CN106640431B - 用于二级增压内燃机的可调高/低压egr系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于二级增压内燃机的可调高/低压EGR系统及控制方法，为克服目前增压发动机难以全工况实现EGR及满足大EGR率的问题，设计了一种电动集成式EGR阀实现高/低压EGR系统切换；EGR废气从高压级涡轮机前进气口A引入，在小负荷工况连通高压EGR管路，使废气不通过高、低压级压气机，响应速度快，并在该管路安装文丘里管，进一步加大EGR容忍度，实现相对较大的EGR率；在中、大负荷工况连通低压EGR管路，获得较大压差，实现大EGR率；通过电机旋转阀杆带动曲柄连杆机构改变EGR阀中阀块水平移动位置，调节通过管路中废气的流通面积，实现EGR率的连续调节；该系统不仅能够降低NOx排放，而且两个管路共用一个EGR阀和进气冷却器，结构简单、制造及维修成本低。

Description

用于二级增压内燃机的可调高/低压EGR系统及控制方法

技术领域

本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种用于二级增压内燃机的可调高/低压EGR系统及控制方法。

背景技术

日益严格的排放法规对降低发动机NOx和微粒(PM)排放提出了更高的要求，实现发动机高效清洁燃烧以满足排放法规已成为目前面临的重要难题与挑战。废气再循环(EGR)技术被认为是现代发动机降低NOx排放最有效的手段之一。

二级增压柴油机相对于单级增压具有可实现较高的增压比，增加每循环吸入气缸内的空气量，并增加循环供油量，以提高发动机功率密度等优点，但容易导致缸内高温富氧燃烧，增加NOx排放量。因此，为了消除这种不利影响，需要采用EGR技术降低缸内温度及燃烧过程中的氧气量。

目前，发动机常采用外部EGR，其能通过电控系统精确控制EGR率，并通过中冷器降低循环废气温度从而降低燃烧温度。外部EGR分为高压和低压EGR，高压EGR是将涡轮机进口废气引入压气机出口，不通过压气机和中冷器，避免了EGR随工况变化响应滞后，在发动机冷启动时能够迅速暖机。但在柴油机中、大负荷时，增压发动机会出现压气机出口压力大于涡轮机前排气压力现象，逆向的压差使得EGR很难实现；低压EGR是将涡轮机进口废气引到压气机进口，可形成较大的压差，在较大的运转范围易实现EGR。但废气会腐蚀增压器及中冷器，降低柴油机的可靠性和寿命，并且EGR气体流经压气机后发动机工况变化响应滞后。

高压EGR和低压EGR都存在着各自的优点与不足，因此可以建立高/低EGR系统取长补短。目前现存的高/低压EGR能够满足传统燃烧方式对大EGR率的需求并能兼顾不同工况下的燃油经济性，但传统高/低压EGR需要两套EGR系统，相应的阀及冷却器增多造成管路复杂，装配困难，制造和维护成本高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于二级增压内燃机的可调高/低压EGR系统及控制方法，该系统能够根据内燃机工况状态切换高压EGR或低压EGR工作模式，使其不但能够实现大EGR率，还兼顾不同负荷对EGR的需求；结构简单、制造成本低，能够有效改善发动机性能，尤其降低NOx排放。

本发明的技术方案是：

该系统包括电子控制单元ECU、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、与进气总管依次顺序连通的进气中冷器、高压级压气机、级间中冷器、低压级压气机，与排气总管依次顺序连通的高压级涡轮机、低压级涡轮机，并在排气总管引出一条排气旁通管路与EGR阀进气口A连接；文丘里管安装在EGR阀出气口B所连接的高压EGR管路上；在所述的高压级涡轮管路并联高压级涡轮旁通管路；所述的高、低压级涡轮机分别与高、低压级压气机之间同轴转动连接。其特征在于：

