CN111779582A - 一种柴油机的egr系统的控制方法、系统及应用 - Google Patents

一种柴油机的egr系统的控制方法、系统及应用 Download PDF

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CN111779582A CN202010580380.6A CN202010580380A CN111779582A CN 111779582 A CN111779582 A CN 111779582A CN 202010580380 A CN202010580380 A CN 202010580380A CN 111779582 A CN111779582 A CN 111779582A
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Abstract

本发明的目的在于提供一种柴油机的EGR系统的控制方法、系统及应用，包括如下步骤：S1：根据柴油机的转速和扭矩，获得该工况下所需的目标EGR率；S2：将实时EGR率与所述S1步骤所述的目标EGR率进行比较，若实时EGR率比目标EGR率小，使EGR废气量增大，实时EGR率达到目标EGR率，反之亦然；本发明在EGR管路中设置EGR阀，灵活控制EGR率，并且所述的EGR系统的控制方法，能够根据柴油机全工况的要求，在柴油机中等转速和中等负荷采用较大的EGR率，在高转速和高负荷采用较小的EGR率，在保证柴油机性能的前提下，最大限度地降低NOx排放。

Description

一种柴油机的EGR系统的控制方法、系统及应用
技术领域
本发明属于发动机技术领域，特别涉及一种柴油机的EGR系统的控制方法、系统及应用。
背景技术
废气再循环(Exhaust Gas Recirculation,EGR)是将发动机上一循环燃烧过后产生的废气通过EGR管重新引入气缸，从而达到改变滞燃期和缸内燃烧过程的技术。废气的物理状态以及其化学组成成分是决定EGR对发动机燃烧及排放特性影响的关键因素。EGR对内燃机燃烧过程的影响主要为稀释效应(惰性气体的存在)和热效应(热容、热交换)。由于EGR废气中的CO2和H2O比热容较大，其引入燃烧室后使得混合气的比热容增大，在气缸内燃料总放热量不变的情况下，燃烧最高温度会有所降低。而且废气中的惰性气体进入燃烧室，会导致缸内O2浓度下降，从而抑制了NOx的生成。
EGR根据引入方式不同，分为低压EGR和高压EGR。低压EGR是从增压器的涡轮后将废气引出，通过EGR管引入到增压器的压气机前的废气循环方式。该循环方式可以始终保证排气压力高于进气压力，并可实现尽可能高的EGR率。但由于该方式使EGR废气和新鲜进气全部流经增压器的压气机，因此需要更大尺寸的增压器，而且废气会对增压器的压气机造成水击、污染和腐蚀，减低其可靠性和耐久性。高压EGR是从增压器的涡轮前将排气引出，通过EGR管引入到增压器的压气机后的废气循环方式。与低压EGR相比，高压EGR不会对增压器的压气机造成污染和损坏。但是高压EGR在柴油机某些工况下，EGR废气压力与增压后进气压力之间的压差太小，无法实现足够高的EGR率，甚至在柴油机某些工况，增压后进气压力会高于排气压力，导致EGR无法实现。
大功率柴油机如采用低压EGR系统，势必增大涡轮增压器的压气机的尺寸，增大空气系统的布置难度，同时增压器的污染不可避免。大功率柴油机的增压压力高，如采用高压EGR系统，在大部分工况下EGR废气不能引入到增压器的压气机后的进气管，无法实现EGR。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柴油机的EGR系统的控制方法、系统及应用，能够实现在大功率柴油机的高进气压力下，EGR废气能够大比例地引入进气管，并且根据柴油机的工况可灵活控制EGR率，从而有效降低缸内燃烧温度，减少柴油机氮氧化物排放。
