CN204386776U - 二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于内燃机技术领域，涉及一种二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置；克服了仅通过单个文丘里管难以满足发动机全负荷工况范围内均能实现较好的废气再循环的问题；包括发动机、中冷器、低压级涡轮机、低压级压气机、高压级涡轮机、高压级压气机、EGR冷却器、大文丘里管、小文丘里管、发动机排气歧管、发动机进气歧管和电控EGR阀；发动机排气歧管与高压级涡轮机相连，高压级涡轮机与低压级涡轮机相连；低压级压气机与高压级压气机相连；发动机排气歧管与EGR冷却器相连，EGR冷却器与电控EGR阀相连，再通过三通管路分支，两个分支管路分别与小文丘里管和大文丘里管相连；该装置为发动机引入较大比例EGR提供可行性，降低缸内NOx排放量。

Description

二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置

技术领域

本实用新型属于内燃机技术领域，具体涉及一种二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置。

背景技术

增压柴油机因其燃油经济性好和动力性强等优点而被广泛用于各种机械装置，尤其是用在重型汽车上。然而由于传统增压技术难以满足发动机对功率的需求，因此新型增压技术如二级增压装置开始应用于发动机上，二级增压柴油机较单级增压相比进气量显著增加，最大功率和扭矩得到提高，但其较高的进气量容易导致缸内富氧燃烧，会产生较多NOx排放量。科学研究表明NOx排放可造成光化学烟雾，对人体危害极大。因此，降低柴油机NOx排放技术已成为热点问题。目前柴油机降低NOx排放技术主要分为机内净化和机后尾气处理。尾气处理装置主要为SCR(选择性催化还原技术)，其成本较高，控制技术较复杂；机内净化技术主要为EGR(废气再循环技术)，通过将发动机部分排气引入气缸，可降低缸内燃烧温度和氧浓度，因此能抑制NOx生成量，并且EGR率增加与NOx减少量几乎成线性关系。由于EGR系统成本低，控制技术较简单，目前已成为满足国IV及以上发动机排放法规必不可少的技术。

实现EGR的方式主要包括高压EGR和低压EGR，低压EGR系统指废气从涡轮后引入到压气机前，这种方式能够实现较大比例的EGR，但废气中微粒成分容易造成压气机和中冷器的损坏，需要在引入前安装DPF(柴油机微粒捕集器)捕集微粒，使得成本较高；高压EGR系统指废气从涡轮前引入到压气机后，这种方式不需要安装DPF，成本较低，因此目前应用更为广泛。但其缺点是实现的EGR率较低，由于二级增压柴油机进气压力较高，使得部分负荷工况下涡前与进气后的压差较小甚至为负值，因此EGR引入更加困难，并且随EGR率增加易导致进气温度增加，使得进气效率下降。为满足未来国V及以上发动机排放法规的要求，必须要增大EGR率，因此需要对二级增压柴油机的进气系统装置改进，为引入较大比例EGR创造有利条件。公告号CN203499859，其公告日为2014年3月26日的中国实用新型专利公开了一种《增压柴油机文丘里管废气再循环装置》，其技术方案是通过文丘里管引入EGR，使得高负荷工况下仍能够实现EGR引入，相关研究表明，EGR引入能力和文丘里管喉管直径相关，喉管直径越小则对EGR的引入效果越好，但其仅通过单个文丘里管匹配EGR系统难以保证发动机全工况范围内均具有较好的EGR引入效果，尤其是用于具有较高进气压力的二级增压柴油机上时，若在低速工况下匹配文丘里管系统，则高速工况下进气流量较大容易造成喉管处产生壅塞，进气压力损失较大，因此会使进气效率降低；若在高速工况下匹配文丘里管系统，则低速工况时EGR引入效果不明显，因此通过单个文丘里管不能满足二级增压柴油机所有工况下对EGR率的需求。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的仅通过单个文丘里管难以满足发动机全负荷工况范围内均能实现较好的废气再循环的问题，提供了一种二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置。

为解决上述技术问题，本实用新型是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：

一种二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置，包括发动机6、中冷器16、低压级涡轮机1、低压级压气机2、高压级涡轮机3、高压级压气机4、EGR冷却器7、大文丘里管11、小文丘里管14、发动机排气歧管5、发动机进气歧管8和电控EGR阀10；所述发动机排气歧管5与高压级涡轮机3相连，所述高压级涡轮机3与低压机涡轮机1相连；所述低压级压气机2与高压级压气机4相连；

