CN105443273A - 基于高压气源的单缸柴油机egr装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供基于高压气源的单缸柴油机EGR装置及控制方法，包括单缸柴油机、涡轮增压器、进气三通阀、排气三通阀，进气三通阀包括进气口、第一出气口和第二出气口，进气口通过高压外气源进气阀连通高压外气源，第一出气口与单缸柴油机之间设置第一进气支路，第二出气口与涡轮增压器的涡轮之间设置第二进气支路，排气三通阀包括排气口、第一废气口和第二废气口，排气口与单缸柴油机相连，第一废气口通过第一废气支路连通大气，第二废气口与涡轮增压器的压气机之间设置第二废气支路，压气机通过EGR管路连接第一进气支路，EGR管路上依次设置单向阀、控制电磁阀。本发明克服了进气压力过高、排气压力过低而造成的无法回流等问题。

Description

基于高压气源的单缸柴油机EGR装置及控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种柴油机，具体地说是柴油机EGR装置及其控制方法。

背景技术

所谓废气再循环(EGR)是将排气中的一部分废气引入到进气管，同新鲜空气混合后进入气缸重新参与燃烧的过程。随着船舶柴油机NOX排放法规日益严格，EGR已经成为降低NOX排放的最有效手段之一。如何实现EGR是EGR技术中的关键，目前增压柴油机的主要的实现方式有两种：低压EGR和高压EGR。二者的区别在于：低压EGR将涡轮前废气引入到压气机进口，而高压EGR则将涡轮前废气引入到压气机出口。因低压EGR容易造成废气的泄漏、废气中颗粒等杂质会对压气机叶片造成损伤，因此目前大多都采用高压EGR方式。无论高压EGR还是低压EGR，都存在共同的问题，由于增压柴油机进气压力均高于柴油机排气，废气很难正常与高压进气完成掺混，因此如何成功的将废气引入到进气成为了关键因素。

目前，已有的EGR系统和方案，大多都是针对车用发动机或者船用多缸增压柴油机上。如专利“一种实现大EGR率的低压EGR引入装置及低压EGR引入方法(申请号：201510188412.7)”中记载的技术方案等。而针对单缸柴油机的EGR试验台研究还很少。如专利“如一种实现柴油单缸机EGR的装置及EGR控制方法(申请号为：201410804230.3)”提供了一种柴油单缸机EGR装置及EGR控制方法，通过在排气管末端增加颗粒捕集器和气泵，来提高EGR压力实现EGR回流。虽然该方法能够达到预定的效果，但是仍有值得改进的地方，如颗粒捕集器和气泵的及其辅助设备是的整个EGR系统更加复杂、气泵的采用需要额外消耗能量等。目前还没有基于高压气源的单缸柴油机EGR装置的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供克服了进气压力过高、排气压力过低而造成的无法回流等问题的基于高压气源的单缸柴油机EGR装置及控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明基于高压气源的单缸柴油机EGR装置，其特征是：包括单缸柴油机、涡轮增压器、进气三通阀、排气三通阀，进气三通阀包括进气口、第一出气口和第二出气口，进气口通过高压外气源进气阀连通高压外气源，第一出气口与单缸柴油机之间设置第一进气支路，第二出气口与涡轮增压器的涡轮之间设置第二进气支路，排气三通阀包括排气口、第一废气口和第二废气口，排气口与单缸柴油机相连，第一废气口通过第一废气支路连通大气，第二废气口与涡轮增压器的压气机之间设置第二废气支路，压气机通过EGR管路连接第一进气支路，EGR管路上依次设置EGR过滤器、EGR冷却器、单向阀、控制电磁阀。

本发明基于高压气源的单缸柴油机EGR装置还可以包括：

1、进气三通阀与EGR管路之间的第一进气支路上安装第一流量传感器和第一压力传感器，EGR过滤器与压气机之间的EGR管路上安装第二流量传感器和第二压力传感器。

本发明基于高压气源的单缸柴油机EGR控制方法，其特征是：采用如下装置：包括单缸柴油机、涡轮增压器、进气三通阀、排气三通阀，进气三通阀包括进气口、第一出气口和第二出气口，进气口通过高压外气源进气阀连通高压外气源，第一出气口与单缸柴油机之间设置第一进气支路，第二出气口与涡轮增压器的涡轮之间设置第二进气支路，排气三通阀包括排气口、第一废气口和第二废气口，排气口与单缸柴油机相连，第一废气口通过第一废气支路连通大气，第二废气口与涡轮增压器的压气机之间设置第二废气支路，压气机通过EGR管路连接第一进气支路，EGR管路上依次设置EGR过滤器、EGR冷却器、单向阀、控制电磁阀；进气三通阀与EGR管路之间的第一进气支路上安装第一流量传感器和第一压力传感器，EGR过滤器与压气机之间的EGR管路上安装第二流量传感器和第二压力传感器；

