CN112796898B - 一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法及装置，所述方法包括步骤：根据发动机当前工况，获取第一水蒸气占比值、第二水蒸气占比值和EGR率；根据第一水蒸气占比值、第二水蒸气占比值和EGR率，计算第三水蒸气占比值，第三水蒸气占比值表征为水冷式冷却器下游的混合气环境中水蒸气占比值χ_m；根据第三水蒸气占比值，计算混合气环境中饱和水蒸气压力；根据当前工况，获取当前相对湿度；当相对湿度满足预设相对湿度时，计算当前水蒸气压力；根据水蒸气压力的经验公式，计算露点温度；根据露点温度控制水冷式冷却器，用于防止水冷式冷却器的冷凝现象发生，本发明能够避免因水冷式冷却器的冷却液温度低于露点温度，导致混合气出现冷凝现象。

Description

一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法及装置

技术领域

本发明涉及EGR技术领域，特别涉及一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法及装置。

背景技术

随着经济的发展，汽车行业也随之发展，汽车数量的增多也导致了一些问题，例如环境污染、能量枯竭等，尤其是环境的污染，每年，汽车的废气排放量很大，导致一定的环境污染。

目前，在许多汽车制造商采用废气再循环(Exhaust Gas Reciruclation，简称EGR)技术，EGR技术是将采油机或汽油机中产生的废气一部分引出排气管，并通过一个控制阀、比如EGR阀将适量的废气引入进气管道中与新鲜空气混合，在进入燃料室参与燃烧的一个排放控制技术，由于废气中含有大量二氧化碳，二氧化碳不能燃烧但是能够吸收大量的热量，进而降低气缸中混合气的燃烧温度，从而减少NO_x的生产量。

但是，在汽车中采用包含EGR技术的增压发动机，其中，EGR技术分为高压EGR和低压EGR技术，高压EGR技术通常新鲜空气和废气在进气歧管中混合，低压EGR技术通常新鲜空气和经冷却的再循环废气在压气机上游进行混合，混合气经过压气机压缩后，温度升高，密度降低，使用水冷式冷却器(Water Charge Air Cooler，简称WCAC)对混合气进行冷却，经WCAC冷却后的混合气，温度下降，密度增大，混合气进入气缸。

新鲜空气中含有一定量的水蒸气，再循环废气中主要成分为二氧化碳和水蒸气，经过WCAC冷却，如果混合气的温度低于饱和水蒸气的温度，混合气中有部分水蒸气冷凝，形成水滴。当温度继续降低，水滴直径大于某一值后，就会落到管道中。水滴聚集在管道中对发动机存在安全隐患：(1)在潮湿冬季，可能会加剧节气门结冰；(2)在节气门大开度下，可能会使一部分水随着气流直接进入气缸，导致灭缸的可能性。

为了防止混合气经过WCAC后，出现大量的冷凝水，引起发动机故障。开发控制策略来预估WCAC下游混合气的露点温度。使用该露点温度对WCAC中冷却液进行控制，使得混合气经过冷却后，温度不低于该露点温度。

通过WCAC下游混合气温度来控制WCAC冷却回路中的水泵，即控制通过WCAC的冷却液流量，进而实现对混合气的温度控制。

目前软件中，露点温度是根据发动机转速和大气温度设定的一张WCAC下游混合气温度MAP，然后用发动机冷却液温度对其进行修正。该方法比较简单，不考虑油品和发动机实际燃烧情况，不考虑大气环境状态参数，故无法准确预测出露点温度，结果可能导致预估温度偏高，影响进气效率；预估温度偏低，产生冷凝，

因此获取精确的露点温度是本领域技术人所亟需解决的。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于提供一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法及装置，能够避免因水冷式冷却器的冷却液温度低于露点温度，导致混合气出现冷凝现象。

