CN107905920B - 一种基于进气成分控制降低增压柴油机排放的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于进气成分控制降低增压柴油机排放的装置，主要包括柴油机、空气系统和进气道喷水系统。空气系统由两级涡轮增压器、EGR阀、废气再循环管路、中冷器、单向阀、进气总管、进气歧管、排气总管、排气歧管等组成；进气道喷水系统包括储水箱、高压水泵、针阀式喷嘴和进气管喷水电控系统主控芯片；利用本发明装置进行控制时，根据发动机运行工况特点以及原始排放目标灵活控制EGR阀的开度以及针阀式喷嘴的喷水量，从而改变进气成分中废气、水以及新鲜充量的比例，实现对进气组分的控制，进而降低NOx排放，极大地减小EGR引入对两级增压系统做功能力和工作效率的不利影响，有效拓宽增压柴油机高效清洁燃烧范围。

Description

一种基于进气成分控制降低增压柴油机排放的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种基于进气成分控制降低增压柴油机排放的装置和方法，具体设计一种利用高压EGR和进气道喷水耦合控制装置，根据不同工况需求调整废气再循环(EGR)阀开度和喷水量，从而改变进气组分来实现增压柴油机的高效清洁燃烧。
背景技术
面对排放法规的不断升级，柴油机的NOx限值几乎接近零，这给排放控制提出了较大的挑战。目前柴油机上减少NOx生成的主要措施有:废气再循环(EGR)、掺水燃烧技术、以及排气后处理等。
由于受后处理装置转化效率以及成本和可靠性的限制，通过废气再循环(EGR)技术机内降低NOx已成为实现柴油机超低排放的重要保证。当EGR引入进气管后，进气组分发生了很大变化，废气稀释新鲜充量降低缸内氧浓度，大量惰性气体阻碍燃烧的快速进行，混合气的比热容增大使燃烧温度降低，从而使NOx排放降低。目前，高压EGR是多缸柴油机上采用最为广泛的EGR引入方式，但是，在中低转速大负荷工况EGR引入能力受限，NOx排放水平难以降低，通常会在进气管加节流阀提高EGR率，但提升能力不明显且会增加泵气损失，限制进气压力的增加，从而降低循环热效率。为了在全工况范围内降低NOx排放，研究人员提出了采用高、低压EGR组成的复合EGR系统。但是该技术的缺点是低压EGR通常将涡后的废气引入到压气机前，与新鲜充量混合再经压气机压缩进入进气管，废气会对压气机等造成一定腐蚀作用，影响可靠性和耐久性。
掺水燃烧的方法也可以有效减少柴油机的NOx排放。一方面，水吸热变成过热蒸气过程中，吸收大量的热，从而降低缸内的燃烧温度。另一方面，过热水蒸气的存在会稀释混合气体中氧的浓度，NOx的生成得到了抑制。相关研究表明，掺水燃烧对NOx的抑制作用基本不受柴油机工况的限制，但同时也需考虑到喷水对其它污染物生成的影响。该技术实现的主要方式分为三种，分别为掺水乳化油技术、缸内直接喷水技术、进气道喷水技术。其中，进气道喷水技术对柴油机的结构影响较小，成本较低，并且对掺水量的控制比较容易实现，掺水量较大时对NOx排放量的降低也比较可观，安全稳定性高。
发明内容
针对上述技术，本发明的目的在于提供一种基于进气组分控制的降低增压柴油机排放的装置和方法。本发明通过高压EGR和进气道喷水的耦合控制实现进气组分的改变，根据运行工况灵活控制废气、水以及新鲜充量的比例，一方面降低缸内温度和氧含量，在全工况范围内抑制NOx生成，另一方面，由于进气道喷水降低了对EGR的依赖，尤其是在中低转速大负荷工况，因此可以取消进气道节气阀，从而降低泵气损失，提高柴油机热效率。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于进气成分控制降低增压柴油机排放的装置，该装置包括柴油机、空气系统和进气道喷水系统；所述空气系统包括两级涡轮增压器、进气总管、高压EGR系统和排气总管；所述两级涡轮增压器包括高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器；所述高压级涡轮增压器包括高压级涡轮和高压级压气机；所述低压级涡轮增压器包括低压级涡轮和低压级压气机；所述柴油机通过第一排气管路连接至所述高压级涡轮的进口，所述高压级涡轮的出口通过第二排气管路与所述低