CN105569884B - 单缸柴油机废气再循环系统废气增压装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种单缸柴油机废气再循环系统废气增压装置及控制方法。包括进气三通阀、排气三通阀、基本增压器、受控增压器、废气阀、空气阀、旁通阀、EGR废气缓冲罐、EGR调节阀、EGR冷却器、单向阀、压力传感器和质量流量计。本发明通过控制并联的两个涡轮增压器，根据柴油机不同工况不同EGR要求，利用高压、高速的压缩空气驱涡轮带动压气机对EGR废气进行升压，既能够在低工况时快速提升EGR废气压力、实现大EGR率循环，也可以在高工况时满足低EGR率要求，扩大了EGR循环的调节范围。

Description

单缸柴油机废气再循环系统废气增压装置及控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种柴油机废气增压装置。本发明也涉及一种柴油机废气增压控制方法。

背景技术

废气再循环系统简称EGR，通过使部分排气进入气缸，同新鲜空气混合后进入气缸降低燃烧火焰温度和氧的含量来实现降低NO_X的方法，随着全球船舶柴油机NOX相关法律法规越来越严格，EGR已经成为了降低柴油机NO_X排放最有效的措施之一。

单缸机研究在柴油机研究开发中占据着重要地位，特别是单缸机的增压性能研究称为了目前研究的热点，其中包括单缸机EGR技术的实现。对于自然吸气的单缸机，由于排气压力一般都比进气压力要高，因此废气很容易实现回流。对于“增压型”单缸机，由于进排气不稳定，特别是排气不连续，排气量不足，容易造成涡轮增压器喘振，且难以与柴油匹配，因此不宜采用涡轮增压器来实现进气增压。由于高压外气源压力范围可无级调节，作用相当于涡轮增压器的进气增压，因此可以用来替代涡轮增压器，且易于实现，方便调节。但是由于高压气源压力调节范围较大，如何实现不同进气压力下的EGR废气回流成为了新的技术难点，同时如何满足不同工况的EGR调节要求也值得进一步研究。目前现有的单缸柴油机EGR技术方案主要通过气泵或者风机来实现EGR废气的升压，如“一种实现柴油单缸机EGR的装置及EGR实现方法”(申请号：201410804230.3)的专利文件中描述的技术方案等。尚没有结合高压外气源和涡轮增压器来完成单缸机EGR技术实现的有关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以有效解决不同进气压力、不同工况的EGR废气回流以及EGR调节要求的单缸柴油机废气再循环系统废气增压装置。本发明的目的还在于提供一种基于本发明的单缸柴油机废气再循环系统废气增压装置的控制方法。

本发明的单缸柴油机废气再循环系统废气增压装置包括进气三通阀、排气三通阀、基本增压器、受控增压器、EGR废气缓冲罐、EGR调节阀、EGR冷却器、单向阀，进气三通阀入口与外接气源相连，进气三通阀第一端出口与柴油机气缸相连、第二端出口分别与基本涡轮和受控涡轮相连，基本涡轮和受控涡轮出口通过管道与排气三通阀第一端出口管道相连，排气三通阀入口与柴油机排气相连，排气三通阀第一端出口直接与大气相连、第二端出口与基本压气机和受控压气机的入口相连，基本压气机和受控压气机出口均与EGR废气缓冲罐相连，EGR废气缓冲罐出口与EGR调节阀入口相连，EGR调节阀出口与EGR冷却器入口相连，EGR冷却器出口与单向阀入口相连，单向阀出口与柴油机进气管相连；进气三通阀入口处设置有第一压力传感器，第一端出口处设置有第一流量计；EGR废气缓冲罐出口处设置有第二压力传感器、第二流量计和旁通阀。

