CN113738545A - 一种混动发动机egr系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混动发动机EGR系统及其控制方法，EGR管路上沿废气进气方向依次串接有废气稳压腔、废气冷却器、电动废气压气机和用于向缸盖各进气道喷射废气的废气喷射系统；EGR管路的进气端与排气管路连通，所述EGR管路上还设置有EGR控制阀和第一喷油器座，第一喷油器座位于废气稳压腔和EGR控制阀之间；缸内燃油直喷系统包括高压油轨、废气管喷油器和多个缸内喷油器，缸内喷油器与发动机内的气缸一一对应设置，缸内喷油器设置在发动机各气缸的喷油器座上，所述废气管喷油器设置在第一喷油器座上，废气管喷油器和各个缸内喷油器分别通过高压输油管与高压油轨相连。该系统提高了EGR引入能力及使用工况区域，且还提高了发动机抗爆震能力及理论循环热效率。
Description
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种混动发动机EGR系统及其控制方法。
背景技术
随着燃油耗法规的日益严格，发动机高热效率逐渐成为最为重要的开发目标，各主机厂均开始研制超高热效率发动机以改善整车油耗，或匹配混动系统，其中EGR技术的应用尤为重要。通过将排气管中的废气再次引入缸内可有效抑制汽油机爆震，进而使发动机压缩比得以大幅提升，此外缸内废气还可降低燃烧温度，减少传热损失，由此使得发动机热效率明显改善。
然而当前EGR技术也存在诸多问题，由于废气使得混合气活性降低，因此缸内废气比例增加至一定程度后，将导致发动机燃烧速率及燃烧稳定性均明显下降，而废气引入比例不足将难以克服采用超高压缩比时带来的强烈爆震倾向，进而限制了热效率进一步提升。此外废气引入将导致发动机充气效率降低，造成动力性下降。尽管采用进气增压的方式可在一定程度上弥补充气效率的下降，但随着废气比例的增加将造成排气背压上升，泵气损失增加，且在大负荷工况下引入较高比例废气对增压压力要求明显增加，实现困难。上述问题在配合采用稀薄燃烧的情况下将更为凸显。另一方面，增压发动机在低速中高负荷区域进气压力较高，因此只能将废气引入压气机前，由此使得EGR系统管路明显较长，造成瞬态响应能力和精度控制较差，容易造成爆震或失火情况发生。
发明内容
本发明的目的是提供一种混动发动机EGR系统，能提高EGR引入能力及使用工况区域，快速精确控制废气比例，同时利用低温氧化实现燃料重整，增加废气活性，由此加快发动机高稀释比例下的燃烧速率，提高发动机抗爆震能力，进而提升发动机动力性和经济性。
为实现上述目的，本发明提供了一种混动发动机EGR系统，包括发动机、ECU 、EGR管路、进气歧管、排气总管、用于向发动机的气缸内输送空气的空气进气管路和用于发动机的气缸内废气排出的排气管路，所述空气进气管路通过进气歧管与发动机连接，所述排气管路通过排气总管与发动机连通，所述进气歧管上设置有用于检测进气歧管喷射背压的进气压力传感器；
所述EGR管路上沿废气进气方向依次串接有废气稳压腔、废气冷却器、电动废气压气机和用于向缸盖各进气道喷射废气的废气喷射系统；所述EGR管路的进气端与排气管路连通，所述EGR管路上还设置有EGR控制阀和第一喷油器座，所述EGR控制阀设置在废气稳压远离废气冷却器的一侧；所述第一喷油器座位于废气稳压腔和EGR控制阀之间，所述电动废气压气机与集成式电机系统连接；
所述缸内燃油直喷系统包括高压油轨、废气管喷油器和多个缸内喷油器，所述缸内喷油器与发动机内的气缸一一对应设置，所述缸内喷油器设置在发动机各气缸的喷油器座上，所述废气管喷油器设置在第一喷油器座上，所述废气管喷油器和各个缸内喷油器分别通过高压输油管与高压油轨相连；
所述进气压力传感器、EGR控制阀、缸内燃油直喷系统、废气喷射系统、电动废气压气机和集成式电机系统分别与ECU连接。