压级涡轮连接，所述第一排气管路与第二排气管路之间通过排气旁通管路相通所述排气旁通管路上安装有高压级涡轮旁通阀；所述低压级压气机通过第一进气管路连接至所述高压级压气机的进口，所述高压级压气机的出口通过第二进气管路与所述柴油机连接，所述第一进气管路与第二进气管路之间通过进气旁通管路相通；所述进气旁通管路上安装有高压级压气机旁通阀；来自所述排气总管的废气驱动所述高压级涡轮和所述低压级涡轮转动，所述高压级涡轮和低压级涡轮分别驱动所述高压级压气机和所述低压级压气机压缩进气，实现进气增压；所述柴油机的电控单元根据工况的变化，控制所述高压级压气机旁通阀和高压级涡轮旁通阀的开启或关闭，从而实现单级增压和两级增压两种增压模式的切换；所述高压EGR系统包括EGR阀、废气再循环管路、中冷器以及单向阀；所述中冷器安装在废气再循环管路上对从排气总管引出的废气进行冷却；所述单向阀控制着来自废气再循环管路的气体流向，从而防止由于管路内压力大小的差异导致进气总管内的新鲜空气回流到废气再循环管路中；所述进气道喷水系统包括储水箱、高压水泵、针阀式喷嘴和进气管喷水电控系统主控芯片；所述针阀式喷嘴安装在进气总管上；所述高压水泵和所述针阀式喷嘴均与所述进气管喷水电控系统主控芯片相联，所述进气管喷水电控系统主控芯片根据发动机工况实时控制针阀式喷嘴的喷水量和喷水时刻。
利用上述基于进气成分控制降低增压柴油机排放的装置的控制方法如下：
柴油机电控单元根据转速的变化来控制高压级压气机旁通阀和高压级涡轮旁通阀的开启和关闭；中低速及小负荷工况运转时，关闭高压级压气机旁通阀和高压级涡轮旁通阀，高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器串联运行，废气经过高压级涡轮和低压级涡轮两次利用增加了增压系统的做功能力，从而提高了进气压力；高速大负荷时，打开高压级压气机旁通阀和高压级涡轮旁通阀，仅有低压级涡轮增压器参与工作，相当于单级增压；
所述EGR阀控制导入进气充量中的废气量；所述针阀式喷嘴以及进气管喷水电控系统主控芯片控制进气道水的喷射量；
柴油机根据运行工况特点、NOx生成量的变化趋势以及高压EGR和进气道喷水的适用工况范围，控制EGR阀的开度以及进气道喷水量，从而改变进气组分，在全工况范围内降低NOx排放。
进一步讲：
在小负荷工况，关闭高压级涡轮旁通阀和高压级压气机旁通阀，使得高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器串联运行，废气经过高压级涡轮和低压级涡轮的两次利用实现两级增压从而提高进气压力；与此同时，关闭EGR阀，通过进气管喷水电控系统主控芯片控制针阀式喷嘴的喷水量，从而降低Nox的排放；
在中低速中高负荷工况，关闭高压级涡轮旁通阀和高压级压气机旁通阀，使得高压级涡轮增压器和低压机涡轮增压器串联运行，废气经过高压级涡轮和低压级涡轮的两次利用实现两级增压从而提高进气压力；与此同时，通过进气管喷水电控系统主控芯片控制针阀式喷嘴的喷水量，并打开EGR阀，保持该EGR阀的开度为10～20％，从而通过较大比例的喷水量耦合小比例高压EGR来降低Nox的排放；
在高转速大负荷时，打开高压级涡轮旁通阀和高压级压气机旁通阀，通过所述低压级涡轮增压器实现单级增压；与此同时，打开EGR阀，保持该EGR阀为全开状态；通过进气管喷水电控系统主控芯片控制针阀式喷嘴的喷水量，从而在大比例EGR率的基础上耦合进气道喷水降低Nox的排放。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明能够克服高压EGR在低速工况，由于涡前废气量和涡前压力小、进排气压差低造成的引入能力受限的缺点；同时能够避免采用低压EGR时中高速工况泵气损失大以及废气对压气机的腐蚀作用。
本发明通过高压EGR耦合进气道喷水控制NOx排放，较大程度的降低了对EGR的依赖，相比于一般采用EGR的增压柴油机，取消了进气管道的节气门装置，从而消除了由于节气门所带来的节流损失，有效提高热效率。
通常，在废气再循环系统中，EGR阀的故障率较高，对排气中的含硫量很敏感。本发明通过高压EGR耦合进气道喷水控制NOx排放，较大程度的降低了对EGR的依赖，从而提高了EGR阀的可靠性。
