CN109139306A - 发动机废气再循环喷水降温系统及方法 - Google Patents

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CN109139306A CN201810919603.XA CN201810919603A CN109139306A CN 109139306 A CN109139306 A CN 109139306A CN 201810919603 A CN201810919603 A CN 201810919603A CN 109139306 A CN109139306 A CN 109139306A
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李刚
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Abstract

本发明提供了一种发动机废气再循环喷水降温系统及方法，包括：循环管线和喷水系统；循环管线的一端与发动机的进气歧管连接，循环管线的另一端与发动机的排气歧管连接，喷水系统位于循环管线上，喷水系统用于为进入进气歧管的循环废气喷水降温。本发明提供的发动机废气再循环喷水降温系统，在循环管线上增加喷水系统系统，不需要增加额外的管路，解决了现有技术中，在进行发动机散热时，需要增加额外的汽车散热附件，导致汽车散热附件重量和能耗增加的问题。

Description

发动机废气再循环喷水降温系统及方法
技术领域
本发明涉及汽车发动机降温技术领域，尤其涉及一种发动机废气再循环喷水降温系统及方法。
背景技术
随着汽车发动机技术不断进步和排放法规的日益严格，废气再循环(EGR)成为一种降低发动机排气中NOx的常用技术手段。通过把发动机排出的部分废气引入到进气歧管，并与空气混合后再次进入发动机气缸。由于发动机排出的废气中含有大量的CO2、H2O等多原子气体，CO2等气体不能燃烧，但由于其比热容较高而吸收大量的热，使发动机温度降低，同时再循环废气对空气有一定稀释作用，降低了发动机气缸内氧的浓度，从而减少了NOx的生成量。对于汽油机来说，EGR导致燃烧温度降低，还有利于降低汽油机的爆震倾向。但是，EGR将高温的废气引入到进气歧管，会导致进气温度升高，降低发动机进气效率，进而影响发动机的动力性。因而，再循环的废气一般都需要冷却废气。
现有技术中，通常会将一部分发动机的冷却水分流到EGR冷却器内，从而对再循环的废气进行冷却降温，再通过散热器将冷却水吸收的热量进行散热。
但是，通过散热器将冷却水吸收的热量进行散热，增加散热器额外的负载，须增加冷却风扇等其他设备的功率，导致汽车散热附件重量和能耗增加。
发明内容
本发明提供一种发动机废气再循环喷水降温系统及方法，解决了现有技术中，在进行发动机散热时，需要增加额外的汽车散热附件，导致汽车散热附件重量和能耗增加的问题。
本发明提供了一种发动机废气再循环喷水降温系统，包括：循环管线和喷水系统；
循环管线的一端与发动机的进气歧管连接，循环管线的另一端与发动机的排气歧管连接，喷水系统位于循环管线上，喷水系统用于为进入进气歧管的再循环废气喷水降温。
作为一种可选的方式，本发明提供的发动机废气再循环喷水降温系统，
喷水系统包括水喷射器、水箱和可开闭的阀门，阀门和水喷射器均位于循环管线上，水箱与水喷射器连接，水箱用于为水喷射器供水。
作为一种可选的方式，本发明提供的发动机废气再循环喷水降温系统，
还包括电子控制单元，阀门和水喷射器均与电子控制单元连接，电子控制单元用于调节阀门开闭，电子控制单元还用于调节水喷射器的喷水量。
作为一种可选的方式，本发明提供的发动机废气再循环喷水降温系统，
水喷射器位于阀门与进气歧管之间。
作为一种可选的方式，本发明提供的发动机废气再循环喷水降温系统，
阀门位于水喷射器与进气歧管之间。
作为一种可选的方式，本发明提供的发动机废气再循环喷水降温系统，
还包括增压器和管道，增压器位于进气歧管上，管道用于连接排气歧管和增压器，使排气歧管的部分废气经增压器进入进气歧管。
作为一种可选的方式，本发明提供的发动机废气再循环喷水降温系统，
阀门为单向阀，单向阀的流通方向为远离排气歧管的方向。