当采用EGR工作循环时：

预先设置EGR率，进气三通阀的第一出气口和第二出气口保持打开状态，且排气三通阀的第一废气口和第二废气口保持打开状态；

(1)分别获取第一压力传感器的信号P1、第二压力传感器的信号P2、第一流量传感器的信号Q1、第二流量传感器的信号Q2；

(2)判断P1和P2的大小：若P1≧P2，则电磁控制阀保持常闭状态；若P1＜P2，则打开电磁控制阀；

(3)根据实时测量的第一流量传感器的信号Q1、第二流量传感器的信号Q2，通过调节电磁控制阀，达到预设的EGR率，实现废气再循环；

当采用非EGR工作循环时：

进气三通阀的第一出气口保持打开状态，进气三通阀的第二出气口保持关闭状态，排气三通阀的第一废气支路保持打开状态，排气三通阀的第二废气支路保持关闭状态。

本发明的优势在于：利用压力可无级调节的高压气源来实现单缸柴油机的增压工作方式，解决了单缸柴油机因排气不连续、排气量不足等弊端而无法正常使用涡轮增压的问题；同时通过一个涡轮增压器的“逆向利用”提高了EGR废气的压力，有效解决了进气压力过高、EGR废气压力过低导致的无法回流的问题；整个装置通过两个三通阀即可实现柴油机EGR工作循环和非EGR工作循环之间的切换，方便快捷。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明一种基于高压气源的单缸柴油机EGR装置，包括高压外气源进气阀(1)、进气三通阀(2)、排气三通阀(11)、电磁控制阀(3)、单向阀(4)、EGR冷却器(5)、EGR过滤器(6)、进气压力传感器(12)、排气压力传感器(7)、进气流量传感器(13)、排气流量传感器(8)、废气涡轮(9)、压气机(10)以及增压器进出口管道等。

高压外气源进气阀(1)入口与高压气源相连，高压外气源进气阀(1)出口与进气三通阀(2)入口相连，进气三通阀(2)出口管道以三通方式流出，一端出口与废气涡轮(9)入口相连，废气涡轮(9)出口与大气相连，另一端出口与柴油机气缸相连，其间安装有进气压力传感器(12)和进气流量传感器(13)；

排气三通阀(11)入口与柴油机排气相连，排气三通阀(11)出口管道以三通方式流出，一端出口与压气机(10)入口相连，压气机(10)出口设置排气压力传感器(7)和排气流量传感器(8)，且压气机(10)出口依次与EGR过滤器(6)、EGR冷却器(5)、单向阀(4)、控制电磁阀(3)相连，控制电磁阀(3)出口与柴油机进气管相连，，另一端出口与大气相连。

压缩空气由高压外气源进气阀(1)引入，且可以实现无级调节，调节范围为1bar-10bar。

压缩空气通过进气三通阀(2)，以三通方式流出，即分为两个进气支路：一路直接流入柴油机气缸，此为进气支路1，另一路则直接流入废气涡轮(9)入口，此为进气支路2。

柴油机废气通过排气三通阀(11)，以三通方式流出，即分为两个废气支路：一路直接排入大气，此为废气支路1，另一路则直接流入压气机(10)入口，此为废气支路2。

由进气支路1、2和废气支路1、2共同构成了两个回路，分别为：

(1)柴油机进、排气回路。压缩空气由进气支路1进入柴油机气缸，参与燃烧之后由废气支路1排入大气，由此构成柴油机的进、排气回路，其燃烧与排放效果相当于现有的涡轮增压柴油机。

(2)EGR回路。压缩空气由进气支路2进入到废气涡轮(9)，完成做功之后排入大气；EGR废气由废气支路2流入压气机(10)，完成升压之后由压气机(10)出口流出，依次流经EGR过滤器(6)、EGR冷却器(5)、单向阀(5)以及电磁控制阀(3)，最后接入进气支路1中，由此构成了EGR回路。通过高压、高速进气驱动废气涡轮(9)，从而带动同轴压气机(10)对EGR废气进行升压，从而实现了EGR废气的回流。

