CN112377338B - 宽流域三级可调排气再循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供宽流域三级可调排气再循环系统，包括EGR冷却器、四通阀门，气总管上加工有一个带有法兰的支路管道，干路管路与涡轮增压器相连，支路管道经蝶阀与多通道EGR冷却器的气相流路入口相连，多通道EGR冷却器具有三个气相出口，分别与四通阀门的三个入口相连，四通阀门出口经EGR增压泵与EGR掺混三通管道的一个支管相连，其另外两个支管分别与进气总管和与压气机相连的中冷器相连。本发明多通道EGR冷却器和四通阀门相配合，能够实现不同工况下气缸温度的调节，实现减少碳氢化合物、颗粒、NOX排放的目的。

Description

宽流域三级可调排气再循环系统
技术领域
本发明涉及的是一种发动机，具体地说是发动机的排气再循环系统。
背景技术
在船舶的航行过程中，会排放出大量的有害气体，其主要成分为NOX、SOX、 HC、有害颗粒物等等。随着出航成本的逐渐提高，人们会选用一些劣质燃料，这更是加剧了船舶污染物的排放。万吨级船舶以全功率的70％航行24h的排放量足以与21万辆国四、国五排放标准的汽车的排放量相媲美。
当发动机处于高工况时，缸内的绝热火焰温度比较高，在氧气充足的情况下会产生大量的氮氧化物，同时由于温度过高时燃料脱氢也能够产生对环境有极大危害的微粒。为达到排放要求，人们使用了SCR和SNCR脱硝技术，这无疑增加了运行成本。废气再循环技术(EGR)能够把内燃机产生的部分废气送入进气道中，由于废气中含有大量比热容较高的多原子气体，在降低氧气浓度的同时能够合理的利用高比热容的尾气有效地吸收燃烧产生的热量降低缸内温度，极大地降低了NOX和排放微粒的产生。
发动机低工况时，缸内温度较低，由于燃烧不完全、冷壁火焰淬熄、缝隙效应等原因，碳氢化合物大量生成。研究通过废气再循环技术在高工况下减少 NOX和微粒排放的同时合理地利用EGR温度的控制减少低工况下碳氢化合物地产生具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供达到平衡高温下NOX的生成和低温下排放微粒产生的宽流域三级可调排气再循环系统。
本发明的目的是这样实现的：
本发明宽流域三级可调排气再循环系统，其特征是：包括EGR冷却器、四通阀门，所述EGR冷却器包括EGR冷却器支撑外壳、EGR冷却器内胆，EGR冷却器支撑外壳、EGR冷却器内胆之间构成液相流路，液相流路的入口和出口分别位于EGR冷却器支撑外壳的上下端面，EGR冷却器内胆里设置EGR冷却器气相管道，EGR冷却器气相管道采用蛇形设置，EGR冷却器气相管道之间并列布置， EGR冷却器气相管道的入口均连接EGR冷却器气相管道总入口，EGR冷却器气相管道的出口包括第一-第三部分出口，第一部分出口同时连接第一EGR冷却器气相管道总出口，第二部分出口同时连接第二EGR冷却器气相管道总出口，第三部分出口同时连接第三EGR冷却器气相管道总出口；所述四通阀门包括低温入口、中温入口、高温入口和阀门出口，第一EGR冷却器气相管道总出口通过高温通道连接高温入口，第二EGR冷却器气相管道总出口通过中温通道连接中温入口，第三EGR冷却器气相管道总出口通过低温通道连接低温入口；发动机的排气总管分别连接涡轮和支路管路，支路管路通过蝶阀连接EGR冷却器气相管道总入口，压气机经中冷器连接EGR掺混三通管道，四通阀门的阀门出口通过EGR增压泵连接EGR掺混三通管道，EGR掺混三通管道连接发动机的进气总管。
本发明还可以包括：
1、EGR冷却器气相管道的第一-第三EGR冷却器气相管道总出口中，第一 EGR冷却器气相管道总出口位于EGR冷却器气相管道总入口最近，第二EGR 冷却器气相管道总入口和第三EGR冷却器气相管道总入口依次排开，第三EGR 冷却器气相管道总入口离EGR冷却器气相管道总入口最远，使得高温通道、中温通道和低温通道的温度从高到低排列，通过四通阀门的调节实现阀门出口温度的调节。