为了解决上述问题，本发明提供一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法，包括如下步骤：

根据发动机的当前工况，获取第一水蒸气占比值、第二水蒸气占比值和EGR率，所述第一水蒸气占比值表征为废气环境中水蒸气占比值χ_e，所述第二水蒸气占比值表征为大气环境中水蒸气占比值χ_a；

根据所述第一水蒸气占比值、所述第二水蒸气占比值和所述EGR率，计算出第三水蒸气占比值，所述第三水蒸气占比值表征为水冷式冷却器下游的混合气环境中水蒸气占比值χ_m；

根据所述第三水蒸气比占值，计算出水冷式冷却器下游的混合气环境中饱和水蒸气压力的最小值；

根据所述最小值结合混合气环境中饱和水蒸气压力的经验公式，计算出露点温度；

根据所述露点温度控制途径水冷式冷却器的冷却液流量，用于防止所述水冷式冷却器下游混合气冷凝现象发生。

进一步地，所述混合气环境中饱和水蒸气压力计算公式为：

其中，P_m为水冷式冷却器下游混合气的压力；

T_m为水冷式冷却器下游混合气的温度；

RH_m为混合气的相对湿度；

P_sm(T_m)为水冷式冷却器下游混合气的饱和水蒸气压力。

进一步地，所述混合气环境中饱和水蒸气压力的经验公式为：

进一步地，所述根据所述水蒸气占比值计算出EGR率的限制值的公式为：

进一步地，所述第一水蒸气占比值的计算公式，通过判断空燃比λ的值是否大于预设值进行选择。

进一步地，当所述空燃比λ的比例值不大于所述预设比例值，所述第一水蒸气占比值的计算公式为：

其中，A为CO₂的摩尔浓度；

B为H₂O的摩尔浓度；

D为N₂的摩尔浓度；

F为CH_n的摩尔浓度。

进一步地，所述第一水蒸气占比值的计算公式中A值、B值、D值和F值的计算公式分别为：

F＝1-λ

其中，λ为空燃比，所述空燃比表征压气机中空气与燃料的质量比；

n为碳氢比，所述碳氢比表征碳原子与氢原子的原子比；

x为注入压气机内的空气中N₂相对与O₂的体积分数；

y为注入压气机内的空气中CO₂相对与O₂的体积分数；

z为注入压气机内的空气中水蒸气相对与O₂的体积分数。

进一步地，当所述空燃比λ的比例值大于所述预设比例值，所述第一水蒸气占比值的计算公式为：所述第一水蒸气占比值的计算公式为：

其中，A为CO₂的摩尔浓度；

B为H₂O的摩尔浓度；

D为N₂的摩尔浓度；

E为O₂的摩尔浓度。

进一步地，所述第一水蒸气占比值的计算公式中A值、B值、D值和E值的计算公式分别为：

其中，λ为空燃比，所述空燃比表征压气机中空气与燃料的质量比；

n为碳氢比，所述碳氢比表征碳原子与氢原子的原子比；

x为注入压气机内的空气中N₂相对与O₂的体积分数；

y为注入压气机内的空气中CO₂相对与O₂的体积分数；

z为注入压气机内的空气中水蒸气相对与O₂的体积分数。

本发明还提供一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的装置，包括：

信息获取模块，用于根据发动机的当前工况，获取第一水蒸气占比值、第二水蒸气占比值和EGR率，所述第一水蒸气占比值表征为废气环境中水蒸气占比值χ_e，所述第二水蒸气占比值表征为大气环境中水蒸气占比值χ_a；

第一计算模块，用于根据所述第一水蒸气占比值、所述第二水蒸气占比值和所述EGR率，计算出第三水蒸气占比值，所述第三水蒸气占比值表征为水冷式冷第二计算模块，用于根据所述第三水蒸气比占值，计算出水冷式冷却器下游的混合气环境中饱和水蒸气压力的最小值；

