一种内燃机排气、排温管理系统及控制方法
阅读说明：本技术 一种内燃机排气、排温管理系统及控制方法 (Exhaust and exhaust temperature management system and control method for internal combustion engine ) 是由 董颜 董大陆 崔晓娟 杨峰博 张毅 邓翰文 庞海军 薛小帅 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明属于汽车发动机技术领域,具体涉及一种内燃机排气、排温管理系统及控制方法；其中内燃机排气、排温管理系统包括内燃机、空滤器、进气中冷器和后处理系统,发动机EGR引入管理时,根据发动机不同负荷需求,通过控制第一流道、第二流道上分别集成的排气管理阀二、排气管理阀一的开启量及低温EGR单向阀的联合作用提升发动机背压,进而驱动EGR进入进气系统,可以灵活的控制EGR的引入比例,可实现缸内废气再循环比例0-100％的控制需求；本发明同时还能够用于发动机排气温度管理以及能够进行辅助发动机制动。(The invention belongs to the technical field of automobile engines, and particularly relates to an internal combustion engine exhaust and exhaust temperature management system and a control method; when the EGR of the engine is introduced and managed, the back pressure of the engine is improved by controlling the opening amount of a second exhaust management valve and a first exhaust management valve which are respectively integrated on a first flow passage and a second flow passage and the combined action of a low-temperature EGR one-way valve according to different load requirements of the engine, and then the EGR is driven to enter an air inlet system, so that the introduction proportion of the EGR can be flexibly controlled, and the control requirement of 0-100% of the recirculation proportion of exhaust gas in a cylinder can be realized; the invention can also be used for engine exhaust temperature management and for auxiliary engine braking.)
技术领域
本发明属于汽车发动机技术领域，具体涉及一种内燃机排气、排温管理系统及控制方法。
背景技术
面向商用车排放法规的升级，排放要求越来越严格，排放法规发展趋势是发动机全map区域内要满足排放要求，而废气再循环(EGR)技术成为排放控制的最有效手段，EGR技术逐渐成为主流技术路线，但EGR的引入需要匹配较小的增压方案，使得发动机中高速满足EGR需求，但会引起泵气损失的增加，造成发动机经济性的恶化，同时低速段更难引入EGR，将会带来排放控制难题，因此如何灵活的控制EGR率以满足发动机需求成为研究重点方向。
同时排放法规的严格要求，使得商用车发动机需要通过机内加后处理系统来达成排放要求，在发动机机内降低排放前提下，也要结合后处理系统使得排放达标，而后处理系统的高效工作需要有合理的排气温度窗口，一般发动机冷态WHTC循环排放较高，主要因为初始发动机排气温度较低，后处理升温较慢，机内原排后处理系统不能有效降解，提升发动机排气温度，使后处理系统快速升温成为降排放的关键，所以发动机排气快速升温技术成为满足未来排放研究的方向之一。