2、EGR冷却器气相管道总入口、第一EGR冷却器气相管道总出口、第二 EGR冷却器气相管道总出口、第三EGR冷却器气相管道总出口均设置过渡管段，所述的过渡管段连通所有其对应的EGR冷却器气相管道，实现并列的小直径管道连通单一的大直径管道。
3、液相流路的入口位于EGR冷却器支撑外壳的上端面边缘，液相流路的出口位于EGR冷却器支撑外壳的下端面边缘，且两者以EGR冷却器轴中心对称。
4、所述四通阀门包括控制器、阀芯、阀杆，阀杆经螺纹孔旋入阀芯中，并通过定位销固定，控制器连接阀杆控制阀芯旋转。
本发明的优势在于：本发明能够通过多通道EGR冷却器控制EGR的温度，以实现不同工况下缸内温度以及含氧量的控制来减少NOX的生成以及微粒的排放。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2a为本发明的仰视图，图2b为本发明的俯视图；
图3a为本发明四通阀门的等轴视图，图3b为本发明四通阀门部分剖等轴视图；
图4为本发明四通阀门阀芯与阀杆拆分的等轴视图；
图5为本发明四通阀门阀芯的等轴视图；
图6为本发明EGR冷却器外壳主视图；
图7a为本发明EGR冷却器等轴视图，图7b为本发明EGR冷却器拆分示意图；
图8为本发明四通阀门与EGR冷却器安装示意图；
图9为EGR冷却器气相管道；
图10为系统的控制流程图；
图11为系统的控制细节图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-11，本发明宽流域三级可调排气再循环系统，由气缸2、进气总管1、进气歧管3、排气总管5、排气歧管4、蝶阀8、多通道EGR冷却器11、 REG冷却水泵、四通阀门12、EGR增压泵16、涡轮增压器10、中冷器13、中冷器冷却水泵14、EGR掺混三通管道17、双通管道等组成，具体结构为：
1、所述各气缸2分别经进气歧管3、排气歧管4连接于进气总管1、排气总管5，排气总管5上加工有一个带有法兰的支路管道7，所述的支路管道7与排气总管干路垂直；
2、所述多通道EGR冷却器11具有气液两相流路，液相流路具有一个入口和一个出口，气相流路具有一个入口和三个出口，所述的出口和入口上均加工有法兰32，气相流路的入口与蝶阀8采用螺栓连接的方式安装于排气总管的支路管道7上；
3、涡轮增压器10包括压气机和涡轮两个部分，涡轮入口与排气总管出口相连；中冷器14包含气相、液相两个流路，两流路的出口和入口均装有法兰，液相入口与中冷器冷却水泵14相连，气相入口经管道与涡轮增压器10压气机出口相连；
4、四通阀门12具有三个入口和一个出口，三个入口与多通道EGR冷却器 11的三个气相出口匹配连接，四通阀门12出口经管道与EGR增压泵16相连； EGR掺混三通管道17包含两个入口和一个出口，两个入口分别与中冷器13气相出口和EGR增压泵16出口相连，EGR掺混三通管道17出口与进气总管1 相连。
的宽流域三级可调排气再循环系统的主要创新部分在于多通道EGR冷却器11和四通阀门12的结构设计以及二者的配合使用。具体内容如下：
1、多通道EGR冷却器11主要由EGR冷却器支撑外壳26、EGR冷却器气相管道30、EGR冷却器壳盖31和EGR冷却器气相流路法兰32组成，多通道 EGR冷却器11包括内胆和外壳两部分，多通道EGR冷却器的内胆与外壳采用焊接的连接方式以实现留到的密闭性，多通道EGR冷却器11的外壳内表面与内胆的外表面共同构成所述多通道EGR冷却器的液相流路，所述的气相流路位于多通道EGR冷却器内胆的内表面；所述的多通道EGR冷却器内胆的设计方式为：直径较大的气相入口在内胆上被分流为多个小直径管道，所述的小直径管道并成一排，采用蛇形布置进行排列，三组小直径气相出口按顺序排列于所述蛇形管道的转弯处的来流一侧，每组的多个小直径气相出口汇聚于一个直径较大的气相出口。同共此种设计不仅能够提高换热面积、减小冷却器体积，还能够通过切换流路实现EGR的温度控制。具体结构如下：
