CN108361127B - 一种双燃料内燃机可变滚流分层egr进气装置及其控制方法 - Google Patents

一种双燃料内燃机可变滚流分层egr进气装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置，包括：进气道，其内部沿气流方向设有隔板，并被隔板分隔成第一进气区和第二进气区；其中，第一进气区的横截面小于第二进气区的横截面；EGR副气道，其与进气道垂直，且所述EGR副气道与第一进气区连通；封闭件，其固定设置在所述第一进气区的进气端，所述封闭件内具有弧面凹槽；旋转阀，其与所述封闭件及隔板配合设置；旋转阀的开度由独立的电机控制，通过控制旋转阀的开度可以实现随工况而变的EGR滚流分层。本发明提供的双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置及其控制方法，能够使EGR形成滚流分层进入内燃机，提高内燃机运转稳定性，增大废气引入率，提升双燃料内燃机整体燃油经济性及排放性能。

Description

一种双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置及其控制方法
技术领域
本发明属于汽车发动机技术领域，特别涉及一种双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置及其控制方法。
背景技术
石油是一种不可再生的化石能源，随着世界经济的飞速发展，汽车产量和保有量的迅速增加，对石油需求的压力也日渐增大，如何实现更清洁、更高效的燃烧成为世界各大汽车厂商面临的主要问题，因此世界各国广泛开展了汽车内燃机EGR技术的研究。面对日益严格的排放法规，较高的NOx排放限制了发动机的发展。其中，废气再循环(EGR)技术将一部分废气重新引入气缸，降低了氧浓度和燃烧温度，能够有效的控制发动机的NOx排放，成为一种改善排放的重要手段。对于内燃机的代用燃料方面，液化石油气、天然气以及氢气燃料以其优良的燃烧特性，在内燃机领域广泛应用，双燃料发动机也就此出现，所以将双燃料内燃机与EGR技术的优点结合会使内燃机的性能有大幅度的提升。
EGR的分类有很多种，按照废气在缸内的分布可以分为均质EGR和分层EGR，然而均质EGR耐受度较低，当EGR率较大时废气阻碍燃烧，油耗、CO和未燃HC排放上升，燃烧循环变动急剧增大。传统EGR由于新鲜可燃混合气与废气均匀混合,增加火花点火的难度,因此EGR率不能太高。因此分层EGR可在大幅降低汽油机NOx排放的同时，进一步提高发动机燃油经济性，兼顾发动机的综合性能。分层EGR使废气与新鲜可燃混合气不均匀混合,即使在大EGR率下也能保证在火花塞周边有新鲜可燃混合气,使发动机运转稳定性增加。
目前，对于点燃式内燃机上采用的EGR技术，只有单一的EGR进气分布形式，但缺乏基于内燃机负荷需求调整的可变EGR分层方式。尤其对于复合喷射双燃料内燃机，燃料特性的改善，能够实现更大程度的废气引入率，能进一步获取复合喷射双燃料内燃机整体燃油经济性的改善，以及排放性能的提升。此外，传统EGR进气装置在小EGR率下难以形成滚流分层，只能形成均质EGR。因此，设计开发一种新型的可变EGR滚流进气系统对提高复合喷射双燃料内燃机的燃油经济性具有重要意义。
发明内容
本发明的目的之一是克服现有双燃料内燃机EGR进气装置难以形成EGR滚流分层，只能形成均质EGR，增加内燃机点火难度的缺陷，提供了一种用于双燃料内燃机的可变滚流分层EGR进气装置，其能够使EGR形成滚流分层进入内燃机，使内燃机运转稳定性提高。
本发明的目的之二是提供一种双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置的控制方法，其能够根据内燃机的负荷调节旋转阀的开度，在保证内燃机稳定运行的基础上，增大废气引入率，从而提升双燃料内燃机整体燃油经济性及排放性能。
本发明提供的技术方案为：
一种双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置，包括：
进气道，其内部沿气流方向设有隔板，并被所述隔板分隔成第一进气区和第二进气区；
其中，所述第一进气区的横截面小于所述第二进气区的横截面；
EGR副气道，其与所述进气道垂直，且所述EGR副气道与所述第一进气区连通；
封闭件，其固定设置在所述第一进气区的进气端，所述封闭件内具有弧面凹槽；
