用于二級增壓內燃機的可調高/低壓EGR系統及控制方法與流程

本發明屬于內燃機技術領域，具體涉及一種用于二級增壓內燃機的可調高/低壓EGR系統及控制方法。

背景技術：

日益嚴格的排放法規對降低發動機NOx和微粒(PM)排放提出了更高的要求，實現發動機高效清潔燃燒以滿足排放法規已成為目前面臨的重要難題與挑戰。廢氣再循環(EGR)技術被認為是現代發動機降低NOx排放最有效的手段之一。

二級增壓柴油機相對于單級增壓具有可實現較高的增壓比，增加每循環吸入氣缸內的空氣量，并增加循環供油量，以提高發動機功率密度等優點，但容易導致缸內高溫富氧燃燒，增加NOx排放量。因此，為了消除這種不利影響，需要采用EGR技術降低缸內溫度及燃燒過程中的氧氣量。

目前，發動機常采用外部EGR，其能通過電控系統精確控制EGR率，并通過中冷器降低循環廢氣溫度從而降低燃燒溫度。外部EGR分為高壓和低壓EGR，高壓EGR是將渦輪機進口廢氣引入壓氣機出口，不通過壓氣機和中冷器，避免了EGR隨工況變化響應滯后，在發動機冷啟動時能夠迅速暖機。但在柴油機中、大負荷時，增壓發動機會出現壓氣機出口壓力大于渦輪機前排氣壓力現象，逆向的壓差使得EGR很難實現；低壓EGR是將渦輪機進口廢氣引到壓氣機進口，可形成較大的壓差，在較大的運轉范圍易實現EGR。但廢氣會腐蝕增壓器及中冷器，降低柴油機的可靠性和壽命，并且EGR氣體流經壓氣機后發動機工況變化響應滯后。

高壓EGR和低壓EGR都存在著各自的優點與不足，因此可以建立高/低EGR系統取長補短。目前現存的高/低壓EGR能夠滿足傳統燃燒方式對大EGR率的需求并能兼顧不同工況下的燃油經濟性，但傳統高/低壓EGR需要兩套EGR系統，相應的閥及冷卻器增多造成管路復雜，裝配困難，制造和維護成本高。

技術實現要素：

本發明的目的在于提出一種用于二級增壓內燃機的可調高/低壓EGR系統及控制方法，該系統能夠根據內燃機工況狀態切換高壓EGR或低壓EGR工作模式，使其不但能夠實現大EGR率，還兼顧不同負荷對EGR的需求；結構簡單、制造成本低，能夠有效改善發動機性能，尤其降低NOx排放。

本發明的技術方案是：

該系統包括電子控制單元ECU、內燃機、通過進氣歧管連接在內燃機進氣口上的進氣總管、通過排氣歧管連接在內燃機排氣口上的排氣總管、與進氣總管依次順序連通的進氣中冷器、高壓級壓氣機、級間中冷器、低壓級壓氣機，與排氣總管依次順序連通的高壓級渦輪機、低壓級渦輪機，并在排氣總管引出一條排氣旁通管路與EGR閥進氣口A連接；文丘里管安裝在EGR閥出氣口B所連接的高壓EGR管路上；在所述的高壓級渦輪管路并聯高壓級渦輪旁通管路；所述的高、低壓級渦輪機分別與高、低壓級壓氣機之間同軸轉動連接。其特征在于：

所述的EGR閥進氣口A與發動機排氣旁通管路相連；EGR閥出氣口B通過文丘里管與高壓EGR管路一端連接，高壓EGR管路的另一端與進氣總管連接；EGR閥出氣口C與低壓EGR管路一端連接，低壓EGR管路的另一端與低壓級壓氣機進氣口端管路連接；所述的高壓級渦輪旁通管路上安裝高壓級廢氣旁通蝶閥；

