CN105840355A - 内燃机全工况egr率可调的二级增压系统及其控制方法 - Google Patents

内燃机全工况egr率可调的二级增压系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可实现内燃机全工况EGR率可调的两级增压系统及其控制方法，是在目前应用的EGR两级增压系统的并联于排气总管和进气总管上的气体回路上并联两个旁通管路，其中的第一旁通管路上设有与所述高压级涡轮机及高压级压气机同轴驱动连接的高压级EGR泵和与所述低压级涡轮机及低压级压气机同轴驱动连接的低压级EGR泵，第二旁通管路上设有高压级EGR泵旁通阀和低压级EGR泵旁通阀。根据进气压差变化调节气泵旁通阀与EGR匹配方式，保证二级增压发动机在较宽的工况范围内能够满足对EGR率的需求。设置高、低压级旁通阀关闭顺序，并比例关闭阀门，减小了同轴泵对二级增压系统能量的损耗和EGR压力突变对燃烧的影响。

Description

内燃机全工况EGR率可调的二级增压系统及其控制方法
技术领域
本发明属于内燃机两级增压系统，具体涉及一种可实现内燃机全工况EGR率可调的两级增压系统及其控制方法。
背景技术
以节能减排为目标，增压技术在重型柴油机上的应用日益广泛。二级增压柴油机较单级增压相比进气量显著增加，促进油气混合燃烧，可以提高发动机升功率和扭矩，但容易导致缸内富氧燃烧，NOx排放量相对单级增压更大，进而需要大EGR率，有助于达到发动机排放法规的要求。目前，传统单级增压柴油机广泛采用将废气从柴油机涡前位置入到中冷器后进气管的高压EGR引入方式，但由于配置二级增压器的重型柴油机其极高的进气压力会严重影响进排气压差，导致该EGR引入方式下的EGR率可调范围受限。
国内外相关领域的研究成果表明：单级增压器仅借助单级EGR泵(涡轮增压器同轴驱动的气泵)对排气加压即可达到符合发动机工况性能需求的EGR率,但若将其直接应用于二级增压器的EGR系统，需要对单级泵进行重新选型和配置的同时也会存在两方面问题：在高增压级涡轮处同轴配置EGR泵可能导致能耗损失过大，影响二级压气机工作效率；低压级涡轮处同轴配置EGR泵又可能导致EGR可调范围小，不能满足二级增压柴油机全负荷工况范围内回流废气量需求。
发明内容
为了解决仅通过单个EGR泵难以满足二级增压发动机全负荷工况范围内均能实现较好的废气再循环的问题，本发明提出一种内燃机全工况EGR率可调的两级增压系统及其控制方法。
本发明的主要思想是：对目前应用的高压EGR进气装置进行改进设计，使用两个气泵，即带有旁通阀的高、低压级的EGR泵,可根据增压发动机涡前与进气压差变化调节气泵旁通阀与EGR匹配方式，保证二级增压发动机在较宽的工况范围内能够满足对EGR率的需求。设置了高、低压级旁通阀关闭顺序，并比例关闭阀门，减小了同轴泵对二级增压系统能量的损耗，和EGR压力突变对燃烧的影响。该装置可用于优化发动机EGR引入技术，根据排气背压与进气增压后压力之差大小，调节EGR压力，能在任意工况下实现较大比例的EGR率。
为解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案。
本发明内燃机全工况EGR率可调的两级增压系统，包括与电子控制单元ECU控制连接的内燃机、通过进气歧管连接在内燃机进气口上的进气总管、通过排气歧管连接在内燃机排气口上的排气总管、与排气总管依序气路连通的高压级涡轮机、低压级涡轮机，与进气总管依序气路连通的进气中冷器、高压级压气机、低压级压气机，设置在并联于排气总管和进气总管上的气体回路中的电控EGR阀和EGR冷却器；
在所述并联于排气总管5和进气总管1上的气体回路上并联两个旁通管路，其中的第一旁通管路上设有与所述高压级涡轮机及高压级压气机同轴驱动连接的高压级EGR泵和与所述低压级涡轮机及低压级压气机同轴驱动连接的低压级EGR泵，第二旁通管路上设有高压级EGR泵旁通阀和低压级EGR泵旁通阀，在第一旁通管路a的高压级EGR泵和低压级EGR泵之间与第二旁通管路的高压级EGR泵旁通阀和低压级EGR泵旁通阀之间设有连通该两个旁通管路的并联管路；
设置在内燃机进气歧管内的氧传感器，设置在排气总管和进气总管间的压差传感器，设置在内燃机凸轮轴上的转速传感器，设置在内燃机曲轴上的扭矩传感器；
所述的电子控制单元ECU分别与氧传感器、压差传感器、转速传感器、扭矩传感器通讯连接，与高压级EGR泵旁通阀、低压级EGR泵旁通阀和电控EGR阀分别控制连接。
基于上述本发明内燃机全工况EGR率可调的两级增压系统的控制方法通过以下步骤实现：