所述的EGR阀进气口A与发动机排气旁通管路相连；EGR阀出气口B通过文丘里管与高压EGR管路一端连接，高压EGR管路的另一端与进气总管连接；EGR阀出气口C与低压EGR管路一端连接，低压EGR管路的另一端与低压级压气机进气口端管路连接；所述的高压级涡轮旁通管路上安装高压级废气旁通蝶阀；

所述的电子控制单元ECU分别与转速传感器、扭矩传感器、涡前压力传感器、与EGR阀阀块相连的位置传感器、高压级废气旁通蝶阀相连；

所述的EGR阀是一个电动集成式三通阀，包括电机、阀体、阀块、阀杆、曲柄、连杆、销钉、卡环与位置传感器；阀体与阀块同为圆柱形结构件，在阀块左端面以其轴线为基准对称加工两个带销孔的凸台并将阀块水平安装在阀体内且直径略小于阀体内径；阀杆中间加工一个不连通的销孔并将阀杆插入阀体内部，保证阀杆与阀块轴线垂直且在同一平面内；曲柄的一端为带销孔的环状结构，利用销钉及卡环与阀杆上销孔固定连接实现过渡配合，另一端加工两个以阀块轴线为基准对称的带销孔的凸台，连杆两端利用带有卡环限位的销钉分别与曲柄和阀块带销孔的凸台连接，实现在水平面内的自由转动；电机与阀杆同轴连接，驱动阀杆及曲柄同步旋转并带动连杆在水平面内移动使阀块在阀体内水平左右移动，位置传感器的移动端安装在阀块上；根据发动机的工况，调整阀杆旋转角度以实现高/低压EGR管路的切换，通过不同位置阀块的位置传感器信号反馈，计算出对应废气流量及EGR率；阀体的进气口A、出气口B、出气口C接口直径相等，分别与排气旁通管路、低压EGR管路、高压EGR管路连接且对应直径相等，三个接口的中心孔的回转轴线同处于一个水平面内，出气口B与出气口C的回转轴线共线，进气口A的回转轴线与出气口B、C的回转轴线垂直；

所述的文丘里管喉管与进口直径比为0.6，扩压段为圆锥形，其锥角为12°，压缩段锥角为18°。文丘里管内部以及扩压段变直径管道处都是平滑过渡连接，以减少流动损失；废气通过喉管处，产生不同的真空度以实现最大程度的废气引入，确保废气能够顺利流入进气总管中。

本发明的主要思想是：对目前现有的高/低压EGR系统进行改进，通过设计集成式EGR阀的结构，实现高/低压EGR管路的灵活快速切换，并将两个管路共用一个EGR阀和一个进气冷却器；由于增压发动机经常会出现增压后进气压力大于涡前排气压力现象，导致EGR得不到足够高的驱动力，因此在高压EGR管路安装文丘里管，利用其喉管处产生真空度，可以顺利的将废气引入进气系统中，进一步加大EGR的容忍度，从而实现相对较大EGR率；EGR废气从高压级涡轮机前进气口A引入，在发动机小负荷(冷启动或怠速)工况下，连通高压EGR管路，废气不通过压气机，响应速度快；在中、大负荷工况下，连通低压EGR管路，能够获得较大压差，实现较大的EGR率；此外，还可以通过调整EGR阀阀块位置不采用EGR；通过调节EGR阀中阀块位置，能够改变通过管路中的废气的流通面积，进而实现EGR率的调节；当涡前压力传感器到达预警值或增压压力过高发生喘振现象时，可以部分开启废气旁通蝶阀将废气排出，保证二级增压发动机在宽工况范围内满足对EGR率的需求。