进一步，所述废气喷射系统包括废气喷射气轨、气轨压力传感器和多个废气喷射阀，所述废气喷射阀与缸盖进气道一一对应设置，所述废气喷射阀安装在对应缸盖进气道的喷射阀座上，各个所述废气喷射阀分别通过废气输送管与废气喷射气轨连接，所述废气喷射气轨与电动废气压气机连接，所述多个废气喷射阀和气轨压力传感器与ECU连接。
进一步，所述排气管路上串接有排气后处理系统。
进一步，所述EGR管路与排气管路之间连接位置位于排气后处理系统远离排气总管的一侧。
进一步，所述空气进气管路上依次沿空气进气方向依次串接有空气滤清器、电动空气压气机、进气增压中冷器和节气门，所述节气门与进气歧管连接，所述电动空气压气机与集成式电机系统连接，所述电动空气压气机和节气门与ECU连接。
进一步，所述电动空气压气机和电动废气压气机集成式电机系统分别独立控制。
本发明还提供了一种混动发动机EGR控制方法，利用如所述的混动发动机EGR系统，步骤包括：
获取实际气轨压力，ECU计算目标气轨压力和实际气轨压力的差值，对废气压气机的转速及EGR控制阀的开度进行实时PID控制；
ECU通过PID调节控制电动废气压气机的转速维持目标废气喷射气轨压力，并结合充气模型计算的空气流量，以及进气压力传感器测得的进气歧管中的喷射背压，计算喷入目标比例废气所需的废气喷射开启时间；
到达废气喷射开启时间时，废气喷射系统从进气上止点开始向各进气道喷入废气，与空气混合后进入发动机的缸内；
当处于中等负荷工况时，发动机采用稀燃配合EGR的工作方式，此时EGR控制阀全开，废气管喷油器持续向EGR管路中的含氧废气喷入燃油，喷入的燃油量与总燃油消耗量的比值与目标EGR率保持一致；其中，中等负荷工况即60Nm-140Nm负荷范围内。
进一步，所述发动机采用稀燃配合EGR的工作方式，具体为：将过量空气系数控制在（1,2）范围内，目标EGR率控制在20%以上。
进一步，当处于大负荷工况时，发动机采用当量燃烧配合EGR的工作方式，此时废气管喷油器停止工作，EGR控制阀全开，废气喷射系统向各进气道中喷入废气，与空气混合后进入缸内；其中，大负荷工况即140Nm以上的大负荷区域。
进一步，当处于小负荷工况，发动机采用纯稀燃工作方式，此时废气喷射系统不工作，并迅速建立目标废气喷射气轨压力，其中，小负荷工况即60Nm以下的负荷。
本发明与现有技术相比较具有以下优点：
本发明的混动发动机EGR系统，能够提高EGR引入能力及使用工况区域，快速精确控制废气比例，同时利用低温氧化实现燃料重整，增加废气活性，由此加快发动机高稀释比例下的燃烧速率，提高发动机抗爆震能力及理论循环热效率，进而更有利于采用超高压缩比大幅提高热效率水平。
附图说明
图1为本发明混动发动机EGR系统的结构示意图。
图中：
1-发动机；2-空气滤清器；3-电动空气压气机；4-进气增压中冷器；5-节气门；6-进气歧管；7-电动废气压气机；8-废气冷却器；9-废气稳压腔；10-ECU，1a-进气压力传感器；b2-气轨压力传感器，b1-废气喷射气轨，b3-废气喷射阀；c1-EGR控制阀，d1-排气总管，f1-排气后处理系统，g1-排气管路，h1-EGR管路，k1-高压油轨，k2-废气管喷油器，k3-缸内喷油器，M-集成式电机系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
参见图1所示，本实施例公开了一种混动发动机EGR系统，包括发动机1、ECU 10、EGR管路h1、进气歧管6、排气总管d1、用于向发动机1的气缸内输送空气的空气进气管路和用于发动机1的气缸内废气排出的排气管路g1，所述空气进气管路通过进气歧管6与发动机1连接，所述排气管路g1通过排气总管d1与发动机1连通，所述进气歧管6上设置有用于检测进气歧管6喷射背压的进气压力传感器1a；