所述的一种柴油机的EGR系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：根据柴油机的转速和扭矩，获得该工况下所需的目标EGR率；
S2：将实时EGR率与所述S1步骤所述的目标EGR率进行比较，若实时EGR率比目标EGR率小，使EGR废气量增大，实时EGR率达到目标EGR率，反之亦然；
具体的:
S101：当柴油机低转速运行时，不引入EGR废气；
S102：当柴油机中间转速运行时，在中小负荷采用不超过30％的目标EGR率，在大负荷采用的目标EGR率为10～15％；
S103：当柴油机额定转速运行时，在中小负荷采的EGR率为15～20％，在大负荷采用的EGR率为10～15％。
需要明确的是：某机型的最高转速是1800转每分钟，低转速是1000转以下，中间转速是1000～1700转，额定转速是1800转。
一种如上述的柴油机的EGR系统的控制方法在V型16缸柴油机上的应用。
一种柴油机的EGR系统，其特征在于：包括与柴油机气缸连接的EGR管路、设置在EGR管路上的EGR阀和背压阀、用于向柴油机气缸提供新鲜进气的进气管路、用于排出废气的排气管以及控制单元；其中，所述的排气管上并联背压阀；所述大功率柴油机的部分气缸作为供给缸提供EGR废气，当所述控制单元发出指令实施目标EGR率时，所述背压阀关闭一定开度，使得EGR管路内废气的压力高于所述进气管路内新鲜进气的压力，所述EGR阀开启一定开度，所述供给缸内的活塞强制推动EGR废气流经EGR阀，通过混合器流入进气管路中，实现EGR。
有益效果：本发明在EGR管路中设置EGR阀，灵活控制EGR率，并且所述的EGR系统的控制方法，能够根据柴油机全工况的要求，在柴油机中间转速和中等负荷采用较大的EGR率，在高转速和高负荷采用较小的EGR率，在保证柴油机性能的前提下，最大限度地降低NOx排放。
附图说明
图1为本发明所述柴油机的EGR系统的控制方法的流程图。
图2所示为本发明所述柴油机的EGR系统的示意图。
图3所示为柴油机新鲜进气的流向示意图。
图4所示为供给缸的EGR废气流入EGR系统的示意图。
图5所示为柴油机排气的流向示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明和实施例对本发明作进一步详细的描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例用于解释本发明，但非限制本发明的范围。
如图1，本发明提供一种柴油机的EGR系统的控制方法，该方法包括如下步骤：
S1：ECU实时监控柴油机的运行状态，从传感器中读取柴油机的转速、扭矩、进气压力、进气温度等参数，然后在其MAP图中查找该工况下所需的EGR率。
S2：ECU读取排气CO2浓度传感器和进气CO2浓度传感器的数值，根据下述公式计算出实时EGR率：
Figure BDA0002552140360000041
其中，
Figure BDA0002552140360000042
为进气CO2浓度；
Figure BDA0002552140360000043
为排气CO2浓度；
Figure BDA0002552140360000044
为大气CO2浓度。
若实时EGR率比目标EGR率小，背压阀关闭一定开度，此时EGR总管内的压力升高，同时EGR阀开启一定开度，使得流经EGR阀的废气流量增加，使实时EGR率达到目标EGR率，反之亦然。
根据柴油机不同的工况，分配不同的目标EGR率；
S101：当柴油机低转速运行时，进气阻力较大，充量系数较小，这时不引入EGR废气，保证柴油机运行平稳，不至燃烧不完全或发生熄火。
S102：当柴油机中间转速运行时，此时柴油机进气量较大，可在中小负荷采用较大的EGR率，从而大大降低柴油机的NOx排放，但EGR率一般不超过30％，以防柴油机由于氧气量不足而导致燃烧恶化。在大负荷时，为满足柴油机的动力性，保证喷入的大量燃油能够有充足的氧气参与燃烧，因此采用的EGR率为10～15％，既能保证柴油机的动力性，又可一定程度地降低NOx排放。