为了满足发动机排气快速升温，目前现有技术采用节气门、排气背压阀、缸内后喷等方案处理，但其缺点是：①升温能力有限，②节气门、排气背压阀可能引发增压器漏油风险，③经济性恶化明显，④各缸进气燃烧均匀性差，排放一致性及NVH性能差。
现有专利文献中公开了一种处理排气的方法及在内燃机上的排气系统的机构，该结构的缺点是：①受结构限制，仅可实现控制废气再循0-50％的要求，②同时因为单通道关闭引起单侧背压过大造成发动机各缸充气不同，缸内工质不均衡对排放控制不利，同时缸内爆发压力将不同将引起NVH问题，③该方案通过排温管理需结合供油系统进行不对称喷油策略进行发动机排温管理。
现有专利文献中公开了一种针对热管理的气缸停用和发动机制动方法，其缺点是：①其结构通过发动机排气机构实现气缸停用和发动机制动，其气门机构机械负荷较大，可靠性差，②在高压下气缸气门开启，其噪声水平较高。
现有专利文献中公开了一种发动机排气升温装置，其缺点是：①其将气缸分组，增加进气节流阀使一组气缸进气量，但会对增压器产生喘振和漏油风险；②调整气缸的燃油量，增加其他分组气缸的喷入燃油量，其各缸均匀性差，存在较大NVH问题。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种内燃机排气、排温管理系统及控制方法，能够灵活控制EGR率，有效降低发动机机内排放，满足发动机排气及后处理系统快速升温需求。
一种内燃机排气、排温管理系统，包括内燃机1、空滤器2、进气中冷器6 和后处理系统3，其中
内燃机1包括气缸一11、气缸二12、气缸三13、气缸四14、气缸五15、气缸六16、双通道EGR冷却系统4及涡轮增压器系统5，其中每两个相邻的气缸之间均通过缸体缸盖连接；气缸一11、气缸二12、气缸三13、气缸四14、气缸五15和气缸六16分别通过气道104接入进气系统总管105的出气端；
气缸一11、气缸二12和气缸三13分别通过管路一101连接第一流道17，气缸四14、气缸五15和气缸六16分别通过管路二102连接第二流道18，第一流道17和第二流道18上分别设置有排气管理阀一20和排气管理阀二19，
涡轮增压器系统5包括压气机组件52、涡轮机组件53和旁通管路组件57，其中压气机组件52与涡轮机组件53通过传动轴及中间体组件连接,涡轮机组件53上设有进气流道一54、进气流道二55和一个出气流道56，其中至少有一个进气流道接入旁通管路组件57的一端，旁通管路组件57的另一端与出气流道56连通；
出气流道56通过排气总管31与后处理系统3连接，空滤器2通过空滤器管路21与压气机组件52一端连接，压气机组件52另一端通过进气中冷器管路一61接入进气中冷器6进气端，进气中冷器6出气端通过进气中冷器管路二 62接入进气系统总管105进气端；
排气管理阀一20一端的第一流道17通过高温EGR通道一43与双通道EGR 冷却系统4中的一个进气流道连通，排气管理阀一20另一端的第一流道17与进气流道一54连通，排气管理阀二19一端的第二流道18通过高温EGR通道二 44与双通道EGR冷却系统4中的另一个进气流道连通，排气管理阀二19另一端的第二流道18与进气流道二55连通；
双通道EGR冷却系统4的两个出气端管路42上分别设有低温EGR单向阀 41，两个出气端管路42共同接入管路三103的一端，管路三103的另一端接入进气系统总管105的进气端。
所述的旁通管路组件57一端与进气流道一54、进气流道二55或这两个流道共同连接，另一端与涡轮机组件53的出气流道56连接，涡轮机组件53的出气流道56通过排气总管31与后处理系统3连接。
所述的旁通管路57上还设有废气控制阀51。
所述的双流道EGR冷却系统4为带有双流道的EGR冷却器，或者为两个单通道EGR冷却器串联在一起。
一种应用上述一种内燃机排气、排温管理系统的控制方法，步骤如下：
步骤一，ECU根据整车油门踏板信号，计算发动机扭矩的需求，再通过内部算法计算出对发动机EGR率、排气温度的控制要求，进而计算出对排气管理阀一20、排气管理阀二19和废气控制阀51的开度控制需求；
步骤二，ECU发送信号至排气管理阀二19、排气管理阀一20，控制这两个排气管理阀的开度，或ECU发送信号至排气管理阀二19、排气管理阀一20和废气控制阀51，对这两个排气管理阀和废气控制阀51进行联合控制开度；
步骤三，分别在排气管理阀二19和排气管理阀一20的开度位置上设置传感器；
