用於二甲醚發動機的通道式egr系統和方法
2023-06-12 15:01:21
專利名稱：用於二甲醚發動機的通道式egr系統和方法
技術領域：
本發明涉及低壓燃料供給系統領域，更具體地，本發明涉及一種通道式二甲醚廢氣再循環(EGR)系統，其無需採用EGR閥以及後處理器而使機械泵的二甲醚發動機達到國 V排放要求。
背景技術：
隨著環境保護問題的重要性日趨增加，如何降低發動機有害物排放是減少大氣汙染的一個重要議題，因此其也成為了未來發動機發展的重要方向。目前降低汽車尾氣排放一般不再是從發動機本身的結構方面來採取措施，而通常採取排氣後處理的方式來降低汙染物的排放量。在現有的各種降低有害排放物的控制方法中，選擇性催化還原(SelectiveCatalyst Reduction,簡稱為SCR)技術和廢氣再循環(Exhaust (iasRecirculation，簡稱為EGR)技術成為控制發動機排放的主要技術手段。本發明主要涉及對於EGR技術或是系統的改進。EGR的原理是在發動機工作過程中，將一部分廢氣引入進氣管，與新鮮空氣或霧化混合氣混合後進入發動機氣缸內參與再次燃燒。由於再循環氣體的熱容量較高，在燃燒過程中吸收較多的熱量，能夠降低發動機最高燃燒溫度以及壓力，而氮和氧只有在高溫高壓條件下才會發生化學反應，因此就抑制了氮氧化合物的生成。另外，提高廢氣再循環率會使總的廢氣流量(mass flow)減少，因此廢氣排放中總的汙染物輸出量將會相對減少。一般採用兩種方式來實現EGR:—種是將渦輪前的排氣引入中冷器之後，稱為高壓廢氣反向；另一種是將渦輪後的排氣引入壓氣機之前，稱為低壓EGR系統。當使用柴油作為發動機燃料時，由於柴油等含有C-C鍵以及硫，因此在燃燒過程中會生成碳煙和S03，碳煙的顆粒使渦輪增壓器的壓氣機磨損嚴重，而S03遇到水後會生成硫酸從而腐蝕壓氣機， 所以在柴油機中一般採用高壓EGR系統並且需要與例如DPF(顆粒捕捉器)等後處理器同時使用，然而DPF壓力過高后需要再生，因此使得整個系統的結構複雜並且成本較高。因此，雖然柴油機的熱效率比汽油機高7-9個百分點，但是由於柴油汙染大以及其逐漸緊缺等原因，採用二甲醚(分子式CH30CH3，簡稱DME)來替代柴油作為汽車燃料是能源時代發展的迫切需要。二甲醚的分子式簡單，無C-C鍵，燃料二甲醚中不含有硫，因此燃燒過程中沒有碳煙也沒有硫化物的生成，此時如果採用EGR就不會對壓氣機的葉片造成磨損，也不會腐蝕葉片。此外，同樣由於二甲醚發動機產生的顆粒很少並且幾乎不生成碳煙，也就無需安裝DPF等後處理器。從而降低了系統的複雜度和成本。由於低壓可有效降低氮氧化物，而廢氣循環工作範圍較大，因此目前運用得最多的是低壓二甲醚發動機的EGR系統。在現有的二甲醚發動機專用低壓EGR系統中，由於發動機的工作狀態不同，對EGR的量的要求也不同。當發動機在怠速工況下時，幾乎沒有廢氣循環至發動機。隨著發動機轉速和負荷的增加，進入燃燒室的廢氣量而增加。在發動機達到額定狀況，即全負荷時，EGR率也達到最大。因為過量的廢氣在循環中將會影響發動機的正常運行，特別在怠速或低速小負荷和發動機處於冷態運行時，再循環的廢氣將會明顯降低發動機的能量效率和機械耐久性。因此為了使EGR系統能更有效地發揮作用，一般需要採用電控或者氣動閥來控制不同工況下參加EGR的廢氣量。通常採用EGR率作為排氣再循環的控制指標，其MAP圖一般形式為以轉速(r/min)和負荷(％ )為自變量的三維圖形，可以將其簡單定義為EGR率=EGR氣體流量/ (吸入空氣量+EGR氣體流量)X 100%目前採用機械式尤其是電子式控制來對EGR率進行控制和調節。普通的電控式 EGR控制系統一般主要由EGR閥、電磁閥、節氣門位置傳感器、曲軸位置傳感器、冷卻水溫度傳感器、啟動信號傳送器等等組成，而更為複雜的可變式電控EGR控制系統還可能包括定壓閥、調節閥等等。在工作中，當確定了發動機當前的EGR率之後，EGR閥調節進氣口閥的開啟高度和開啟時間，從而控制流經EGR閥的廢氣量，故而高溫廢氣流經EGR閥使得其需要承受工作高溫。因此，EGR控制系統的結構比較複雜，相應地使得運營成本和維修成本都較尚ο因此，在現有技術的EGR系統中，存在優化設計中涉及的人力物力較多、結構的複雜度較高以及相應地運營維修成本較大等缺陷。