所述的電子控制單元ECU分別與轉速傳感器、扭矩傳感器、渦前壓力傳感器、與EGR閥閥塊相連的位置傳感器、高壓級廢氣旁通蝶閥相連；

所述的EGR閥是一個電動集成式三通閥，包括電機、閥體、閥塊、閥桿、曲柄、連桿、銷釘、卡環與位置傳感器；閥體與閥塊同為圓柱形結構件，在閥塊左端面以其軸線為基準對稱加工兩個帶銷孔的凸臺并將閥塊水平安裝在閥體內且直徑略小于閥體內徑；閥桿中間加工一個不連通的銷孔并將閥桿插入閥體內部，保證閥桿與閥塊軸線垂直且在同一平面內；曲柄的一端為帶銷孔的環狀結構，利用銷釘及卡環與閥桿上銷孔固定連接實現過渡配合，另一端加工兩個以閥塊軸線為基準對稱的帶銷孔的凸臺，連桿兩端利用帶有卡環限位的銷釘分別與曲柄和閥塊帶銷孔的凸臺連接，實現在水平面內的自由轉動；電機與閥桿同軸連接，驅動閥桿及曲柄同步旋轉并帶動連桿在水平面內移動使閥塊在閥體內水平左右移動，位置傳感器的移動端安裝在閥塊上；根據發動機的工況，調整閥桿旋轉角度以實現高/低壓EGR管路的切換，通過不同位置閥塊的位置傳感器信號反饋，計算出對應廢氣流量及EGR率；閥體的進氣口A、出氣口B、出氣口C接口直徑相等，分別與排氣旁通管路、低壓EGR管路、高壓EGR管路連接且對應直徑相等，三個接口的中心孔的回轉軸線同處于一個水平面內，出氣口B與出氣口C的回轉軸線共線，進氣口A的回轉軸線與出氣口B、C的回轉軸線垂直；

所述的文丘里管喉管與進口直徑比為0.6，擴壓段為圓錐形，其錐角為12°，壓縮段錐角為18°。文丘里管內部以及擴壓段變直徑管道處都是平滑過渡連接，以減少流動損失；廢氣通過喉管處，產生不同的真空度以實現最大程度的廢氣引入，確保廢氣能夠順利流入進氣總管中。

本發明的主要思想是：對目前現有的高/低壓EGR系統進行改進，通過設計集成式EGR閥的結構，實現高/低壓EGR管路的靈活快速切換，并將兩個管路共用一個EGR閥和一個進氣冷卻器；由于增壓發動機經常會出現增壓后進氣壓力大于渦前排氣壓力現象，導致EGR得不到足夠高的驅動力，因此在高壓EGR管路安裝文丘里管，利用其喉管處產生真空度，可以順利的將廢氣引入進氣系統中，進一步加大EGR的容忍度，從而實現相對較大EGR率；EGR廢氣從高壓級渦輪機前進氣口A引入，在發動機小負荷(冷啟動或怠速)工況下，連通高壓EGR管路，廢氣不通過壓氣機，響應速度快；在中、大負荷工況下，連通低壓EGR管路，能夠獲得較大壓差，實現較大的EGR率；此外，還可以通過調整EGR閥閥塊位置不采用EGR；通過調節EGR閥中閥塊位置，能夠改變通過管路中的廢氣的流通面積，進而實現EGR率的調節；當渦前壓力傳感器到達預警值或增壓壓力過高發生喘振現象時，可以部分開啟廢氣旁通蝶閥將廢氣排出，保證二級增壓發動機在寬工況范圍內滿足對EGR率的需求。