步骤四，ECU根据排气管理阀二19、排气管理阀一20开度位置设置的传感器直接采集实际开度反馈信号，进行阀门开度的闭环控制，以满足发动机对EGR 率、排气温度的要求，实现闭环控制。
本发明的有益效果：
本发明可以灵活控制EGR率，有效降低发动机机内排放，满足发动机排气及后处理系统快速升温需求，较节气门、排气背压阀、缸内后喷等技术方案，油耗损失小，可提升发动机经济性水平，并且可以达到辅助制动的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1为本发明系统的结构示意图。
其中：1内燃机、11气缸一、12气缸二、13气缸三、14气缸四、15气缸五、16气缸六、17第一流道、18第二流道、19排气管理阀二、20排气管理阀一、101管路一、102管路二、103管路三、104气道、105进气系统总管、2 空滤器、21空滤器管路、3后处理系统、31排气总管、4双通道EGR冷却系统、 41低温EGR单向阀、42出气端管路、43高温EGR通道一、44高温EGR通道二、5涡轮增压器系统、51控制阀、52压气机组件、53涡轮机组件、54进气流道一、55进气流道二、56出气流道、57旁通管路组件、6进气中冷器、61进气中冷器管路一、62进气中冷器管路二。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
如图1所示，一种内燃机排气、排温管理系统，包括内燃机1、空滤器2、进气中冷器6和后处理系统3，其中
内燃机1包括气缸一11、气缸二12、气缸三13、气缸四14、气缸五15、气缸六16、双通道EGR冷却系统4及涡轮增压器系统5，其中每两个相邻的气缸之间均通过缸体缸盖连接；气缸一11、气缸二12、气缸三13、气缸四14、气缸五15和气缸六16分别通过气道104接入进气系统总管105的出气端；气缸一11、气缸二12和气缸三13分别通过管路一101连接第一流道17，气缸四 14、气缸五15和气缸六16分别通过管路二102连接第二流道18，第一流道17 和第二流道18上分别设置有排气管理阀一20和排气管理阀二19；
涡轮增压器系统5包括压气机组件52、涡轮机组件53和旁通管路组件57，其中压气机组件52与涡轮机组件53通过传动轴及中间体组件连接,涡轮机组件53上设有进气流道一54、进气流道二55和一个出气流道56，其中至少有一个进气流道接入旁通管路组件57的一端，旁通管路组件57的另一端与出气流道56连通；
出气流道56通过排气总管31与后处理系统3连接，空滤器2通过空滤器管路21与压气机组件52一端连接，压气机组件52另一端通过进气中冷器管路一61接入进气中冷器6进气端，进气中冷器6出气端通过进气中冷器管路二 62接入进气系统总管105进气端；
排气管理阀一20一端的第一流道17通过高温EGR通道一43与双通道EGR 冷却系统4中的一个进气流道连通，排气管理阀一20另一端的第一流道17与进气流道一54连通，排气管理阀二19一端的第二流道18通过高温EGR通道二44与双通道EGR冷却系统4中的另一个进气流道连通，排气管理阀二19另一端的第二流道18与进气流道二55连通；
双通道EGR冷却系统4的两个出气端管路42上分别设有低温EGR单向阀 41，两个出气端管路42共同接入管路三103的一端，管路三103的另一端接入进气系统总管105的进气端。
所述的旁通管路组件57一端与进气流道一54、进气流道二55或这两个流道共同连接，另一端与涡轮机组件53的出气流道56连接，涡轮机组件53的出气流道56通过排气总管31与后处理系统3连接。
所述的旁通管路57上还设有废气控制阀51。
所述的双流道EGR冷却系统4为带有双流道的EGR冷却器，或者为两个单通道EGR冷却器串联在一起。
气缸一11、气缸二12、气缸三13、气缸四14、气缸五15和气缸六16均为由缸体组件、缸盖组件、配气组件、运动件组件形成的气缸腔体。
三个管路一101汇聚形成第一流道17，三个管路二102汇聚形成第二流道 18，排气管理阀一20、排气管理阀二19前的第一流道17、第二流道18分别与高温EGR通道一43、高温EGR通道二44连接。
双流道EGR冷却系统4中的两个流道分别与高温EGR通道一43、高温EGR 通道二44连接，双流道EGR冷却系统4中的两个出气端管路42上分别集成一个低温EGR单向阀41。两个出气端管路42中的废气汇聚于管路三103中，与经进气中冷器6冷却后的新鲜空气、流经进气中冷器管路二62混合后，汇入进气系统总管105中，通过六个气道104被均匀分配至六个气缸内。
本发明系统的工作过程：