第三计算模块，用于根据所述最小值结合混合气环境中饱和水蒸气压力的经验公式，计算出露点温度；

执行模块，用于根据所述露点温度控制途径水冷式冷却器的冷却液流量，用于防止所述水冷式冷却器下游混合气冷凝现象发生。

由于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

本发明的一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法及装置，通过控制大气环境参数和再循环废气环境参数，根据EGR率计算出混合气环境中水蒸气的含量，结合WCAC下游实测压力，计算出精确的混合气露点温度，进而能够避免因水冷式冷却器的冷却液温度低于露点温度，导致混合气出现冷凝现象。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，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，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明实施例提供的防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的水冷式冷却器的防止冷凝装置的结构示意图。

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的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。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

实施例一

本实施例一提供一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法，如图1所示，所述方法，包括如下步骤：

S101.根据发动机的当前工况，获取第一水蒸气占比值、第二水蒸气占比值和EGR率，所述第一水蒸气占比值表征为废气环境中水蒸气占比值χ_e，所述第二水蒸气占比值表征为大气环境中水蒸气占比值χ_a；

S102.根据所述第一水蒸气占比值、所述第二水蒸气占比值和所述EGR率，计算出第三水蒸气占比值，所述第三水蒸气占比值表征为水冷式冷却器下游的混合气环境中水蒸气占比值χ_m；

