專利名稱：用于二甲醚發(fā)動機的通道式egr系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低壓燃料供給系統(tǒng)領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉及一種通道式二甲醚廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，其無需采用EGR閥以及后處理器而使機械泵的二甲醚發(fā)動機達(dá)到國 V排放要求。
背景技術(shù)：
隨著環(huán)境保護(hù)問題的重要性日趨增加，如何降低發(fā)動機有害物排放是減少大氣污染的一個重要議題，因此其也成為了未來發(fā)動機發(fā)展的重要方向。目前降低汽車尾氣排放一般不再是從發(fā)動機本身的結(jié)構(gòu)方面來采取措施，而通常采取排氣后處理的方式來降低污染物的排放量。在現(xiàn)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(shù)和廢氣再循環(huán)(Exhaust (iasRecirculation，簡稱為EGR)技術(shù)成為控制發(fā)動機排放的主要技術(shù)手段。本發(fā)明主要涉及對于EGR技術(shù)或是系統(tǒng)的改進(jìn)。EGR的原理是在發(fā)動機工作過程中，將一部分廢氣引入進(jìn)氣管，與新鮮空氣或霧化混合氣混合后進(jìn)入發(fā)動機氣缸內(nèi)參與再次燃燒。由于再循環(huán)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(fā)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此就抑制了氮氧化合物的生成。另外，提高廢氣再循環(huán)率會使總的廢氣流量(mass flow)減少，因此廢氣排放中總的污染物輸出量將會相對減少。一般采用兩種方式來實現(xiàn)EGR:—種是將渦輪前的排氣引入中冷器之后，稱為高壓廢氣反向；另一種是將渦輪后的排氣引入壓氣機之前，稱為低壓EGR系統(tǒng)。當(dāng)使用柴油作為發(fā)動機燃料時，由于柴油等含有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(yán)重，而S03遇到水后會生成硫酸從而腐蝕壓氣機， 所以在柴油機中一般采用高壓EGR系統(tǒng)并且需要與例如DPF(顆粒捕捉器)等后處理器同時使用，然而DPF壓力過高后需要再生，因此使得整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且成本較高。因此，雖然柴油機的熱效率比汽油機高7-9個百分點，但是由于柴油污染大以及其逐漸緊缺等原因，采用二甲醚(分子式CH30CH3，簡稱DME)來替代柴油作為汽車燃料是能源時代發(fā)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，此時如果采用EGR就不會對壓氣機的葉片造成磨損，也不會腐蝕葉片。此外，同樣由于二甲醚發(fā)動機產(chǎn)生的顆粒很少并且?guī)缀醪簧商紵煟簿蜔o需安裝DPF等后處理器。從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。由于低壓可有效降低氮氧化物，而廢氣循環(huán)工作范圍較大，因此目前運用得最多的是低壓二甲醚發(fā)動機的EGR系統(tǒng)。在現(xiàn)有的二甲醚發(fā)動機專用低壓EGR系統(tǒng)中，由于發(fā)動機的工作狀態(tài)不同，對EGR的量的要求也不同。當(dāng)發(fā)動機在怠速工況下時，幾乎沒有廢氣循環(huán)至發(fā)動機。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，進(jìn)入燃燒室的廢氣量而增加。在發(fā)動機達(dá)到額定狀況，即全負(fù)荷時，EGR率也達(dá)到最大。因為過量的廢氣在循環(huán)中將會影響發(fā)動機的正常運行，特別在怠速或低速小負(fù)荷和發(fā)動機處于冷態(tài)運行時，再循環(huán)的廢氣將會明顯降低發(fā)動機的能量效率和機械耐久性。因此為了使EGR系統(tǒng)能更有效地發(fā)揮作用，一般需要采用電控或者氣動閥來控制不同工況下參加EGR的廢氣量。通常采用EGR率作為排氣再循環(huán)的控制指標(biāo)，其MAP圖一般形式為以轉(zhuǎn)速(r/min)和負(fù)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%目前采用機械式尤其是電子式控制來對EGR率進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。普通的電控式 EGR控制系統(tǒng)一般主要由EGR閥、電磁閥、節(jié)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，而更為復(fù)雜的可變式電控EGR控制系統(tǒng)還可能包括定壓閥、調(diào)節(jié)閥等等。在工作中，當(dāng)確定了發(fā)動機當(dāng)前的EGR率之后，EGR閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣口閥的開啟高度和開啟時間，從而控制流經(jīng)EGR閥的廢氣量，故而高溫廢氣流經(jīng)EGR閥使得其需要承受工作高溫。