旋转阀，其包括第一阀片、第二阀片和旋转轴，所述第一阀片和第二阀片之间具有固定夹角，所述第一阀片匹配设置于所述弧面凹槽中，所述第二阀片与所述隔板配合设置于所述第一进气区内；
其中，所述旋转轴能够带动所述第一阀片和所述第二阀片同时转动，当所述第一阀片位于所述弧面凹槽的一端时，所述第二阀片将EGR副气道与第一进气区之间的通道完全封闭；当所述第一阀片位于所述弧面凹槽的另一端时，所述EGR副气道与第一进气区之间的通道完全打开。
优选的是，所述第一进气区的横截面积为所述第二进气区横截面积的1/3。
优选的是，所述旋转轴与减速电机的输出轴连接。
优选的是，所述隔板的端部设有弧形连接部，所述弧形连接部与所述第二阀片的外缘相匹配。
优选的是，所述第一阀片与所述第二阀片之间的夹角为90度。
优选的是，所述第一阀片与所述第二阀片之间为弧面连接。
优选的是，所述封闭件与所述进气道内壁固定连接，且连接处为圆角衔接。
一种双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置的控制方法，使用所述的双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置，包括：
节气门传感器采集节气门开度信号并输送给车载控制装置，车载控制装置根据所述开度信号，将内燃机的负荷区间标定为第一负荷区间、第二负荷区间和第三负荷区间；
当内燃机处于第一负荷区间时，车载控制装置控制所述旋转阀的开度为0；
当内燃机处于第二负荷区间时，车载控制装置控制所述旋转阀的开度随内燃机负荷改变；
当内燃机处于第三负荷区间时，车载控制装置控制所述旋转阀的开度为0。
优选的是，所述旋转阀的开度为：
Figure BDA0001638481100000031
其中，n为内燃机的当前负荷，a为开启负荷，b为临界负荷，ρegr为废气的密度；Qegr为进入EGR副气道中的废气流量，Tegr为废气的温度。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置，能够使EGR形成滚流分层进入内燃机，提高内燃机运转稳定性，在小EGR率下也可借助油气混合气形成滚流分层，克服了现有内燃机滚流装置在小EGR率下只能形成均质EGR，增加内燃机点火难度的缺陷。
2、本发明提供的双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置的控制方法，能够根据内燃机负荷调节旋转阀的开度，在保证内燃机稳定运行的基础上，增大废气引入率，从而提升双燃料内燃机整体燃油经济性及排放性能。
附图说明
图1为本发明所述可变滚流分层EGR进气装置总体结构示意图。
图2为本发明所述的EGR副气道与第一进气区之间的通道完全封闭的示意图。
图3为本发明所述的EGR副气道与第一进气区之间的通道完全开启的示意图。
图4为本发明所述的EGR进气装置与双燃料内燃机连接示意图。
图5为本发明所述的火花塞周围形成的EGR分布状态示意图。
图6为本发明所述的双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置的控制方法
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-4所示，本发明提供了一种双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置，其能够使EGR滚流分层进入双燃料内燃机气缸。所述EGR进气装置包括：进气道100，其通过进气门210与内燃机气缸200连通，用于向内燃机内气缸输送气体。进气道100内部沿气流方向设有隔板110，进气道100被所述隔板110分隔成第一进气区120和第二进气区130；其中，所述第一进气区120的横截面小于所述第二进气区130的横截面。在本实施例中，第一进气区120的横街面积为第二进气区120横截面积的1/3。
EGR副气道500，其与所述进气道100垂直，且所述EGR副气道500与所述第一进气区120连通。回流的废气从所述EGR副气道500进入第一进气区120。
