CN108915882A - 一种可实现内部废气再循环系统的计算方法 - Google Patents

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Abstract

一种可实现内部废气再循环系统的计算方法，包括：排气门、排气门锁夹、排气门弹簧上座、排气门弹簧、排气管、涡轮增压器；排气门安装在缸盖上，排气门下部紧贴在排气门座圈上，排气门上部安装排气门锁夹；排气门弹簧上座固定在排气门锁夹外侧；排气门弹簧安装在缸盖与排气门弹簧上座中间；排气管安装在缸盖上，入口与缸盖排气道连接；涡轮增压器安装在排气管的出口处。与现有技术相比，只需要重新匹配涡轮增压器和排气门弹簧，成本低，周期短。可以在不同工况下都能实现内部废气再循环。本发明所述的计算方法经过不同工况的多次试验验证，达到了良好的试验效果，构思新颖，方法简便，且易于实施，具有很好的推广价值。

Description

一种可实现内部废气再循环系统的计算方法
技术领域
本发明属于内燃机领域，涉及一种可实现内部废气再循环系统的计算方法。
背景技术
对于满足最新排放要求的内燃机，通常需要利用废气再循环来降低内燃机氮氧化物的排放。废气再循环（Exhaust Gas Recirculation），简称EGR，是将内燃机废气中的一部分重新导入到内燃机气缸内，使进气混合物中含氧量减少，比热容加大，从而降低燃烧峰值温度，减少高温持续时间，有效降低氮氧化物排放。
目前，废气再循环分为外部和内部两种方式：外部废气再循环需要增加相应的取气管路、控制阀、冷却器等，对原机改动较大，成本较高；内部废气再循环是利用配气机构的特殊设计，使内燃机缸内的残余废气量增加，不需要外部的管路和其它附件，结构简单，成本较低。
实现内部废气再循环的关键是对进、排气门进行合理控制，使其在合适的时刻开启或关闭，使内燃机缸内的残余废气量增加。
常用的内燃机，进、排气门的运动规律是受凸轮轴上进、排气凸轮的型线控制的，改动进、排气凸轮型线是目前实现内部废气再循环最主要的方法。
如在参考文献中，胡钟林等在《小型内燃机与摩托车》2013年第6期发表的文章《内部EGR技术及其在小型挖掘机柴油机中的应用》中确定优选双峰排气凸轮实现内部废气再循环。
在参考专利文献中，“双峰排气凸轮轴”（专利申请号：201010284236.4，申请日：2010.09.17）发明专利公开了一种带有双峰排气凸轮的凸轮轴，用于内部废气再循环；“在内燃机中进行内部废气再循环的方法以及内燃机” （专利申请号：200480010219.4，申请日：2004.4.14）发明专利公开了一种在带有由凸轮轴根据四冲程原理而周期性控制的气体交换法的内燃机中进行内部废气再循环的方法。
某些内燃机使用电磁阀等装置对进排气门进行控制，也可以使其在合适的时刻开启或关闭，使缸内的残余废气量增加，实现内部废气再循环。
如在参考专利文献中，“在内燃机中进行内部废气再循环的方法以及内燃机”（专利申请号：200480010219.4，申请日：2004.4.14）发明专利中提供了使用电动机械对进排气门进行控制，以实现进排气门在合适的时间开启，实现废气导入缸内，形成废气再循环。
上述现有的内部废气再循环方法的不足在于：使用排气门二次开启方法实现内部废气再循环需要经过大量的计算和试验才能确定凸轮轴排气凸轮二次开启的位置和升程，如果设计不合适不仅无法实现内部废气再循环，还会使内燃机性能恶化；此外，凸轮轴排气凸轮的设计仅针对某些特定工况，不能随工况的变化调整，不能在多工况下均获得合适的用于再循环的废气。