作为一种可选的方式，本发明提供的发动机废气再循环喷水降温系统，
还包括冷却系统，冷却系统位于进气歧管上，冷却系统用于冷却进气歧管内的气体。
本发明提供的发动机废气再循环喷水降温方法，应用于上述的发动机废气再循环喷水降温系统，方法包括：
接收的发动机的输入信号；
根据输入信号调节阀门的开闭状态以及水喷射器的喷水量；其中，输入信号包括废气再循环率、废气再循环温度、排气温度和进气量。
作为一种可选的方式，本发明提供的发动机废气再循环喷水降温方法，根据输入信号调节阀门的开闭状态以及水喷射器的喷水量，具体包括：根据公式(1)和(2)获得me和mw；
meCv,e(Te-Te,new)＝mwCl,w(Tb-Tw)+mwγw+mwCv,w(Te,new-Tb) (2)
其中，公式(1)中EGR率为废气再循环率，me为发动机再循环废气质量，mw为水喷射器的喷水量，mair为发动机空气进气质量，Me、Mw和Mair分别为发动机再循环废气、水蒸气和发动机进入空气的摩尔质量；
公式(2)中，Cv,e为再循环废气比热容，Cl,w为液态水比热容，Cv,w为气态水比热容，γw为水相变时汽化潜热，Te为发动机再循环废气排气温度，Te,new为再循环废气和水混合后的气体温度，Tw为液态水的温度，Tb为当前状态下水沸点温度；
根据me和mw，调节阀门的开闭状态和调节水喷射器的喷水量。
本发明提供的发动机废气再循环喷水降温系统，在循环管线上增加喷水系统系统，不需要增加额外的管路，解决了现有技术中，在进行发动机散热时，需要增加额外的汽车散热附件，导致汽车散热附件重量和能耗增加的问题。本实施例提供的发动机废气再循环喷水降温系统，通过向再循环废气中喷入适量的液态水，利用水较低的沸点、较大的比热容和汽化潜热，蒸发吸收大量热量，降低废气再循环(EGR)回流废气的温度，用于解决废气再循环(EGR)回流废气温度高，需要强制冷却的问题。同时，水具有多原子、不能燃烧和较高比热容的特性，可起到类似废气再循环的作用，能有效降低发动机缸内燃烧温度和NOx排放，进而可以减少不同转速和负荷下发动机的再循环废气量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的发动机废气再循环喷水降温系统的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的发动机废气再循环喷水降温方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的发动机废气再循环喷水降温方法的控制原理图。
附图标记说明：
10—循环管线；
20—喷水系统；
201—水喷射器；
202—水箱；
203—阀门；
30—发动机；
301—进气歧管；
302—排气歧管；
40—电子控制单元；
50—发动机控制单元；
60—增压器；
70—冷却系统；
80—管道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的发动机废气再循环喷水降温系统的整体结构示意图。如图1所示，本实施例提供了一种发动机废气再循环喷水降温系统，包括：循环管线10和喷水系统20；
其中，循环管线10的一端与发动机30的进气歧管301连接，循环管线10的另一端与发动机30的排气歧管302连接，喷水系统20位于循环管线10上，喷水系统20用于为进入进气歧管301的再循环废气喷水降温。
具体的，发动机30排出的废气经排气歧管302排出，其中排气歧管302排出一部分废气进入循环管线10，并经循环管线10上的喷水系统20进行喷水降温，然后同进气歧管301内通入的气体一起进入发动机30中，使发动机30最高燃烧温度降低，同时再循环废气对进气歧管301内通入的气体有一定稀释作用，降低了发动机30缸内氧浓度，从而减少了NOx的生成量。
本实施例提供的发动机废气再循环喷水降温系统，在循环管线上增加喷水系统，不需要增加额外的管路，解决了现有技术中，在进行发动机散热时，需要增加额外的汽车散热附件，导致汽车散热附件重量和能耗增加的问题。本实施例提供的发动机废气再循环喷水降温系统，通过向再循环废气中喷入适量的液态水，利用水较低的沸点、较大的比热容和汽化潜热，蒸发吸收大量热量，降低废气再循环(EGR)回流废气的温度，用于解决废气再循环(EGR)回流废气温度高，需要强制冷却的问题。同时，水具有多原子、不能燃烧和较高比热容的特性，可起到类似废气再循环的作用，能有效降低发动机缸内燃烧温度和NOx排放，进而可以减少不同转速和负荷下发动机的再循环废气量。