S103.根据所述第三水蒸气比占值，计算出水冷式冷却器下游的混合气环境中饱和水蒸气压力的最小值；

S104.根据所述最小值结合混合气环境中饱和水蒸气压力的经验公式，计算出露点温度；

S105.根据所述露点温度控制途径水冷式冷却器的冷却液流量，用于防止所述水冷式冷却器下游混合气冷凝现象发生。

具体地，所述EGR率为再循环的废气质量与发动机中压气机的气缸的进气总质量的比。

具体地，所述预设相对湿度为1。

具体地，所述混合气环境中饱和水蒸气压力计算公式为：

其中，P_m为水冷式冷却器下游混合气的压力；

T_m为水冷式冷却器下游混合气的温度；

RH_m为混合气的相对湿度；

P_sm(T_m)为水冷式冷却器下游混合气的饱和水蒸气压力。

具体地，所述混合气环境中饱和水蒸气压力的经验公式为：

通过此公式能够获取不同工况环境下的露点温度T_in。

具体地，所述根据所述水蒸气占比值计算出EGR率的限制值的公式为：

通过此公式能够第三水蒸气占比值。

进一步地，所述EGR率的公式由质量EGR率的定义公式推导得出的，所述质量EGR率的定义公式为

其中，m_e为再循环废气的质量，m_a为大气空气的质量。

进一步地，根据质量和摩尔质量的关系：m＝n*M，所述质量EGR率的定义公式转化为：

还可表达为：

其中，废气摩尔质量M_e空燃比λ的值的关系：

进一步地，当废气摩尔质量相对于空气摩尔质量的偏差值的范围在±0.3％内，能够假设气摩尔质量等于空气摩尔质量，空气摩尔质量为28.97g/mol。

进一步地，当大气空气和再循环废气进行混合后，混合气中水蒸气含量为大气空气中水蒸气含量和再循环废气中水蒸气含量的和，即为χ_mn_m＝χ_an_a+χ_en_e。

进一步地，将上述所述的水蒸气含量公式与转化的所述质量EGR率的定义公式结合，得到所述EGR率的公式。

具体地，所述第一水蒸气占比值的计算公式，通过判断空燃比λ的值是否大于预设值进行选择。

进一步地，所述预设值为1。

进一步地，当所述空燃比λ的比例值不大于所述预设比例值，所述第一水蒸气占比值的计算公式为：

其中，A为CO₂的摩尔浓度；

B为H₂O的摩尔浓度；

D为N₂的摩尔浓度；

F为CH_n的摩尔浓度。

进一步地，所述第一水蒸气占比值的计算公式中A值、B值、D值和F值的计算公式分别为：

F＝1-λ

其中，λ为空燃比，所述空燃比表征压气机中空气与燃料的质量比；

n为碳氢比，所述碳氢比表征碳原子与氢原子的原子比；

x为注入压气机内的空气中N₂相对与O₂的体积分数；

y为注入压气机内的空气中CO₂相对与O₂的体积分数；

z为注入压气机内的空气中水蒸气相对与O₂的体积分数。

进一步地，当所述空燃比λ的比例值大于所述预设比例值，所述第一水蒸气占比值的计算公式为：所述第一水蒸气占比值的计算公式为：

其中，A为CO₂的摩尔浓度；

B为H₂O的摩尔浓度；

D为N₂的摩尔浓度；

E为O₂的摩尔浓度。

进一步地，所述第一水蒸气占比值的计算公式中A值、B值、D值和E值的计算公式分别为：

其中，λ为空燃比，所述空燃比表征压气机中空气与燃料的质量比；

n为碳氢比，所述碳氢比表征碳原子与氢原子的原子比；

x为注入压气机内的空气中N₂相对与O₂的体积分数；

y为注入压气机内的空气中CO₂相对与O₂的体积分数；

z为注入压气机内的空气中水蒸气相对与O₂的体积分数。

进一步地，所述第二水蒸气占比值的计算公式为：

其中，P_a为大气的压力；

T_a为大气的温度；

RH_a为相对湿度；

P_s(T_a)为大气环境的饱和水蒸气压力。

如图2所示，所述防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的装置，包括：

信息获取模块10，用于根据发动机的当前工况，获取第一水蒸气占比值、第二水蒸气占比值和EGR率，所述第一水蒸气占比值表征为废气环境中水蒸气占比值χ_e，所述第二水蒸气占比值表征为大气环境中水蒸气占比值χ_a；

第一计算模块20，用于根据所述第一水蒸气占比值、所述第二水蒸气占比值和所述EGR率，计算出第三水蒸气占比值，所述第三水蒸气占比值表征为水冷式冷却器下游的混合气环境中水蒸气占比值χ_m；

第二计算模块30，用于根据所述第三水蒸气比占值，计算出水冷式冷却器下游的混合气环境中饱和水蒸气压力的最小值；

第三计算模块40，用于根据所述最小值结合混合气环境中饱和水蒸气压力的经验公式，计算出露点温度；

执行模块50，用于根据所述露点温度控制途径水冷式冷却器的冷却液流量，用于防止所述水冷式冷却器下游混合气冷凝现象发生。

实施例一提供了一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法及装置，通过控制大气环境参数和再循环废气环境参数，根据EGR率计算出混合气环境中水蒸气的含量，结合WCAC下游实测压力，计算出精确的混合气露点温度，进而能够避免因水冷式冷却器的冷却液温度低于露点温度，导致混合气出现冷凝现象。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，将其都表述为二系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。同样地，上述中水冷式冷却器的防止冷凝装的各模块是指计算机程序或者程序段，用于执行某一项或多项特定的功能，此外，上述各模块的区分并不代表实际的程序代码也必须是分开的。此外，还可对上述实施例进行任意组合，得到其他的实施例。

在上述实施例中，对各实施例的描述都各有侧重，某各实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrative components)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (10)

1.一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据发动机的当前工况，获取第一水蒸气占比值、第二水蒸气占比值和EGR率，所述第一水蒸气占比值表征为废气环境中水蒸气占比值χ_e，所述第二水蒸气占比值表征为大气环境中水蒸气占比值χ_a；

根据所述第一水蒸气占比值、所述第二水蒸气占比值和所述EGR率，计算出第三水蒸气占比值，所述第三水蒸气占比值表征为水冷式冷却器下游的混合气环境中水蒸气占比值χ_m；