發明內容
針對現有技術的上述不足之處，發明人通過構建燃燒模型，並且通過對燃燒機理的分析，提出了一種用於確定二甲醚發動機的通道式EGR系統的通道直徑的方法以及通過該方法而得到的EGR系統，其無需採用現有EGR控制系統中所普遍採用的EGR閥以及相關的控制器件或設備，而是根據發動機的類型和額定工況時的參數，經過簡單的計算，從而確定EGR系統的通道尺寸，例如通道直徑，使得再循環廢氣在進排氣壓差的作用下進入進氣管，接著和新鮮空氣混合後進入壓氣機，並接著進入發動機內參與再次燃燒。由於進排氣壓差在各穩定工況點的壓差基本上是穩定的，由此保證了一定的EGR率。因此，在確保EGR率的前提下，由於其無需採用現有技術中用以控制EGR率的閥門及其配套器件，從而使得用於二甲醚發動機的EGR系統的結構得到極大的簡化，由此降低了設計、運營以及維修成本。具體地，根據本發明的第一方面，提供了一種用於二甲醚發動機的通道式EGR系統，其包括EGR進口接管、EGR冷卻器、EGR出口接管、進氣管、排氣管、以及增壓器，其中EGR 通道直徑符合下述計算公式Q X ^=^l(2(C-Ap)/p) X S其中S為通道直徑，Φ為發動機處於額定狀況下的ERG率，Q為總進氣量，Δρ為額定點進排氣壓差，P為排氣密度，C為經驗常數。根據本發明的優選方面，上述的通道式EGR系統中的通道直徑優選地為最小流通橫截面直徑。根據本發明的又一方面，提供了一種用於確定二甲醚發動機的通道式EGR系統的通道直徑的方法，其包括步驟通過測量確定發動機處於額定狀況下的EGR率；確定總進氣量；確定排氣密度；通過測量確定額定點進排氣壓差；確定經驗常數C ；根據下列計算公式確定EGR通道直徑S Q X (^= ^Iil(C-Ap)/ρ) X S其中S為通道直徑，Φ為發動機處於額定狀況下的ERG率，Q為總進氣量，Δρ為額定點進排氣壓差，P為排氣密度，C為經驗常數。根據本發明的進一個方面，上述所確定的通道式EGR系統中的通道直徑優選地為最小流通橫截面直徑。可以看出，通過本發明所公開的這種用於確定二甲醚發動機的通道式EGR系統的通道直徑的方法以及由該方法所得到的二甲醚發動機的通道式EGR系統無需採用電控或是氣動閥來控制EGR率，僅僅依靠EGR系統尺寸就能夠實現通過不同工況時EGR系統進口和出口的壓差來控制EGR率，從而控制廢氣流量。通過以下更為具體的描述，可以看出本發明的通道式EGR系統以及其通道直徑設計方法使得本發明能夠取得一系列的有益效果，包括但不限於結構簡單、成本低廉並且能夠提高發動機的可靠性等等。參照以下結合附圖及權利要求所進行的描述，本發明的其他特徵和有益效果將變
得明顯。
在下文中將參考附圖中所示的實施方式而更為詳細地描述本發明。可以理解的是，在此所給出的附圖僅僅是出於示意性目的，而其中出於便於理解和簡單示出功能性的原因，在很多地方採用了簡易視圖，任何涉及結構性、連接性的圖形示意都不應當被理解為用以詮釋本發明的限制性依據。在附圖中，相似參考編號用於表示相似或在操作上相似的組件，其中圖1為現有技術中帶有EGR閥門的EGR系統的示意性框圖；圖2為示意性地示出EGR率的MAP圖；圖3示意性地示出了現有技術中EGR閥的一個示例；圖4為根據本發明一個實施方式的通道式EGR系統的示意性框圖；圖5所示流程圖示意性地說明了根據本發明一個實施方式的用於確定EGR系統通道直徑的方法。
