CN112177783A - 适用于生物柴油发动机的低压废气再循环系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于生物柴油发动机的低压废气再循环系统及控制方法，低压废气再循环系统包括中冷单元、传感器组件和阀体，所述中冷单元连通涡轮与选择性催化还原器之间的管路，所述中冷单元通过阀体连通节气门与增压器之间的管路，所述的传感器组件包括第二温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和NOX传感器，所述第一压力传感器位于阀体和中冷单元之间，所述第二压力传感器位于节气门和增压器之间，所述第二温度传感器位于涡轮与选择性催化还原器之间，所述NOX传感器位于选择性催化还原器下游。与现有技术相比，可以较彻底地减小生物柴油发动机排气中的NOX排放，以满足愈发严格的排放法规。

Description

适用于生物柴油发动机的低压废气再循环系统及控制方法
技术领域
本发明涉及生物柴油发动机减排领域，尤其是涉及一种适用于生物柴油发动机的低压废气再循环系统及控制方法。
背景技术
石油是全球能源消耗的主要燃料，其能源占比已达到32.9％。然而，石油作为一种化石燃料，属于不可再生资源。随着时间推移，其储量逐年减少，并且造成的环境污染问题也日益严重，所以寻求替代传统化石燃料的清洁可再生能源已迫在眉睫。
生物柴油的能量密度较高，抗爆性较好，易储存运输，且具有可再生性。因此，对于柴油机而言，生物柴油是一种良好的替代燃料。然而，比起传统柴油机，燃烧生物柴油的生物柴油发动机具有高NOX排放的特点。因此，如何降低NOX排放是生物柴油发动机的研究重点。现有中国专利CN106381230A通过改进生物柴油的制备流程，得到改性的生物柴油，从而达到降低NOX排放的目的；现有中国专利CN108410531A通过改进生物柴油的配比及制备方法，以大幅降低生物柴油发动机尾气中的有害成分。可以看出，上述专利都是通过直接改进燃料的方法来减少生物柴油发动机的NOX排放，然而，目前没有通过直接采用生物柴油发动机机内净化技术和后处理技术来解决生物柴油发动机高NOX排放的系统及方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于生物柴油发动机的低压废气再循环系统及控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种适用于生物柴油发动机的低压废气再循环系统，包括中冷单元、传感器组件和阀体，所述中冷单元连通涡轮与选择性催化还原器之间的管路，所述中冷单元通过阀体连通节气门与增压器之间的管路，所述的传感器组件包括第二温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和NOX传感器，所述第一压力传感器位于阀体和中冷单元之间，所述第二压力传感器位于节气门和增压器之间，所述第二温度传感器位于涡轮与选择性催化还原器之间，所述NOX传感器位于选择性催化还原器下游。
一种对所述适用于生物柴油发动机的低压废气再循环系统的控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：ECU接收NOX传感器的NOX信号，并根据NOX信号打开阀体或关闭阀体；
步骤S2：在打开阀体的情况下，ECU根据其内部存储的废气再循环率、第一压力传感器的第一压力信息和第二压力传感器的第二压力信息控制阀体的开度；
步骤S3：ECU接收NOX传感器的NOX信号，若NOX信号的取值小于第一阈值，则ECU减小废气再循环率以控制阀体的开度直至NOX信号的取值等于第一阈值，若NOX信号的取值大于第一阈值，则增大废气再循环率以控制阀体的开度直至NOX信号的取值等于第一阈值，若NOX信号的取值等于第一阈值，保持废气再循环率不变以控制阀体的开度。