具体的控制方法通过下列步骤实现：

1、顺利起动二级增压内燃机；

2、采集内燃机转速、转矩、涡前压力、阀块位置及废气旁通阀开度等信号，并输入涡前压力预警值；

3、根据采集到的信号判断当前内燃机的负荷工况状态，若在小负荷工况下，则开启高压EGR管路，进入步骤4；否则在中、大负荷工况下，开启低压EGR管路，进入步骤5；

4、确定内燃机为小负荷工况，电机驱动EGR阀阀杆旋转带动曲柄连杆机构调节阀块水平右移；

5、确定内燃机为中、大负荷工况，电机驱动EGR阀阀杆旋转带动曲柄连杆机构调节阀块水平左移；

6、判断当前内燃机燃烧状态，基于目标EGR率调节EGR阀阀块位置，实现目标EGR率。

本发明的有益效果：

1、本发明设计的一种用于二级增压内燃机的可调高/低压EGR系统及控制方法可以实现不同工况需求下的高/低压EGR管路切换，通过对EGR阀的集成式设计，使高/低压EGR管路共用一个阀就可以将废气引入到进气总管；

2、高/低EGR管路仅使用一个进气冷却器代替各自的EGR冷却器，在达到冷却效果的同时节省了成本和空间，便于安装在车用发动机上；

3、在发动机小负荷(冷启动或怠速)工况下，连通高压EGR，废气不通过压气机，响应速度快；在中、大负荷工况下，连通低压EGR，能够获得较大压差，实现较大的EGR率；当不需要采用EGR时，调节EGR阀阀块位置，使进气口A关闭。

附图说明

图1是用于二级增压内燃机的可调高/低压EGR系统结构示意图；

图2是采用高压EGR时EGR阀内结构示意图；

图3是采用低压EGR时EGR阀内结构示意图；

图4是文丘里管结构示意图；

图5是用于二级增压内燃机的可调高/低压EGR系统控制方法流程图。

图中：进气歧管1、内燃机2、排气歧管3、排气总管4、排气旁通管路5、EGR阀6、低压EGR管路7、废气旁通蝶阀8、高压级涡轮旁通管路9、高压级涡轮机管路10、高压级涡轮机11、低压级涡轮机12、进气总管13、进气中冷器14、文丘里管15、高压EGR管路16、高压级压气机17、级间中冷器18、低压级压气机19、电子控制单元ECU20、转速传感器21、扭矩传感器22、涡前压力传感器23、阀体24、阀杆25、曲柄26、卡环27、销钉28、连杆29、阀块30、卡环31、销钉32、卡环33、销钉34。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明技术方案作进一步详细阐述：

参照图1，一种用于二级增压内燃机的可调高/低压EGR系统及控制方法，包括：电子控制单元ECU20、内燃机2、通过进气歧管1连接在内燃机2进气口上的进气总管13、通过排气歧管3连接在内燃机2排气口上的排气总管4、与进气总管13依次顺序连通的进气中冷器14、高压级压气机17、级间中冷器18、低压级压气机19，与排气总管4依次顺序连通的高压级涡轮机11、低压级涡轮机12，并在排气总管4引出一条排气旁通管路5与EGR阀6进气口A连接；文丘里管15安装在EGR阀6出气口B所连接的高压EGR管路16上；在所述的高压级涡轮管路10并联高压级涡轮旁通管路9；所述的高、低压级涡轮机11、12分别与高、低压级压气机17、19之间同轴转动连接。其特征在于：

所述的EGR阀6出气口A与发动机排气旁通管路5相连；EGR阀6出气口B通过文丘里管15与高压EGR管路16一端连接，高压EGR管路16的另一端与进气总管13连接；EGR阀6出气口C与低压EGR管路7一端连接，低压EGR管路7的另一端与低压级压气机19进气口端管路连接；所述的高压级涡轮旁通管路9上安装高压级废气旁通蝶阀8；