而使用电磁阀对进排气门进行控制，需要在普通内燃机上进行大幅的改动，成本高、反应速度慢、气门落座冲击大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、可以随不同工况自动调整排气门开启角度，从而满足多工况下都能获得合适废气的内部废气再循环系统的计算方法。
本发明的技术方案是：一种可实现内部废气再循环系统，包括：排气门、排气门锁夹、排气门弹簧上座、排气门弹簧、排气门座圈、排气管、涡轮增压器；排气门1安装在缸盖上，排气门下部紧贴在排气门座圈上，排气门上部安装排气门锁夹；排气门弹簧上座固定在排气门锁夹外侧；排气门弹簧安装在缸盖与排气门弹簧上座中间；排气门座圈安装在缸盖下端；排气管安装在缸盖上，入口与缸盖排气道连接；涡轮增压器安装在排气管的出口处。所述计算方法如下：
【1】.根据对再循环废气量的需求，通过试验或者仿真计算得到相应工况下的排气道压力P1和气缸压力P2曲线；
【2】.得到排气道压力P1与气缸压力P2的压差P3曲线，核算各工况下压差P3曲线的最大值ΔPmax是否大于1bar，如果没有达到，调整涡轮增压器7，直到满足为止；
【3】.根据结构布置确定排气门弹簧的最小内径D1、最大外径D2、弹簧工作变形f、安装高度H0；
【4】.计算配气机构的最大负惯性力，再乘以储备系数，储备系数大于等于1.3，得到排气门弹簧的最大弹簧力Fmax；
【5】.根据排气道压力P1与气缸压力P2的压差P3曲线的最大值ΔPmax，确定排气门弹簧的预紧压力差ΔP；
【6】.根据排气门弹簧的预紧压力差ΔP和排气门相关尺寸确定排气门弹簧的安装预紧力F0；
【7】.根据排气门弹簧的最大弹簧力Fmax、安装预紧力F0及弹簧工作变形f确定出排气弹簧的刚度Cs；
【8】.根据排气门弹簧的最小内径D1和最大外径D2确定排气门弹簧的中径D，并参考国标规定的钢丝直径系列初定排气门弹簧的钢丝直径ds；
【9】.根据排气门弹簧的钢丝直径ds、弹簧中径D及弹簧刚度Cs计算出排气门弹簧的有效圈数n；
【10】.根据排气门弹簧的钢丝直径ds和弹簧中径D计算出排气门弹簧的旋绕比C及曲度系数K；
【11】.根据排气门弹簧的最大弹簧力Fmax、中径D、曲度系数K、钢丝直径ds计算出排气门弹簧的最大工作切应力τmax；
【12】.校核排气门弹簧的最大工作切应力是否小于或等于材料的许用切应力[τ]，即τmax≤[τ]，如果不满足，返回第【8】步重新选择排气门弹簧的钢丝直径ds后再进行第【9】步到第【12】步的计算，直到满足为止；
【13】.由上述计算得到的排气门弹簧的参数确定其余参数，包括总圈数n1、安装变形fmin、最大变形fmax、自由高度Hfre；
【14】.装机试验进行验证，检查废气再循环量是否满足要求，如果不满足，返回第【5】步重新选择排气门弹簧的预紧力压力差ΔP后再进行第【6】步到第【14】步的计算，直到废气再循环量满足要求为止。
由于采用以上所述的技术方案，本发明可达到以下有益效果：
1、本发明所述的可实现内部废气再循环的系统结构简单，与现有技术相比，不需要改动凸轮轴，也不需要增加电磁阀等装置，只需要重新匹配涡轮增压器和排气门弹簧，对原机改变较少，成本低，周期短；
2、本发明所述的可实现内部废气再循环的系统可以在不同工况下都能实现内部废气再循环。本发明中废气的引入时刻是由内燃机排气道压力与气缸压力的压差情况决定的，会随着内燃机工况的变化而改变的，在不同工况下都能够在准确的时刻开启内部废气再循环；
3、本发明所述的计算方法经过不同工况下的多次试验验证，达到了良好的试验效果，构思新颖，方法简便，且易于实施，具有很好的推广价值。
附图说明
图1为本发明一种可实现内部废气再循环系统的结构示意图；
图2为本发明一种可实现内部废气再循环系统的相关计算方法的流程图；
图3为本发明一种可实现内部废气再循环系统计算方法中用到的内燃机一个工作循环内排气道压力曲线与气缸压力曲线图；
