域，具体涉及一种利用进气门预开启凸轮控制发动机再循环废气量的方法。
背景技术
随着国家排放法规的日益严格，对发动机尾气中污染物的排放量限制也相应不断提高。对柴油机而言，NOX和碳烟是尾气中的两种主要污染物，通常情况下主要通过EGR(ExhaustGas Recirculation,废气再循环)技术降低尾气中氮氧化物NOX的含量，这是目前将发动机燃烧产物进行缸内净化的主要手段。其实质是将已燃废气再次引入气缸参与下一循环的燃烧。利用废气中CO2，H2O等三原子气体高比热容的特性作用，达到降低缸内温度，减缓NOX生成速率的目的。
发动机技术研究表明，IEGR(IEGR-Inner Exhaust Gas Recirculation)技术以其实现方式简单，附加成本低，可靠性高及外部空间占位小等诸多优点得到广泛的应用；成为发动机改善燃烧性能不可缺少的有效方法之一。
一定量的循环废气能在减少NOX排放量、抗爆燃、进气预热、降低排气温等方面起到积极的作用，但是废气同时又是诱发缸内着火提前，导致热效率下降，燃油消耗率、HC、CO及烟度上升的因素之一，因此只有适当的废气量，才能使其在发挥改善燃烧最大效能的同时将其负面影响降至最低。因此，需对参与IEGR的废气率进行精确控制，以便于平衡各作用的影响，得到各种性能的最佳折中，使发动机加权指标同时满足目标整机动力性、经济性和排放性能要求。由于IEGR方法中废气量控制问题远比外部EGR困难得多，至今尚未获得有效的解决方法。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术存在无法控制IEGR率的问题，采用一种进气门预开启的方式，通过调整各特征参数的方法，达到自主控制IEGR率的目的。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
在发动机排气行程中将进气门预先开启一小段升程，利用此时缸内压力大于进气管中压力的条件，将一部分废气通过进气门压入到进气管中，在下一循环进气时，这些回流的废气又随新鲜空气进入气缸，从而达到废气再循环的目的。
与进气门预开启相关的特征参数有三个，分别为进气门预开启的相位、进气门预开启持续角和进气门预开启升程。各特征参数的变化对废气回流量的影响大小不同，通过对这些参数的合理调整，准确、灵活地控制发动机在不同工况下废气返回量即废气再循环率，使气缸内新鲜气体与废气的混合比例得到控制，最终达到IEGR技术对IEGR率的精确控制。有效改善发动机气缸内的燃烧条件，达到发动机性能与排放物控制最佳协调的目的。
调整进气门预开启特征参数实现发动机IEGR率自主控制方法，包括进气门预开启特征参数基准值设定的步骤：欲使进气管内具备足够的废气流量，应在排气门开启初期，气缸内与进气管中压力差较大时，将进气门与排气门同时开启，以保证废气顺利流入进气管中。因此可将进气门预开启凸轮的开启基准相位设置成与排气门开启相位相同。根据不同发动机气道流通时面值与气管内脉动废气回馈量关系仿真结论，设定进气门预开启凸轮升程变化区间；同时，根据凸轮可靠性设计限值要求，设定与该升程区间相应的最小凸轮工作持续角变化范围。
调整进气门预开启特征参数实现发动机IEGR率自主控制方法，还包括以下步骤：计算进气门预开启相位对IEGR率及发动机性能的影响。在进气门预开启特征参数基准值的范围内设定进气门预开启升程、进气门预开启持续角为某一定值，改变进气门预开启相位，计算出其对IEGR率及发动机性能的影响情况。
调整进气门预开启特征参数实现发动机IEGR率自主控制方法，还包括以下步骤：计算进气门预开启持续角对IEGR率及发动机性能的影响。在进气门预开启特征参数基准值的范围内设定进气门预开启升程为某一定值，进气门预开启相位与排气门开启相位相同。改变进气门预开启持续角，计算出其对IEGR率及发动机性能的影响情况。
调整进气门预开启特征参数实现发动机IEGR率自主控制方法，还包括以下步骤：计算进气门预开启升程对IEGR率及发动机性能的影响。设定进气门预开启相位与排气门开启相位相同，在进气门预开启特征参数基准值的范围内设定进气门预开启持续角为某一定值。改变进气门预开启升程，计算出其对IEGR率及发动机性能的影响情况。