具體實施例方式下面參照附圖對本發明的實施方式進行進一步的描述。應當理解的是，由於燃燒機理的複雜性，在此僅出於強調本發明重點的意圖，簡化了很多原理性的描述。這些原理對於本領域的技術人員來說是可以獲知並理解的。圖1所示為現有技術中帶有EGR閥的EGR系統的示意性視圖。其中，1為EGR進口接管，2為EGR閥，3為EGR冷卻器，4為EGR出口接管，5為進氣管，6為發動機蓋中冷器， 7為機械泵二甲醚發動機，8為壓氣機，9為排氣管。當機械泵二甲醚發動機7工作時，一部分廢氣經EGR進口接管1、EGR閥門2、EGR冷卻器3、EGR出口接管4引入到壓氣機8之前和新鮮空氣混合後再進入壓氣機8。結合附圖可以看出，在現有技術的這種EGR系統中，採用了 EGR閥來對EGR率進行控制和調節。在工作時，當確定了發動機當前的EGR率之後， EGR閥調節進氣口閥的開啟高度和開啟時間，從而控制流經EGR閥的廢氣量。如之前已經描述的，這種閥門的控制機理較為複雜，其中使用了大量的例如測量、傳感和控制元件的器件，因此，除了由於系統的複雜性而導致的發生概率較高的故障之外，當發動機運轉時，參與EGR控制的閥門以及閥門系統中的元件也極易由於承受高溫而產生老化並發生故障。圖3出於舉例性目的而給出了一個EGR閥的結構圖的例子。可以看出，在該EGR 閥中，將離合信號、水溫、感測器信號和速度信號作為電路輸入，並且通過EGR真空控制閥、 EGR控制電磁閥以及EVP傳感器對EGR閥門的開啟進行調節。圖2為EGR率的MAP圖的示意性表示。其中EGR率由負荷(％ )、轉速(r/min)而確定。因此，在知曉負荷和轉速的情況下，可以確定EGR率。圖4為根據本發明一個實施方式的通道式EGR系統的示意性視圖，其通過特殊的通道直徑尺寸而實現傳統的EGR閥所實現的功能，因此無需採用EGR閥，從而克服了上述傳統EGR系統中由於採用EGR閥所帶來的各種不足之處。在圖4中，用想像中的虛線框起來的部分即為本發明所採用的通道式EGR系統，可以看出，該系統通過管道與發動機蓋中冷器(5)和發動機(6)相連接，當機械泵二甲醚發動機(6)工作時，一部分廢氣經EGR進口接管(1)、EGR冷卻器(2)、EGR出口接管(3)引入到壓氣機(7)之前和新鮮空氣混合後再進入壓氣機(7)。由於排氣管(8)後端接消音器(未示出)，從而存在排氣背壓，進氣管(4)前端安裝空氣濾清器(未示出)，從而存在負壓，因此廢氣可在壓差的作用下進入EGR進口接管⑴。通過試驗以及下述公式來確定EGR通道的通道直徑Q χ φ =V(2(C-A/ )// ) χ S其中S為通道直徑，Φ為發動機處於額定狀況下的ERG率，Q為發動機處於額定狀況下的總進氣量，△ P為額定點進排氣壓差，P為排氣密度，c為經驗常數，c 一般的取值範圍為0. 8-1，在根據本發明的一個優選實施方式中，C取值為0. 95。更具體地，當發動機處於額定狀況下時，通過發動機的MAP來確定其EGR率，此外能夠確定總的進氣量Q。其中的排氣密度ρ為與排氣溫度相關的參數，因此可以通過查找表來進行確定。△ P為額定點進排氣壓差，通過在進氣管(4)處測量進氣負壓並且在排氣管 (8)處測量排氣背壓，從而計算出額定點的進排氣壓差△ p，C為通過實驗測定的經驗常數， 其一般取值範圍為0. 8-1，並且優選地選擇0. 95，因此，通過上述公式能夠計算得出EGR通道的直徑尺寸S。可以看出，由此得到的通道直徑尺寸能夠使得進排氣壓差在各穩定的工況點的壓差基本上是穩定的，因此可以保證一定的EGR率。其中，所述的通道直徑優選地為最小流通橫截面的直徑。此外，由於從渦輪後引出的高溫燃氣容易使得增壓器的熱負荷過高從而影響其可靠性，因此，還需要對冷卻器的尺寸進行設計及EGR冷卻器。由於冷卻器的尺寸設計並非本發明的主要關注點，因此對其不進行過多描述，在此僅出於示例性目的簡單闡述其設計原理。一般RGR冷卻器按照EGR廢氣的最大流量設計，並將EGR廢氣中冷後的溫度控制在設計溫度之下。由於控制廢氣最高溫度，因此該系統不會造成壓氣機、發動機進排氣門及座圈等熱負荷超標。EGR冷卻器的冷卻面積和水流量根據公式Q = Ci1^Cpb · (Tb-Tb,)= qf · Cpf · (Tf-Tf,)，(其中，qb_再循環廢氣質量流量，Cpb-再循環廢氣定壓比熱容，Tb-EGR冷卻器再循環廢氣進口溫度，Tb, -EGR冷卻器再循環廢氣出口溫度，qf_發動機冷卻水質量流量，Cpf-冷卻水定壓比熱容，Tf-EGR冷卻器冷卻水進口溫度，Tf, -EGR冷卻器冷卻水出口溫度。