本发明所采用的进气道喷水装置对现有柴油机结构改动较小，成本低。
本发明可以根据柴油机运行在不同转速、负荷等工况，采用旁通阀控制进行单级和两级涡轮增压的切换，降低柴油机的机械负荷和热负荷；通过灵活改变高压EGR和进气道喷水的比例来控制进气组分，进而降低NOx排放，极大地减小了EGR引入对两级增压系统做功能力和工作效率的不利影响，有效拓宽柴油机高效清洁燃烧范围。
附图说明
图1是本发明基于进气成分控制降低增压柴油机排放的装置示意图。
图中：
1-柴油机 2-进气歧管 3-针阀式喷嘴
4-进气总管 5-单向阀 6-中冷器
7-EGR阀 8-废气再循环管路 9-排气歧管
10-排气总管 11-高压级压气机旁通阀 12-高压级涡轮机旁通阀
13-高压级涡轮机 14-低压级涡轮机 15-低压级压气机
16-高压级压气机 17-储水箱 18-高压水泵
19-进气管喷水电控系统主控芯片
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，本发明提出的一种基于进气成分控制降低增压柴油机排放的装置，该装置包括柴油机1、空气系统和进气道喷水系统。
所述空气系统包括两级涡轮增压器、进气总管4、高压EGR系统和排气总管10。
所述两级涡轮增压器包括高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器；所述高压级涡轮增压器包括高压级涡轮13和高压级压气机16；所述低压级涡轮增压器包括低压级涡轮14和低压级压气机15。
所述柴油机1通过第一排气管路连接至所述高压级涡轮13的进口，所述高压级涡轮13的出口通过第二排气管路与所述低压级涡轮14连接，所述第一排气管路与第二排气管路之间通过排气旁通管路相通，所述排气旁通管路上安装有高压级涡轮旁通阀12，所述低压级压气机15通过第一进气管路连接至所述高压级压气机16的进口，所述高压级压气机16的出口通过第二进气管路与所述柴油机1连接，所述第一进气管路与第二进气管路之间通过进气旁通管路相通，所述进气旁通管路上安装有高压级压气机旁通阀11；来自所述排气总管10的废气驱动所述高压级涡轮13和所述低压级涡轮14转动，所述高压级涡轮13和低压级涡轮14分别驱动所述高压级压气机16和所述低压级压气机15压缩进气，实现进气增压；所述柴油机1的电控单元根据工况的变化控制所述高压级压气机旁通阀11和高压级涡轮旁通阀12的开启或关闭，从而实现单级增压和两级增压两种增压模式的切换。
所述高压EGR系统包括EGR阀7、废气再循环管路8、中冷器6以及单向阀5。
来自排气总管10的废气分为两条支路，一条支路经过高压EGR系统中的废气再循环管路8返回至所述进气总管4，所述废气再循环管路8上设有EGR阀7、中冷器6以及单向阀5；所述EGR阀7控制着进入柴油机进气成分的废气量，所述中冷器6对从排气总管10引出的废气进行冷却，所述单向阀5控制着来自废气再循环管路8的气体流向，防止由于管路内压力大小的差异导致进气总管4内的新鲜空气回流到废气再循环管路8中；另一条支路是经过两级涡轮增压器中的高压级涡轮13、低压机涡轮14后自柴油机排气总管10排出。
所述进气道喷水系统包括储水箱17、高压水泵18、针阀式喷嘴3和进气管喷水电控系统主控芯片19；所述针阀式喷嘴3安装在进气总管4上；所述高压水泵18和所述针阀式喷嘴3均与所述进气管喷水电控系统主控芯片19相联，所述进气管喷水电控系统主控芯片19可以根据发动机工况实时控制针阀式喷嘴3的喷水量和喷水时刻。由所述进气道喷水系统形成的进气道喷水回路的走向是由储水箱17后经过高压水泵18至安装在进气总管4上的针阀式喷嘴3。
本发明中，根据柴油机不同运行工况需求以及原始排放目标灵活控制废气再循环EGR阀7的开度以及针阀式喷嘴3的喷水量和喷水时刻，从而改变进气成分中废气、水以及新鲜充量的比例，实现对进气组分的控制。
利用本发明基于进气成分控制降低增压柴油机排放装置的控制方法，是：