步骤S3中，若NOX信号的取值大于第一阈值，则增大废气再循环率以控制阀体的开度，ECU通过判断生物柴油发动机功率是否变化控制氧气阀门的打开与关闭，以使生物柴油发动机功率恢复至增大废气再循环率之前的数值。
步骤S3中，若NOX信号的取值等于阈值，保持废气再循环率不变以控制阀体的开度，ECU接收第二温度传感器的第二温度，并根据第二温度进行节气门开度的控制。
ECU接收第二温度传感器的第二温度并判断第二温度是否大于等于第二阈值，若是，结束，若否，ECU减小节气门开度以提升选择性催化还原器的效率，并通过调节阀体的开度使废气再循环率恢复至减小节气门开度之前的数值。
所述的第二阈值为2。
所述的第一阈值为1。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)包括中冷单元、传感器组件和阀体，中冷单元连通涡轮与选择性催化还原器之间的管路，中冷单元通过阀体连通节气门与增压器之间的管路，第二温度传感器位于涡轮与选择性催化还原器之间，所述NOX传感器位于选择性催化还原器下游，将低压废气再循环系统与选择性催化还原器结合使用，可以较彻底地减小排气中的NOX排放，以满足愈发严格的排放法规。
(2)若NOX信号的取值大于阈值，则增大废气再循环率以控制阀体的开度，ECU通过判断生物柴油发动机功率是否变化控制氧气阀门的打开与关闭，以使生物柴油发动机功率恢复至增大废气再循环率之前的数值，可以解决引入低压废气再循环系统会在个别工况下降低生物柴油发动机功率的问题。
(3)ECU接收第二温度传感器的第二温度并判断第二温度是否大于等于第二阈值，若是，结束，若否，ECU减小节气门开度以提升选择性催化还原器的效率，并通过调节阀体的开度使废气再循环率恢复至减小节气门开度之前的数值，可以生物柴油发动机在低压废气再循环系统与选择性催化还原器的最优匹配结果下正常工作。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的低压废气再循环系统控制方法流程图；
图3为本发明的露点温度确定流程图；
图4为本发明的中冷单元控制方法流程图；
附图标记：
1为涡轮；2为第二温度传感器；3为选择性催化还原器；4为NOX传感器；5为湿度传感器；6为中冷单元中冷器；7为换热器；8为冷却水阀；9为第一温度传感器；10为第一压力传感器；11为阀体；12为节气门；13为第二压力传感器；14为氧气阀门；15为氧气罐；16为增压器；17为增压中冷器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本实施例提供一种适用于生物柴油发动机的适用于生物柴油发动机的低压废气再循环系统，如图1所示，生物柴油发动机包括排气管路、进气管路和低压废气再循环系统(Exhaust Gas Re-circulation，EGR)。排气管路包括涡轮1和选择性催化还原器3(selective catalytic reduction，SCR)，气体依次经过涡轮1和选择性催化还原器3排出。进气管路包括节气门12、氧气阀门14、氧气罐15、增压器16和增压中冷器17，气体依次通过节气门12和增压器16至排气管路，或依次通过节气门12、增压器16和增压中冷器17至排气管路，氧气阀门14和氧气罐15组成氧气支路，氧气支路连通节气门12和增压器16之间的管道。
低压废气再循环系统包括中冷单元、传感器组件和阀体11，中冷单元连通涡轮1通过第一管道与选择性催化还原器3之间的管路，中冷单元通过阀体11连通节气门12与增压器16之间的管路，传感器组件包括第二温度传感器2、第一压力传感器10、第二压力传感器13和NOX传感器4，第一压力传感器10位于阀体11和中冷单元之间，第二压力传感器13位于节气门12和增压器16之间，第二温度传感器2位于涡轮1与选择性催化还原器3之间，NOX传感器4位于选择性催化还原器3下游。
基于上述低压废气再循环系统和包括该低压废气再循环系统的生物柴油发动机，提供一种低压废气再循环系统的控制方法，如图2所示。