所述EGR管路h1上沿废气进气方向依次串接有废气稳压腔9、废气冷却器8、电动废气压气机7和用于向缸盖各进气道喷射废气的废气喷射系统；所述EGR管路h1的进气端与排气管路g1连通，所述EGR管路h1上还设置有EGR控制阀c1和第一喷油器座，所述EGR控制阀c1设置在废气稳压9远离废气冷却器8的一侧；所述第一喷油器座位于废气稳压腔9和EGR控制阀c1之间，所述电动废气压气机7与集成式电机系统M连接；
所述缸内燃油直喷系统包括高压油轨k1、废气管喷油器k2和多个缸内喷油器k3，所述缸内喷油器k3与发动机内的气缸一一对应设置，所述缸内喷油器k3设置在发动机1各气缸的喷油器座上，所述废气管喷油器k2设置在第一喷油器座上，所述废气管喷油器k2和各个缸内喷油器k3分别通过高压输油管与高压油轨k1相连；
所述进气压力传感器1a、EGR控制阀c1、缸内燃油直喷系统、废气喷射系统、电动废气压气机7和集成式电机系统M分别与ECU连接。
废气喷射系统工作时，发动机采用稀薄燃烧方式，EGR控制阀c1保持全开，废气由排气路g1进入EGR管路h1，废气管喷油器k2向含氧废气中喷入一定量燃油，在废气稳压腔9和废气冷却器8前的管路中发生低温氧化反应，生成部分小分子烯烃、炔烃以及醛、醚等高活性物质，随后废气经过冷却，通过电动废气压气机7进入废气喷射气轨b1，并通过废气喷射阀b3直接喷入进气歧管6中与新鲜空气混合后进入缸内。
为了提高重整反应效果，在废气管喷油器k2后设置了废气稳压腔9，以降低气体流速，增加反应时间。
在本实施例中，发动机为一台1.5L直喷汽油机，并采用16~17的超高压缩比。
在本实施例中，所述废气喷射系统包括废气喷射气轨b1、气轨压力传感器b2和多个废气喷射阀b3，所述废气喷射阀b3与缸盖进气道一一对应设置，所述废气喷射阀b3安装在对应缸盖进气道的喷射阀座上，各个所述废气喷射阀b3分别通过废气输送管与废气喷射气轨b1连接，所述废气喷射气轨b1与电动废气压气机7连接，所述多个废气喷射阀b3和气轨压力传感器b2分别与ECU连接。气轨压力传感器b2用于采集实际气轨压力。
在本实施例中，所述排气管路g1上串接有排气后处理系统f1。
在本实施例中，所述EGR管路h1与排气管路g1之间连接位置位于排气后处理系统f1远离排气总管d1的一侧。该手段能够减少对所述废气喷射系统零部件的污损。
在本实施例中，所述空气进气管路上依次沿空气进气方向依次串接有空气滤清器2、电动空气压气机3、进气增压中冷器4和节气门5，所述节气门5与进气歧管6连接，所述电动空气压气机3与集成式电机系统M连接，所述电动空气压气机3和节气门5与ECU连接。
在本实施例中，所述电动空气压气机3和电动废气压气机7集成式电机系统M分别独立控制。
本实施例还公开了一种混动发动机EGR控制方法，利用上所述的混动发动机EGR系统，步骤包括：
获取实际气轨压力，ECU计算目标气轨压力和实际气轨压力的差值，对废气压气机7的转速及EGR控制阀c1的开度进行实时PID控制；
ECU10通过PID调节控制电动废气压气机7的转速维持目标废气喷射气轨压力，并结合充气模型计算的空气流量，以及进气压力传感器1a测得的进气歧管6中的喷射背压，计算喷入目标比例废气所需的废气喷射开启时间；
到达废气喷射开启时间时，废气喷射系统从进气上止点开始向各进气道喷入废气，与空气混合后进入发动机的缸内；
当处于中等负荷工况时，发动机采用稀燃配合EGR的工作方式，此时EGR控制阀c1全开，废气管喷油器k2持续向EGR管路h1中的含氧废气喷入燃油，喷入的燃油量与总燃油消耗量的比值与目标EGR率保持一致；其中，中等负荷工况即60Nm-140Nm负荷范围内。