柴油机电控单元根据转速的变化来控制高压级压气机旁通阀11和高压级涡轮旁通阀12的开启和关闭；中低速及小负荷工况运转时，关闭高压级压气机旁通阀11和高压级涡轮旁通阀12，排气全部通过高压级涡轮，此时，高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器串联运行，废气经过高压级涡轮13和低压级涡轮14两次利用增加了增压系统的做功能力，从而提高了进气压力。高速大负荷时为了避免进气压力过高造成缸内最大爆发压力升高、机械损失以及泵气损失增加，打开高压级压气机旁通阀11和高压级涡轮旁通阀12，高压级涡轮增压器被旁通退出工作，只有低压级涡轮增压器参与工作，相当于单级增压。所述EGR阀7控制导入进气充量中的废气量；所述针阀式喷嘴3以及进气管喷水电控系统主控芯片19控制进气道水的喷射量；柴油机根据运行工况特点、NOx生成量的变化趋势以及高压EGR和进气道喷水的适用工况范围，控制EGR阀7的开度以及进气道喷水量，从而改变进气组分，在全工况范围内降低NOx排放。具体内容如下：
在小负荷工况，关闭高压级涡轮旁通阀12和高压级压气机旁通阀11，使得高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器串联运行，废气经过高压级涡轮13和低压级涡轮14的两次利用实现两级增压从而提高进气压力；与此同时，关闭EGR阀7，仅通过进气管喷水电控系统主控芯片19控制针阀式喷嘴3的喷水量，使NOx排放有效降低。一方面，发动机排气能量和增压压力较低，高压EGR引入会进一步降低空燃比导致燃烧恶化；另一方面，该工况下柴油机的原始NOx排放较低，采用进气道喷水合理控制进气成分中的掺水率足以将NOx降低至理想水平，极大地减小了EGR引入对两级增压系统做功能力和工作效率的不利影响。
在中低速中高负荷工况，仍采用两级增压的方式来提高进气压力，从而提高循环热效率。即关闭高压级涡轮旁通阀12和高压级压气机旁通阀11，使得高压级涡轮增压器和低压机涡轮增压器串联运行，废气经过高压级涡轮13和低压级涡轮14的两次利用实现两级增压从而提高进气压力；在该工况下，发动机涡前废气量和涡前压力小，进排气压差限制了EGR的引入，而此时NOx排放较高，因此需要较大比例的喷水量耦合小比例高压EGR来控制排放，通过进气管喷水电控系统主控芯片19根据NOx的控制要求灵活改变针阀式喷嘴3的喷水量，并打开EGR阀7，保持该EGR阀7的开度为10～20％，从而在避免不必要的泵气损失的同时有效降低NOx排放。
在高转速大负荷时，为了避免进气压力过高造成缸内最大爆发压力升高、机械损失以及泵气损失增加，打开高压级涡轮旁通阀12和高压级压气机旁通阀11，高压级涡轮增压器16、13被旁通退出工作，只有低压级涡轮增压器14、15参与工作，相当于单级增压。与此同时，打开EGR阀7，保持该EGR阀7为全开状态；根据NOx的控制要求通过进气管喷水电控系统主控芯片19灵活控制针阀式喷嘴3的喷水量，从而在大比例EGR率的基础上耦合进气道喷水降低Nox的排放。因为发动机高转速时的排气能量充足、泵气损失较大，高压EGR能有效降低泵气损失，提高燃油经济性；高转速大负荷工况，NOx的原始排放值较高，需要较大比例的EGR和进气道喷水配合降低排放。
制定对于上述不同工况条件下的控制策略是本技术领域内技术人员采用常规的技术手段就能实现的，例如，结合电控方面的相关设计开发相应的电控单元ECU是本技术领域中成熟的技术，在此不再赘述。
尽管上述结合示意图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，以上表述仅为示意性，并非限制性。本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以进行多种变形(例如发动机采用非增压、单级增压或两级增压)，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种基于进气成分控制降低增压柴油机排放的装置，该装置包括柴油机(1)、空气系统和进气道喷水系统；
所述空气系统包括两级涡轮增压器、进气总管(4)、高压EGR系统和排气总管(10)；
所述两级涡轮增压器包括高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器；所述高压级涡轮增压器包括高压级涡轮(13)和高压级压气机(16)；所述低压级涡轮增压器包括低压级涡轮(14)和低压级压气机(15)；