所述的电子控制单元ECU20分别与转速传感器21、扭矩传感器22、涡前压力传感器23、与EGR阀6阀块30相连的位置传感器、高压级废气旁通蝶阀8相连。

参照图2、图3，所述的EGR阀6是一个电动集成式三通阀，包括电机、阀体24、阀块30、阀杆25、曲柄26、连杆29、销钉28、32、34、卡环27、31、33与位置传感器；阀体24与阀块30同为圆柱形结构件，在阀块30左端面以其轴线为基准对称加工两个带销孔的凸台并将阀块30水平安装在阀体24内且直径略小于阀体24内径；阀杆25中间加工一个不连通的销孔并阀杆25其插入阀体24内部，保证阀杆25与阀块30轴线垂直且在同一平面内；曲柄26的一端为带销孔的环状结构，利用销钉32及卡环31与阀杆25上销孔固定连接实现过渡配合，另一端加工两个以阀块30轴线为基准对称的带销孔的凸台，连杆29两端利用带有卡环27、33限位的销钉28、34分别与曲柄26和阀块30带销孔的凸台连接，实现在水平面内的自由转动；电机与阀杆25同轴连接，驱动阀杆25及曲柄26同步旋转并带动连杆29在水平面内移动使阀块30在阀体24内水平左右移动，位置传感器的移动端安装在阀块30上；根据发动机的工况，调整阀杆25旋转角度以实现高/低压EGR管路的切换，通过不同位置阀块30的位置传感器信号反馈，计算出对应废气流量及EGR率；阀体24的进气口A、出气口B、出气口C接口直径相等，分别与排气旁通管路5、低压EGR管路7、高压EGR管路16连接且对应直径相等，三个接口的中心孔的回转轴线同处于一个水平面内，出气口B与出气口C的回转轴线共线，进气口A的回转轴线与出气口B、C的回转轴线垂直；

在发动机小负荷工况下，采用高压EGR，电机驱动阀杆25带动曲柄26连杆29机构调节EGR阀6阀块30水平右移，连通EGR阀6出气口B与高压EGR管路16，通过改变EGR阀6阀块30占出气口B体积的比例，调节废气进入高压EGR管路16流量，实现高压EGR率的连续调节；在发动机中、大负荷工况下，采用低压EGR，电机驱动阀杆25带动曲柄26连杆29机构调节EGR阀6阀块30水平左移，连通EGR阀6出气口C与低压EGR管路7，通过改变EGR阀6阀块30占出气口C体积的比例，调节废气进入低压EGR管路7流量，实现低压EGR率的连续调节。

参照图4，文丘里管15结构分为收缩段、喉管段和扩压段。废气在收缩段通道内流动时，气体会加速，马赫数会增大，压力、温度和密度都会下降；而在扩压段通道内流动时，气体会减速，马赫数减小，压力、温度和密度都升高。文丘里管15利用此原理，在废气在收缩管内流动时，气体压力减小，在喉管处会产生真空度，利用这个真空度就可以顺利将废气引入进气总管13中。通过利用文丘里管15，降低了废气的流动阻力，有效抑制阀堵塞的现象，同时能够实现较大的EGR率，降低发动机的功率损失。

参照图5，根据采集到的转速、扭矩、涡前压力、阀块30位置以及废气旁通蝶阀8开度信号判断当前内燃机2的负荷状态，在发动机小负荷(冷启动或怠速)工况下，采用高压EGR通路16，电机驱动EGR阀6阀杆25旋转带动曲柄26连杆29机构调节阀块30水平右移，使废气不通过压气机，响应速度快；在中、大负荷工况下，采用低压EGR通路7，电机驱动EGR阀6阀杆25旋转带动曲柄26连杆29机构调节阀块30水平左移，能够获得较大压差，实现较大的EGR率。判断当前内燃机2燃烧状态，基于目标EGR率调节EGR阀6阀块30位置，实现目标EGR率。

Claims (1)