废气管喷油器k2持续向EGR管路h1中的含氧废气喷入燃油，喷入的燃油量与总燃油消耗量的比值与目标EGR率保持一致，能够保证废气管喷油器k2喷入的燃油量与废气流量成正比，从而使得废气成分尽可能趋于稳定。由于中等负荷工况下，废气温度通常可维持在500K-700K范围内，因此更有利于燃油发生低温氧化反应，实现重整，生成部分小分子烯烃、炔烃以及醛、醚等高活性物质，一方面可提高燃油㶲品质并加快燃烧速率，另一方面由于小分子燃料比热比更高，因此可增加理论循环热效率，同时其抗爆震能力也更强，进而更有利于配合16以上的超高压缩比大幅提高热效率水平。通过采用废气喷射方式，发动机1即便在稀燃的情况下，仍可轻易实现20%以上的废气稀释比例，通过进一步配合强滚流气道提高缸内湍动能，发动机具有实现45%及以上热效率的潜力，同时经济性使用工况区域可得到大幅拓展。此外，通过采用进气和循环废气电动增压，可显著提升EGR的瞬态响应及精准控制能力，从而避免在整车上使用时出现废气比例过高或过低导致的爆震及失火问题。
在本实施例中，所述发动机采用稀燃配合EGR的工作方式，具体为：将过量空气系数控制在（1,2）范围内，目标EGR率控制在20%以上。可选的，过量空气系数控制在1.5附近，目标EGR率控制在20%以上。
在本实施例中，当处于大负荷工况时，发动机采用当量燃烧配合EGR的工作方式，此时废气管喷油器k2停止工作，EGR控制阀c1全开，废气喷射系统向各进气道中喷入废气，与空气混合后进入缸内；其中，大负荷工况即140Nm以上的大负荷区域。在140Nm以上的大负荷区域，为保证发动机仍具有较好的动力性表现，发动机采用当量燃烧配合EGR的方式，从而避免稀燃造成的充气效率过低的问题。通过进气和废气的电动增压以及废气喷射，大负荷工况也实现较高的EGR率，从而减少大负荷工况爆震倾向及混合气加浓程度。
在本实施例中，当处于小负荷工况，发动机采用纯稀燃工作方式，此时废气喷射系统不工作，并迅速建立目标废气喷射气轨压力，其中，小负荷工况即60Nm以下的负荷。废气喷射系统不工作即废气喷射阀b3保持关闭状态。
在本实施例中，所述迅速建立目标废气喷射气轨压力，具体步骤为：ECU首先控制所述EGR控制阀c1全开，并通过电动废气压气机7迅速建立目标废气喷射气轨压力，随后关闭EGR控制阀c1以维持轨压。发动机1起动后，在60Nm以下的小负荷工况，由于此时发动机不发生爆震，发动机1仅采用纯稀燃工作方式，废气喷射阀b3保持关闭状态，但此时EGR系统需尽快建立废气喷射压力。ECU首先控制所述EGR控制阀c1全开，并通过电动废气压气机7迅速建立目标废气喷射气轨压力，随后关闭EGR控制阀c1以维持轨压，一般情况下可将初始目标轨压设定在5bar及以上。
通过采用进气和循环废气电动增压，以及进气道废气喷射，混合气组织更为迅速精确，可有效解决目标进气压力和废气比例响应延迟及无法精准控制的问题，由此明显提升进气和EGR系统瞬态响应能力，同时也可更好的实现稀燃与当量燃烧之间的模式快速切换。
本发明的混动发动机EGR系统，能够提高EGR引入能力及使用工况区域，快速精确控制废气比例，同时利用低温氧化实现燃料重整，增加废气活性，由此加快发动机高稀释比例下的燃烧速率，提高发动机抗爆震能力及理论循环热效率，进而更有利于采用超高压缩比大幅提高热效率水平。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种混动发动机EGR系统，其特征在于，包括发动机（1）、ECU （10）、EGR管路（h1）、进气歧管（6）、排气总管（d1）、用于向发动机（1）的气缸内输送空气的空气进气管路和用于发动机（1）的气缸内废气排出的排气管路（g1），所述空气进气管路通过进气歧管（6）与发动机（1）连接，所述排气管路（g1）通过排气总管（d1）与发动机（1）连通，所述进气歧管（6）上设置有用于检测进气歧管（6）喷射背压的进气压力传感器（1a）；
所述EGR管路（h1）上沿废气进气方向依次串接有废气稳压腔（9）、废气冷却器（8）、电动废气压气机（7）和用于向缸盖各进气道喷射废气的废气喷射系统；所述EGR管路（h1）的进气端与排气管路（g1）连通，所述EGR管路（h1）上还设置有EGR控制阀（c1）和第一喷油器座，所述EGR控制阀（c1）设置在废气稳压（9）远离废气冷却器（8）的一侧；所述第一喷油器座位于废气稳压腔（9）和EGR控制阀（c1）之间，所述电动废气压气机（7）与集成式电机系统（M）连接；