首先，通过生物柴油发动机台架试验，测出生物柴油发动机各工况下允许的废气再循环率，此时的废气再循环率需保证生物柴油发动机不出现功率损失，并将各工况下的废气再循环率储存于ECU中。
在生物柴油发动机开始工作时，ECU读取NOX传感器4测得的NOX信号，若此时的NOX信号的取值小于等于第一阈值1，表明此时依靠选择性催化还原器3即可满足NOX排放限值，因此此时不需要额外引入低压废气再循环系统，保持阀体11关闭。
若此时的NOX信号的取值大于阈值1，则ECU根据预先储存在其中的废气再循环率，以及第一压力传感器10的第一压力信息和第二压力传感器13的第二压力信息计算出废气流量控制阀体11的开度，计算废气流量控制阀体11开度的过程为现有技术，以保证阀体11以确定开度开启。
待阀体11开启后，ECU读取NOX传感器4的NOX信号，若此时NOX信号的取值小于第一阈值1，说明目前的废气再循环率可以满足NOX排放限值要求并有富余，过大的废气再循环率会影响生物柴油发动机的燃油经济性，因此，此时可以在监测NOX信号的同时相应减小废气再循环率，直到NOX信号的取值等于阈值1为止。
若此时NOX信号的取值大于第一阈值，说明目前的废气再循环率不足以满足NOX排放限值，因此，需要进一步调大废气再循环率来降低NOX排放。在调大废气再循环率后，生物柴油发动机功率可能会下降。若功率未下降，ECU继续监测NOX信号，以判断是否需要进一步增大废气再循环率；若功率下降，则需打开氧气阀门14，从ECU中读取发动机的输出功率作为反馈信号，按照生物柴油发动机功率的恢复情况来控制氧气阀门14开度，最终使发动机功率恢复至增大废气再循环率之前的数值。
若此时的NOX信号的取值等于第一阈值1，说明目前的废气再循环率刚好满足NOX排放限值，保持此时的废气再循环率不变。ECU监测第二温度传感器2的第二温度，即选择性催化还原器前的温度，若此时的第二温度大于等于第二阈值2，则可认为此时的废气再循环率满足要求，循环结束。
若此时选择性催化还原器前温度小于第二阈值2，表明选择性催化还原器3的转化效率较低，可通过减小节气门12开度来提高排气温度以增大选择性催化还原器3的转化效率。同时，可相应减小废气再循环率提高燃油经济性，从而找到低压废气再循环系统和选择性催化还原器3的最优匹配结果。当节气门12开度发生变化时，此时的废气再循环率可能会发生变化，若废气再循环率发生变化，则减小阀体11开度，直到废气再循环率恢复到调节节气门前的水平；若废气再循环率没有发生变化，则再次监测选择性催化还原器前温度。若此时的选择性催化还原器前温度仍小于第二阈值2，则再次减小节气门12开度，直到选择性催化还原器前温度大于等于第二阈值2；若此时的选择性催化还原器前温度大于或等于第二阈值2，则再次监测NOX传感器4，根据其信号来判断接下来的流程，直到找到低压废气再循环系统和选择性催化还原器3的最优匹配结果，循环结束。
基于上述低压废气再循环系统和包括该低压废气再循环系统的生物柴油发动机，在对低压废气再循环系统的传感器组进行改进的基础上，可以将废气温度控制在所处环境的露点温度以上，以减少冷凝水析出，避免压气机叶片被腐蚀，改善生物柴油发动机性能。
传感器组件还包括湿度传感器5和第一温度传感器9，第一温度传感器9位于阀体11和中冷单元之间，湿度传感器5位于第一管道。中冷单元包括中冷单元中冷器6、换热器7和冷却水阀8，气体从中冷单元中冷器6进入，依次通过换热器7和冷却水阀8后从中冷单元中冷器6排出。
一种低压废气再循环系统的中冷单元控制方法，如图3和图4所示。
如图3所示，将饱和水蒸气表预先储存于ECU中，ECU根据接收的由第一压力传感器10输出的第一压力信号P1(低压废气再循环系统管路总压信号)和由湿度传感器5输出的湿度信号φ(低压废气再循环系统中冷前废气相对湿度信号)按照公式(1)可计算出此时的水蒸气分压力Pv，进而在饱和水蒸气表中查出对应的饱和温度，即为此时废气的露点温度。
Pv＝P1·φ (1)