本发明的单缸柴油机废气再循环系统废气增压装置还可以包括：

基本涡轮和基本压气机构成基本增压器，受控涡轮和受控压气机构成受控增压器；受控涡轮入口前设置有空气阀，受控压气机出口前设置有废气阀。

基于本发明的单缸柴油机废气再循环系统废气增压装置的控制方法包括：

首先获得第一压力传感器P1、第二压力传感器P2、第一流量计Q1、第二流量计Q2的实时信号；

进、排气三通阀的进、出口默认状态均设置为关闭，空气阀、废气阀、EGR调节阀、旁通阀的默认状态均设置为关闭；

(1)当柴油机处于怠速或暖机

分别打开进、排气三通阀的第一端出口，其余均保持关闭；

(2)当柴油机处于中低工况

同时打开进、排气三通阀的所有出口，且打开空气阀和废气阀，其余阀门均保持关闭，压缩空气分别进入基本涡轮和受控涡轮，EGR废气分别进入基本压气机和受控压气机，基本增压器和受控增压器同时工作，EGR废气实现增压之后，共同汇入EGR废气缓冲罐；

此时判断P1和P2信号：

①P1＞P2，关闭EGR调节阀，保持旁通阀关闭；

②若P1＜P2，打开EGR调节阀；若|P2-P1|＞2bar时，打开旁通阀，若|P2-P1|小于2bar，关闭旁通阀；

(3)当柴油机处于高工况

同时打开进、排气三通阀的所有出口，其余阀门均保持现状；压缩空气进入基本涡轮，EGR废气进入基本压气机，仅基本增压器投入工作；EGR废气完成增压后由基本压气机出口排入EGR废气缓冲罐；

此时判断P1和P2信号：

①P1＞P2，关闭EGR调节阀，保持旁通阀关闭；

②若P1＜P2，打开EGR调节阀；若|P2-P1|＞2bar时，打开旁通阀，若|P2-P1|小于2bar，关闭旁通阀。

外接气源的进气压力调节范围为：1-10bar。

本发明的基本涡轮和基本压气机构成基本增压器，受控涡轮和受控压气机构成受控增压器，基本增压器和受控增压器为并联连接，二者工作方式均为涡轮通入高压、高速的压缩空气，压气机通入EGR废气。二者尺寸可以相同，也可以不同。

本发明通过高压外气源和两个并联的涡轮增压器，在实现单缸机增压模式的基础上，实现对EGR废气的升压，并根据不同进气压力、不同工况下EGR的不同要求，对EGR废气的压力和循环量进行调节，特别适合于船舶柴油机节能减排以及单缸机试验台架等场所。

本发明的有益效果是：可以有效解决不同进气压力、不同工况的EGR废气回流以及EGR调节要求。通过控制并联的两个涡轮增压器，利用高压、高速的压缩空气驱动废气涡轮，带动同轴压气机对EGR废气进行增压。该装置能够快速实现中、低工况时大EGR率循环，高工况时的小EGR率循环，可以满足不同EGR方案的循环要求，扩大了EGR率和EGR循环的调节范围。

附图说明

图1为本发明的单缸柴油机废气再循环系统废气增压装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细的描述：

结合图1，本发明的本发明的单缸柴油机废气再循环系统废气增压装置，包括进气三通阀2、排气三通阀5、基本增压器、受控增压器、废气阀8、空气阀12、旁通阀13、EGR废气缓冲罐11、EGR调节阀16、EGR冷却器17、单向阀4、压力传感器和质量流量计。

进气三通阀2入口与高压、高速的外接气源相连，进气三通阀2第一端出口与柴油机气缸相连，第二端出口分别与基本涡轮7和受控涡轮10相连，基本涡轮7和受控涡轮10出口通过管道与排气三通阀5第一端出口管道相连；排气三通阀5入口与柴油机排气相连，排气三通阀5第一端出口直接与大气相连，第二端出口分别与基本压气机6和受控压气机9相连入口相连，基本压气机6和受控压气机9出口均与EGR废气缓冲罐11相连，EGR废气缓冲罐11出口与EGR调节阀16入口相连，EGR调节阀16出口与EGR冷却器17入口相连，EGR冷却器17出口与单向阀4入口相连，单向阀4出口与柴油机进气管相连。