1.用于二级增压内燃机的可调高/低压EGR系统的控制方法，包括：电子控制单元ECU（20）、内燃机（2）、通过进气歧管（1）连接在内燃机（2）进气口上的进气总管（13）、通过排气歧管（3）连接在内燃机（2）排气口上的排气总管（4）、与进气总管（13）依次顺序连通的进气中冷器（14）、高压级压气机（17）、级间中冷器（18）、低压级压气机（19），与排气总管（4）依次顺序连通的高压级涡轮机（11）、低压级涡轮机（12），并在排气总管（4）引出一条排气旁通管路（5）与EGR阀（6）进气口A连接；文丘里管（15）安装在EGR阀（6）出气口B所连接的高压EGR管路（16）上；在高压级涡轮管路（10）并联高压级涡轮旁通管路（9）；所述的高压级涡轮机（11）、低压级涡轮机（12）分别与高压级压气机（17）、低压级压气机（19）之间同轴转动连接；其特征在于：

所述的EGR阀（6）进气口A与发动机排气旁通管路（5）相连；EGR阀（6）出气口B通过文丘里管（15）与高压EGR管路（16）一端连接，高压EGR管路（16）的另一端与进气总管（13）连接；EGR阀（6）出气口C与低压EGR管路（7）一端连接，低压EGR管路（7）的另一端与低压级压气机（19）进气口端管路连接；所述的高压级涡轮旁通管路（9）上安装高压级废气旁通蝶阀（8）；

所述的电子控制单元ECU（20）分别与转速传感器（21）、扭矩传感器（22）、涡前压力传感器（23）、与EGR阀（6）阀块（30）相连的位置传感器、高压级废气旁通蝶阀（8）相连；

所述的EGR阀（6）是一个电动集成式三通阀，包括电机、阀体（24）、阀块（30）、阀杆（25）、曲柄（26）、连杆（29）、销钉、卡环与位置传感器；阀体（24）与阀块（30）同为圆柱形结构件，在阀块（30）左端面以其轴线为基准对称加工两个带销孔的凸台并将阀块（30）水平安装在阀体（24）内且直径略小于阀体（24）内径；阀杆（25）中间加工一个不连通的销孔并将阀杆（25）插入阀体（24）内部，保证阀杆（25）与阀块（30）轴线垂直且在同一平面内；曲柄（26）的一端为带销孔的环状结构，利用销钉（32）及卡环（31）与阀杆（25）上销孔固定连接实现过渡配合，另一端加工两个以阀块（30）轴线为基准对称的带销孔的凸台，连杆（29）两端利用带有卡环限位的销钉分别与曲柄（26）和阀块（30）带销孔的凸台连接，实现在水平面内的自由转动；电机与阀杆（25）同轴连接，驱动阀杆（25）及曲柄（26）同步旋转并带动连杆（29）在水平面内移动使阀块（30）在阀体（24）内水平左右移动，位置传感器的移动端安装在阀块（30）上；根据发动机的工况，调整阀杆（25）旋转角度以实现高/低压EGR管路的切换，通过不同位置阀块（30）的位置传感器信号反馈，计算出对应废气流量及EGR率；阀体（24）的进气口A、出气口B、出气口C接口直径相等，分别与排气旁通管路（5）、低压EGR管路（7）、高压EGR管路（16）连接且对应直径相等，三个接口的中心孔的回转轴线同处于一个水平面内，出气口B与出气口C的回转轴线共线，进气口A的回转轴线与出气口B、C的回转轴线垂直；

在发动机小负荷工况下，采用高压EGR，电机驱动阀杆（25）带动曲柄（26）连杆（29）机构调节EGR阀（6）阀块（30）水平右移，连通EGR阀（6）出气口B与高压EGR管路（16），通过改变EGR阀（6）阀块（30）占出气口B体积的比例，调节废气进入高压EGR管路（16）流量，实现高压EGR率的连续调节；在发动机中、大负荷工况下，采用低压EGR，电机驱动阀杆（25）带动曲柄（26）连杆（29）机构调节EGR阀（6）阀块（30）水平左移，连通EGR阀（6）出气口C与低压EGR管路（7），通过改变EGR阀（6）阀块（30）占出气口C体积的比例，调节废气进入低压EGR管路（7）流量，实现低压EGR率的连续调节，基于目标EGR率调节EGR阀（6）阀块（30）位置，最终实现目标EGR率。

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