在具体的实现方式中，本实施例提供的发动机废气再循环喷水降温系统，喷水系统20包括水喷射器201、水箱202和可开闭的阀门203，阀门203和水喷射器201均位于循环管线10上，水箱202与水喷射器201连接，水箱202用于为水喷射器201供水。使用时，打开阀门203，通过水喷射器201为循环管线10内的废气喷水，利用水较低的沸点、较大的比热容和汽化潜热，蒸发吸收大量热量，降低废气再循环(EGR)回流废气的温度。通过水箱202为水喷射器201供水，水箱202上具有加注口，通过加注口向水箱202内加水。
进一步的，本实施例提供的发动机废气再循环喷水降温系统，还包括电子控制单元40，阀门203和水喷射器201均与电子控制单元连接40，电子控制单元40用于调节阀门203的开闭，电子控制单元40还用于调节水喷射器201的喷水量。通过电子控制单元40调节阀门203的开闭，以及调节水喷射器201的喷水量，便于调节阀门203开闭状态和喷射器201的喷水量状态。
在具体实施时，当发动机30工作在低负荷时，发动机30的燃烧温度较低，不需要进行废气再循环，电子控制单元40控制阀门203和水喷射器201均关闭，阀门203和水喷射器201不工作。当发动机30工作在中高负荷时，为避免较高的燃烧温度，必须进行废气再循环，电子控制单元40控制阀门203打开，将排气歧管302中废气引流到进气歧管301中。此时发动机30排气温度不高，水喷射器201不工作，不进行再循环废气的冷却。随着发动机30负荷进一步增加，发动机30的排气温度升高，此时电子控制单元40控制水喷射器201开始工作，向循环管线10中喷入液态水，对再循环管线10内的废气进行降温冷却，水喷射器201的喷水量根据发动机30的工况和阀门203的开闭状态实时调节，从而实现再循环废气温度的定量调节。此外，当发动机30要求大功率、高转速时为保证发动机30有良好的动力性，不进行废气再循环，此时阀门203和水喷射器201均关闭不工作。
在一些实施例中，发动机废气再循环喷水降温系统，水喷射器201位于阀门203与进气歧管301之间。从排气歧管302再循环的废气首先经过阀门203和水喷射器201喷水降温冷却，然后进入进气歧管301，与进气歧管301进入的空气混合，最终进入发动机30。
在一种可能的实现方式中，本实施例提供的发动机废气再循环喷水降温系统，阀门203位于水喷射器201与进气歧管301之间，也就是说，阀门203和水喷射器201位置调换，从排气歧管302再循环的废气首先经过水喷射器201喷水降温冷却后，，然后经过阀门203进入进气歧管301，与进气歧管301进入的空气混合，最终进入发动机30。
作为一种可选的方式，本实施例提供的发动机废气再循环喷水降温系统，还包括增压器60和管道80，增压器60位于进气歧管301上，管道80用于连接排气歧管302和增压器60，以使排气歧管302内的部分废气经增压器60进入进气歧管301。可选的，增压器60为涡轮增压器。涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机30排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机30转速增大，废气排出速度与涡轮转速也同步增加，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，进而增加发动机30的输出功率了。
在一个实施例中，发动机废气再循环喷水降温系统，阀门203为单向阀，单向阀的流通方向为远离排气歧管302的方向。
在一些具体的实现方式中，本实施例提供的发动机废气再循环喷水降温系统，还包括冷却系统70，冷却系统70位于进气歧管301上，冷却系统70用于冷却进气歧管301内的气体。冷却系统70可以采用常用的水冷系统，本实施例在此不作限定。