图4为本发明一种可实现内部废气再循环系统计算方法中用到由排气道压力减去气缸压力得到的压差曲线图；
图5为本发明一种可实现内部废气再循环系统计算方法中用到排气门部件在气门落座位置时的受力示意图；
图6为本发明一种可实现内部废气再循环系统中用到排气门部件在气门落座位置时的简化受力示意图。
图中：1、排气门，2、排气门锁夹，3、排气门弹簧上座，4、排气门弹簧，5、排气门座圈，6、排气管，7、涡轮增压器，8、缸盖，9、排气道，10、气缸；
P1、排气道压力，P2、气缸压力，P3、排气道压力与气缸压力的压差，ΔPmax、排气道压力与气缸压力的压差的最大值；
F1、排气道压力对排气门的力，F2、气缸压力对排气门的力，F3、排气道压力与气缸压力的压差对排气门的力，Ft、排气门弹簧对排气门的弹力，Fs、排气门座圈对排气门的力，G、排气门部件的重力。
Ft是排气门弹簧对排气门的弹力，根据弹簧变形的不同，该力是不同的，下面的F0是指排气门弹簧在安装位置时排气门弹簧对排气门的弹力，Fmax是排气门弹簧到达最大位置时排气门弹簧对排气门的弹力。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。如图1～6所示，一种可实现内部废气再循环系统，如图1所示一种可实现内部废气再循环系统，包括：排气门1、排气门锁夹2、排气门弹簧上座3、排气门弹簧4、排气门座圈5、排气管6、涡轮增压器7；排气门1安装在缸盖8上，排气门1下部紧贴在排气门座圈5上，排气门1上部安装排气门锁夹2；排气门弹簧上座3固定在排气门锁夹2外侧；排气门弹簧4安装在缸盖8与排气门弹簧上座3中间；排气门座圈5安装在缸盖8下端；排气管6安装在缸盖8上，入口与缸盖排气道9连接；涡轮增压器7安装在排气管6的出口处。
当发动机运转时，排气门1会在气门驱动件的作用下在排气冲程完成排气过程。气门驱动件可以使用多种方式，但是作用都是使排气门1在规定的时刻打开进行排气，然后再回到关闭状态完成排气过程。
排气门1具体排气过程如下：气门驱动件首先会驱动排气门1克服排气门弹簧4对排气门1的弹力Ft向下运动，使排气门1的下端与排气门座圈5逐渐分离，排气门1打开，同时排气门弹簧4继续受压，排气门弹簧4对排气门1的弹力Ft变大。当气门驱动件转而向上运动时，对排气门1的力消失，排气门1就会在排气门弹簧4对排气门1的的弹力Ft下回到原来的位置，直到排气门1关闭，完成排气过程。
按照图5所示的排气门部件在气门落座位置时的受力示意图，排气门部件这时受到排气道压力对排气门1的力F1、气缸压力对排气门1的力F2、排气门弹簧4对排气门1的弹力Ft、排气门座圈5对排气门1的力Fs和排气门部件的重力G，其相互关系为：F1+G+Fs=F2+Ft。
如图3所示，进入进气冲程后，由于活塞下行，气缸10容积增大，气缸压力P2明显下降，气缸压力对排气门1的力F2也会明显下降，而排气道压力P1还保持在较高状态，排气道压力对排气门1的力F1也保持在较高状态。当排气道压力对排气门1的力F1与排气门部件的重力G之和大于气缸压力对排气门1的力F2与排气门弹簧4对排气门1的弹力Ft之和时，排气门1打开，排气道9内的废气导入气缸10，内部废气再循环开启。此后排气道压力P1逐渐减小，气缸压力P2逐渐加大，排气门弹簧4受压程度不断加大，排气门弹簧4对排气门1的弹力Ft增加，即：排气道压力对排气门1的力F1值减小，气缸压力对排气门的力F2、排气门弹簧4对排气门1的弹力Ft值增大，当排气道压力对排气门1的力F1、排气门部件的重力G之和小于气缸压力对排气门的力F2、排气门弹簧4对排气门1的弹力Ft之和，排气门1重新关闭，完成内部废气再循环。
所述的计算方法流程图如图2所示。