所述发动机排气歧管5与EGR冷却器7相连，所述EGR冷却器7与所述电控EGR阀10相连，再通过三通管路分支，两个分支管路分别与小文丘里管14和大文丘里管11相连；

所述高压级压气机4与所述中冷器16相连，所述中冷器16与小文丘里管14和大文丘里管11依次连接，所述大文丘里管11连接发动机进气歧管8，发动机进气歧管8与发动机6的发动机气缸相连。

技术方案中所述小文丘里管14并联旁通管路，旁通管路上设有进气旁通阀15。

技术方案中所述文丘里管14喉管处设有压力传感器13，所述发动机进气歧管8内设有氧传感器9，柴油机凸轮轴上设有转速传感器17，发动机曲轴上设有扭矩传感器18。

技术方案中所述小文丘里管14的喉管直径比为0.3；所述大文丘里管11的喉管直径比为0.7；所述小文丘里管14和大文丘里管11的压缩角均为18°、扩压角均为12°。

技术方案中所述小文丘里管14和大文丘里管11的内部管道变直径处均平滑过渡。

技术方案中所述小文丘里管14和大文丘里管11喉管表面均设有引射口21。

技术方案中所述大文丘里管11、小文丘里管14喉管处外端均设有稳压罩19。

技术方案中所述大文丘里管11喉管处外端设有的稳压罩19与所述电控EGR阀10相连的分支管路20上设有控制阀12。

技术方案中所述引射口21在大文丘里管11、小文丘里管14的喉管周围均设置三排圆周，每排圆周均匀布置六个引射口。

技术方案中所述发动机气缸内排出的废气不经过高压级涡轮机3而直接被引入到文丘里管的喉管内。由发动机气缸内排出的废气开始经过的管路称为EGR主管路，在EGR主管路上安装EGR冷却器7和电控EGR阀10，在管路末端通过安装三通管路实现分支，每个分支管路分别与小文丘里14和大文丘里管11管喉管外端的稳压罩19相连。

在EGR主管路上安装EGR冷却器7和电控EGR阀10，由大文丘里管11引入废气的分支管路上安装控制阀12。

本实用新型的目的是对目前应用文丘里管引入EGR的进气装置进行改进，开发可调两级文丘里管进气系统装置，可根据增压发动机工况的变化调节文丘里管与EGR匹配方式，保证二级增压发动机在较宽的工况范围内能够满足对EGR率的需求。该装置可用于优化发动机EGR引入技术，能在任意工况下实现较大比例的EGR，因此在发动机较高进气量前提下应用该装置较为合适。定义文丘里管的直径比为喉管直径和端口直径之比，实用新型所述两级文丘里管由端口直径相同、但喉管直径不同的输入文丘里管和输出文丘里管串联组成，进气装置还包括进气旁通阀，EGR引入系统包括EGR控制阀和EGR冷却器，其主要特征是两个不同喉管直径比的文丘里管串联，第一个采用小文丘里管，第二个采用大文丘里管，在小文丘里管进气端开设旁通管路并安装进气旁通阀。

在每个文丘里管喉管处引入废气，引射口为直径为某一定值的圆孔，每六个圆孔为一排，均匀分布在管圆周上，引射口的方向尽量与进气方向一致。在每个文丘里管喉管外部安装圆形封闭外罩，封闭外罩起稳压作用，每个废气引射口均处于稳压罩内。

在EGR主管道上安装电控EGR阀，用于控制管路开度。文丘里管后的进歧管管内安装氧传感器，可以向ECU传递进气流量的信号，从而控制EGR阀门开度。

在小文丘里管喉管处安装压力传感器，可通过对ECU反馈信号调节进气旁通阀的开度。在ECU内预先设定文丘里管旁通阀开启的临界进气压力p_e，当进气压力小于临界进气压力时，由ECU控制的进气旁通阀关闭；当进气压力大于临界进气压力时，由ECU控制的进气旁通阀开启，旁通阀的开度可根据发动机的工况自行调节。

如上所述的控制方法为：ECU根据不同的转速和扭矩定义发动机的两种运行工况，即小负荷工况和大负荷工况。首先由转速传感器和扭矩传感器向发动机ECU传递其工况变化信号，ECU根据传递的信号判断发动机所处于的运行状态，当发动机处于小负荷工况时，由ECU控制的控制阀12处于关闭状态，废气全部由小文丘里管引入到进气管内；当发动机处于大负荷工况时，由ECU控制的控制阀12打开，部分废气开始由大文丘里管引入到进气管内，在发动机不同工况下，可以通过调节电控EGR阀的阀门开度来实现不同的EGR率。进气旁通阀的控制方法和上述相同。