所述缸内燃油直喷系统包括高压油轨（k1）、废气管喷油器（k2）和多个缸内喷油器（k3），所述缸内喷油器（k3）与发动机内的气缸一一对应设置，所述缸内喷油器（k3）设置在发动机（1）各气缸的喷油器座上，所述废气管喷油器（k2）设置在第一喷油器座上，所述废气管喷油器（k2）和各个缸内喷油器（k3）分别通过高压输油管与高压油轨（k1）相连；
所述进气压力传感器（1a）、EGR控制阀（c1）、缸内燃油直喷系统、废气喷射系统、电动废气压气机（7）和集成式电机系统（M）分别与ECU（10）连接。
2.根据权利要求1所述的混动发动机EGR系统，其特征在于，所述废气喷射系统包括废气喷射气轨（b1）、气轨压力传感器（b2）和多个废气喷射阀（b3），所述废气喷射阀（b3）与缸盖进气道一一对应设置，所述废气喷射阀（b3）安装在对应缸盖进气道的喷射阀座上，各个所述废气喷射阀（b3）分别通过废气输送管与废气喷射气轨（b1）连接，所述废气喷射气轨（b1）与电动废气压气机（7）连接，所述多个废气喷射阀（b3）和气轨压力传感器（b2）与ECU连接。
3.根据权利要求1或2所述的混动发动机EGR系统，其特征在于，所述排气管路（g1）上串接有排气后处理系统（f1）。
4.根据权利要求3所述的混动发动机EGR系统，其特征在于，所述EGR管路（h1）与排气管路（g1）之间连接位置位于排气后处理系统（f1）远离排气总管（d1）的一侧。
5.根据权利要求1或2或4所述的混动发动机EGR系统，其特征在于，所述空气进气管路上依次沿空气进气方向依次串接有空气滤清器（2）、电动空气压气机（3）、进气增压中冷器（4）和节气门（5），所述节气门（5）与进气歧管（6）连接，所述电动空气压气机（3）与集成式电机系统（M）连接，所述电动空气压气机（3）和节气门（5）与ECU连接。
6.根据权利要求5所述的混动发动机EGR系统，其特征在于，所述电动空气压气机（3）和电动废气压气机（7）集成式电机系统（M）分别独立控制。
7.一种混动发动机EGR控制方法，其特征在于，利用如权利要求1至6所述的混动发动机EGR系统，步骤包括：
获取实际气轨压力，ECU计算目标气轨压力和实际气轨压力的差值，对废气压气机（7）的转速及EGR控制阀（c1）的开度进行实时PID控制；
ECU（10）通过PID调节控制电动废气压气机（7）的转速维持目标废气喷射气轨压力，并结合充气模型计算的空气流量，以及进气压力传感器（1a）测得的进气歧管（6）中的喷射背压，计算喷入目标比例废气所需的废气喷射开启时间；
到达废气喷射开启时间时，废气喷射系统从进气上止点开始向各进气道喷入废气，与空气混合后进入发动机的缸内；
当处于中等负荷工况时，发动机采用稀燃配合EGR的工作方式，此时EGR控制阀（c1）全开，废气管喷油器（k2）持续向EGR管路（h1）中的含氧废气喷入燃油，喷入的燃油量与总燃油消耗量的比值与目标EGR率保持一致；其中，中等负荷工况即60Nm-140Nm负荷范围内。
8.根据权利要求7所述的发动机EGR控制方法，其特征在于，所述发动机采用稀燃配合EGR的工作方式，具体为：将过量空气系数控制在（1,2）范围内，目标EGR率控制在20%以上。
9.根据权利要求7或8所述的发动机EGR控制方法，其特征在于，当处于大负荷工况时，发动机采用当量燃烧配合EGR的工作方式，此时废气管喷油器（k2）停止工作，EGR控制阀（c1）全开，废气喷射系统向各进气道中喷入废气，与空气混合后进入缸内；其中，大负荷工况即140Nm以上的大负荷区域。
10.根据权利要求9所述的发动机EGR控制方法，其特征在于，当处于小负荷工况，发动机采用纯稀燃工作方式，此时废气喷射系统不工作，并迅速建立目标废气喷射气轨压力，其中，小负荷工况即60Nm以下的负荷。
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