根据所述第三水蒸气占比值，计算出水冷式冷却器下游的混合气环境中饱和水蒸气压力的最小值；

根据所述最小值结合混合气环境中饱和水蒸气压力的经验公式，计算出露点温度；

根据所述露点温度控制途径水冷式冷却器的冷却液流量，用于防止所述水冷式冷却器下游混合气冷凝现象发生。

2.根据权利要求1所述的一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法，其特征在于，所述水冷式冷却器下游的混合气环境中饱和水蒸气压力的最小值计算公式为：

其中，P_m为水冷式冷却器下游混合气的压力；

T_m为水冷式冷却器下游混合气的温度；

RH_m为混合气的相对湿度；

P_sm(T_m)为水冷式冷却器下游混合气的饱和水蒸气压力。

3.根据权利要求1所述的一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法，其特征在于，所述混合气环境中饱和水蒸气压力的经验公式为：

其中，T_in为不同工况环境下的露点温度。

4.根据权利要求1所述的一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法，其特征在于，所述EGR率的计算公式为：

5.根据权利要求4所述的一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法，其特征在于，所述第一水蒸气占比值的计算公式，通过判断空燃比λ的值是否大于预设值进行选择。

6.根据权利要求5所述的一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法，其特征在于，当所述空燃比λ的比例值不大于所述预设值，所述第一水蒸气占比值的计算公式为：

其中，A为CO₂的摩尔浓度；

B为H₂O的摩尔浓度；

D为N₂的摩尔浓度；

F为CH_n的摩尔浓度。

7.根据权利要求6所述的一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法，其特征在于，所述第一水蒸气占比值的计算公式中A值、B值、D值和F值的计算公式分别为：

F＝1-λ

其中，λ为空燃比，所述空燃比表征压气机中空气与燃料的质量比；

n为碳氢比，所述碳氢比表征碳原子与氢原子的原子比；

x为注入压气机内的空气中N₂相对与O₂的体积分数；

y为注入压气机内的空气中CO₂相对与O₂的体积分数；

z为注入压气机内的空气中水蒸气相对与O₂的体积分数。

8.根据权利要求5所述的一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法，其特征在于，当所述空燃比λ的比例值大于所述预设值，所述第一水蒸气占比值的计算公式为：所述第一水蒸气占比值的计算公式为：

其中，A为CO₂的摩尔浓度；

B为H₂O的摩尔浓度；

D为N₂的摩尔浓度；

E为O₂的摩尔浓度。

9.根据权利要求8所述的一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的方法，其特征在于，所述第一水蒸气占比值的计算公式中A值、B值、D值和E值的计算公式分别为：

其中，λ为空燃比，所述空燃比表征压气机中空气与燃料的质量比；

n为碳氢比，所述碳氢比表征碳原子与氢原子的原子比；

x为注入压气机内的空气中N₂相对与O₂的体积分数；

y为注入压气机内的空气中CO₂相对与O₂的体积分数；

z为注入压气机内的空气中水蒸气相对与O₂的体积分数。

10.一种防止水冷式冷却器下游混合气冷凝的装置，其特征在于，包括：

信息获取模块，用于根据发动机的当前工况，获取第一水蒸气占比值、第二水蒸气占比值和EGR率，所述第一水蒸气占比值表征为废气环境中水蒸气占比值χ_e，所述第二水蒸气占比值表征为大气环境中水蒸气占比值χ_a；

第一计算模块，用于根据所述第一水蒸气占比值、所述第二水蒸气占比值和所述EGR率，计算出第三水蒸气占比值，所述第三水蒸气占比值表征为水冷式冷却器下游的混合气环境中水蒸气占比值χ_m；

第二计算模块，用于根据所述第三水蒸气占比值，计算出水冷式冷却器下游的混合气环境中饱和水蒸气压力的最小值；

第三计算模块，用于根据所述最小值结合混合气环境中饱和水蒸气压力的经验公式，计算出露点温度；

执行模块，用于根据所述露点温度控制途径水冷式冷却器的冷却液流量，用于防止所述水冷式冷却器下游混合气冷凝现象发生。

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