CN111927657B - 发动机进气系统的结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及驱动总成领域，公开一种发动机进气系统的结构设计方法。发动机进气系统包括与排气管连通的EGR导气管，文丘里管和预热器，EGR混合器的空气进口与预热器的预热出口连通，废气进口与EGR导气管出气端连通，进气歧管连通混合气出口和气缸，减少结冰。设计方法包括：S1、建立参照模型和中间模型，中间模型为上述发动机进气系统，参照模型的预热器设于EGR混合器和进气歧管之间；S2、模拟不同工况下参照模型的进气情况，得到各工况下的返流距离，以得到中间模型中预热器与EGR混合器的距离。控制方法包括：S10、获取环境温度、发动机水温及发动机转速；S20、基于环境温度、发动机水温及发动机转速，标定EGR阀的开度。

Description

发动机进气系统的结构设计方法

技术领域

本发明涉及驱动总成领域，尤其涉及一种发动机进气系统的结构设计方法。

背景技术

如图1所示，现有发动机进气系统包括文丘里管1’、节气门2’、EGR混合器3’、预热器4’、进气歧管5’、EGR阀6’及EGR导气管7’。新鲜空气经过文丘里管1’和节气门2’后，达到EGR混合器3’。废气经EGR阀6’和EGR导气管7’，进入EGR混合器3’。新鲜空气和废气在EGR混合器3’中混合形成混合气，混合气经预热器4’预热后，沿进气歧管5’进入气缸。

新鲜空气和废气的温差较大，两者相遇混合时，废气中的水蒸气易发生凝结，尤其在环境温度(如-35℃-0℃)较低时，混合气在经过预热器4’的预热片时，凝结结冰严重。废气中还含有大量的碳烟，碳烟会附着在预热器4’的预热片上并吸收混合气中的水蒸汽，形成泥状物。环境温度较低时，泥状物结冰，堵塞预热器4’，进而影响发动机进气，甚至导致发动机报废。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发动机进气系统，有效减少因新鲜空气和废气的温差而导致的结冰，提高发动机低温性能。

本发明的目的还在于提供一种发动机进气系统的结构设计方法，有效减少因新鲜空气和废气的温差而导致的结冰，提高发动机低温性能。

本发明的目的还在于提供一种发动机进气系统的低温废气循环控制方法，解决极低温行车工况下因新鲜空气与废气的温差太大，而导致进气系统内结冰的问题，提高发动机低温性能。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

第一方面，提供一种发动机进气系统，包括：

EGR导气管，一端与发动机的排气管连通；

相连的文丘里管和预热器，新鲜空气经文丘里管进入预热器；

EGR混合器，其上设置有空气进口、废气进口和混合气出口，空气进口与预热器的预热出口连通，废气进口与EGR导气管的出气端连通；

进气歧管，一端与混合气出口连通，另一端与发动机的气缸连通。

作为本发明的发动机进气系统的一种优选方案，所述废气进口的轴线不经过预热器。

作为本发明的发动机进气系统的一种优选方案，预热器与EGR混合器之间的距离为60mm-150mm；

废气进口的轴线与预热器的轴线夹角为60°-110°。

第二方面，提供一种发动机进气系统的结构设计方法，应用于上述的发动机进气系统，所述结构设计方法包括：

S1、建立参照模型和中间模型，中间模型为如上所述的发动机进气系统，参照模型与中间模型的区别在于：预热器设置于EGR混合器和进气歧管之间，预热器与EGR混合器的混合气出口连通；

S2、采用流体动力学仿真软件，分别模拟不同发动机工况下的参照模型的进气情况，以得到各发动机工况下参照模型中的废气的返流距离，进而得到中间模型中的预热器与EGR混合器的距离，发动机工况包括：怠速工况、额定功率工况和最大扭矩工况，进气情况包括废气的流速和流量、新鲜空气的流速和流量以及废气与新鲜空气的混合比例，中间模型中的预热器与EGR混合器的距离为各发动机工况下参照模型中的废气的返流距离中的最大值。