本发明解决了传统IEGR技术无法自主调控IEGR率的难题，与传统排气门二次开启IEGR技术相比，该技术更加简单便捷，无需测量排气管和缸内压力波位置，因而其可以应用于多种复杂工况，适用性更广，成本更低，对IEGR率的控制更精确，使IEGR技术在发动机尾气处理方面得以更广泛地应用。
附图说明
图1为带进气门预开启的进排气门升程示意图。
图2为进气门预开启实现IEGR原理示意图。
图3为2200r/min某发动机功率、扭矩、燃油消耗率与IEGR率随进气门预开启相位变化关系曲线。
图4为2200r/min某发动机功率、扭矩、燃油消耗率与IEGR率随进气门预开启持续角变化关系曲线。
图5为2200r/min某发动机功率、扭矩、燃油消耗率与IEGR率随进气门预开启升程变化关系曲线。
具体实施方式
本发明的核心是发动机内部废气再循环实现IEGR率自主控制的一项技术，是基于进气门预开启方式实现的，下面结合实例附图来详细说明本发明提出的具体结构及使用情况，但本实施例不能用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
进气门预开启策略实现的本质是由凸轮决定的。凸轮的型线控制着进气门预开启相位，进气门预开启持续角及进气门预开启升程三个与IEGR率有关的特征参数。图1所示为带进气门预开启的进排气门升程关系示意图，在排气门开启的同时将进气门也小幅度开启一次，达到废气回流的目的，其实现方式是通过在进气凸轮前增加一个进气门预开启凸轮，此进气门预开启凸轮就如同一个“废气流量控制阀”，根据对不同凸轮型线的优化改进来控制回流入进气道中的废气，从而控制IEGR率，实现进气门预开启技术对IEGR率的自主控制。整个进气门预开启实现发动机IEGR率自主控制的过程如图2所示，在发动机排气行程中，将进气门预开启一小段升程，此时借助缸内压力大于进气管中压力的条件，将部分废气压入进气管中；在下一进气行程，由进气主凸轮带动进气门打开，进气管中的废气连同新鲜工质一同进入气缸，实现发动机内部废气再循环。
下面以一款柴油机为例，具体参数见下表所示，说明本发明的可实施性。
实例发动机主要参数
1.进气门预开启相位对IEGR率及柴油机性能影响规律。
以凸轮升程1.5mm(气门升程2.576mm)，持续角110℃A，目标原机排气门开启相位为基准点(设该点为0℃A)为基准特征设计参数。在-15°～30℃A区间内，寻找开启相位对EGR率及发动机性能的影响规律。在2200r/min最大功率转速工况下，通过每隔5℃A为一个测算点，改变进气门预开启时刻；得到如图3所示的进气门预开启相位对柴油机IEGR率、功率、扭矩、燃油消耗率的影响规律。
由图3可见，在所设定的预开启时刻变化区间内，进气门每推后5℃A开启，IEGR率以0.11％的下降量递减；进气门预开启时刻的改变，能有规律地改变IEGR率，起到调节IEGR率的作用。随着开启时刻推迟，燃油消耗率呈现微量下降趋势，扭矩、功率呈现上升趋势；当进气门预开启早于排气门开启相位时，由于膨胀功损失而导致发动机功率与扭矩的下降，发动机性能恶化；同时随着开启相位提前，燃油消耗率有明显增长趋势。鉴于配气特征参数对发动机性能的影响，需在进气门预开启相位选择时予以综合考虑。
2.进气门预开启持续角对IEGR率及柴油机性能影响规律。
以气门升程2.576mm，排气门开启相位为进气门预开启开启相位。在110～150℃A区间内，寻找进气门预开启持续角对IEGR率及发动机性能的影响规律。在2200r/min最大功率转速工况下，通过每隔5℃A为一个测算点，得到如图4所示的进气门预开启持续角对柴油机IEGR率、功率、扭矩、燃油消耗率的影响规律。
由图4可见，随着进气门预开启持续角的增加，IEGR率也相应增加，但增速逐级减缓，每增加5℃A，IEGR率增速率较上一级减少0.01％。进气门预开启持续角对IEGR率的调节量非常有限，仅能起到微调的作用。随着持续角的增加，功率、扭矩随持续角的增加略有减小，燃油消耗率基本持平。
3.进气门预开启升程对IEGR率及柴油机性能影响规律。
以排气门开启相位为进气门预开启开启相位；进气门预开启持续角为120℃A，在气门升程1.8mm～3.0mm区间内；通过改变气门升程，寻找进气门预开启升程对IEGR率及发动机性能的影响规律。
通过改变进气门预开启凸轮升程设计参数，可得到相应的气门升程。以气门升程0.2mm为步长递增为目标，在1.8mm～3.0mm区间内，设计7种不同升程的凸轮型线。