【1】.根据内燃机对内部废气再循环的要求，通过试验或者仿真计算得到相应工况下一个发动机循环周期内的排气道压力P1和气缸压力P2曲线。如图3所示，其中曲线P1为排气道压力，曲线P2为气缸压力。
【2】.由排气道压力P1减去气缸压力P2得到排气道压力与气缸压力的压差P3曲线。核算各个工况下一个发动机循环周期内压差P3的最大值ΔPmax是否大于1bar，如果不满足，调整涡轮增压器7的参数后，返回第【1】步重新得到排气道压力P1与气缸压力P2曲线，再进行第【2】步排气道压力P1与气缸压力P2压差P3最大值ΔPmax的检查，直到满足要求为止。如图4所示，P3为排气道压力与气缸压力的压差曲线，曲线P3中的最大点为压差最大值ΔPmax。由于内部废气再循环是将已经排入排气道的废气重新引入气缸，参与下一轮燃烧，必须保证排气道压力高于气缸压力若干数值。在内燃机工作循环内，一般只有在进气冲程和压缩冲程前期排气道压力才会高于缸内压力。在内燃机运行到最大扭矩转速时，该压力差较小，可以使用较小的涡轮机来提高压差，如果使用较小的涡轮机使标定转速下性能变差，建议使用可变截面涡轮增压器。
【3】.根据内燃机配气机构的相关零部件及结构布置确定出排气门弹簧4的最小内径D1、最大外径D2、弹簧工作变形f、安装高度H0，其中最小内径D1由弹簧下座或者气门导管外径决定，最大外径D2由空间位置决定，弹簧工作变形f由气门升程决定，安装高度H0由弹簧安装的位置决定。
【4】.根据内燃机配气机构的相关零部件计算出配气机构的最大负惯性力，再考虑一定的储备系数得到排气门弹簧4的最大弹簧力Fmax，其中最大负惯性力等于内燃机配气机构在气门端的总当量质量乘以内燃机气门端最高转速时的最大负加速度，储备系数一般大于或等于1.3。最大负惯性力乘以储备系数即得到最大弹簧力Fmax。
【5】.根据第【2】步得到的排气道压力与气缸压力的最大压力差ΔPmax，对最大压力差ΔPmax乘以系数K（0<K<1），得到排气门弹簧预紧压力差ΔP。系数K越小，排气门1越容易开启，内部废气再循环率越大，但是可能会使排气门1密封性变差；系数K越大，排气门1越难开启，内部废气再循环率越小。初定系数K=0.5，然后根据试验或者仿真计算结果对其进行优化。
【6】.根据排气门弹簧4预紧压力差ΔP和排气门1相关尺寸确定排气门弹簧4的安装预紧力F0。如图5所示，排气门1落座时，排气门部件这时受到排气道压力P1对排气门的力F1、气缸压力P2对排气门的力F2、排气门弹簧4对排气门1的弹力Ft、排气门座圈5对排气门1的力Fs和排气门部件的重力G，其相互关系为：F1+G+Fs=F2+Ft。其中排气道压力P1对排气门的力F1等于排气道压力P1×（气门面积-气门杆面积），气缸压力对排气门的力F2等于气缸压力P2×气门面积。由于气门面积一般明显大于气门杆面积，所以可以认为排气道压力P1的作用面积也等于气门面积。这样以来，上述公式可以变化为：排气道压力P1×气门面积+G+Fs=气缸压力P2×气门面积+Ft，再进行变换可以得到：（P1-P2）×气门面积+G+Fs=Ft，而P1-P2就是我们在第【2】步中得到排气道压力与气缸压力的压差P3，即得到P3×气门面积+G+Fs=Ft的公式。该公式可以理解为排气门这时受到排气道压力与气缸压力的压差P3产生的力F3、排气门部件重力G、排气门座圈力Fs和排气门弹簧弹力Ft，即如图6所示的排气门在落座位置的简化受力示意图。这时弹簧弹力Ft等于排气道压力与气缸压力的压差P3×气门面积+排气门部件重力G+排气门座圈力Fs。在进气冲程时，如图4所示，排气道压力与气缸压力的压差P3会由负值增大到1bar以上，排气道压力与气缸压力的压差P3产生的力F3就会由负值转变为正值，并逐渐加大，这样排气门座圈力Fs就会逐渐减小，当排气道压力与缸内压力的压差P3产生的力F3与排气门部件重力G的和大于排气门弹簧弹力Ft时，排气门座圈力Fs就会减小为零，排气门打开，这时就是开启内部废气再循环的时刻。根据图6所示，这时排气弹簧的弹力Ft等于排气道压力与气缸压力的压差P3×气门面积+排气门部件的重力G。由于排气道压力与气缸压力的压差P3是变化的，使用第【5】步得到排气门弹簧预紧压力差ΔP来作为初值，将其乘以气门面积再加上排气门部件的重力G就得到排气门弹簧在排气门刚开启时刻的弹力Ft，即排气门弹簧安装预紧力F0。
