一种提高增压柴油机废气再循环率的装置及其控制方法
阅读说明：本技术 一种提高增压柴油机废气再循环率的装置及其控制方法 (Device for improving exhaust gas recirculation rate of supercharged diesel engine and control method thereof ) 是由 李振国 钟祥麟 高继东 邬斌扬 吴撼明 郑雪龙 任晓宁 邵元凯 于 2020-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种提高增压柴油机废气再循环率的装置及其控制方法,装置包括发动机、涡轮增压器、电控离合器和EGR压气机；发动机分别连接进气总管和排气总管；涡轮增压器包括同轴设置的涡轮机和压气机,涡轮机的进气口通过二号排气管与排气总管连通,涡轮机的排气口通过三号排气管与大气连通；EGR压气机通过电控离合器连接压气机；上述装置可解决增压柴油机低速中高负荷等工况下进气压力大于或等于排气压力,废气难以顺利引入进气管的问题,使EGR系统应用工况范围更加广泛。同时可根据实际工况控制上述装置EGR阀、旁通阀和电控离合器,实现有无EGR、有无EGR增压、EGR增压度的控制,提高发动机效率。(The invention relates to a device for improving the exhaust gas recirculation rate of a supercharged diesel engine and a control method thereof, wherein the device comprises an engine, a turbocharger, an electric control clutch and an EGR (exhaust gas recirculation) compressor; the engine is respectively connected with the air inlet main pipe and the air outlet main pipe; the turbocharger comprises a turbine and a compressor which are coaxially arranged, an air inlet of the turbine is communicated with an exhaust main pipe through a second exhaust pipe, and an exhaust port of the turbine is communicated with the atmosphere through a third exhaust pipe; the EGR gas compressor is connected with the gas compressor through an electric control clutch; the device can solve the problems that the air inlet pressure is greater than or equal to the air outlet pressure under the working conditions of low speed, medium and high load and the like of the supercharged diesel engine, and the waste gas is difficult to smoothly introduce into the air inlet pipe, so that the application working condition range of the EGR system is wider. Meanwhile, the EGR valve, the bypass valve and the electric control clutch of the device can be controlled according to actual working conditions, the control of EGR absence, EGR pressurization and EGR pressurization degree is realized, and the efficiency of the engine is improved.)
技术领域
本发明属于发动机控制领域，尤其涉及一种提高增压柴油机废气再循环率的装置及其控制方法。
背景技术
废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)是指把发动机排出的部分废气引回到进气管，并与新鲜混合气一起再次进入气缸。由于废气中含有大量的CO2、H2O等多原子气体，而CO2等气体一方面由于其比热容高能吸收大量的热，另一方面低的氧浓度使燃烧化学反应速率降低，进而导致混合气的最高燃烧温度降低，减少了NOx排放的生成量。