因此，EGR控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，相應(yīng)地使得運營成本和維修成本都較尚ο因此，在現(xiàn)有技術(shù)的EGR系統(tǒng)中，存在優(yōu)化設(shè)計中涉及的人力物力較多、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度較高以及相應(yīng)地運營維修成本較大等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足之處，發(fā)明人通過構(gòu)建燃燒模型，并且通過對燃燒機理的分析，提出了一種用于確定二甲醚發(fā)動機的通道式EGR系統(tǒng)的通道直徑的方法以及通過該方法而得到的EGR系統(tǒng)，其無需采用現(xiàn)有EGR控制系統(tǒng)中所普遍采用的EGR閥以及相關(guān)的控制器件或設(shè)備，而是根據(jù)發(fā)動機的類型和額定工況時的參數(shù)，經(jīng)過簡單的計算，從而確定EGR系統(tǒng)的通道尺寸，例如通道直徑，使得再循環(huán)廢氣在進(jìn)排氣壓差的作用下進(jìn)入進(jìn)氣管，接著和新鮮空氣混合后進(jìn)入壓氣機，并接著進(jìn)入發(fā)動機內(nèi)參與再次燃燒。由于進(jìn)排氣壓差在各穩(wěn)定工況點的壓差基本上是穩(wěn)定的，由此保證了一定的EGR率。因此，在確保EGR率的前提下，由于其無需采用現(xiàn)有技術(shù)中用以控制EGR率的閥門及其配套器件，從而使得用于二甲醚發(fā)動機的EGR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得到極大的簡化，由此降低了設(shè)計、運營以及維修成本。具體地，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于二甲醚發(fā)動機的通道式EGR系統(tǒng)，其包括EGR進(jìn)口接管、EGR冷卻器、EGR出口接管、進(jìn)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(fā)動機處于額定狀況下的ERG率，Q為總進(jìn)氣量，Δρ為額定點進(jìn)排氣壓差，P為排氣密度，C為經(jīng)驗常數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，上述的通道式EGR系統(tǒng)中的通道直徑優(yōu)選地為最小流通橫截面直徑。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種用于確定二甲醚發(fā)動機的通道式EGR系統(tǒng)的通道直徑的方法，其包括步驟通過測量確定發(fā)動機處于額定狀況下的EGR率；確定總進(jìn)氣量；確定排氣密度；通過測量確定額定點進(jìn)排氣壓差；確定經(jīng)驗常數(shù)C ；根據(jù)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(fā)動機處于額定狀況下的ERG率，Q為總進(jìn)氣量，Δρ為額定點進(jìn)排氣壓差，P為排氣密度，C為經(jīng)驗常數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一個方面，上述所確定的通道式EGR系統(tǒng)中的通道直徑優(yōu)選地為最小流通橫截面直徑?？梢钥闯觯ㄟ^本發(fā)明所公開的這種用于確定二甲醚發(fā)動機的通道式EGR系統(tǒng)的通道直徑的方法以及由該方法所得到的二甲醚發(fā)動機的通道式EGR系統(tǒng)無需采用電控或是氣動閥來控制EGR率，僅僅依靠EGR系統(tǒng)尺寸就能夠?qū)崿F(xiàn)通過不同工況時EGR系統(tǒng)進(jìn)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(fā)明的通道式EGR系統(tǒng)以及其通道直徑設(shè)計方法使得本發(fā)明能夠取得一系列的有益效果，包括但不限于結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉并且能夠提高發(fā)動機的可靠性等等。參照以下結(jié)合附圖及權(quán)利要求所進(jìn)行的描述，本發(fā)明的其他特征和有益效果將變
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(xì)地描述本發(fā)明?？梢岳斫獾氖?，在此所給出的附圖僅僅是出于示意性目的，而其中出于便于理解和簡單示出功能性的原因，在很多地方采用了簡易視圖，任何涉及結(jié)構(gòu)性、連接性的圖形示意都不應(yīng)當(dāng)被理解為用以詮釋本發(fā)明的限制性依據(jù)。在附圖中，相似參考編號用于表示相似或在操作上相似的組件，其中圖1為現(xiàn)有技術(shù)中帶有EGR閥門的EGR系統(tǒng)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(xiàn)有技術(shù)中EGR閥的一個示例；圖4為根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的通道式EGR系統(tǒng)的示意性框圖；圖5所示流程圖示意性地說明了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的用于確定EGR系統(tǒng)通道直徑的方法。