a.首先由设置在内燃机凸轮轴上的转速传感器和设置在内燃机曲轴上的扭矩传感器向电子控制单元ECU传递其工况变化信号，电子控制单元ECU根据传递的信号判断内燃机所处于的运行状态，设置目标EGR率α；
b.电子控制单元ECU通过设置在排气总管和进气总管间的压差传感器获取压差△P，若压差△P<0，进行步骤c；若压差△P>0，高压级EGR泵旁通阀和低压级EGR泵旁通阀开启，进行步骤e；
c.比例关闭低压级EGR泵旁通阀，若压差△P<0，则进行步骤d；若压差△P>0，则进行步骤e；
d.保持低压级EGR泵旁通阀开度不变，并比例关闭高压级EGR泵旁通阀，进行步骤e；
e.根据目标EGR流量，电子控制单元ECU调节电控EGR阀门开度，实现目标EGR率α。
本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：
1、本发明中设计的可调两级EGR泵进气系统，以进排气压差为控制目标，通过ECU对EGR阀开度的调节，可实现二级增压发动机不同工况下EGR较好的引入效果,即EGR宽范围可调，理论上可以较好地解决法规标准所要求的NOx排放问题。
2、高、低压级都设置带旁通阀的EGR泵，在不同工况下匹配相应的阀门开闭状态，可极大地减小同轴泵对二级增压系统能量的损耗。
3、设置了低压级旁通阀先开顺序，并比例关闭阀门，减小EGR率可调装置对燃烧的突变影响，防止发动机因排气背压突变而引起增压器不稳定工作运。
4、此装置结构简单，仅需增加两个气泵和旁通阀及其对应管路；控制策略简捷，仅需对阀进行开度单调控制。
附图说明
图1是本发明内燃机全工况EGR率可调的两级增压系统结构示意图；
图2是本发明内燃机全工况EGR率可调的两级增压系统控制方式流程图。
具体实施方式
以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细说明。
参照图1，一种内燃机全工况EGR率可调的两级增压系统，包括与电子控制单元ECU17控制连接的内燃机3、通过进气歧管2连接在内燃机进气口上的进气总管1、通过排气歧管4连接在内燃机排气口上的排气总管5、与排气总管5依序气路连通的高压级涡轮机9、低压级涡轮机12，与进气总管1依序气路连通的进气中冷器6、高压级压气机10、低压级压气机11，设置在并联于排气总管5和进气总管1上的气体回路c中的电控EGR阀15和EGR冷却器16；
在所述并联于排气总管5和进气总管1上的气体回路c上并联两个旁通管路a和b，其中的第一旁通管路a上设有与所述高压级涡轮机9及高压级压气机10同轴驱动连接的高压级EGR泵8和与所述低压级涡轮机12及低压级压气机11同轴驱动连接的低压级EGR泵13，第二旁通管路b上设有高压级EGR泵旁通阀7和低压级EGR泵旁通阀14，在第一旁通管路a的高压级EGR泵8和低压级EGR泵13之间与第二旁通管路b的高压级EGR泵旁通阀7和低压级EGR泵旁通阀14之间设有连通该两个旁通管路的并联管路d；
设置在内燃机进气歧管2内的氧传感器18，设置在排气总管5和进气总管1间的压差传感器19，设置在内燃机凸轮轴上的转速传感器20，设置在内燃机曲轴上的扭矩传感器21；
所述的电子控制单元ECU17分别与氧传感器18、压差传感器19、转速传感器20、扭矩传感器21通讯连接，与高压级EGR泵旁通阀7、低压级EGR泵旁通阀14和电控EGR阀15分别控制连接。
基于上述的内燃机全工况EGR率可调的两级增压系统的控制方法，包括以下步骤：
a.首先由设置在内燃机凸轮轴上的转速传感器20和设置在内燃机曲轴上的扭矩传感器21向电子控制单元ECU17传递其工况变化信号，电子控制单元ECU17根据传递的信号判断内燃机所处于的运行状态，设置目标EGR率α；
b.电子控制单元ECU17通过设置在排气总管5和进气总管1间的压差传感器19获取压差△P，若压差△P<0，进行步骤c；若压差△P>0，高压级EGR泵旁通阀7和低压级EGR泵旁通阀14开启，进行步骤e；
c.比例关闭低压级EGR泵旁通阀14，若压差△P<0，则进行步骤d；若压差△P>0，则进行步骤e；
d.保持低压级EGR泵旁通阀14开度不变，并比例关闭高压级EGR泵旁通阀7，进行步骤e；
e.根据目标EGR流量，电子控制单元ECU17调节电控EGR阀门15开度，实现目标EGR率α。
本方法控制策略先调节低压级EGR泵旁通阀14的开度，由于低压级涡轮转速相对较慢，通过低压级EGR泵加压，EGR压力变化率平滑，不会引起发动机燃烧状况突变；所述步骤d在低压级EGR泵旁通阀14完全关闭，涡前与进气压差△P依然为负，再减小高压级EGR泵旁通阀7开度，极大地减小了同轴泵对二级增压系统能量的损耗。