【7】.根据排气门弹簧最大弹簧力Fmax、安装预紧力F0及弹簧工作变形f按照公式确定排气弹簧刚度Cs。
【8】.根据排气门弹簧最小内径D1和最大外径D2，来确定弹簧中径D和弹簧钢丝直径ds的范围，并参考国标规定的钢丝直径系列初定排气门弹簧钢丝直径ds。
【9】.根据排气门弹簧钢丝直径ds、弹簧中径D及弹簧刚度Cs按照公式算出排气门弹簧的有效圈数n。
【10】.根据排气门弹簧钢丝直径ds和弹簧中径D按照公式和公式计算排气门弹簧弹簧的旋绕比C和曲度系数K。
【11】.根据排气门弹簧最大弹簧力Fmax、中径D、曲度系数K、钢丝直径ds按照公 式来计算排气门弹簧最大工作切应力τmax。
【12】.校核排气门弹簧最大工作切应力是否小于或等于材料的许用切应力[τ]，即判断是否满足τmax≤[τ]。如不满足，返回第【8】步重新选择排气门弹簧钢丝直径ds后再进行第【9】步到第【12】步的计算，直到排气门弹簧最大工作应力满足要求为止。
【13】.根据上面计算的排气门弹簧参数确定剩余的排气门弹簧参数，包括总圈数n1、安装变形fmin、最大变形fmax、自由高度Hfre。
【14】.将设计完成的排气门弹簧安装到内燃机上，进行试验验证。当排气门关闭时，其受力情况如图6所示，排气门座圈力Fs等于排气门弹簧弹力Ft减去排气道压力与气缸压力的压差P3产生的力F3再减去排气门部件的重力G。在进气冲程阶段，内燃机排气道压力与气缸压力的压差P3大于零后，气门座圈力G就会减小，当排气道压力与缸内压力的压差P3大于前面设定的排气门弹簧预紧压力差ΔP后，气门座圈受力就小于零，这时排气门与座圈发生分离，排气门打开，排气道内的废气进入缸内，开启内部废气再循环；随后气缸压力P2逐渐加大，而排气道压力P1逐渐减小，排气道压力与气缸压力的压差P3迅速减小，当排气道压力与缸内压力的压差P3小于前面设定的排气门弹簧预紧压力差ΔP后，气门座圈受力重新大于零，即排气门与座圈接触，排气门落座，完成内部废气再循环。如果试验结果表明内部废气再循环率不合适，返回第【5】步重新选择排气门弹簧预紧压力差ΔP后再进行第【6】步到第【14】步的过程，可将第【5】步中的系数K调小来减小预紧压力差ΔP，这样排气门弹簧的安装预紧力F0会减小，排气门在进气冲程更早开启，更晚关闭，排气门开启时间更长，废气进入缸内更多，加大再循环废气量。反之亦然。
在这里，还需要说明几点：
1）本发明的具体实施方式中没有对怎样调整涡轮增压器来使排气道与缸内压力差满足要求进行非常详细的说明，但是其对内部废气再循环的实现是十分重要的，没有这个条件，内部废气再循环产生的动力就不足，无法产生足够的内部废气再循环。对于本领域的技术人员来说，通过调整涡轮增压器来对排气道压力进行加大是比较容易的技术，没有必要对其进行更加详细的论述。
2）本发明的具体实施方式中主要内容是确定排气门弹簧参数，但是如何根据排气门弹簧的预紧力和最大弹簧力设计出排气门弹簧并不是本发明的重点，如何确定排气门弹簧的预紧压力差进而求出排气门弹簧预紧力和将设计完成的排气门弹簧安装到内燃机上后，如何实现内部废气再循环才是本发明的重点，所以弹簧的相关计算中只针对弹簧的主要结构，还有一些校核因素没有介绍，如弹簧全开时最小间隙的检查、弹簧并圈时切应力的检查、弹簧疲劳强度安全系数的检查、弹簧自振频率的检查等。如果需要，本领域的技术人员可以参考相关资料对这些因素进行校核。