具體實施例方式下面參照附圖對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行進(jìn)一步的描述。應(yīng)當(dāng)理解的是，由于燃燒機理的復(fù)雜性，在此僅出于強調(diào)本發(fā)明重點的意圖，簡化了很多原理性的描述。這些原理對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是可以獲知并理解的。圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)中帶有EGR閥的EGR系統(tǒng)的示意性視圖。其中，1為EGR進(jìn)口接管，2為EGR閥，3為EGR冷卻器，4為EGR出口接管，5為進(jìn)氣管，6為發(fā)動機蓋中冷器， 7為機械泵二甲醚發(fā)動機，8為壓氣機，9為排氣管。當(dāng)機械泵二甲醚發(fā)動機7工作時，一部分廢氣經(jīng)EGR進(jìn)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后再進(jìn)入壓氣機8。結(jié)合附圖可以看出，在現(xiàn)有技術(shù)的這種EGR系統(tǒng)中，采用了 EGR閥來對EGR率進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。在工作時，當(dāng)確定了發(fā)動機當(dāng)前的EGR率之后， EGR閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣口閥的開啟高度和開啟時間，從而控制流經(jīng)EGR閥的廢氣量。如之前已經(jīng)描述的，這種閥門的控制機理較為復(fù)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，除了由于系統(tǒng)的復(fù)雜性而導(dǎo)致的發(fā)生概率較高的故障之外，當(dāng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，參與EGR控制的閥門以及閥門系統(tǒng)中的元件也極易由于承受高溫而產(chǎn)生老化并發(fā)生故障。圖3出于舉例性目的而給出了一個EGR閥的結(jié)構(gòu)圖的例子?？梢钥闯觯谠揈GR 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，并且通過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(jìn)行調(diào)節(jié)。圖2為EGR率的MAP圖的示意性表示。其中EGR率由負(fù)荷(％ )、轉(zhuǎn)速(r/min)而確定。因此，在知曉負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的情況下，可以確定EGR率。圖4為根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的通道式EGR系統(tǒng)的示意性視圖，其通過特殊的通道直徑尺寸而實現(xiàn)傳統(tǒng)的EGR閥所實現(xiàn)的功能，因此無需采用EGR閥，從而克服了上述傳統(tǒng)EGR系統(tǒng)中由于采用EGR閥所帶來的各種不足之處。在圖4中，用想象中的虛線框起來的部分即為本發(fā)明所采用的通道式EGR系統(tǒng)，可以看出，該系統(tǒng)通過管道與發(fā)動機蓋中冷器(5)和發(fā)動機(6)相連接，當(dāng)機械泵二甲醚發(fā)動機(6)工作時，一部分廢氣經(jīng)EGR進(jìn)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后再進(jìn)入壓氣機(7)。由于排氣管(8)后端接消音器(未示出)，從而存在排氣背壓，進(jìn)氣管(4)前端安裝空氣濾清器(未示出)，從而存在負(fù)壓，因此廢氣可在壓差的作用下進(jìn)入EGR進(jìn)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(fā)動機處于額定狀況下的ERG率，Q為發(fā)動機處于額定狀況下的總進(jìn)氣量，△ P為額定點進(jìn)排氣壓差，P為排氣密度，c為經(jīng)驗常數(shù)，c 一般的取值范圍為0. 8-1，在根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，C取值為0. 95。更具體地，當(dāng)發(fā)動機處于額定狀況下時，通過發(fā)動機的MAP來確定其EGR率，此外能夠確定總的進(jìn)氣量Q。其中的排氣密度ρ為與排氣溫度相關(guān)的參數(shù)，因此可以通過查找表來進(jìn)行確定?！?P為額定點進(jìn)排氣壓差，通過在進(jìn)氣管(4)處測量進(jìn)氣負(fù)壓并且在排氣管 (8)處測量排氣背壓，從而計算出額定點的進(jìn)排氣壓差△ p，C為通過實驗測定的經(jīng)驗常數(shù)， 其一般取值范圍為0. 8-1，并且優(yōu)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?？梢钥闯?，由此得到的通道直徑尺寸能夠使得進(jìn)排氣壓差在各穩(wěn)定的工況點的壓差基本上是穩(wěn)定的，因此可以保證一定的EGR率。其中，所述的通道直徑優(yōu)選地為最小流通橫截面的直徑。此外，由于從渦輪后引出的高溫燃?xì)馊菀资沟迷鰤浩鞯臒嶝?fù)荷過高從而影響其可靠性，因此，還需要對冷卻器的尺寸進(jìn)行設(shè)計及EGR冷卻器。由于冷卻器的尺寸設(shè)計并非本發(fā)明的主要關(guān)注點，因此對其不進(jìn)行過多描述，在此僅出于示例性目的簡單闡述其設(shè)計原理。一般RGR冷卻器按照EGR廢氣的最大流量設(shè)計，并將EGR廢氣中冷后的溫度控制在設(shè)計溫度之下。由于控制廢氣最高溫度，因此該系統(tǒng)不會造成壓氣機、發(fā)動機進(jìn)排氣門及座圈等熱負(fù)荷超標(biāo)。EGR冷卻器的冷卻面積和水流量根據(jù)公式Q = Ci1^Cpb · (Tb-Tb,)= qf · Cpf · (Tf-Tf,)，(其中，qb_再循環(huán)廢氣質(zhì)量流量，Cpb-再循環(huán)廢氣定壓比熱容，Tb-EGR冷卻器再循環(huán)廢氣進(jìn)口溫度，Tb, -EGR冷卻器再循環(huán)廢氣出口溫度，qf_發(fā)動機冷卻水質(zhì)量流量，Cpf-冷卻水定壓比熱容，Tf-EGR冷卻器冷卻水進(jìn)口溫度，Tf, -EGR冷卻器冷卻水出口溫度。