作为本发明的发动机进气系统的结构设计方法的一种优选方案，还包括：

S3、建立改进模型，改进模型与中间模型的区别为预热器的位置不同，通过流体动力学仿真软件模拟不同发动机工况下改进模型中的废气返流距离，以优化改进模型中的预热器的位置，预热器的位置包括预热器与EGR混合器的距离、以及预热器的轴线与EGR混合器上的废气进口的轴线的夹角，改进模型中的预热器与EGR混合器的距离小于中间模型中的预热器与EGR混合器的距离。

作为本发明的发动机进气系统的结构设计方法的一种优选方案，与中间模型相比，改进模型中的EGR混合器上的废气进口的轴线更远离预热器。

作为本发明的发动机进气系统的结构设计方法的一种优选方案，改进模型中，预热器与EGR混合器之间的距离为60mm-150mm，废气进口的轴线与预热器的轴线夹角为60°-110°。

第三方面，提供一种发动机进气系统的低温废气循环控制方法，

所述发动机进气系统包括：

EGR导气管，一端与发动机的排气管连通，EGR导气管上设置有EGR阀；

相连的文丘里管和预热器，新鲜空气经文丘里管进入预热器；

EGR混合器，其上设置有空气进口、废气进口和混合气出口，空气进口与预热器的预热出口连通，废气进口与EGR导气管的出气端连通；

进气歧管，一端与混合气出口连通，另一端与发动机的气缸连通；

所述控制方法包括：

S10、获取环境温度、发动机水温及发动机转速，其中，环境温度的测量范围为-35℃-0℃；

S20、基于获取的环境温度、发动机水温及发动机转速，标定EGR阀的开度，以避免发动机进气系统结冰。

作为本发明的发动机进气系统的低温废气循环控制方法的一种优选方案，步骤S20包括：

发动机水温低于30℃时，标定EGR阀的开度为0％。

作为本发明的发动机进气系统的低温废气循环控制方法的一种优选方案，预热器与EGR混合器之间的距离为60mm-150mm，废气进口的轴线与预热器的轴线夹角为60°-110°。

本发明的有益效果为：

本发明提供的发动机进气系统中，将预热器设置于EGR混合器的上游，新鲜空气经预热后再进入EGR混合器内与废气混合，减小两者的温差，以避免废气冷凝结冰以及碳烟附着，避免堵塞预热器，保证发动机正常工作。

本发明提供的发动机进气系统的结构设计方法中，建立参照模型和中间模型，参照模型用于模拟现有技术中的发动机进气系统，中间模型用于模拟本申请的发动机进气系统，模拟不同发动机工况下的参照模型的进气情况，以得到各发动机工况下参照模型中的废气的返流距离，进而得到中间模型中的预热器与EGR混合器的距离，以确定预热器与EGR混合器的初始位置。之后，在中间模型的基础上，建立改进模型，参照预热器与EGR混合器的初始位置，来调整改进模型中的预热器与EGR混合器的位置，模拟不同预热器位置时的返流情况，以在减小返流距离的同时，缩小发动机的整体尺寸，最终得到较优的预热器的设计位置，以在解决结冰问题、提高发动机低温性能的同时，减小发动机的整体尺寸。

本发明提供的发动机进气系统的低温废气循环控制方法中，通过监控环境温度、发动机水温及发动机转速，来标定EGR阀的开度，以解决低温环境甚至是寒冷地区的行车工况下，进气系统内结冰的现象，提高发动机低温性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中发动机进气系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的发动机进气系统的结构示意图。

附图标记：

1’-文丘里管；2’-节气门；3’-EGR混合器；4’-预热器；5’-进气歧管；6’-EGR阀；7’-EGR导气管；

1-文丘里管；2-节气门；3-EGR混合器；4-预热器；5-进气歧管；6-EGR阀；7-EGR导气管；8-过渡接管。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步地详细描述，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图2所示，本实施例提供一种发动机进气系统，包括文丘里管1、节气门2、预热器4、EGR混合器3、EGR阀6、EGR导气管7及进气歧管5。

预热器4设置于文丘里管1的下游，新鲜空气经文丘里管1进入预热器4内预热。节气门2设置于文丘里管1上，用于控制新鲜空气的流速及流量。预热器4的预热出口与EGR混合器3上的空气进口连通，预热后的新鲜空气进入EGR混合器3中。