封闭件300，其固定设置在所述第一进气区120的进气端，且位于所述EGR副气道500的左侧，所述封闭件300内具有弧面凹槽310。旋转阀400，其与EGR副气道500对应设置在第一进气区120内，旋转阀400具有第一阀片410及第二阀片420，所述第一阀片410和第二阀片420之间成90度夹角；且所述第一阀片410与第二阀片420内侧为弧面连接，以减小EGR回流废气的进气阻力。所述第一阀片410匹配设置于所述弧面凹槽310中，第一阀片410的外缘与所述弧面凹槽310紧密贴合。所述第二阀片420设置于所述第一进气区120内；所述隔板110的端部设有向内凹的弧形连接部111，所述弧形连接部111与所述第二阀片420的外缘相匹配。所述旋转阀400在第一阀片410及第二阀片420的连接处设有旋转轴430，所述旋转轴430穿出进气道100与减速电机的输出轴连接，由减速电机驱动旋转轴430旋转。
优选的是，所述封闭件300与所述进气道100的内壁固定连接，且封闭件300的外部从弧面凹槽310处向外逐渐向进气道100的内壁倾斜，封闭件300与所述进气道100连接处为圆角衔接，以减小油气混合气的进气阻力。
所述双燃料内燃机气缸200包括：进气门210，氢气喷射器220，排气门230，火花塞240，活塞环250，活塞260，燃烧室270，气缸盖280；所述内燃机的第一燃料为汽油，采用进气道预混合的方式从进气道100经进气门210进入气缸200，第二燃料为氢气，通过氢气喷射器220直喷入气缸200内。
其中，当所述第一阀片410位于所述弧面凹槽310的起始端311时，所述第二阀片420的外缘与进气道100的位于第一进气区120内的上壁紧密贴合，将EGR副气道500与第一进气区120之间的通道完全封闭，即旋转阀的开度为0；此时，废气不能进入内燃机气缸中。当所述第一阀片410旋转到所述弧面凹槽310的终止端312时，所述第二阀片420旋转到与所述隔板110齐平的位置，即旋转阀400达到最大开度，所述EGR副气道500与第一进气区120之间的通道完全打开；且此时所述第二阀片420的外缘与所述弧形连接部111紧密贴合，使油气混合气无法进入第一进气区120，回流废气从EGR副气道500，经过第一进气区210从进气门210的上隙进入内燃机200。油气混合气经第二进气区130进入内燃机气缸200。由于第一进气区120的空间较小，使进入第一进气区120的气体流速增大，第一进气区120中的气体从进气门210的上隙进入内燃机气缸(形成上层进气)，上层进气沿着气缸壁活塞进行强滚流运动；而位于下部的第二进气区130中的油气混合气从进气门210进入气缸后被所述上层进气包裹，形成了在火花塞附近EGR稀区以及火花塞外围区域的EGR浓区，即EGR滚流分层。
当所述第一阀片410位于所述弧面凹槽310的起始端311与终止端312之间时，第二阀片420与进气道100的内壁之间以及第二阀片420与隔板110之间均存在缝隙，一小部分油气混合气从第二阀片420与隔板110之间的缝隙进入第一进气区120与EGR回流废气混合进入内燃机气缸200，形成上层进气，沿着气缸壁活塞进行强滚流运动；使少量油气混合气与废气共用上层区域，避免废气无法形成滚流。大部分油气混合气从第二进气区130进入内燃机气缸200，从位于下部的第二进气区130中的油气混合气进入气缸200后被所述上层进气包裹，形成了在火花塞附近EGR稀区以及火花塞外围区域的EGR浓区，即EGR滚流分层。
如图5所示，在气缸内EGR滚流分层后，火花塞附近的混合气根据其EGR率的大小分为I、II、III三层，其EGR率的大小关系为I<II<III，所述的EGR滚流分层是由于第一进气区的气体沿气缸表面的滚流运动包裹第二进气区的进气产生的。气缸中心EGR率较外围低，火花塞附近EGR率低，这样有利于高负荷状态下燃烧初期火核形成及火焰传播，能够减轻废气对燃烧的恶化，可有效改善内燃机经济性和排放性。
在本实施例中，所述弧面凹槽310的起始端311所在的平面与终止端312所在的平面之间的夹角为60度，即从开度为0到最大开度(开度为1)时转过的角度为60度。
如图6所示，本发明还提供了一种双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置的控制方法，包括：节气门传感器采集节气门开度信号并输送给ECU，ECU根据所述开度信号，将内燃机的负荷区间标定为第一负荷区间、第二负荷区间和第三负荷区间；同时传感器采集回流的废气的密度ρegr，进入EGR副气道中的废气流量Qegr以及废气的温度Tegr，并传输给ECU。
当内燃机处于第一负荷区间时，内燃机处于怠速或低负荷运行状态，ECU控制所述旋转阀的开度为0，无废气回流入内燃机气缸。
当内燃机处于第二负荷区间时，内燃机处于中高负荷运行状态，ECU控制所述旋转阀的开度随内燃机负荷改变；根据经验，ECU控制所述旋转阀的开度为：