其中，基本涡轮7和基本压气机6构成基本增压器，受控涡轮10和受控压气机9构成受控增压器；受控涡轮10入口前设置有空气阀12，受控压气机9出口前设置有废气阀8；进气三通阀2入口处设置有第一压力传感器1，第一端出口处设置有第一流量计3；EGR废气缓冲罐11出口处设置有第二压力传感器14、第二流量计15和旁通阀13。

整个装置共计由第一、第二、第三空气回路和第一、第二、第三废气回路构成：

(1)空气回路。压缩空气由进气三通阀2入口进入，以三通方式流出。压缩空气通过进气三通阀2第一端出口直接与柴油机气缸相连，此为第一空气支路。压缩空气通过进气三通阀2第二端出口流出后分为两路，一路与基本涡轮7入口相连，经由基本涡轮7出口后汇入柴油机排气三通阀5第一端出口处，此为第二空气之路；另一路与受控涡轮10入口相连，经由受控涡轮10出口后汇入柴油机排气三通阀5第一端出口处，此为第三空气之路。

(2)废气回路。柴油机排气与排气三通阀5入口相连，以三通方式流出。废气通过排气三通阀5第一端出口直接与大气相连，此为第一废气之路。废气通过排气三通阀5第二端出口流出后分为两路，一路与基本压气机6相连，经由基本压气机6出口后流入EGR废气缓冲罐11，此为第二废气支路；另一路与受控压气机9相连，经由受控压气机9出口后流入EGR废气缓冲罐11，此为第三废气支路。其中第一废气支路和第二废气支路的废气共同汇入EGR废气缓冲罐11，增压废气由EGR废气缓冲罐11出口处后依次流经EGR调节阀16、EGR冷却器17和单向阀4之后，回流至第一空气之路。

本发明的单缸柴油机废气再循环系统废气增压装置的控制方法为：

首先获得第一压力传感器1的实时信号P1、第二压力传感器14的实时信号P2、第一流量计3的实时信号Q1、第二流量计15的实时信号Q2。其中高压外气源的进气压力调节范围为：1-10bar。

进气三通阀2和排气三通阀5的进、出口默认状态均设置为关闭，空气阀12、废气阀8、EGR调节阀16、旁通阀13的默认状态均设置为关闭。

(1)当柴油机处于怠速或暖机

分别打开进气三通阀2和排气三通阀5的第一端出口，关闭进气三通阀2的第二端出口，关闭排气三通阀5的第二端出口，关闭EGR调节阀16、旁通阀13、空气阀12和废气阀8。此时EGR回路均处于关闭状态，即不进行EGR循环，从而保证柴油机工作的稳定性。

(2)当柴油机处于中低工况

分别打开进气三通阀2和排气三通阀5的第一端出口，进气三通阀2和排气三通阀5的第二端出口，关闭EGR调节阀16、旁通阀13，打开空气阀12和废气阀8。高压、高速的压缩空气分别进入基本涡轮7和受控涡轮10，EGR废气分别进入基本压气机6和受控压气机9，基本增压器和受控增压器同时工作，可以快速提高增压EGR废气循环量，从而满足大EGR率的要求。EGR废气增压之后共同汇入EGR废气缓冲罐11。

此时判断P1和P2信号：

①若P1＞P2，关闭EGR调节阀16，保持旁通阀13关闭。

②若P1＜P2，打开EGR调节阀16；若|P2-P1|＞2bar时，打开旁通阀13，若|P2-P1|小于2bar，关闭旁通阀13。

(3)当柴油机处于高工况

打开进气三通阀2和排气三通阀5的第一端出口，进气三通阀2和排气三通阀5的第二端出口，关闭EGR调节阀16、旁通阀13，关闭空气阀12和废气阀8。高压、高速的压缩空气进入基本涡轮7，EGR废气进入基本压气机6，仅基本增压器投入工作。EGR废气完成增压后由基本压气机6出口排入EGR废气缓冲罐11。