(1)如图9所示的EGR冷却器气相管道30，共有一个气相入口36和三个气相出口37，其主体部分为一组呈蛇形排列的细管道，在气相出口37与气相入口36处，都具有一个能够实现一个较大直径管道向多个抽线共面的小直径管道的过渡管段38，如此设计不经能够有效地增加换热面积增加换热效率，而且能够实现小通流面积向大通流面积的转换减小流动阻力，同时还能通过控制气体的流路控制换热面积控制所流出气体的温度。
(2)如图6～8所示，EGR冷却器支撑外壳26的主题结构为一个一端开放的六面体壳，所述的开放端与EGR冷却器气相管道的出口37相对应，开放端的四个角上加工各有一个EGR冷却器壳盖安装平台29，平台29的中心加工有螺纹孔28，与开放端相垂直的两个较大的面上分别加工有一个带有法兰27的管路，两个管路位置靠近EGR冷却器支撑外壳29的边缘并且其中心线为轴中心对称，与开放端相对的壁面上的与EGR冷却器气相管道入口36相对应的位置加工有一个与EGR冷却器气相管道入口36外径相同的圆孔；如图7b所示的 EGR冷却器壳盖31的四个角与EGR冷却器壳盖安装螺纹孔相对应的位置上分别加工有一个螺栓孔34，EGR冷却器壳盖在三个EGR冷却器气相管道出口37 的相对位置加工有三个与EGR冷却器气相管道出口37外径相同的圆孔。
(3)如图7a所示的多通道EGR冷却器11，在安装时，首先将如图9所示的EGR冷却器气相管道30安装在EGR冷却器支撑外壳26上，保证EGR冷却器气相管道的入口36穿过EGR冷却器外壳气相管道安装孔35，然后采用螺栓连接的方式把EGR冷却器壳盖31安装在EGR冷却器支撑外壳26上，保证 EGR冷却器气相管道3的三个出口37穿过EGR冷却器壳盖气相管道安装孔33 上，焊接四处插入连接处以防止漏液，最后在EGR冷却器气相管道的出口37 和入口36焊接上法兰32。
2、四通阀门的具有三个入口和一个出口，能够实现所述的出口与三个不同入口之间流道的转换，其主要有阀体、阀芯、阀杆组成，主要特点为：
(1)阀体12为两个相互对称的半阀体的组合体，形状上以一个球壳为主体，三个进气管道与其相连，三个进气道并不相互干涉，三者轴线与球壳径向方向相同并位于同一平面上，出口管道与所述平面垂直并且轴线位于球壳径向方向上，所述的四个管道的内径相同且小于球壳内径，球壳上与所述平面垂直并且与所述出口管道相对的一侧的方向上加工有以用于安装阀杆的圆孔；
(2)阀芯20为一个球体，球体的直径与所述阀体12的内表面一致，球体的中间加工有一个具有圆弧过渡的直角孔25，孔的两条相互垂直的轴线都位于球体的径向方向上，孔的直径与所述阀体12上的管道一致，其中轴线在球体上所对应的球面上加工有用于安装阀杆的螺纹孔23，螺纹上加工有用于固定阀杆的销孔24。
(3)如图4所示，在安装时，阀杆19经螺纹孔23旋入阀芯中，再加以定位销22固定，四通阀门控制器18与阀杆相连以控制阀芯旋转，如图3b所示，安装时阀杆19插入阀体21中，阀芯20安装于阀体21的球壳内。
3、如图8所示，安装时，四通阀门12的三个入口与多通道EGR冷却器的三个出口顺序相连，采用螺栓连接的方法是二者达成紧固的连接。在系统工作时，阀门控制器18能够对阀杆19进行控制实现阀芯的旋转，使阀芯上与阀杆相垂直的孔对准不同的阀体通道，实现多通道EGR冷却器11气相实际对流换热面积的改变以实现系统对尾气温度的改变。
系统控制的具体实现方式为：如图10所示，首先对内燃机的输出功率进行识别，用其与额定功率作比得出负荷率，并根据起对所处的工况进行判断，具体包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种工况，具体判别依据如图11所示，在所述的三种工况中分别有与此工况相对应的四通阀门12所应开放的通道，随后对四通阀门12的开放通道进行识别，判断四通阀门阀芯20是否处于预设位置，若不处于预设位置经过控制系统分析后通过四通阀门控制单元进行调整，保障Ⅰ工况时四通阀门高温通道打开、Ⅱ工况时四通阀门中温通道打开、Ⅲ工况时四通阀门低温通道打开；通过负荷率利用如图11所示的蝶阀8开度计算公式计算阀门的预设开度，判断蝶阀8开度是否与预设值相等，若不相等经过系统分析通过蝶阀控制器6调整蝶阀开度，完成系统的调节。