EGR导气管7的一端与发动机的排气管连通，另一端与EGR混合器3上的废气进口连通。发动机排出的部分废气经EGR导气管7进入EGR混合器3中，并与新鲜空气混合，形成混合气。EGR导气管7上设置有EGR阀6，用于控制废气的流量及流速。通过EGR阀6和节气门2分别控制废气和新鲜空气的流速和流量，进而共同控制废气和新鲜空气的混合比例。

进气歧管5的一端与EGR混合器3上的混合气出口连通，另一端与发动机的气缸连通，充分混合后的混合气经进气歧管5输送至气缸内。

本实施例的发动机进气系统中，将预热器4设置于EGR混合器3的上游，新鲜空气经预热后再进入EGR混合器3内与废气混合，减小两者的温差，以避免废气冷凝结冰以及碳烟附着，避免堵塞预热器4，保证发动机正常工作。

需要说明的是，由于发动机进气的脉冲反流特性，EGR混合器3中的混合气会向预热器4的方向返流，导致预热器4的阀片上积碳和结冰，堵塞预热器4，进而影响发动机进气。为此，在得到上述预热器4与EGR混合器3的相对位置的基础上，必须对预热器4的具体设置位置进行优化，以在解决因温差导致积碳结冰的问题的基础上，进一步解决因废气返流导致的积碳结冰问题，以有效改善发动机的低温性能。

为此，本实施例还提供一种发动机进气系统的结构设计方法，基于上述的预热器4的布置思路，进一步采用模拟的手段来计算较优的预热器4的设置，以在解决结冰问题、提高发动机低温性能的同时，减小发动机的整体尺寸。

该结构设计方法的主要思路为：首先，建立该发动机进气系统的初始的中间模型，以确定预热器4与EGR混合器3的初始位置。之后，在中间模型的基础上，建立改进模型，参照预热器4与EGR混合器3的初始位置，来调整改进模型中的预热器4与EGR混合器3的位置，模拟不同预热器位置时的返流情况，以在减小返流距离的同时，缩小发动机的整体尺寸，最终得到较优的预热器4的设计位置。

具体地，该结构设计方法包括：

S1、分别建立参照模型和中间模型。

中间模型用于模拟上述的发动机进气系统，中间模型即为本实施例的发动机进气系统，即中间模型所包含的部件与上述的发动机进气系统包含的部件相同，且各部件的相对位置相同。参照模型则用于模拟现有技术中的发动机进气系统(参见图1)。参照模型与中间模型的区别在于：参照模型中的预热器4设置于EGR混合器3和进气歧管5之间，预热器4与EGR混合器3的混合气出口连通，新鲜空气和废气先在EGR混合器3中混合，之后混合气经预热器4预热。

S2、采用流体动力学仿真软件，分别模拟不同发动机工况下的参照模型的进气情况，以得到各发动机工况下参照模型中的废气的返流距离，进而得到中间模型中的预热器4与EGR混合器3的距离。

其中，流体动力学仿真软件可选择性地为CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)软件。

发动机工况包括：怠速工况、额定功率工况和最大扭矩工况。

进气情况包括废气的流速和流量、新鲜空气的流速和流量以及废气与新鲜空气的混合比例等。废气的流速和流量与EGR阀6的开度及发动机工况有关，新鲜空气的流速和流量与节气门2的开度及发动机工况有关，进而决定废气与新鲜空气的混合比例。EGR阀6和节气门2的开度由整车控制器和/或发动机控制器控制。整车控制器和/或发动机控制器根据发动机当前工况，控制EGR阀6和节气门2的相应开度。EGR阀6和节气门2的开度分别与发动机工况的对应关系，可由台架试验测得，并预先储存在整车控制器和/或发动机控制器中。

中间模型中的预热器4与EGR混合器3的距离为各发动机工况下参照模型中的废气的返流距离中的最大值。可以预计的是，最大扭矩工况下，废气的进气流速及流量最大，废气向预热器4方向的返流距离越长。建立中间模型时，在不改变文丘里管1和节气门2的位置的情况下，设置预热器4与文丘里管1和节气门2同轴，在此基础上根据模拟得到的预热器4与EGR混合器3的距离，构建出表示本实施例的发动机进气系统的中间模型。因此，中间模型中预热器4的轴线与EGR混合器3的废气进口的轴线的夹角，与参照模型中的预热器4’的轴线与EGR混合器3’的废气进口的轴线的夹角a(参见图1)相同。