在EGR主管路上安装EGR冷却器，采用管壳式结构，芯子使用小直径的薄圆管，冷却水通过薄圆管形成回流，废气则从薄管狭缝中通过。

小文丘里管的喉管直径比为0.3，大文丘里管的喉管直径比为0.7，所述每个文丘里管的压缩角为18°，扩压角为12°，能够满足发动机进气压降及均匀性的要求。文丘里管内部管道变直径处需要平滑过渡，以减少节流损失。

与现有技术相比本实用新型的有益效果是：

通过本实用新型中设计的可调两级文丘里管进气系统，在发动机不同工况下ECU对每个控制阀开度的调节，可实现不同工况的EGR较好的引入效果。与通过单个文丘里管引入EGR的效果相比，发动机能够实现最大的EGR率得到提高，因此在二级增压柴油机进气量足够的前提下，该装置可为发动机引入较大比例EGR提供可行性，可以显著降低缸内NOx排放量。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：

图1是本实用新型所述的二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置结构示意简图；

图2是本实用新型所述的二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置中利用大文丘里管引入EGR的示意图；

图3是本实用新型所述的二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置中大文丘里管喉管处EGR引入方向的示意图；

图4是本实用新型所述的二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置的EGR控制方式流程图；

图中：1、低压级涡轮机；2、低压级压气机；3、高压级涡轮机，4、高压级压气机；5、发动机排气歧管；6、发动机；7、EGR冷却器；8、发动机进气歧管；9、氧传感器；10、电控EGR阀；11、大文丘里管；12、控制阀；13、压力传感器；14、小文丘里管；15、进气旁通阀；16、中冷器；17、转速传感器；18、扭矩传感器；19、稳压罩；20、分支管路；21、引射口。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细的描述：

参阅图1所示，所述的二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置包括发动机6，中冷器16，低压级涡轮机1，低压级压气机2，高压级涡轮机3，高压级压气机4，进气旁通阀15，EGR冷却器7，大文丘里管11、小文丘里管14，压力传感器13，氧传感器9，转速传感器17、扭矩传感器18、发动机排气歧管5、发动机进气歧管8、电控EGR阀10、控制阀12。

在发动机排气端，发动机排气歧管5与高压级涡轮机3相连，高压级涡轮机3与低压机涡轮机1相连，废气可经过两个涡轮机后排出；

在引入废气的管路中，发动机排气歧管5与EGR冷却器7相连，EGR冷却器7与电控EGR阀10相连，再通过三通管路分支，两个分支管路分别与小文丘里管14和大文丘里管11的喉管处相连，部分废气可经过EGR冷却器7和电控EGR阀10后，可分别由大文丘里管11和小文丘里管14的喉管处引入到发动机进气歧管8内；

在发动机进气端，低压级压气机2与高压级压气机4相连，高压级压气机4与中冷器16相连，中冷器16与小文丘里管14相连，小文丘里管14与大文丘里管11串联，大文丘里管11最终连接到发动机进气歧管8内，新鲜空气经过低压级压气机2、高压级压气机4、中冷器16、小文丘里管14和大文丘里管11后进入到发动机进气歧管8内。在小文丘里管14旁并联旁通管路并安装进气旁通阀15调节其开度。发动机进气歧管8与发动机6的发动机气缸相连，压力传感器13安装在文丘里管14喉管处，氧传感器9安装在发动机进气歧管8内，转速传感器17安装在柴油机凸轮轴上，扭矩传感器18安装在发动机曲轴上。

发动机排气歧管5与高压级涡轮机3相连，高压级涡轮机3与低压机涡轮机1相连，废气经过高压级涡轮机3和低压级涡轮机1排出，新鲜空气经过低压级压气机2、高压级压气机4、中冷器16和两个文丘里管后进入气缸内，选择高压级EGR引入方式，即废气从高压级涡轮机3入口前端直接引入到高压级压气机4后的进气管内。此时，废气经过EGR冷却器7后分别与两个文丘里管的喉管处相连，由喉管处引入到发动机进气歧管8内，发动机进气歧管8与发动机气缸相连，压力传感器13安装在小文丘里管13喉管处，用于采集小文丘里管喉管处的压力，并将该信号传递给ECU，氧传感器9安装在发动机气门处，用于采集进气氧浓度信号，并将该信号传递给ECU，转速传感器17安装在发动机凸轮轴上，用于采集其运行的转速信号，并将该信号传递给ECU，扭矩传感器18安装在发动机输出曲轴上，用于采集其扭矩信号，并将该信号传递给ECU。