此时判断P1和P2信号：

①若P1＞P2，关闭EGR调节阀16，保持旁通阀13关闭。

②若P1＜P2，打开EGR调节阀16；若|P2-P1|＞2bar时，打开旁通阀13，若|P2-P1|小于2bar，关闭旁通阀13。

其中，EGR调节阀16的开度对应不同的EGR循环量，根据Q1和Q2测得的实时信号，进行相应的计算之后即可得出相应的EGR循环量，从而达到设定的EGR率。

Claims (4)

1.一种单缸柴油机废气再循环系统废气增压装置，包括进气三通阀、排气三通阀、基本增压器、受控增压器、EGR废气缓冲罐、EGR调节阀、EGR冷却器、单向阀，其特征是：进气三通阀入口与外接气源相连，进气三通阀第一端出口与柴油机气缸相连、第二端出口与基本涡轮和受控涡轮分别相连，基本涡轮和受控涡轮出口通过管道与排气三通阀第一端出口管道相连，排气三通阀入口与柴油机排气相连，排气三通阀第一端出口直接与大气相连、第二端出口分别与基本压气机和受控压气机的入口相连，基本压气机和受控压气机出口均与EGR废气缓冲罐相连，EGR废气缓冲罐出口与EGR调节阀入口相连，EGR调节阀出口与EGR冷却器入口相连，EGR冷却器出口与单向阀入口相连，单向阀出口与柴油机进气管相连；进气三通阀入口处设置有第一压力传感器，第一端出口处设置有第一流量计；EGR废气缓冲罐出口处设置有第二压力传感器、第二流量计和旁通阀。

2.根据权利要求1所述的单缸柴油机废气再循环系统废气增压装置，其特征是：基本涡轮和基本压气机构成基本增压器，受控涡轮和受控压气机构成受控增压器；受控涡轮入口前设置有空气阀，受控压气机出口前设置有废气阀。

3.基于权利要求2所述的单缸柴油机废气再循环系统废气增压装置的控制方法，其特征是：

首先获得第一压力传感器的实时信号P1、第二压力传感器的实时信号P2、第一流量计的实时信号Q1、第二流量计的实时信号Q2；

进、排气三通阀的进、出口默认状态均设置为关闭，空气阀、废气阀、EGR调节阀、旁通阀的默认状态均设置为关闭；

(1)当柴油机处于怠速或暖机

分别打开进、排气三通阀的第一端出口，其余均保持关闭；

(2)当柴油机处于中低工况

同时打开进、排气三通阀的所有出口，且打开空气阀和废气阀，其余阀门均保持现状，压缩空气分别进入基本涡轮和受控涡轮，EGR废气分别进入基本压气机和受控压气机，基本增压器和受控增压器同时工作，EGR废气实现增压之后，共同汇入EGR废气缓冲罐；

此时判断P1和P2信号：

①P1＞P2，关闭EGR调节阀，保持旁通阀关闭；

②若P1＜P2，打开EGR调节阀；若|P2-P1|＞2bar时，打开旁通阀，若|P2-P1|小于2bar，关闭旁通阀；

(3)当柴油机处于高工况

同时打开进、排气三通阀的所有出口，其余阀门均保持现状；压缩空气进入基本涡轮，EGR废气进入基本压气机，仅基本增压器投入工作；EGR废气完成增压后由基本压气机出口排入EGR废气缓冲罐；

此时判断P1和P2信号：

①P1＞P2，关闭EGR调节阀，保持旁通阀关闭；

②若P1＜P2，打开EGR调节阀；若|P2-P1|＞2bar时，打开旁通阀，若|P2-P1|小于2bar，关闭旁通阀。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征是：外接气源的进气压力调节范围为：1-10bar。