经空滤器2滤清、涡轮增压器系统5的压气机组件52增压、进气中冷器6 冷却后的新鲜空气在进气中冷器管路二62中，与经双通道EGR冷却系统4冷却的废气，在进气系统总管105中充分混合，再通过六个气道104被均匀分配至六个气缸内参与缸内燃烧；
气缸一11、气缸二12、气缸三13共同组成内燃机1的第一气缸，气缸四 14、气缸五15、气缸六16共同组成内燃机1的第二气缸；第一气缸中燃烧产生的高温废气流经三个管路一101，汇集至第一流道17；第二气缸中燃烧产生的高温废气流经管路二102，汇集至第二流道18；第一流道17、第二流道18 中的一部分高温废气，分别经高温EGR通道一43、高温EGR通道二44进入双通道EGR冷却系统4中的两个进气流道，冷却后的低温废气经两个出气端管路42、管路三103，汇集至进气系统总管105中；每个出气端管路42上均集成一个低温EGR单向阀41，防止废气反流，第一流道17、第二流道18中的其余高温废气流经排气管理阀一20和排气管理阀二19，进入涡轮增压器系统5的涡轮机组件53中的进气流道一54和进气流道二55；
从进气流道一54、进气流道二55或共同从这两个流道中引出的一部分废气，经旁通管路组件57，避免推动涡轮机组件53做功，直接流入排气总管31 中，经过后处理系统3净化后排入大气，涡轮机组件53中的进气流道一54、进气流道二55中的其余废气推动涡轮机做功，通过传动轴及中间体组件将能量传递给压气机组件52用于滤清后的新鲜空气增压；
一种应用上述一种内燃机排气、排温管理系统的控制方法，步骤如下：
步骤一，ECU根据整车油门踏板信号，计算发动机扭矩的需求，再通过内部算法计算出对发动机EGR率、排气温度的控制要求，进而计算出对排气管理阀一20、排气管理阀二19和废气控制阀51的开度控制需求；
步骤二，ECU发送信号至排气管理阀二19、排气管理阀一20，控制这两个排气管理阀的开度，或ECU发送信号至排气管理阀二19、排气管理阀一20和废气控制阀51，对这两个排气管理阀和废气控制阀51进行联合控制开度；
步骤三，分别在排气管理阀二19和排气管理阀一20的开度位置上设置传感器；
步骤四，ECU根据排气管理阀二19、排气管理阀一20开度位置设置的传感器直接采集实际开度反馈信号，进行阀门开度的闭环控制，以满足发动机对EGR 率、排气温度的要求，实现闭环控制。
启动辅助发动机制动功能时，喷油器停止喷油，通过关闭上述排气管理阀，提升排气背压，增加发动机负功，达到提升发动机制动功率的目的。
排气管理阀二19、排气管理阀一20为蝶阀、球形阀或提升阀，其开启控制可以采用电机控制，电控气动控制的方式，其位置可以根据布置需求在排气管与增压器之间进行移动，如果降低EGR需求甚至可以移动至某一气缸排气管路后。
涡轮增压器系统5的进气流道一54、进气流道二55分别与第一流道17、第二流道18相连，旁通管路组件57为涡轮增压器系统5的旁通管路，废气旁通管路57结构不止局限于增压器外旁通管路设计，也可采用增压器涡轮壳单通道或者双通道增压器的控制阀51实现相关功能，其控制可采用电机控制，电控气动控制的方式。
发动机EGR引入管理时，根据发动机不同负荷需求，通过控制第一流道 17、第二流道18上分别集成的排气管理阀二19、排气管理阀一20的开启量及低温EGR单向阀41的联合作用提升发动机背压，进而驱动EGR进入进气系统，可以灵活的控制EGR的引入比例，可实现缸内废气再循环比例0-100％的控制需求。
本发明用于发动机排气温度管理时，在发动机小负荷工况，通过减小排气管理阀一20、排气管理阀二19的开度，可使得排气背压增加，发动机EGR率增加，空气量减少，排气温度增加，同时在排气冲程发动机对排气压缩做功提升排气温度，达到发动机排气温度管理目的。此外，可配合涡轮增压系统5的旁通管路组件57(不局限于管路上是否串联旁通阀51的结构)的开启，让高温排气直接通过旁通管路组件57，流经出气流道56、排气总管31进入后处理系统3，满足后处理系统3快速升温需求，有利于后处理始终处于高效区工作，必要时可同时避免增压器超速风险。
本发明进行辅助发动机制动时，喷油器停止喷油，通过关闭排气管理阀一 20、排气管理阀二19，提升排气背压，增加发动机负功，达到提升发动机制动功率的目的。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明的保护范围并不局限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。