其中，电磁控制阀的开度控制由设定的EGR率决定，不同的EGR率选择不同的开度，根据不同机型不同工况计算得到。

该装置的控制方案如下：

Ⅰ.EGR工作循环

进气三通阀(2)保持两个出口均处于打开状态，且排气三通阀(3)两个出口均处于打开状态。

(1).分别获取进气压力传感器(12)信号P1、排气压力传感器(7)信号P2、进气流量传感器(13)信号Q1、排气流量传感器(8)信号Q2；

(2).判断P1和P2的大小:若P1＞P2，则电磁控制阀(3)保持常闭状态；若P1＜P2，则打开电磁控制阀。

(3).根据实时测量的进气流量传感器(13)信号Q1、排气流量传感器(8)信号Q2，调节电磁控制阀(3)，根据设定的EGR率，将一定量废气引入柴油机进气中，实现废气再循环(EGR)。

Ⅱ.非EGR工作循环

进气三通阀(2)出口端保持一开一闭，即关闭进气支路2，保持进气支路1打开状态；排气三通阀(11)出口端保持一开一闭，即关闭废气支路2，保持废气支路1打开状态。

压缩空气由高压外气源进气阀引入，且可以实现无级调节，调节范围为1bar-10bar。

压缩空气通过进气三通阀，以三通方式流出，即分为两个进气支路：一路直接流入柴油机气缸，此为进气支路1，另一路则直接流入废气涡轮入口，此为进气支路2。

柴油机废气通过排气三通阀，以三通方式流出，即分为两个废气支路：一路直接排入大气，此为废气支路1，另一路则直接流入压气机入口，此为废气支路2。

由进气支路1、2和废气支路1、2共同构成了两个回路，分别为：

(1)柴油机进、排气回路。压缩空气由进气支路1进入柴油机气缸，参与燃烧之后由废气支路1排入大气，由此构成柴油机的进、排气回路，其燃烧与排放效果相当于现有的涡轮增压柴油机。

(2)EGR回路。压缩空气由进气支路2进入到废气涡轮，完成做功之后排入大气；EGR废气由废气支路2流入压气机，完成升压之后由压气机出口流出，依次流经EGR过滤器、EGR冷却器、单向阀以及电磁控制阀，最后接入进气支路1中，由此构成了EGR回路。通过高压、高速进气驱动废气涡轮，从而带动同轴压气机对EGR废气进行升压，从而实现了EGR废气的回流。

该装置的控制方案如下：

Ⅰ.EGR工作循环

进气三通阀保持两个出口均处于打开状态，且排气三通阀两个出口均处于打开状态。

(1).分别获取进气压力传感器P1、排气压力传感器的信号P2、进气流量传感器Q1、排气流量传感器Q2的信号；

(2).判断P1和P2的大小:若P1＞P2，则电磁控制阀保持常闭状态；若P1＜P2，则打开电磁控制阀。

(3).根据实时测量的进、排气流量传感器信号Q1、Q2，调节电磁控制阀，根据设定的EGR率，将一定量废气引入柴油机进气中，实现废气再循环(EGR)。

Ⅱ.非EGR工作循环

进气三通阀出口端，保持一开一闭，即关闭进气支路2，保持进气支路1打开状态；排气三通阀出口端，保持一开一闭，即关闭废气支路2，保持废气支路1打开状态。

本发明一种基于高压气源的单缸柴油机EGR装置，包括高压外气源进气阀、进气三通阀、排气三通阀、电磁控制阀、单向阀、EGR冷却器、EGR过滤器、压力传感器、流量传感器、涡轮增压器以及增压器进出口管道等。其中，高压外气源进气阀入口与高压气源相连，高压外气源进气阀出口与进气三通阀入口相连，进气三通阀出口管道以三通方式流出，一端出口与废气涡轮入口相连，废气涡轮出口与大气相连，另一端出口与柴油机气缸相连，其间安装有进气压力传感器和进气流量传感器；排气三通阀入口与柴油机排气相连，排气三通阀出口管道以三通方式流出，一端出口与压气机入口相连，压气机出口设置排气压力传感器和排气流量传感器，且压气机出口依次与EGR过滤器、EGR冷却器、单向阀、控制电磁阀相连，控制电磁阀出口与柴油机进气管相连，另一端出口与大气相连。