可以看出，本發(fā)明的這種通道式EGR系統(tǒng)僅依靠EGR系統(tǒng)的固有尺寸就能夠?qū)崿F(xiàn)控制廢氣流量，而在達(dá)到控制EGR率的技術(shù)效果的同時由于減少了所使用的元件量，從而使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得簡單，操作和維修成本大大降低。下面結(jié)合附圖5對根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的、確定用于二甲醚發(fā)動機的通道式 EGR系統(tǒng)的通道直徑的方法，其包括步驟S110，通過MAP圖表以及常規(guī)測量手段確定發(fā)動機處于額定狀況下的EGR率Φ ；S120，在該處，確定發(fā)動機處于額定狀況下的總進(jìn)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(jìn)氣管處的負(fù)壓以及排氣管處的背壓進(jìn)行測量，并且計算出額定點的進(jìn)排氣壓差Δρ ；在步驟S150，確定經(jīng)驗常數(shù)C ；最后，在步驟S160根據(jù)公式計算EGR通道直徑S χ (t>=^J(2(C-Ap)/p) x S。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式，上述所確定的通道式EGR系統(tǒng)中的通道直徑優(yōu)選地為最小流通橫截面直徑。上面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進(jìn)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(tǒng)能夠在無需EGR閥的情況下，實現(xiàn)現(xiàn)有EGR系統(tǒng)降低排放中的NOx含量、使二甲醚發(fā)動機達(dá)到國ν排放的功能， 并且同時具有結(jié)構(gòu)簡單、運行維修成本低廉、可靠性高等有益效果。本領(lǐng)域技術(shù)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于舉例或是示意性的目的而給出的。上述公式中的各個參數(shù)可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員所知曉并采用的多種方法來確定或是測量，例如EGR率的測定也可以采用包括諸如轉(zhuǎn)矩模塊、 發(fā)動機轉(zhuǎn)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(xiàn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠根據(jù)本發(fā)明所公開的原理和構(gòu)思對實施方式進(jìn)行各種變形、修改以及調(diào)整，而不會背離本發(fā)明的精神，并且這種變形、修改以及調(diào)整應(yīng)當(dāng)被視為涵蓋在本發(fā)明權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于二甲醚發(fā)動機的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于包括廢氣再循環(huán)進(jìn)口接管， 廢氣再循環(huán)冷卻器，廢氣再循環(huán)出口接管，進(jìn)氣管，排氣管，以及增壓器，其中廢氣再循環(huán)通道直徑符合下述計算公式
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其中所述的通道直徑為最小流通橫截面直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其中所述經(jīng)驗常數(shù)C的取值范圍為 0.85-1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其中所述經(jīng)驗常數(shù)C為0.95。
5.一種用于確定二甲醚發(fā)動機的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的通道直徑的方法，其包括 確定發(fā)動機處于額定狀況下的廢氣再循環(huán)率Φ ；確定總進(jìn)氣量Q ； 確定排氣密度ρ ； 確定額定點進(jìn)排氣壓差Δρ ； 確定經(jīng)驗常數(shù)C ；根據(jù)下列計算公式計算廢氣再循環(huán)通道直徑S
6.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述經(jīng)驗常數(shù)C的取值范圍為0.85-1。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任一項所述的方法，其中所述經(jīng)驗常數(shù)C為0.95。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于二甲醚發(fā)動機的通道式EGR系統(tǒng)和方法。本發(fā)明公開了一種通道式廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)及其通道尺寸的確定方法。更具體地，本發(fā)明通過確定通道尺寸而使得廢氣在壓差的作用下進(jìn)入進(jìn)氣管，在無需采用EGR閥門元件或系統(tǒng)的前提下，保證一定的EGR率，使得機械泵的二甲醚發(fā)動機達(dá)到國V排放要求。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉并且可靠性高的優(yōu)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(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)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