由图5的仿真结果可见，IEGR率和发动机功率、扭矩、燃油消耗率等性能均呈现一定的区间变化特征。根据其变化特性将1.8mm～2.6mm作为区间Ⅰ，2.6mm～3.0mm作为区间Ⅱ。区间Ⅰ中，进气门预开启升程每提高0.2mm，IEGR率约增加0.8％；功率与扭矩下降很小；燃油消耗率上升0.8～1.0g/kW·h。区间Ⅱ中，随着气门升程的继续升高，IEGR率增速率变快，气门升程每提高0.2mm，IEGR率增加约1.5％；功率与扭矩稍有下降；燃油消耗率上升1.5～2.0g/kW·h。可见，改变进气门预开启升程，可以较大幅度调整IEGR率，但同时也会伴随着发动机性能的变化。
柴油机性能仿真结果表明，预开启进气门升程是影响IEGR率的主要因素，进气门升程每提高0.2mm，IEGR率增加0.8％～1.5％；在需对IEGR率调整幅度较大时，可考虑采用调节预开启进气门升程的方法；当预开启进气门升程大于2.6mm时，柴油机燃油经济性迅速恶化。进气门预开启相位与持续角对IEGR率的影响度较小，其中改变进气门开启持续角，对发动机经济性影响较小，当需小幅度调节IEGR率时，可优先考虑采用调整预开启进气门持续角的方法。
进气门预开启策略对不同特征参数的选择可以在兼顾目标机型各项性能的前提下实现IEGR率的自主控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在本技术领域内，对于不脱离本发明原理的前提下所做出的改进与润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种控制发动机再循环废气量的方法，其特征在于：在进气凸轮前增加进气门预开启凸轮，通过对所述进气门预开启凸轮型线的优化来控制回流入进气道中的废气，从而控制IEGR率；在发动机排气行程中，将进气门预开启一小段升程，此时借助气缸内压力大于进气管中压力的条件，将部分废气压入所述进气管中；在下一进气行程，由所述进气凸轮带动所述进气门打开，所述进气管中的废气连同新鲜工质一同进入所述气缸，实现所述发动机内部废气的再循环。
2.如权利要求1所述的控制发动机再循环废气量的方法，其特征在于包括进气门预开启特征参数基准值设定的步骤，包括：(1)进气门预开启相位基准设定，欲使所述进气管内具备足够的废气流量，应在排气门开启初期，所述气缸内与所述进气管中压力差较大时，将所述进气门与所述排气门同时开启，以保证废气顺利流入所述进气管中，因此可将所述进气门预开启凸轮的开启基准相位设置成与排气门开启相位相同；(2)进气门预开启升程基准设定，根据不同发动机气道流通时面值与气管内脉动废气回馈量关系仿真结论，设定进气门预开启凸轮升程变化区间；(3)进气门预开启持续角基准值设定，根据凸轮可靠性设计限值要求，设定与该升程区间相应的最小凸轮工作持续角变化范围。
3.如权利要求2所述的控制发动机再循环废气量的方法，其特征在于：采用单一变量法核算所述进气门预开启特征参数对目标机型IEGR率及发动机各项性能的影响，即保持进气门预开启其他特征参数值不变，通过改变某一特征参数，计算IEGR率及发动机性能随此特征参数的变化规律，所述特征参数对IEGR率及发动机性能影响规律存在差异，由此通过调整进气门预开启不同特征参数值实现IEGR率自主控制。
4.如权利要求3所述的控制发动机再循环废气量的方法，其特征在于：在进气门预开启特征参数基准值的范围内设定进气门预开启升程、进气门预开启持续角为定值，改变进气门预开启相位，计算出进气门预开启相位对IEGR率及发动机性能的影响情况。
5.如权利要求3所述的控制发动机再循环废气量的方法，其特征在于：在进气门预开启特征参数基准值的范围内设定所述进气门预开启升程为定值，进气门预开启相位与排气门开启相位相同，改变进气门预开启持续角，计算出进气门预开启持续角对IEGR率及发动机性能的影响情况。
6.如权利要求3所述的控制发动机再循环废气量的方法，其特征在于：设定进气门预开启相位与排气门开启相位相同，在进气门预开启特征参数基准值的范围内设定进气门预开启持续角为定值，改变进气门预开启升程，计算出进气门预开启升程对IEGR率及发动机性能的影响情况。
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