就单级增压柴油机的EGR回路连接方式而言，有以下三种：(1)涡轮机进口→压气机进口；(2)涡轮机出口→压气机进口；(3)涡轮机进口→中冷器后的进气管。
前两种方式称为低压EGR，由于废气是引入压气机入口，在有背压阀的协助下废气和进气之间可以形成正的压差，因此在发动机较宽广的运转范围内比较容易实现所需要的EGR率。但低压EGR系统的主要问题是EGR废气进入压气机会造成增压器污染，影响发动机的可靠性，通常需要加装DPF对废气进行过滤；另一方面是在高转速下排气背压较高，泵气损失较大。
第三种方式称为高压EGR，也是较常用的EGR形式。对于增压柴油机来说，在低速中高负荷等工况，进气压力大于或等于排气压力，废气难以顺利流入进气管，进而影响到发动机的性能和排放水平。
现有的提高废气再循环率方法主要是通过在进气管安装节流阀，降低进气管压力，使废气在压差作用下流入进气管的。随着增压柴油机负荷的增大，柴油机自身所能提供的进、排气最大压差较小，通过废气节流阀或VGT等技术，增加排气背压以得到较高的EGR率，均会提高发动机的油耗。鉴于以上原因，增压柴油机废气再循环率的提高收到限制。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种提高增压柴油机废气再循环率的装置，以解决低速中高负荷等工况下进气压力大于或等于排气压力，废气难以顺利引入进气管的问题，使得更多废气进入进气管内，EGR系统应用的工况范围更加广泛。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种提高增压柴油机废气再循环率的装置，包括发动机1、涡轮增压器8、电控离合器11和EGR压气机12；所述发动机1分别连接进气总管20和排气总管2；所述排气总管2和一号排气管4、二号排气管5相连；所述涡轮增压器8包括同轴设置的涡轮机6和压气机10，所述涡轮机6的进气口通过二号排气管5与排气总管2连通，涡轮机6的排气口通过三号排气管7与大气连通；所述压气机10的进气口与空气滤清器9连通，压气机10的排气口通过一号进气管17与进气总管20连通；
所述EGR压气机12通过电控离合器11连接压气机10，所述EGR压气机12的进气口通过旁通管13与一号排气管4连通，EGR压气机12的排气口依次连通四号排气管16、一号排气管4和一号进气管17。
优选的，旁通管13上设有旁通阀15，旁通阀15用于控制通过旁通管13的废气流量。
优选的，所述一号排气管4上设有EGR阀3、EGR压前中冷器14和EGR压后中冷器19；所述EGR压前中冷器14位于旁通管13与一号排气管4接口前，所述EGR压后中冷器19位于四号排气管16与一号排气管4接口后。
优选的，所述一号排气管4与所述一号进气管17连通，所述一号进气管17上设有进气中冷器18。
优选的，所述进气中冷器18位于一号排气管4与一号进气管17接口前。
本发明还提出一种提高增压柴油机废气再循环率的装置的控制方法，通过ECU控制单元分别采集发动机冷却水温、排气压力、进气压力、发动机负荷信号和发动机转速信号，根据预先设定的MAP图作控制。
优选的，当发动机1处于冷启动、暖机或怠速工况时，关闭EGR阀3和旁通阀15，断开电控离合器11。
优选的，当发动机1处于低转速小负荷工况，中、高速工况时，开启EGR阀3，关闭旁通阀15，断开电控离合器11，再循环废气通过一号排气管4进入一号进气管17与新鲜空气混合。
优选的，当发动机1处于低转速中高负荷时，若检测到发动机1进气压力大于或等于排气压力，开启EGR阀3和旁通阀15，接合电控离合器11，涡轮机6同时带动压气机10和EGR压气机12转动，再循环废气经过EGR压气机12增压后经四号排气管16、一号排气管4进入一号进气管17，与经压气机10增压后的新鲜空气混合进入发动机1气缸。
优选的，ECU控制单元通过控制EGR阀3和旁通阀15的开关角度来控制再循环废气流量，实现目标EGR率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明区别于常用的EGR系统，采用了一种利用废气涡轮增压的EGR增压方式，EGR压气机通过电控离合器与涡轮增压器的压气机连接，涡轮增压器的涡轮机同时驱动压气机和EGR压气机，再循环废气经EGR压气机增压后输入进气管与经压气机增压后的新鲜空气混合进入气缸。解决了低速中高负荷下，进气压力大于或等于排气压力，废气难以顺利流入进气管的问题，使得废气量更多进入进气管内，EGR系统应用的工况范围更加广泛。
2、本发明在EGR压气机上并联有旁通管，在顺压差的工况下即排气压力大于进气压力的情况，不需对废气增压，再循环废气也可顺利流入进气管中。降低发动机的排气背压，进而降低发动机的油耗。
3、本发明设有EGR阀、电控离合器、旁通阀，通过对阀门和离合器的控制可以实现有无EGR、有无EGR增压、EGR增压度的控制。控制精度高，应用范围广。