EGR表示废气再循环；

ECU表示发动机控制器；

SCR表示选择性催化还原；

DPF表示柴油机微粒捕集器；

所述的文丘里管在结构上分为收缩喷嘴段，喉口段和扩压段三部分。废气能够引入到进气管内基本原理是利用文丘里管产生合适的进气节流，形成压力差。由理想流体的伯努利方程可知，流体经过渐缩管时，流体会加速，马赫数增大，压力、温度和密度都会下降；而在扩张形通道内流动时，流体会减速，马赫数减小，压力、温度和密度都升高。因此当新鲜空气流经渐缩管到达喉管处时，此处的进气压力最低，高压级涡轮前与此处的压差显著增加，因此通过将废气引入到文丘里管喉管处可实现较大比例EGR。当废气和新鲜空气在喉管处可以均匀混合后，混合气经过扩压管后进入各缸内，扩压管的作用是把气流的动能转变为压力能，此时气体流速降低，压力升高，因此混合气可以顺利进入发动机气缸内。

所述的废气由高压级涡轮前引入到文丘里管的方法为：首先废气经过EGR冷却器7进行冷却，再通过电控EGR阀10控制其流量，最后通过文丘里管喉管段进入到发动机进气歧管8内。图2为EGR经过大文丘里管的示意图，字母A代表新鲜空气，箭头代表新鲜空气的进气方向，新鲜空气的进气方向如水平箭头方向所示。字母B代表废气，箭头方向为废气的引入方向。首先经过电控EGR阀10的废气通过分支管路20进入到所设计的稳压罩19内，其流动方向如箭头方向所示。稳压罩为设计的封闭外罩，可以起进气稳压作用，通过稳压罩内的气体压力将废气从每个引射口21压入文丘里管的喉管内，与新鲜空气均匀混合后再引入到发动机气缸内。其中引射口布置在文丘里管的喉管周围，每周均匀布置六个引射口，一共三周，废气则由图3所示的箭头方向通过每个引射口进入到文丘里管的喉管内。其中EGR进入小文丘里管的方式和经过大文丘里管的方式相同

图2是大文丘里管引入EGR的示意图，并且大、小文丘里管上都有稳压罩，每个文丘里管引入EGR的方式均相同

引射口21布置在文丘里管的喉管表面上，而稳压罩将喉管封闭于罩内，喉管和引射口均在稳压罩内，且大、小文丘里管上都具有引射口,其数目和布置方式均相同。

每个文丘里管的废气引入文丘里管内的方式均相同，即废气首先进入稳压外罩内，当废气充满稳压罩内部时，会在罩内部产生均匀的压力，废气即可通过每个引射口进入到喉管内，其进入方向参阅图3箭头所示。

控制阀12安装在大文丘里管11喉管外侧稳压罩与电控EGR阀10相连的分支管路20上，参阅图1所示。

所述的二级增压柴油机通过可调两级文丘里管进气装置实现废气再循环的控制方法主要包括进气旁通阀控制方法、EGR率控制方法和EGR引入方式控制方法，其控制流程图参阅图4所示。下述为实现废气再循环的详细控制方法：

1、进气旁通阀控制方法：文丘里管并联旁通管路的目的是防止发动机进气过程中喉管处产生进气壅塞而影响进气量。因此需要对不同工况下进气旁通阀15开度进行优化，在保证发动机进气量不发生恶化的前提下实现较好的EGR引入效果。首先需要设定文丘里管旁通阀开启的临界进气压力p_e，即当进气压力大于临界进气压力时，文丘里管会发生壅塞，此时进气效率开始出现恶化，可由进气管内的氧传感器9测得，并且进气压力可由小文丘里管14喉管处的压力传感器13测得。当喉管处的压力低于临界压力p_e时，由压力传感器反馈到发动机ECU，由ECU控制的旁通阀关闭，气体全部经过文丘里管进入气缸；当喉管处的压力高于临界压力p_e时，由压力传感器反馈到发动机ECU，由ECU控制的旁通阀开启，部分新鲜空气由旁通管路进入到发动机气缸中。旁通阀的开度与发动机工况相关，可由ECU根据不同工况预先设定其开度范围，并通过压力传感器进行反馈调节，保证发动机具有较好的进气量。