S103：当柴油机额定转速运行时，在中小负荷采用较大的EGR率，但此时由于转速较高，柴油机的进排气时间较中间转速短，使得进气充量较中间转速低，因此采用的目标EGR率比中间转速略低，为15～20％。在大负荷时，同样为了保证柴油机的动力性，采用的目标EGR率为10～15％。
一种柴油机的EGR系统，包括EGR管路、排气管路、进气管路、柴油机、增压器、空气冷却器、EGR冷却器、金属型颗粒捕集器、EGR阀、背压阀、排气旁通阀、增压器旁通阀、混合器、控制单元(未示出)，其特征在于：EGR管路与柴油机气缸连接；EGR阀和背压阀设置在EGR管路上；进气管路用于向柴油机气缸提供新鲜进气；排气管用于排出废气；其中，所述的排气管上并联背压阀；所述大功率柴油机的部分气缸作为供给缸提供EGR废气，当所述控制单元发出指令实施目标EGR率时，所述背压阀关闭一定开度，使得EGR管路内废气的压力高于所述进气管路内新鲜进气的压力，所述EGR阀开启一定开度，所述供给缸内的活塞强制推动EGR废气流经EGR阀，通过混合器流入进气管路中，实现EGR；其中，所述的控制单元可以为ECU单元，如PLC。
具体实施例I：如图2所示，所述柴油机为V型16缸柴油机，自柴油机飞轮端看，右列为A列，左列为B列，自飞轮端起为第一缸。A1、A2、A3、B1、B2、B3等六缸作为EGR废气的供给缸。第一排气歧管201连接A1～A3缸，第二排气歧管202连接B1～B3缸，第三排气歧管203连接A4～A8缸，第四排气歧管204连接B4～B8缸。第一排气歧管201经第一排气支管211与EGR总管22连接，第二排气歧管202经第二排气支管212与EGR总管22连接，第三排气歧管203经第三排气支管213与排气总管21连接，第四排气歧管204经第四排气支管214与排气总管21连接。
所述EGR总管22上依次设置金属型颗粒捕集器7、EGR阀62、EGR冷却器53，所述EGR冷却器53后的EGR总管分成两路，即第一EGR支管221和第二EGR支管222。所述排气总管21后设置两级增压器，其中排气总管21与高压级增压器4的涡轮42相连，高压级增压器4的涡轮出气口的管路分为两路，即第五排气支管215和第六排气支管216，分别与两个低压级增压器3的涡轮32相连。所述EGR总管与排气总管之间设置背压阀61。
如图3，新鲜进气自进气管1流向两个低压级增压器3，在低压级增压器3的压气机31中被压缩，进气温度升高，接着流经低压级空气冷却器51，进气温度降至50℃以下，然后两路进气合为一路，进入进气总管11。所述进气总管11连接高压级增压器4的压气机41，进气进一步被压气机41压缩，温度升高，接着在高压级空气冷却器52中被冷却至50℃以下。所述高压级空气冷却器52后的进气分成两路，分别流入第一进气支管111和第二进气支管112。
如图图4，当柴油机运行在需要引入EGR工况时，控制单元发出指令，背压阀61关闭一定开度，EGR阀62开启一定开度，供给缸内的活塞强制推动废气流经第一排气支管211和第二排气支管212进入EGR总管22内。EGR废气流经金属型颗粒捕集器7，被滤除大部分颗粒物。EGR阀62控制EGR废气的流量。EGR废气在EGR冷却器53中被冷却至50℃以下，然后分为两路，分别进入第一EGR支管221和第二EGR支管222。第一EGR支管221内的EGR废气和第一进气支管221内的新鲜进气在混合器8中充分混合，然后一同流入第三进气支管113中。第二EGR支管222内的EGR废气和第二进气支管112内的新鲜进气在混合器8中充分混合，然后一同流入第四进气支管114中。第三进气支管113和第四进气支管114中的EGR废气和新鲜进气的混合气经进气歧管进入到柴油机的气缸中。