具體的控制方法通過下列步驟實現：

1、順利起動二級增壓內燃機；

2、采集內燃機轉速、轉矩、渦前壓力、閥塊位置及廢氣旁通閥開度等信號，并輸入渦前壓力預警值；

3、根據采集到的信號判斷當前內燃機的負荷工況狀態，若在小負荷工況下，則開啟高壓EGR管路，進入步驟4；否則在中、大負荷工況下，開啟低壓EGR管路，進入步驟5；

4、確定內燃機為小負荷工況，電機驅動EGR閥閥桿旋轉帶動曲柄連桿機構調節閥塊水平右移；

5、確定內燃機為中、大負荷工況，電機驅動EGR閥閥桿旋轉帶動曲柄連桿機構調節閥塊水平左移；

6、判斷當前內燃機燃燒狀態，基于目標EGR率調節EGR閥閥塊位置，實現目標EGR率。

本發明的有益效果：

1、本發明設計的一種用于二級增壓內燃機的可調高/低壓EGR系統及控制方法可以實現不同工況需求下的高/低壓EGR管路切換，通過對EGR閥的集成式設計，使高/低壓EGR管路共用一個閥就可以將廢氣引入到進氣總管；

2、高/低EGR管路僅使用一個進氣冷卻器代替各自的EGR冷卻器，在達到冷卻效果的同時節省了成本和空間，便于安裝在車用發動機上；

3、在發動機小負荷(冷啟動或怠速)工況下，連通高壓EGR，廢氣不通過壓氣機，響應速度快；在中、大負荷工況下，連通低壓EGR，能夠獲得較大壓差，實現較大的EGR率；當不需要采用EGR時，調節EGR閥閥塊位置，使進氣口A關閉。

附圖說明

圖1是用于二級增壓內燃機的可調高/低壓EGR系統結構示意圖；

圖2是采用高壓EGR時EGR閥內結構示意圖；

圖3是采用低壓EGR時EGR閥內結構示意圖；

圖4是文丘里管結構示意圖；

圖5是用于二級增壓內燃機的可調高/低壓EGR系統控制方法流程圖。

圖中：進氣歧管1、內燃機2、排氣歧管3、排氣總管4、排氣旁通管路5、EGR閥6、低壓EGR管路7、廢氣旁通蝶閥8、高壓級渦輪旁通管路9、高壓級渦輪機管路10、高壓級渦輪機11、低壓級渦輪機12、進氣總管13、進氣中冷器14、文丘里管15、高壓EGR管路16、高壓級壓氣機17、級間中冷器18、低壓級壓氣機19、電子控制單元ECU20、轉速傳感器21、扭矩傳感器22、渦前壓力傳感器23、閥體24、閥桿25、曲柄26、卡環27、銷釘28、連桿29、閥塊30、卡環31、銷釘32、卡環33、銷釘34。

具體實施方式

下面結合附圖所示的實施例對本發明技術方案作進一步詳細闡述：

參照圖1，一種用于二級增壓內燃機的可調高/低壓EGR系統及控制方法，包括：電子控制單元ECU20、內燃機2、通過進氣歧管1連接在內燃機2進氣口上的進氣總管13、通過排氣歧管3連接在內燃機2排氣口上的排氣總管4、與進氣總管13依次順序連通的進氣中冷器14、高壓級壓氣機17、級間中冷器18、低壓級壓氣機19，與排氣總管4依次順序連通的高壓級渦輪機11、低壓級渦輪機12，并在排氣總管4引出一條排氣旁通管路5與EGR閥6進氣口A連接；文丘里管15安裝在EGR閥6出氣口B所連接的高壓EGR管路16上；在所述的高壓級渦輪管路10并聯高壓級渦輪旁通管路9；所述的高、低壓級渦輪機11、12分別與高、低壓級壓氣機17、19之間同軸轉動連接。其特征在于：

所述的EGR閥6出氣口A與發動機排氣旁通管路5相連；EGR閥6出氣口B通過文丘里管15與高壓EGR管路16一端連接，高壓EGR管路16的另一端與進氣總管13連接；EGR閥6出氣口C與低壓EGR管路7一端連接，低壓EGR管路7的另一端與低壓級壓氣機19進氣口端管路連接；所述的高壓級渦輪旁通管路9上安裝高壓級廢氣旁通蝶閥8；