可以看出，本發明的這種通道式EGR系統僅依靠EGR系統的固有尺寸就能夠實現控制廢氣流量，而在達到控制EGR率的技術效果的同時由於減少了所使用的元件量，從而使得系統的結構變得簡單，操作和維修成本大大降低。下面結合附圖5對根據本發明一個實施方式的、確定用於二甲醚發動機的通道式 EGR系統的通道直徑的方法，其包括步驟S110，通過MAP圖表以及常規測量手段確定發動機處於額定狀況下的EGR率Φ ；S120，在該處，確定發動機處於額定狀況下的總進氣量Q ； 接著，在步驟S130，通過查找表確定排氣密度；在步驟S140，對進氣管處的負壓以及排氣管處的背壓進行測量，並且計算出額定點的進排氣壓差Δρ ；在步驟S150，確定經驗常數C ；最後，在步驟S160根據公式計算EGR通道直徑S χ (t>=^J(2(C-Ap)/p) x S。根據本發明的一個優選實施方式，上述所確定的通道式EGR系統中的通道直徑優選地為最小流通橫截面直徑。上面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行了闡述，可以看出，通過上述確定EGR 通道尺寸的方法以及由該方法所獲得的具有特殊通道尺寸的EGR系統能夠在無需EGR閥的情況下，實現現有EGR系統降低排放中的NOx含量、使二甲醚發動機達到國ν排放的功能， 並且同時具有結構簡單、運行維修成本低廉、可靠性高等有益效果。本領域技術人員能夠理解的是，上述的具體實施方式
以及示意性的視圖僅僅是出於舉例或是示意性的目的而給出的。上述公式中的各個參數可以通過本領域技術人員所知曉並採用的多種方法來確定或是測量，例如EGR率的測定也可以採用包括諸如轉矩模塊、 發動機轉速傳感器以及踏板位置傳感器和反饋控制模塊的裝置來實現。本領域的技術人員能夠根據本發明所公開的原理和構思對實施方式進行各種變形、修改以及調整，而不會背離本發明的精神，並且這種變形、修改以及調整應當被視為涵蓋在本發明權利要求所要求保護的範圍內。
權利要求
1.一種用於二甲醚發動機的廢氣再循環系統，其特徵在於包括廢氣再循環進口接管， 廢氣再循環冷卻器，廢氣再循環出口接管，進氣管，排氣管，以及增壓器，其中廢氣再循環通道直徑符合下述計算公式
2.根據權利要求1所述的廢氣再循環系統，其中所述的通道直徑為最小流通橫截面直徑。
3.根據權利要求1所述的廢氣再循環系統，其中所述經驗常數C的取值範圍為 0.85-1。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的廢氣再循環系統，其中所述經驗常數C為0.95。
5.一種用於確定二甲醚發動機的廢氣再循環系統的通道直徑的方法，其包括 確定發動機處於額定狀況下的廢氣再循環率Φ ；確定總進氣量Q ； 確定排氣密度ρ ； 確定額定點進排氣壓差Δρ ； 確定經驗常數C ；根據下列計算公式計算廢氣再循環通道直徑S
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述的通道直徑為最小流通橫截面直徑。
7.根據權利要求5所述的方法，其中所述經驗常數C的取值範圍為0.85-1。
8.根據權利要求5-7中任一項所述的方法，其中所述經驗常數C為0.95。
全文摘要
本發明涉及用於二甲醚發動機的通道式EGR系統和方法。本發明公開了一種通道式廢氣再循環(EGR)系統及其通道尺寸的確定方法。更具體地，本發明通過確定通道尺寸而使得廢氣在壓差的作用下進入進氣管，在無需採用EGR閥門元件或系統的前提下，保證一定的EGR率，使得機械泵的二甲醚發動機達到國V排放要求。本發明具有結構簡單、成本低廉並且可靠性高的優點。
文檔編號F02M25/07GK102297047SQ201110261380
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月30日 優先權日2011年8月30日
發明者冀麗琴, 孫少軍, 宋林萍, 李國祥, 譚旭光 申請人:濰坊濰柴道依茨柴油機有限公司, 濰柴動力股份有限公司