4、在对再循环废气增压时，涡轮机同时带动压气机和EGR压气机，增大了涡轮机负荷，能有效降低涡轮机最高转速，防止涡轮增压器超速。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图。
图标：1.发动机；2.排气总管；3.EGR阀；4.一号排气管；5.二号排气管；6.涡轮机；7.三号排气管；8.涡轮增压器；9.空气滤清器；10.压气机；11.电控离合器；12.EGR压气机；13.旁通管；14.EGR压前中冷器；15.旁通阀；16.四号排气管；17.一号进气管；18.进气中冷器；19.EGR压后中冷器；20.进气总管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
如图1，一种提高废气再循环率的装置，发动机1、涡轮增压器8、电控离合器11和EGR压气机12。所述发动机1分别连接进气总管20和排气总管2；所述排气总管2和一号排气管4、二号排气管5相连；所述涡轮增压器8包括同轴设置的涡轮机6和压气机10，所述涡轮机6的进气口通过二号排气管5与排气总管2连通，涡轮机6的排气口通过三号排气管7与大气连通；所述压气机10的进气口与空气滤清器9连通，压气机10的排气口通过一号进气管17与进气总管20连通。
所述EGR压气机12通过电控离合器11连接压气机10，所述EGR压气机12的进气口通过旁通管13与一号排气管4连通，EGR压气机12的排气口依次连通四号排气管16、一号排气管4和一号进气管17。
所述旁通管13上设有旁通阀15。
所述一号排气管上设有EGR阀3、EGR压前中冷器14和EGR压后中冷器19。
所述EGR压前中冷器14位于旁通管13与一号排气管4接口前。
所述EGR压后中冷器19位于四号排气管16与一号排气管4接口后。
所述一号排气管4与所述一号进气管17连通。
所述一号进气管17上设有进气中冷器18。
优选的，所述进气中冷器18位于一号排气管4与一号进气管17接口前。
需要说明的是，本发明的发动机1优选为柴油机。
本发明的原理说明如下：
对于增压柴油机来说，发动机处于不同工况时，对EGR率需求不同。当柴油机处于冷启动、暖机、怠速等工况时，需要关闭EGR；当柴油机处于低转速小负荷和中、高转速大负荷工况时，需要使用小EGR率；当柴油机在低转速中高负荷下，需要使用大EGR率，而此时，进气压力大于或等于于排气压力，再循环废气难以直接流入进气管。
为了满足增压柴油机不同工况下对EGR率的需求，增大EGR应用范围，本发明提出了一种利用废气涡轮增压的EGR增压方式：当柴油机不需要EGR时，EGR阀3、旁通阀15关闭；当柴油机需要EGR，并且不需要对再循环废气增压时，EGR阀3开启，旁通阀15关闭，再循环废气通过一号排气管4直接一号进气管17与经压气机10增压后的新鲜空气混合进入气缸；当柴油机需要EGR，并且需要对再循环废气增压时，EGR阀3开启，旁通阀15开启，EGR压气机12通过电控离合器11与涡轮增压器8的压气机10连接，涡轮增压器8的涡轮机6同时驱动压气机10和EGR压气机12，再循环废气经EGR压气机12增压后经四号排气管16、一号排气管4进入一号进气管17，与经压气机10增压后的新鲜空气混合进入发动机1气缸。
本发明通过对EGR阀3、电控离合器11、旁通阀15的开关调节可以实现EGR和EGR增压功能开启和关闭，具体控制方法为：
ECU控制单元分别采集发动机冷却水温、排气压力、进气压力、柴油机负荷信号、柴油机转速信号等，根据预先设定的MAP图作控制：
(1)当发动机1处于冷启动、暖机、怠速等工况时，缸内燃烧温度低、NOx的生成量较少，为了使发动机1更加顺利的启动，平稳地运行，这些工况下关闭EGR功能。此时EGR阀3、旁通阀15处于关闭状态，电控离合器11断开。
(2)当发动机1处于低转速小负荷工况时，由于喷油量少，燃烧温度不高，应使用小EGR率；当发动机1处于中、高转速大负荷工况时，为了获得较高的输出功率，也应降低EGR率。这些工况下应打开EGR功能，但不对再循环废气增压。此时EGR阀3开启，旁通阀15关闭，电控离合器11断开，再循环废气直接通过一号排气管4进入一号进气管17与新鲜空气混合。
(3)当发动机1处于低转速中高负荷时，此时燃烧室内温度较高，NOx生成量较多，且EGR率对HC、CO排放量、燃油消耗率、输出转矩等指标影响不大，可使用较大EGR率来降低NOx的排放量。而在这些工况下，废气增压使得进气压力大于或等于排气压力，废气难以顺利流入进气管，应打开EGR功能，且对再循环废气增压。当ECU检测到柴油机进气压力接近排气压力时，EGR阀3、旁通阀15开启，电控离合器11接合。涡轮机6同时带动压气机10和EGR压气机12转动，再循环废气经过EGR压气机12增压后经四号排气管16、一号排气管4进入一号进气管17，与经压气机10增压后的新鲜空气混合进入发动机1气缸。
(4)ECU通过控制EGR阀3和旁通阀15的开关角度来控制再循环废气流量，实现目标EGR率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。
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