3）基于同样的原因，本发明的具体实施方式中对排气门弹簧的设计是使用一步一步试算的，没有介绍使用优化方法在满足相关约束条件的基础上对弹簧进行寻优。如果需要，本领域的技术人员可以进一步进行这方面的工作。
4）本发明的具体实施方式中对排气门弹簧的设计是静态的运动学计算，没有考虑配气机构运动过程中相关零部件的弹性变形和振动等对排气门弹簧的影响。如果需要，本领域的技术人员可以进一步进行这方面的工作。
最后，需要说明的是，本发明旨在包括一切属于本构思方法的所有变化和改进。

Claims (1)

1.一种可实现内部废气再循环系统，包括：排气门（1）、排气门锁夹（2）、排气门弹簧上座（3）、排气门弹簧（4）、排气门座圈（5）、排气管（6）、涡轮增压器（7）；其特征在于：排气门（1）安装在缸盖（8）上，排气门（1）下部紧贴在排气门座圈（5）上，排气门（1）上部安装排气门锁夹（2）；排气门弹簧上座（3）固定在排气门锁夹（2）外侧；排气门弹簧（4）安装在缸盖（8）与排气门弹簧上座（3）中间；排气门座圈（5）安装在缸盖（8）下端；排气管（6）安装在缸盖（8）上，入口与缸盖排气道（9）连接；涡轮增压器（7）安装在排气管（6）的出口处；所述计算方法如下：
【1】.根据对再循环废气量的需求，通过试验或者仿真计算得到相应工况下的排气道压力P1和气缸压力P2曲线；
【2】.得到排气道压力P1与气缸压力P2的压差P3曲线，核算各工况下压差P3曲线的最大值ΔPmax是否大于1bar，如果没有达到，调整涡轮增压器（7），直到满足为止；
【3】.根据结构布置确定排气门弹簧（4）的最小内径D1、最大外径D2、弹簧工作变形f、安装高度H0；
【4】.计算配气机构的最大负惯性力，再乘以储备系数，储备系数大于等于1.3，得到排气门弹簧4的最大弹簧力Fmax；
【5】.根据排气道压力P1与气缸压力P2的压差P3曲线的最大值ΔPmax，确定排气门弹簧（4）的预紧压力差ΔP；
【6】.根据排气门弹簧（4）的预紧压力差ΔP和排气门相关尺寸确定排气门弹簧（4）的安装预紧力F0；
【7】.根据排气门弹簧（4）的最大弹簧力Fmax、安装预紧力F0及弹簧工作变形f确定出排气弹簧（4）的刚度Cs；
【8】.根据排气门弹簧（4）的最小内径D1和最大外径D2确定排气门弹簧（4）的中径D，并参考国标规定的钢丝直径系列初定排气门弹簧（4）的钢丝直径ds；
【9】.根据排气门弹簧（4）的钢丝直径ds、弹簧中径D及弹簧刚度Cs计算出排气门弹簧（4）的有效圈数n；
【10】.根据排气门弹簧（4）的钢丝直径ds和弹簧中径D计算出排气门弹簧（4）的旋绕比C及曲度系数K；
【11】.根据排气门弹簧（4）的最大弹簧力Fmax、中径D、曲度系数K、钢丝直径ds计算出排气门弹簧（4）的最大工作切应力τmax；
【12】.校核排气门弹簧（4）的最大工作切应力是否小于或等于材料的许用切应力[τ]，即τmax≤[τ]，如果不满足，返回第【8】步重新选择排气门弹簧的钢丝直径ds后再进行第【9】步到第【12】步的计算，直到满足为止；
【13】.由上述计算得到的排气门弹簧（4）的参数确定其余参数，包括总圈数n1、安装变形fmin、最大变形fmax、自由高度Hfre；
【14】.装机试验进行验证，检查废气再循环量是否满足要求，如果不满足，返回第【5】步重新选择排气门弹簧（4）的预紧力压力差ΔP后再进行第【6】步到第【14】步的计算，直到废气再循环量满足要求为止。
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