所述的電子控制單元ECU20分別與轉速傳感器21、扭矩傳感器22、渦前壓力傳感器23、與EGR閥6閥塊30相連的位置傳感器、高壓級廢氣旁通蝶閥8相連。

參照圖2、圖3，所述的EGR閥6是一個電動集成式三通閥，包括電機、閥體24、閥塊30、閥桿25、曲柄26、連桿29、銷釘28、32、34、卡環27、31、33與位置傳感器；閥體24與閥塊30同為圓柱形結構件，在閥塊30左端面以其軸線為基準對稱加工兩個帶銷孔的凸臺并將閥塊30水平安裝在閥體24內且直徑略小于閥體24內徑；閥桿25中間加工一個不連通的銷孔并閥桿25其插入閥體24內部，保證閥桿25與閥塊30軸線垂直且在同一平面內；曲柄26的一端為帶銷孔的環狀結構，利用銷釘32及卡環31與閥桿25上銷孔固定連接實現過渡配合，另一端加工兩個以閥塊30軸線為基準對稱的帶銷孔的凸臺，連桿29兩端利用帶有卡環27、33限位的銷釘28、34分別與曲柄26和閥塊30帶銷孔的凸臺連接，實現在水平面內的自由轉動；電機與閥桿25同軸連接，驅動閥桿25及曲柄26同步旋轉并帶動連桿29在水平面內移動使閥塊30在閥體24內水平左右移動，位置傳感器的移動端安裝在閥塊30上；根據發動機的工況，調整閥桿25旋轉角度以實現高/低壓EGR管路的切換，通過不同位置閥塊30的位置傳感器信號反饋，計算出對應廢氣流量及EGR率；閥體24的進氣口A、出氣口B、出氣口C接口直徑相等，分別與排氣旁通管路5、低壓EGR管路7、高壓EGR管路16連接且對應直徑相等，三個接口的中心孔的回轉軸線同處于一個水平面內，出氣口B與出氣口C的回轉軸線共線，進氣口A的回轉軸線與出氣口B、C的回轉軸線垂直；

在發動機小負荷工況下，采用高壓EGR，電機驅動閥桿25帶動曲柄26連桿29機構調節EGR閥6閥塊30水平右移，連通EGR閥6出氣口B與高壓EGR管路16，通過改變EGR閥6閥塊30占出氣口B體積的比例，調節廢氣進入高壓EGR管路16流量，實現高壓EGR率的連續調節；在發動機中、大負荷工況下，采用低壓EGR，電機驅動閥桿25帶動曲柄26連桿29機構調節EGR閥6閥塊30水平左移，連通EGR閥6出氣口C與低壓EGR管路7，通過改變EGR閥6閥塊30占出氣口C體積的比例，調節廢氣進入低壓EGR管路7流量，實現低壓EGR率的連續調節。

參照圖4，文丘里管15結構分為收縮段、喉管段和擴壓段。廢氣在收縮段通道內流動時，氣體會加速，馬赫數會增大，壓力、溫度和密度都會下降；而在擴壓段通道內流動時，氣體會減速，馬赫數減小，壓力、溫度和密度都升高。文丘里管15利用此原理，在廢氣在收縮管內流動時，氣體壓力減小，在喉管處會產生真空度，利用這個真空度就可以順利將廢氣引入進氣總管13中。通過利用文丘里管15，降低了廢氣的流動阻力，有效抑制閥堵塞的現象，同時能夠實現較大的EGR率，降低發動機的功率損失。

參照圖5，根據采集到的轉速、扭矩、渦前壓力、閥塊30位置以及廢氣旁通蝶閥8開度信號判斷當前內燃機2的負荷狀態，在發動機小負荷(冷啟動或怠速)工況下，采用高壓EGR通路16，電機驅動EGR閥6閥桿25旋轉帶動曲柄26連桿29機構調節閥塊30水平右移，使廢氣不通過壓氣機，響應速度快；在中、大負荷工況下，采用低壓EGR通路7，電機驅動EGR閥6閥桿25旋轉帶動曲柄26連桿29機構調節閥塊30水平左移，能夠獲得較大壓差，實現較大的EGR率。判斷當前內燃機2燃燒狀態，基于目標EGR率調節EGR閥6閥塊30位置，實現目標EGR率。