系统的工作过程为：当发动机启动时，高质量的尾气从气缸中排出后共有两条流动路径，其中之一为：高温尾气进入涡轮增压器10中推动涡轮旋转带动压气机，使其为来流空气加压；另一条流动路径为：高温尾气经过受蝶阀控制器6控制开度的蝶阀，进入多通道EGR冷却器11中，通过其与四通阀门12的配合能够实现尾气温度的控制，尾气经EGR增压泵16后与流经中冷器13的高压空气于EGR掺混三通管道17掺混并流向进气总管1，最终经过进气歧管3 进入气缸2中参与反应。
控制尾气温度所能实现的功能为：低工况时，由于气缸2内燃烧温度较低，燃料在低温区形成微粒，若能够通入温度较高的尾气进入气缸2中，就能够提高气缸2内整体温度，由于燃烧不完全、冷壁火焰淬熄、缝隙效应等原因生成的碳氢化合物因此减少；高工况时，气缸2内温度较高，空气中的氮气与氧气在高温下反应会生成对人体有极大威胁的氮氧化物，若通入温度较低的尾气，不仅能够减少氧气的浓度抑制氮氧化物的产生，而且能够通过尾气高比热容的性质在气缸2中充分的吸收燃烧所产生的热量减低缸内温度抑制氮氧化物和排放微粒的产生。

Claims (5)

1.宽流域三级可调排气再循环系统，其特征是：包括EGR冷却器、四通阀门，所述EGR冷却器包括EGR冷却器支撑外壳、EGR冷却器内胆，EGR冷却器支撑外壳、EGR冷却器内胆之间构成液相流路，液相流路的入口和出口分别位于EGR冷却器支撑外壳的上下端面，EGR冷却器内胆里设置EGR冷却器气相管道，EGR冷却器气相管道采用蛇形设置，EGR冷却器气相管道之间并列布置，EGR冷却器气相管道的入口均连接EGR冷却器气相管道总入口，EGR冷却器气相管道的出口包括第一-第三部分出口，第一部分出口同时连接第一EGR冷却器气相管道总出口，第二部分出口同时连接第二EGR冷却器气相管道总出口，第三部分出口同时连接第三EGR冷却器气相管道总出口；所述四通阀门包括低温入口、中温入口、高温入口和阀门出口，第一EGR冷却器气相管道总出口通过高温通道连接高温入口，第二EGR冷却器气相管道总出口通过中温通道连接中温入口，第三EGR冷却器气相管道总出口通过低温通道连接低温入口；发动机的排气总管分别连接涡轮和支路管路，支路管路通过蝶阀连接EGR冷却器气相管道总入口，压气机经中冷器连接EGR掺混三通管道，四通阀门的阀门出口通过EGR增压泵连接EGR掺混三通管道，EGR掺混三通管道连接发动机的进气总管；
EGR冷却器气相管道的第一-第三EGR冷却器气相管道总出口中，第一EGR冷却器气相管道总出口位于EGR冷却器气相管道总入口最近，第二EGR冷却器气相管道总入口和第三EGR冷却器气相管道总入口依次排开，第三EGR冷却器气相管道总入口离EGR冷却器气相管道总入口最远，使得高温通道、中温通道和低温通道的温度从高到低排列，通过四通阀门的调节实现阀门出口温度的调节。
2.根据权利要求1所述的宽流域三级可调排气再循环系统，其特征是：EGR冷却器气相管道总入口、第一EGR冷却器气相管道总出口、第二EGR冷却器气相管道总出口、第三EGR冷却器气相管道总出口均设置过渡管段，所述的过渡管段连通所有其对应的EGR冷却器气相管道，实现并列的小直径管道连通单一的大直径管道。
3.根据权利要求1或2所述的宽流域三级可调排气再循环系统，其特征是：液相流路的入口位于EGR冷却器支撑外壳的上端面边缘，液相流路的出口位于EGR冷却器支撑外壳的下端面边缘，且两者以EGR冷却器轴中心对称。
4.根据权利要求1或2所述的宽流域三级可调排气再循环系统，其特征是：所述四通阀门包括控制器、阀芯、阀杆，阀杆经螺纹孔旋入阀芯中，并通过定位销固定，控制器连接阀杆控制阀芯旋转。
5.根据权利要求3所述的宽流域三级可调排气再循环系统，其特征是：所述四通阀门包括控制器、阀芯、阀杆，阀杆经螺纹孔旋入阀芯中，并通过定位销固定，控制器连接阀杆控制阀芯旋转。
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