2、EGR率控制方法：发动机ECU预先设定好EGR流量、电控EGR阀10的阀门开度和电控EGR阀10的阀门处压力的三维MAP图，发动机ECU在接收阀门处的压力信号后，调节电控EGR阀的开度可以调节通过阀门的EGR流量，进而实现不同的EGR率。当通过外部设备设定所需的某一个EGR率数值时，发动机ECU通过接收不同传感器所传递的信号进行判断，通过氧传感器9测得该工况下的进气流量并将信号传递给ECU，ECU可以根据进气流量和目标EGR率计算出所需要的EGR流量，最后通过调节电控EGR阀的开度来实现该EGR流量，最终实现发动机的目标EGR率。

3、EGR引入方式控制方法：由于在相同的进气管直径条件下，直径比较小的文丘里管喉管处进气压力降低更为显著，因此在低进气量条件下小文丘里管14可作为引入更大比例EGR的首要选择；在高进气量条件下，为了防止小文丘里管可能产生进气壅塞现象而影响发动机的进气量，此时应选择大文丘里管11作为引入EGR的主要选择。因此首先根据转速和扭矩定义发动机的两种运行工况：小负荷工况和大负荷工况。小负荷工况下选用小文丘里管作为EGR的主要引入方式，大负荷工况下选用两个文丘里管作为EGR的引入方式。首先，由发动机ECU接收到转速传感器17和扭矩传感器18传递的信号，并判断发动机当前的运行工况，当发动机处于所定义的小负荷工况时，此时由ECU控制的控制阀12关闭，废气全部由小文丘里管喉管处引入到进气管内，再通过ECU调节电控EGR阀的阀门开度可以实现不同的EGR率；当发动机处于所定义的大负荷工况时，此时由ECU控制的控制阀12开启，部分废气开始由大文丘里管喉管处引入到进气管内，再通过ECU调节电控EGR阀的阀门开度可以实现不同的EGR率。进气旁通阀15的开度控制策略和上述相同，可由压力传感器13进行反馈调节。

Claims (9)

1.一种二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置，包括发动机(6)、中冷器(16)、低压级涡轮机(1)、低压级压气机(2)、高压级涡轮机(3)、高压级压气机(4)、EGR冷却器(7)、大文丘里管(11)、小文丘里管(14)、发动机排气歧管(5)、发动机进气歧管(8)和电控EGR阀(10)；所述发动机排气歧管(5)与高压级涡轮机(3)相连，所述高压级涡轮机(3)与低压级涡轮机(1)相连；所述低压级压气机(2)与高压级压气机(4)相连；其特征在于：

所述发动机排气歧管(5)与EGR冷却器(7)相连，所述EGR冷却器(7)与所述电控EGR阀(10)相连，再通过三通管路分支，两个分支管路分别与小文丘里管(14)和大文丘里管(11)相连；

所述高压级压气机(4)与所述中冷器(16)相连，所述中冷器(16)与小文丘里管(14)和大文丘里管(11)依次连接，所述大文丘里管(11)连接发动机进气歧管(8)，发动机进气歧管(8)与发动机(6)的发动机气缸相连。

2.根据权利要求1所述的一种二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置，其特征在于：

所述小文丘里管(14)并联旁通管路，旁通管路上设有进气旁通阀(15)。

3.根据权利要求1所述的一种二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置，其特征在于：

所述文丘里管(14)喉管处设有压力传感器(13)，所述发动机进气歧管(8)内设有氧传感器(9)，柴油机凸轮轴上设有转速传感器(17)，发动机曲轴上设有扭矩传感器(18)。

4.根据权利要求1所述的一种二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置，其特征在于：

所述小文丘里管(14)的喉管直径比为0.3；所述大文丘里管(11)的喉管直径比为0.7；所述小文丘里管(14)和大文丘里管(11)的压缩角均为18°、扩压角均为12°。

5.根据权利要求4所述的一种二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置，其特征在于：

所述小文丘里管(14)和大文丘里管(11)的内部管道变直径处均平滑过渡。

6.根据权利要求1所述的一种二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置，其特征在于：

所述小文丘里管(14)和大文丘里管(11)喉管表面均设有引射口(21)。

7.根据权利要求1至6任一所述的一种二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置，其特征在于：

所述大文丘里管(11)、小文丘里管(14)喉管处外端均设有稳压罩(19)。

8.根据权利要求7所述的一种二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置，其特征在于：

所述大文丘里管(11)喉管处外端设有的稳压罩(19)与所述电控EGR阀(10)相连的分支管路(20)上设有控制阀(12)。

9.根据权利要求6所述的一种二级增压柴油机实现废气再循环的可调文丘里管装置，其特征在于：

所述引射口(21)在大文丘里管(11)、小文丘里管(14)的喉管周围均设置三排圆周，每排圆周均匀布置六个引射口。