可选地，建立中间模型时，预热器4与节气门2之间可通过过渡接管8连接，对过渡接管8的长度不做具体限定，在保证预热器4的热量不会影响到节气门2的控制性能的前提下，过渡接管8的长度尽量短，以减小发动机的整体尺寸。

可以理解的是，上述建立的中间模型，预热器4与EGR混合器3的距离，并不是两者之间的最优距离，该距离会导致发动机的整体尺寸较大。为此，本实施例的结构设计方法还包括：

S3、建立改进模型。

基于上述的中间模型，建立改进模型，以期在提升发动机低温性能的同时，尽可能减小发动机的整体尺寸。

该改进模型与中间模型的区别在于：预热器4的位置不同。预热器4的位置主要从两方面调节：预热器4与EGR混合器3的距离、以及预热器4的轴线与EGR混合器3上的废气进口的轴线的夹角。

继续采用CFD模拟的手段，不断调整预热器4与EGR混合器3的距离以及预热器4的轴线与EGR混合器3上的废气进口的轴线的夹角，具体为通过改变预热器4的轴线与EGR混合器3上的废气进口的轴线的夹角，以减小废气向预热器4的返流距离，进而相应减小预热器4与EGR混合器3的距离。

对于改变预热器4的轴线与EGR混合器3上的废气进口的轴线的夹角的思路，具体为：与中间模型中的预热器4的轴线与EGR混合器3上的废气进口的轴线的夹角a(参见图1)相比，改进模型中的EGR混合器3上的废气进口的轴线更远离预热器4，使得预热器4的轴线与EGR混合器3上的废气进口的轴线的夹角b(参见图2)更大，从而减小混合气返流距离。

通过建立多个改进模型，每个改进模型中预热器4的位置不同，通过模拟不同的预热器4与EGR混合器3的距离以及预热器4的轴线与EGR混合器3上的废气进口的轴线的夹角的组合，来逐步优化出预热器4的较优的位置。

可以理解的是，废气进口的轴线越远离预热器4，废气向预热器4返流的程度越小。优选地，废气进口的轴线不经过预热器4，以尽可能地减小废气向预热器4的返流距离。但是，若废气进口的轴线与混合气出口的轴线的夹角较小或重合，必然会影响废气与新鲜空气的混合效果。

本实施例中，基于模拟计算得到：预热器4与EGR混合器3之间的距离为60mm-150mm，预热器4与文丘里管1同轴设置，EGR导气管7的轴线与文丘里管1的轴线夹角为60°-110°。此时，在发动机额定工况时，返流至预热器4的混合气占总混合气的质量分数接近0；在发动机最大扭矩工况时，返流至预热器4的混合气占总混合气的质量分数约为2％-5％。

需要说明的是，上述模拟计算设计发动机进气系统的结构的过程中，EGR阀6的开度控制策略是基于预先台架试验得到的数据。但是，对于极低温(-35℃-0℃)环境甚至是寒冷地区(-35℃-0℃)的行车工况，且发动机处于怠速或低负荷工况时，新鲜空气的温度太低，新鲜空气与废气的温差会很大。采用上述模拟得到的发动机进气系统，虽然能够有效缓解甚至避免预热器4处的积碳及结冰，但对于低温(-35℃-0℃)环境甚至是寒冷地区(-35℃-0℃)的行车工况，若EGR阀6的开度控制策略仍参考台架试验数据，还是会在进气歧管5及整个进气系统内发生结冰甚至堵塞现象，严重破坏发动机。为此，本实施例还提供一种发动机进气系统的低温废气循环控制方法。其中，发动机进气系统包括文丘里管1、节气门2、预热器4、EGR混合器3、EGR阀6、EGR导气管7及进气歧管5。该低温废气循环控制方法包括：