如图4所示，在生物柴油发动机开始工作时，首先保证冷却水阀8全开，若第一温度传感器9所测出的第一温度(增压中冷后温度)大于等于露点温度，则保持冷却水阀8全开；若第一温度传感器9所测出的增压中冷后温度小于露点温度，则逐渐减小冷却水阀8开度，直到由第一温度传感器9所测出的增压中冷后温度大于等于露点温度，此时冷却水阀8保持开度不变。
本实施例针对生物柴油发动机高NOX排放的特点，引入了低压废气再循环系统及其控制策略，可以针对不同工况合理运用低压废气再循环系统，以解决某些工况下选择性催化还原器不足以将NOX排放降低至排放限制的问题。不仅如此，还通过相应的控制方法，将低压废气再循环系统对生物柴油发动机动力性和经济性的恶化降至最低，并解决了低压废气再循环系统和选择性催化还原器同时使用时，选择性催化还原器达不到其工作温度的问题，找到了低压废气再循环系统和选择性催化还原器联合使用时的最优匹配结果。通过应用低压废气再循环系统的中冷单元，减少了腐蚀性冷凝水的析出，避免了冷凝水对压气机叶片的腐蚀，保证了生物柴油发动机的耐久稳定性。

Claims (7)

1.一种适用于生物柴油发动机的低压废气再循环系统，其特征在于，包括中冷单元、传感器组件和阀体(11)，所述中冷单元连通涡轮(1)与选择性催化还原器(3)之间的管路，所述中冷单元通过阀体(11)连通节气门(12)与增压器(16)之间的管路，所述的传感器组件包括第二温度传感器(2)、第一压力传感器(10)、第二压力传感器(13)和NOX传感器(4)，所述第一压力传感器(10)位于阀体(11)和中冷单元之间，所述第二压力传感器(13)位于节气门(12)和增压器(16)之间，所述第二温度传感器(2)位于涡轮(1)与选择性催化还原器(3)之间，所述NOX传感器(4)位于选择性催化还原器(3)下游。
2.一种对权利要求1所述适用于生物柴油发动机的低压废气再循环系统的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1：ECU接收NOX传感器(4)的NOX信号，并根据NOX信号打开阀体(11)或关闭阀体(11)；
步骤S2：在打开阀体(11)的情况下，ECU根据其内部存储的废气再循环率、第一压力传感器(10)的第一压力信息和第二压力传感器(13)的第二压力信息控制阀体(11)的开度；
步骤S3：ECU接收NOX传感器(4)的NOX信号，若NOX信号的取值小于第一阈值，则ECU减小废气再循环率以控制阀体(11)的开度直至NOX信号的取值等于第一阈值，若NOX信号的取值大于第一阈值，则增大废气再循环率以控制阀体(11)的开度直至NOX信号的取值等于第一阈值，若NOX信号的取值等于第一阈值，保持废气再循环率不变以控制阀体(11)的开度。
3.根据权利要求2所述一种适用于生物柴油发动机的低压废气再循环系统控制方法，其特征在于，步骤S3中，若NOX信号的取值大于第一阈值，则增大废气再循环率以控制阀体(11)的开度，ECU通过判断生物柴油发动机功率是否变化控制氧气阀门(14)的打开与关闭，以使生物柴油发动机功率恢复至增大废气再循环率之前的数值。
4.根据权利要求2所述一种适用于生物柴油发动机的低压废气再循环系统控制方法，其特征在于，步骤S3中，若NOX信号的取值等于阈值，保持废气再循环率不变以控制阀体(11)的开度，ECU接收第二温度传感器(2)的第二温度，并根据第二温度进行节气门(12)开度的控制。
5.根据权利要求4所述一种适用于生物柴油发动机的低压废气再循环系统，其特征在于，ECU接收第二温度传感器(2)的第二温度并判断第二温度是否大于等于第二阈值，若是，结束，若否，ECU减小节气门(12)开度以提升选择性催化还原器(3)的效率，并通过调节阀体(11)的开度使废气再循环率恢复至减小节气门(12)开度之前的数值。
6.根据权利要求5所述一种适用于生物柴油发动机的低压废气再循环系统控制方法，其特征在于，所述的第二阈值为2。
7.根据权利要求2所述一种适用于生物柴油发动机的低压废气再循环系统控制方法，其特征在于，所述的第一阈值为1。
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