可选的，由于循环管线10中气体压力较低，水喷射器201可以采用低压喷射器。此外，可根据布置集成难度及成本，选择控制水喷射器201和阀门203的电子控制单元40的方案，该电子控制单元40可以集成到发动机控制单元50(即发动机管理系统EMS)中，也可以开发单独的控制器。本实施例在此不作限定。
本发明提供的发动机废气再循环喷水降温系统，改善再循环废气温度较高而引起发动机进气效率降低的问题，从而保证发动机较好的燃烧和排放性能。本发明的方案易于实现，对原机改动较小。只需要在回路中增加喷水系统和电子控制单元，通过向再循环废气中喷入适量的液态水，利用水较低的沸点、较大的比热容和汽化潜热，蒸发吸收大量热量，降低废气再循环(EGR)回流废气的温度，用于解决废气再循环(EGR)回流废气温度高，需要强制冷却的问题。本发明增强了废气再循环(EGR)的冷却能力和可控性，合理的控制策略会使该方案具有循环废气温度定量调节的能力。本发明技术方案中水汽化吸热、较高的比热容和稀释作用，可有效降低发动机对EGR率的依赖。
本实施例还提供了一种发动机废气再循环喷水降温方法，图2为本发明实施例提供的发动机废气再循环喷水降温方法的流程图；图3为本发明实施例提供的发动机废气再循环喷水降温方法的控制原理图。如图2和图3所示，本实施例提供的发动机废气再循环喷水降温方法，可以包括：
S101、接收的发动机30的输入信号。
具体实现时，电子控制单元40还与发动机控制单元50连接，电子控制单元40用于通过发动机控制单元50接收的发动机30的输入信号，调节阀门203开闭，以及调节水喷射器201的喷水量；其中，输入信号包括废气再循环率、废气再循环温度、排气温度和进气量。
电子控制单元40从发动机控制单元50实时接收发动机30废气再循环率、废气再循环温度、排气温度和进气量的输入信号，根据这些输入信号，电子控制单元40计算阀门203开闭状态和水喷射器201的喷水量，并控制执行机构阀门203和水喷射器201工作，实现本实施例提供的发动机废气再循环喷水降温系统正常工作。同时，电子控制单元40实时向发动机30的发动机控制单元50反馈实际的EGR率，实现废气再循环温度、排气温度和EGR率的闭环控制。
S102、根据输入信号调节阀门203的开闭状态以及水喷射器201的喷水量；其中，输入信号包括废气再循环率、废气再循环温度、排气温度和进气量。
其中，根据输入信号调节阀门203的开闭状态以及水喷射器201的喷水量；可以包括：根据公式(1)和(2)获得me和mw；
meCv,e(Te-Te,new)＝mwCl,w(Tb-Tw)+mwγw+mwCv,w(Te,new-Tb) (2)
其中，公式(1)中EGR率为废气再循环率；
me为发动机再循环废气质量；
mw为水喷射器的喷水量；
mair为发动机空气进气质量；
Me、Mw和Mair分别为发动机再循环废气、水蒸气和发动机进入空气的摩尔质量；
公式(2)中，Cv,e为再循环废气比热容；
Cl,w为液态水比热容；
Cv,w为气态水比热容；
γw为水相变时汽化潜热；
Te为发动机再循环废气排气温度；Te,new为再循环废气和水混合后的气体温度；
Tw为液态水的温度；
Tb为当前状态下水沸点温度；
根据me和mw调节阀门203的开闭状态以及水喷射器201的喷水量。
其中，公式(1)中，EGR率为实际进气冲程中，再循环的废气体积与吸入气缸的进气总体积的比值。根据热力学气体状态方程ρν＝(m/M)RT(ν为体积，ρ为密度，T为绝对温度，R为比例系数，m为质量，M为摩尔质量)可分别得到进气状态下再循环的废气体积与吸入气缸的进气总体积，进而可得到EGR率。公式(2)的原理为：对于喷水降低再循环废气温度这一相变过程，由能量守恒定律可知，再循环废气温度降低所减少的能量等于液态水相变吸热所吸收的能量。EGR率mair由发动机控制单元50(即发动机管理系统EMS)发出，公式1中Me、Mw和Mair和公式2中参数为工程热物理参数，通过经验公式或查表可以得到。
根据发动机30实时输入信号(废气再循环率、废气再循环温度、排气温度和进气量)和气液相物性参数(对于喷水降低再循环废气温度这一相变过程，由能量守恒定律可知，再循环废气温度降低所减少的能量等于液态水相变吸热所吸收的能量)，即通过公式(1)和公式(2)，可计算获得再循环废气质量me和水喷射器的喷水量mw，控制阀门203开关的状态和水喷射器201的喷水量的工作。在实际应用中，根据发动机30控制策略需求，电子控制单元40实时调阀门203开关的状态和水喷射器201的喷水量，精确控制发动机EGR率和废气再循环率温度，使本实施例提供的发动机废气再循环喷水降温系统能够较好降低发动机30的排放。