高压外气源进气阀出口安装进气三通阀，高压进气从进气三通阀入口进入，以三通方式流出，一路直接流入废气涡轮入口，另一路则直接流入柴油机气缸。

柴油机排气管出口安装排气三通阀，柴油机废气从排气三通阀入口进入，以三通方式流出，一路直接排入大气，另一路流入压气机入口。

进气三通阀一端出口与柴油机气缸相连，且出口处安装有进气压力传感器和流量传感器。

压气机出口和EGR过滤器之间安装有排气压力传感器和流量传感器。

在柴油机进气与排气之间单独安装一个涡轮增压器，实现涡轮增压器的“逆向利用”，即废气涡轮通入高压空气，压气机通入柴油机废气，利用高压、高速进气驱动废气涡轮，从而带动同轴的的压气机，提升柴油机废气的压力。

本发明一种基于高压气源的单缸柴油机EGR装置控制方法：控制进气三通阀和排气三通阀的进、出口均处于打开状态：

(1).分别获取进气压力传感器P1、排气压力传感器的信号P2、进气流量传感器Q1、排气流量传感器Q2的信号；

(2).判断P1和P2的大小:若P1＞P2，则电磁控制阀保持常闭状态；若P1＜P2，则打开电磁控制阀。

(3).根据实时测量的进、排气流量传感器信号Q1、Q2，调节电磁控制阀，根据设定的EGR率，将一定量废气引入柴油机进气中，实现废气再循环(EGR)。

Claims (3)

1.基于高压气源的单缸柴油机EGR装置，其特征是：包括单缸柴油机、涡轮增压器、进气三通阀、排气三通阀，进气三通阀包括进气口、第一出气口和第二出气口，进气口通过高压外气源进气阀连通高压外气源，第一出气口与单缸柴油机之间设置第一进气支路，第二出气口与涡轮增压器的涡轮之间设置第二进气支路，排气三通阀包括排气口、第一废气口和第二废气口，排气口与单缸柴油机相连，第一废气口通过第一废气支路连通大气，第二废气口与涡轮增压器的压气机之间设置第二废气支路，压气机通过EGR管路连接第一进气支路，EGR管路上依次设置EGR过滤器、EGR冷却器、单向阀、控制电磁阀。

2.根据权利要求1所述的基于高压气源的单缸柴油机EGR装置，其特征是：进气三通阀与EGR管路之间的第一进气支路上安装第一流量传感器和第一压力传感器，EGR过滤器与压气机之间的EGR管路上安装第二流量传感器和第二压力传感器。

3.基于高压气源的单缸柴油机EGR控制方法，其特征是：采用如下装置：包括单缸柴油机、涡轮增压器、进气三通阀、排气三通阀，进气三通阀包括进气口、第一出气口和第二出气口，进气口通过高压外气源进气阀连通高压外气源，第一出气口与单缸柴油机之间设置第一进气支路，第二出气口与涡轮增压器的涡轮之间设置第二进气支路，排气三通阀包括排气口、第一废气口和第二废气口，排气口与单缸柴油机相连，第一废气口通过第一废气支路连通大气，第二废气口与涡轮增压器的压气机之间设置第二废气支路，压气机通过EGR管路连接第一进气支路，EGR管路上依次设置EGR过滤器、EGR冷却器、单向阀、控制电磁阀；进气三通阀与EGR管路之间的第一进气支路上安装第一流量传感器和第一压力传感器，EGR过滤器与压气机之间的EGR管路上安装第二流量传感器和第二压力传感器；

当采用EGR工作循环时：

预先设置EGR率，进气三通阀的第一出气口和第二出气口保持打开状态，且排气三通阀的第一废气口和第二废气口保持打开状态；

(1)分别获取第一压力传感器的信号P1、第二压力传感器的信号P2、第一流量传感器的信号Q1、第二流量传感器的信号Q2；

(2)判断P1和P2的大小：若P1≧P2，则电磁控制阀保持常闭状态；若P1＜P2，则打开电磁控制阀；

(3)根据实时测量的第一流量传感器的信号Q1、第二流量传感器的信号Q2，通过调节电磁控制阀，达到预设的EGR率，实现废气再循环；

当采用非EGR工作循环时：

进气三通阀的第一出气口保持打开状态，进气三通阀的第二出气口保持关闭状态，排气三通阀的第一废气支路保持打开状态，排气三通阀的第二废气支路保持关闭状态。