Figure BDA0001638481100000071
其中，n为内燃机的当前负荷；a为开启负荷，即旋转阀开启时的内燃机负荷，可根据经验设定一固定值；b为临界负荷，即旋转阀旋转到最大开度时的内燃机负荷，可根据经验设定一固定值；ρegr为废气的密度,kg/m3；Qegr为进入EGR副气道中的废气流量，m3/h；Tegr为废气的温度，℃。
通过控制旋转阀的开度，保证在内燃机稳定工作的前提下，使旋转阀件的开度有一定量的自由度，以尽可能提高废气的回流量，从而提升双燃料内燃机整体燃油经济性及排放性能。
当内燃机处于第三负荷区间时，内燃机接近全负荷，ECU控制所述旋转阀的开度为0，此时，废气不能进入内燃机气缸中，只有油气混合气进入内燃机气缸，以保证内燃机有良好的动力性。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置的控制方法，其特征在于，控制的双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置包括：
进气道，其内部沿气流方向设有隔板，并被所述隔板分隔成第一进气区和第二进气区；
其中，所述第一进气区的横截面小于所述第二进气区的横截面；
EGR副气道，其与所述进气道垂直，且所述EGR副气道与所述第一进气区连通；
封闭件，其固定设置在所述第一进气区的进气端，所述封闭件内具有弧面凹槽；
旋转阀，其包括第一阀片、第二阀片和旋转轴，所述第一阀片和第二阀片之间具有固定夹角，所述第一阀片匹配设置于所述弧面凹槽中，所述第二阀片与所述隔板配合设置于所述第一进气区内；
其中，所述旋转轴能够带动所述第一阀片和所述第二阀片同时转动，当所述第一阀片位于所述弧面凹槽的一端时，所述第二阀片将EGR副气道与第一进气区之间的通道完全封闭；当所述第一阀片位于所述弧面凹槽的另一端时，所述EGR副气道与第一进气区之间的通道完全打开；
所述控制方法包括：
节气门传感器采集节气门开度信号并输送给车载控制装置，车载控制装置根据所述开度信号，将内燃机的负荷区间标定为第一负荷区间、第二负荷区间和第三负荷区间；
当内燃机处于第一负荷区间时，车载控制装置控制所述旋转阀的开度为0；
当内燃机处于第二负荷区间时，车载控制装置控制所述旋转阀的开度随内燃机负荷改变；
当内燃机处于第三负荷区间时，车载控制装置控制所述旋转阀的开度为0；
其中，旋转阀的开度为0时，EGR副气道与第一进气区之间的通道完全封闭。
2.根据权利要求1所述的双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置的控制方法，其特征在于，所述第一进气区的横截面积为所述第二进气区横截面积的1/3。
3.根据权利要求1或2所述的双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置的控制方法，其特征在于，所述旋转轴与减速电机的输出轴连接。
4.根据权利要求3所述的双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置的控制方法，其特征在于，所述隔板的端部设有弧形连接部，所述弧形连接部与所述第二阀片的外缘相匹配。
5.根据权利要求4所述的双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置的控制方法，其特征在于，所述第一阀片与所述第二阀片之间的夹角为90度。
6.根据权利要求5所述的双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置的控制方法，其特征在于，所述第一阀片与所述第二阀片之间为弧面连接。
7.根据权利要求6所述的双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置的控制方法，其特征在于，所述封闭件与所述进气道内壁固定连接，且连接处为圆角衔接。
8.根据权利要求7所述的双燃料内燃机可变滚流分层EGR进气装置的控制方法，其特征在于，所述旋转阀的开度为：
Figure FDA0004178681290000021
其中，n为内燃机的当前负荷，a为开启负荷，b为临界负荷，ρegr为废气的密度；Qegr为进入EGR副气道中的废气流量，Tegr为废气的温度。
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