Claims (2)

1.一种内燃机全工况EGR率可调的两级增压系统，包括与电子控制单元ECU(17)控制连接的内燃机(3)、通过进气歧管(2)连接在内燃机进气口上的进气总管(1)、通过排气歧管(4)连接在内燃机排气口上的排气总管(5)、与排气总管(5)依序气路连通的高压级涡轮机(9)、低压级涡轮机(12)，与进气总管(1)依序气路连通的进气中冷器(6)、高压级压气机(10)、低压级压气机(11)，设置在并联于排气总管(5)和进气总管(1)上的气体回路(c)中的电控EGR阀(15)和EGR冷却器(16)，其特征在于：
在所述并联于排气总管(5)和进气总管(1)上的气体回路(c)上并联两个旁通管路(a和b)，其中的第一旁通管路(a)上设有与所述高压级涡轮机(9)及高压级压气机(10)同轴驱动连接的高压级EGR泵(8)和与所述低压级涡轮机(12)及低压级压气机(11)同轴驱动连接的低压级EGR泵(13)，第二旁通管路(b)上设有高压级EGR泵旁通阀(7)和低压级EGR泵旁通阀(14)，在第一旁通管路(a)的高压级EGR泵(8)和低压级EGR泵(13)之间与第二旁通管路(b)的高压级EGR泵旁通阀(7)和低压级EGR泵旁通阀(14)之间设有连通该两个旁通管路的并联管路(d)；
设置在内燃机进气歧管(2)内的氧传感器(18)，设置在排气总管(5)和进气总管(1)间的压差传感器(19)，设置在内燃机凸轮轴上的转速传感器(20)，设置在内燃机曲轴上的扭矩传感器(21)；
所述的电子控制单元ECU(17)分别与氧传感器(18)、压差传感器(19)、转速传感器(20)、扭矩传感器(21)通讯连接，与高压级EGR泵旁通阀(7)、低压级EGR泵旁通阀(14)和电控EGR阀(15)分别控制连接。
2.一种基于权利要求1所述的内燃机全工况EGR率可调的两级增压系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
a.首先由设置在内燃机凸轮轴上的转速传感器(20)和设置在内燃机曲轴上的扭矩传感器(21)向电子控制单元ECU(17)传递其工况变化信号，电子控制单元ECU(17)根据传递的信号判断内燃机所处于的运行状态，设置目标EGR率α；
b.电子控制单元ECU(17)通过设置在排气总管(5)和进气总管(1)间的压差传感器(19)获取压差△P，若压差△P<0，进行步骤c；若压差△P>0，高压级EGR泵旁通阀(7)和低压级EGR泵旁通阀(14)开启，进行步骤e；
c.比例关闭低压级EGR泵旁通阀(14)，若压差△P<0，则进行步骤d；若压差△P>0，则进行步骤e；
d.保持低压级EGR泵旁通阀(14)开度不变，并比例关闭高压级EGR泵旁通阀(7)，进行步骤e；
e.根据目标EGR流量，电子控制单元ECU(17)调节电控EGR阀门(15)开度，实现目标EGR率α。
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