在本发明说明书的描述中，需要理解的是，术语“之间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明说明书的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。
在本发明说明书的描述中，需要理解的是，术语“一些实施例”、“一个实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
此外，在本发明的一个附图或一种实施例中描述的元素、结构或特征可以与一个或多个其它附图或实施例中示出的元素、结构或特征以任意适合的方式相结合。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种发动机废气再循环喷水降温系统，其特征在于，包括：循环管线和喷水系统；
所述循环管线的一端与所述发动机的进气歧管连接，所述循环管线的另一端与所述发动机的排气歧管连接，所述排气歧管与所述进气歧管连接，所述喷水系统位于所述循环管线上，所述喷水系统用于为进入所述进气歧管的再循环废气喷水降温。
2.根据权利要求1所述的发动机废气再循环喷水降温系统，其特征在于，所述喷水系统包括水喷射器、水箱和可开闭的阀门，所述阀门和所述水喷射器均位于所述循环管线上，所述水箱与所述水喷射器连接，所述水箱用于为所述水喷射器供水。
3.根据权利要求2所述的发动机废气再循环喷水降温系统，其特征在于，还包括电子控制单元，所述阀门和所述水喷射器均与所述电子控制单元连接，所述电子控制单元用于调节所述阀门开闭，所述电子控制单元还用于调节所述水喷射器的喷水量。
4.根据权利要求2所述的发动机废气再循环喷水降温系统，其特征在于，所述水喷射器位于所述阀门与所述进气歧管之间。
5.根据权利要求2所述的发动机废气再循环喷水降温系统，其特征在于，所述阀门位于所述水喷射器与所述进气歧管之间。
6.根据权利要求2所述的发动机废气再循环喷水降温系统，其特征在于，还包括增压器和管道，所述增压器位于所述进气歧管上，所述管道用于连接所述排气歧管和所述增压器，使所述排气歧管的部分废气经所述增压器进入所述进气歧管。
7.根据权利要求2-6任一项所述的发动机废气再循环喷水降温系统，其特征在于，所述阀门为单向阀，所述单向阀的流通方向为远离所述排气歧管的方向。
8.根据权利要求2所述的发动机废气再循环喷水降温系统，其特征在于，还包括冷却系统，所述冷却系统位于所述进气歧管上，所述冷却系统用于冷却所述进气歧管内的气体。
9.一种发动机废气再循环喷水降温方法，其特征在于，应用于权利要求2-8任一项所述的发动机废气再循环喷水降温系统，所述方法包括：
接收的所述发动机的输入信号；
根据所述输入信号调节所述阀门的开闭状态以及所述水喷射器的喷水量；其中，所述输入信号包括废气再循环率、废气再循环温度、排气温度和进气量。
10.根据权利要求9所述的发动机废气再循环喷水降温方法，其特征在于，所述根据所述输入信号调节所述阀门的开闭状态以及所述水喷射器的喷水量，具体包括：根据公式(1)和(2)获得me和mw；
meCv,e(Te-Te,new)＝mwCl,w(Tb-Tw)+mwγw+mwCv,w(Te,new-Tb) (2)
其中，公式(1)中EGR率为废气再循环率，me为发动机再循环废气质量，mw为水喷射器的喷水量，mair为发动机空气进气质量，Me、Mw和Mair分别为发动机再循环废气、水蒸气和发动机进入空气的摩尔质量；
公式(2)中，Cv,e为再循环废气比热容，Cl,w为液态水比热容，Cv,w为气态水比热容，γw为水相变时汽化潜热，Te为发动机再循环废气排气温度，Te,new为再循环废气和水混合后的气体温度，Tw为液态水的温度，Tb为当前状态下水沸点温度；
根据me和mw，调节所述阀门的开闭状态和调节所述水喷射器的喷水量。
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