如图5，所述A4～A8缸的排气通过第三排气歧管203进入第三排气支管213，B4～B8缸的排气通过第四排气歧管204进入第四排气支管214。第三排气支管213和第四排气支管214的排气一起流入排气总管21。A1～A3缸的一部分排气和B1～B3缸的一部分排气通过背压阀61，也流入排气总管21。排气总管21内的废气驱动高压级增压器4的涡轮42旋转，接着分为两路，分别进入第五排气支管215和第六排气支管216，接着驱动两个低压级增压器3的涡轮32旋转，最后排出到大气中。
需要明确的是：所述金属型颗粒捕集器7为壁流式，其过滤单元为金属毡。金属型颗粒捕集器7安装位置接近柴油机的排气歧管，当废气流经金属毡时，大部分的颗粒物附着在金属毡上。同时，废气将金属毡加热到很高的温度，附着在金属毡上的颗粒物又很快地氧化掉。因此，在EGR总管22上设置金属型颗粒捕集器7可除去废气中的大部分颗粒物，并且金属型颗粒捕集器7可以实现捕集边再生，更换周期更长。
所述第三进气支管113和第四进气支管114上设置进气CO2浓度传感器，所述排气总管21上安装排气CO2浓度传感器。根据各传感器测得的CO2浓度值，控制单元可运算得到实时的EGR率。所述空气冷却器51、52和EGR冷却器53后设置温度传感器，实时监测进气温度和EGR废气温度。
所述EGR阀62、背压阀61、增压器旁通阀63为伺服电机控制的蝶阀，排气旁通阀64为自力式压差控制阀。EGR阀62通过控制EGR废气的流量实现目标EGR率。背压阀61通过改变废气流通截面积改变EGR总管22内的废气压力。排气旁通阀64确保当背压阀61卡死时，供给缸的排气能旁通至排气总管21中。增压器旁通阀63与高压级增压器4并联，其在柴油机高工况时开启一定开度，一部分排气流经增压器旁通阀63直接进入到低压级增压器3中，从而避免高工况时增压过度和爆发压力过大的问题。
需要明确的是：高压级增压器4和低压级增压器3采用可旋转叶片喷嘴环，使喷嘴环面积适合各种工况的要求，提高增压器工作效率；空气冷却器51、52和EGR冷却器53为翅片管式换热器，其壳体内包含若干根散热管和散热翅片，可提高气体与冷却水之间的换热效率。
需要明确的是：控制单元与所述的温度传感器、CO2浓度传感器均电性连接。
总之，本发明在EGR管路中设置EGR阀，灵活控制EGR率。在EGR管路中设置金属型颗粒捕集器，安装位置接近柴油机的排气歧管，此处废气温度较高，可将EGR废气中的颗粒物边捕集边燃烧，从而避免长时间运行后EGR阀容易卡死的问题。
本发明所提供的EGR系统直接将EGR废气导入增压器后的进气管。而传统低压EGR系统的EGR废气在增压器的压气机前引入，这就要求压气机要满足包含新鲜进气和EGR废气的总进气量的设计要求，势必增加压气机叶轮的直径和体积。由于低压EGR系统的EGR废气流经压气机时的温度较低，EGR废气中的水蒸气凝结为水滴，会对压气机的叶轮产生水击，有可能造成叶片的损坏；同时，低压EGR系统的EGR废气中含有的颗粒物也会对叶轮造成污染和磨损。因此，与低压EGR系统相比，本发明所提供的高压EGR系统减小了压气机的叶轮直径和增压器外壳尺寸，并可避免叶轮被水击、污染和磨损。
本发明所提供的用于大功率柴油机的高压EGR系统，利用活塞的推动功将EGR废气强制推向进气压力较高的进气管路中，实现柴油机高压EGR循环。在EGR管路与排气管路之间设置背压阀，通过控制供给缸的废气流向排气管路的流量来调节EGR管路中的废气压力。在EGR管路中设置EGR阀，灵活控制EGR率，保证EGR系统的可靠运行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易变化或替换，都属于本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种柴油机的EGR系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：根据柴油机的转速和扭矩，获得该工况下所需的目标EGR率；
S2：将实时EGR率与所述S1步骤所述的目标EGR率进行比较，若实时EGR率比目标EGR率小，使EGR废气量增大，实时EGR率达到目标EGR率，反之亦然；具体的:
S101：当柴油机低转速运行时，不引入EGR废气；
S102：当柴油机中间转速运行时，在中小负荷采用不超过30％的目标EGR率，在大负荷采用的目标EGR率为10～15％；
S103：当柴油机额定转速运行时，在中小负荷采的EGR率为15～20％，在大负荷采用的EGR率为10～15％。
2.根据权利要求1所述的一种柴油机的EGR系统的控制方法，其特征在于：所述的实时EGR率的获取方法是：
根据排气CO2浓度和进气CO2浓度的数值，依据公式，得到实时EGR率：
Figure FDA0002552140350000011
其中，其中，为进气CO2浓度；
Figure FDA0002552140350000013
为排气CO2浓度；
Figure FDA0002552140350000014
为大气CO2浓度。
3.一种如权利要求1或2所述的柴油机的EGR系统的控制方法在V型16缸柴油机上的应用。
4.一种柴油机的EGR系统，其特征在于：包括与柴油机气缸连接的EGR管路、设置在EGR管路上的EGR阀和背压阀、用于向柴油机气缸提供新鲜进气的进气管路、用于排出废气的排气管以及控制单元；
其中，所述的排气管上并联背压阀；所述大功率柴油机的部分气缸作为供给缸提供EGR废气，当所述控制单元发出指令实施目标EGR率时，所述背压阀关闭一定开度，使得EGR管路内废气的压力高于所述进气管路内新鲜进气的压力，所述EGR阀开启一定开度，所述供给缸内的活塞强制推动EGR废气流经EGR阀，通过混合器流入进气管路中，实现EGR。
5.根据权利要求4所述的一种柴油机的EGR系统，其特征在于：所述的控制单元为PLC。
6.根据权利要求4所述的一种柴油机的EGR系统，其特征在于：包括进气总管(11)、排气总管(21)、低压级增压器(3)、高压级增压器(4)、金属型颗粒捕集器(7)、EGR总管(22)、EGR冷却器(53)、EGR阀(62)；
其中，所述EGR总管(22)连接EGR冷却器(53)后分成第一EGR支管(221)和第二EGR支管(222)；所述排气总管(21)后设置分别为高压级增压器(4)和低压级增压器(3)的两级增压器，其中排气总管(21)与高压级增压器(4)的高压级涡轮(42)相连，所述高压级增压器(4)中的高压级涡轮(42)出气口的管路分为第五排气支管(215)和第六排气支管(216)，分别与低压级增压器(3)的低压级涡轮(32)相连；所述EGR总管(22)与排气总管(21)之间设置背压阀(61)；柴油机气缸的第一排气歧管(201)经第一排气支管(211)与EGR总管(22)连接，第二排气歧管(202)经第二排气支管(212)与EGR总管(22)连接，第三排气歧管(203)经第三排气支管(213)与排气总管(21)连接，第四排气歧管(204)经第四排气支管(214)与排气总管(21)连接；其中，新鲜进气依次经低压级增压器(3)、低压级空气冷却器(51)后进入进气总管(11)；所述进气总管(11)连接高压级增压器(4)的压气机(41)后连接高压级空气冷却器(52)后进气分成第一进气支管(111)和第二进气支管(112)。
7.根据权利要求6所述的一种柴油机的EGR系统，其特征在于：所述高压级增压器(4)和低压级增压器(3)的输出端均设置有旋转叶片喷嘴环。
8.根据权利要求6所述的一种柴油机的EGR系统，其特征在于：所述低压级增压器(3)后设置有用于检测排出废气的CO2浓度传感器。
9.根据权利要求6所述的一种柴油机的EGR系统，其特征在于：还包括设置在第一EGR支管(221)和第一进气支管(111)、第二EGR支管(222)与第二进气支管(112)之间的混合器(8)。
10.根据权利要求9所述的一种柴油机的EGR系统，其特征在于：所述混合器(8)和第一进气支管(111)、第二进气支管(112)之间均设置用于检测进气的CO2浓度传感器。
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