S10、获取环境温度、发动机水温及发动机转速。

环境温度的测量范围可选择性地为-35℃-0℃，即该控制方法针对低温环境及寒冷地区的行车工况，新鲜空气的温度较低，新鲜空气与废气的温差较大。环境温度较高(如高于0℃)时，结冰发生的概率较小，此时，EGR阀6的开度控制策略仍参照预先台架试验得到的数据。

发动机水温过低，本身温度较低的新鲜空气无法被足够加热，也会使新鲜空气与废气的温差较大。发动机转速直接影响到废气的排放量，从而影响废气与新鲜空气的混合比例。

S20、基于获取的环境温度、发动机水温及发动机转速，标定EGR阀6的开度，以避免发动机进气系统结冰。

在环境温度较低(-35℃-0℃)时，若发动机转速处于怠速区间或低负荷转速区间，此时标定EGR阀6的开度为零，即关闭EGR阀6，仍可满足排放法规。

随发动机转速逐步升高，废气排放量逐步增加，同时发动机水温逐步升高，但若发动机水温不足够高(如低于25℃-40℃)，此时新鲜空气的温度仍较低，仍标定EGR阀6的开度为零，EGR阀6继续关闭，此时仍满足排放法规。

当发动机转速较高，废气排放量较大，同时发动机水温较高，使得新鲜空气的温度也较高时，可标定EGR阀6的开度逐步增加，即打开EGR阀6并逐步增加其开度，以满足排放法规。其中，EGR阀6的开度的标定要综合考虑多个参数：如发动机的进气量、进气温度、排气温度、水温及爆发压力等，同时结合实际试验验证该标定值。EGR阀6的开度的标定的原则为：满足排放法规的同时，标定值应尽可能地接近台架试验测得的EGR阀6的开度值。

得到环境温度、发动机水温及发动机转速三者与标定的EGR阀6的开度的对应关系后，进一步优化发动机的点火控制曲线图，以彻底解决发动机在冬季或寒冷地区运行时的结冰风险。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

1.一种发动机进气系统的结构设计方法，其特征在于，

所述结构设计方法包括：

S1、建立参照模型和中间模型，中间模型模拟的发动机进气系统包括：

EGR导气管，一端与发动机的排气管连通；

相连的文丘里管和预热器，新鲜空气经文丘里管进入预热器；

EGR混合器，其上设置有空气进口、废气进口和混合气出口，空气进口与预热器的预热出口连通，废气进口与EGR导气管的出气端连通；

进气歧管，一端与混合气出口连通，另一端与发动机的气缸连通；

参照模型与中间模型的区别在于：预热器设置于EGR混合器和进气歧管之间，预热器与EGR混合器的混合气出口连通；

S2、采用流体动力学仿真软件，分别模拟不同发动机工况下的参照模型的进气情况，以得到各发动机工况下参照模型中的废气的返流距离，进而得到中间模型中的预热器与EGR混合器的距离，发动机工况包括：怠速工况、额定功率工况和最大扭矩工况，进气情况包括废气的流速和流量、新鲜空气的流速和流量以及废气与新鲜空气的混合比例，中间模型中的预热器与EGR混合器的距离为各发动机工况下参照模型中的废气的返流距离中的最大值。

2.根据权利要求1所述的发动机进气系统的结构设计方法，其特征在于，还包括：

S3、建立改进模型，改进模型与中间模型的区别为预热器的位置不同，通过流体动力学仿真软件模拟不同发动机工况下改进模型中的废气返流距离，以优化改进模型中的预热器的位置，预热器的位置包括预热器与EGR混合器的距离以及预热器的轴线与EGR混合器上的废气进口的轴线的夹角，改进模型中的预热器与EGR混合器的距离小于中间模型中的预热器与EGR混合器的距离。

3.根据权利要求2所述的发动机进气系统的结构设计方法，其特征在于，

与中间模型相比，改进模型中的预热器的轴线与EGR混合器上的废气进口的轴线的夹角更大。

4.根据权利要求2所述的发动机进气系统的结构设计方法，其特征在于，改进模型中，预热器与EGR混合器之间的距离为60mm-150mm，废气进口的轴线与预热器的轴线夹角为60°-110°。

Images