所述柴油机(1)通过第一排气管路连接至所述高压级涡轮(13)的进口，所述高压级涡轮(13)的出口通过第二排气管路与所述低压级涡轮(14)连接，所述第一排气管路与第二排气管路之间通过排气旁通管路相通；所述低压级压气机(15)通过第一进气管路连接至所述高压级压气机(16)的进口，所述高压级压气机(16)的出口通过第二进气管路与所述柴油机(1)连接，所述第一进气管路与第二进气管路之间通过进气旁通管路相通；
所述高压EGR系统包括EGR阀(7)、废气再循环管路(8)、中冷器(6)以及单向阀(5)；所述中冷器(6)安装在废气再循环管路(8)上对从排气总管(10)引出的废气进行冷却；所述单向阀(5)控制着来自废气再循环管路(8)的气体流向，从而防止由于管路内压力大小的差异导致进气总管(4)内的新鲜空气回流到废气再循环管路(8)中；
其特征在于：
所述排气旁通管路上安装有高压级涡轮旁通阀(12)，所述进气旁通管路上安装有高压级压气机旁通阀(11)；来自所述排气总管(10)的废气驱动所述高压级涡轮(13)和所述低压级涡轮(14)转动，所述高压级涡轮(13)和低压级涡轮(14)分别驱动所述高压级压气机(16)和所述低压级压气机(15)压缩进气，实现进气增压；所述柴油机(1)的电控单元根据工况的变化，控制所述高压级压气机旁通阀(11)和高压级涡轮旁通阀(12)的开启或关闭，从而实现单级增压和两级增压两种增压模式的切换；
所述进气道喷水系统包括储水箱(17)、高压水泵(18)、针阀式喷嘴(3)和进气管喷水电控系统主控芯片(19)；所述针阀式喷嘴(3)安装在进气总管(4)上；所述高压水泵(18)和所述针阀式喷嘴(3)均与所述进气管喷水电控系统主控芯片(19)相联，所述进气管喷水电控系统主控芯片(19)根据发动机工况实时控制针阀式喷嘴(3)的喷水量和喷水时刻。
2.一种基于进气成分控制降低增压柴油机排放的方法，其特征在于：利用如权利要求1所述的一种基于进气成分控制降低增压柴油机排放的装置，并包括：
柴油机电控单元根据转速的变化来控制高压级压气机旁通阀(11)和高压级涡轮旁通阀(12)的开启和关闭；中低速及小负荷工况运转时，关闭高压级压气机旁通阀(11)和高压级涡轮旁通阀(12)，高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器串联运行，废气经过高压级涡轮(13)和低压级涡轮(14)两次利用增加了增压系统的做功能力，从而提高了进气压力；高速大负荷时，打开高压级压气机旁通阀(11)和高压级涡轮旁通阀(12)，仅有低压级涡轮增压器参与工作，相当于单级增压；
所述EGR阀(7)控制导入进气充量中的废气量；所述针阀式喷嘴(3)以及进气管喷水电控系统主控芯片(19)控制进气道水的喷射量；
柴油机根据运行工况特点、NOx生成量的变化趋势以及高压EGR和进气道喷水的适用工况范围，控制EGR阀(7)的开度以及进气道喷水量，从而改变进气组分，在全工况范围内降低NOx排放；
在小负荷工况，关闭高压级涡轮旁通阀(12)和高压级压气机旁通阀(11)，使得高压级涡轮增压器和低压级涡轮增压器串联运行，废气经过高压级涡轮(13)和低压级涡轮(14)的两次利用实现两级增压从而提高进气压力；与此同时，关闭EGR阀(7)，通过进气管喷水电控系统主控芯片(19)控制针阀式喷嘴(3)的喷水量，从而降低Nox的排放；
在中低速中高负荷工况，关闭高压级涡轮旁通阀(12)和高压级压气机旁通阀(11)，使得高压级涡轮增压器和低压机涡轮增压器串联运行，废气经过高压级涡轮(13)和低压级涡轮(14)的两次利用实现两级增压从而提高进气压力；与此同时，通过进气管喷水电控系统主控芯片(19)控制针阀式喷嘴(3)的喷水量，并打开EGR阀(7)，保持该EGR阀(7)的开度为10～20％，从而通过较大比例的喷水量耦合小比例高压EGR来降低Nox的排放；
在高转速大负荷时，打开高压级涡轮旁通阀(12)和高压级压气机旁通阀(11)，通过所述低压级涡轮增压器实现单级增压；与此同时，打开EGR阀(7)，保持该EGR阀(7)为全开状态；通过进气管喷水电控系统主控芯片(19)控制针阀式喷嘴(3)的喷水量，从而在大比例EGR率的基础上耦合进气道喷水降低Nox的排放。
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