本發(fā)明屬于內(nèi)燃機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于二級(jí)增壓內(nèi)燃機(jī)的可調(diào)高/低壓EGR系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

日益嚴(yán)格的排放法規(guī)對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx和微粒(PM)排放提出了更高的要求，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高效清潔燃燒以滿足排放法規(guī)已成為目前面臨的重要難題與挑戰(zhàn)。廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)被認(rèn)為是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)降低NOx排放最有效的手段之一。

二級(jí)增壓柴油機(jī)相對(duì)于單級(jí)增壓具有可實(shí)現(xiàn)較高的增壓比，增加每循環(huán)吸入氣缸內(nèi)的空氣量，并增加循環(huán)供油量，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度等優(yōu)點(diǎn)，但容易導(dǎo)致缸內(nèi)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(shù)降低缸內(nèi)溫度及燃燒過(guò)程中的氧氣量。

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)常采用外部EGR，其能通過(guò)電控系統(tǒng)精確控制EGR率，并通過(guò)中冷器降低循環(huán)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(jī)進(jìn)口廢氣引入壓氣機(jī)出口，不通過(guò)壓氣機(jī)和中冷器，避免了EGR隨工況變化響應(yīng)滯后，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)能夠迅速暖機(jī)。但在柴油機(jī)中、大負(fù)荷時(shí)，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)壓氣機(jī)出口壓力大于渦輪機(jī)前排氣壓力現(xiàn)象，逆向的壓差使得EGR很難實(shí)現(xiàn)；低壓EGR是將渦輪機(jī)進(jìn)口廢氣引到壓氣機(jī)進(jìn)口，可形成較大的壓差，在較大的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍易實(shí)現(xiàn)EGR。但廢氣會(huì)腐蝕增壓器及中冷器，降低柴油機(jī)的可靠性和壽命，并且EGR氣體流經(jīng)壓氣機(jī)后發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化響應(yīng)滯后。

高壓EGR和低壓EGR都存在著各自的優(yōu)點(diǎn)與不足，因此可以建立高/低EGR系統(tǒng)取長(zhǎng)補(bǔ)短。目前現(xiàn)存的高/低壓EGR能夠滿足傳統(tǒng)燃燒方式對(duì)大EGR率的需求并能兼顧不同工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性，但傳統(tǒng)高/低壓EGR需要兩套EGR系統(tǒng)，相應(yīng)的閥及冷卻器增多造成管路復(fù)雜，裝配困難，制造和維護(hù)成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種用于二級(jí)增壓內(nèi)燃機(jī)的可調(diào)高/低壓EGR系統(tǒng)及控制方法，該系統(tǒng)能夠根據(jù)內(nèi)燃機(jī)工況狀態(tài)切換高壓EGR或低壓EGR工作模式，使其不但能夠?qū)崿F(xiàn)大EGR率，還兼顧不同負(fù)荷對(duì)EGR的需求；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低，能夠有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，尤其降低NOx排放。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

該系統(tǒng)包括電子控制單元ECU、內(nèi)燃機(jī)、通過(guò)進(jìn)氣歧管連接在內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣口上的進(jìn)氣總管、通過(guò)排氣歧管連接在內(nèi)燃機(jī)排氣口上的排氣總管、與進(jìn)氣總管依次順序連通的進(jìn)氣中冷器、高壓級(jí)壓氣機(jī)、級(jí)間中冷器、低壓級(jí)壓氣機(jī)，與排氣總管依次順序連通的高壓級(jí)渦輪機(jī)、低壓級(jí)渦輪機(jī)，并在排氣總管引出一條排氣旁通管路與EGR閥進(jìn)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(jí)渦輪管路并聯(lián)高壓級(jí)渦輪旁通管路；所述的高、低壓級(jí)渦輪機(jī)分別與高、低壓級(jí)壓氣機(jī)之間同軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接。其特征在于：

所述的EGR閥進(jìn)氣口A與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣旁通管路相連；EGR閥出氣口B通過(guò)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(jìn)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(jí)壓氣機(jī)進(jìn)氣口端管路連接；所述的高壓級(jí)渦輪旁通管路上安裝高壓級(jí)廢氣旁通蝶閥；

所述的電子控制單元ECU分別與轉(zhuǎn)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(jí)廢氣旁通蝶閥相連；

所述的EGR閥是一個(gè)電動(dòng)集成式三通閥，包括電機(jī)、閥體、閥塊、閥桿、曲柄、連桿、銷(xiāo)釘、卡環(huán)與位置傳感器；閥體與閥塊同為圓柱形結(jié)構(gòu)件，在閥塊左端面以其軸線為基準(zhǔn)對(duì)稱加工兩個(gè)帶銷(xiāo)孔的凸臺(tái)并將閥塊水平安裝在閥體內(nèi)且直徑略小于閥體內(nèi)徑；閥桿中間加工一個(gè)不連通的銷(xiāo)孔并將閥桿插入閥體內(nèi)部，保證閥桿與閥塊軸線垂直且在同一平面內(nèi)；曲柄的一端為帶銷(xiāo)孔的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，利用銷(xiāo)釘及卡環(huán)與閥桿上銷(xiāo)孔固定連接實(shí)現(xiàn)過(guò)渡配合，另一端加工兩個(gè)以閥塊軸線為基準(zhǔn)對(duì)稱的帶銷(xiāo)孔的凸臺(tái)，連桿兩端利用帶有卡環(huán)限位的銷(xiāo)釘分別與曲柄和閥塊帶銷(xiāo)孔的凸臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)在水平面內(nèi)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)與閥桿同軸連接，驅(qū)動(dòng)閥桿及曲柄同步旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)連桿在水平面內(nèi)移動(dòng)使閥塊在閥體內(nèi)水平左右移動(dòng)，位置傳感器的移動(dòng)端安裝在閥塊上；根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，調(diào)整閥桿旋轉(zhuǎn)角度以實(shí)現(xiàn)高/低壓EGR管路的切換，通過(guò)不同位置閥塊的位置傳感器信號(hào)反饋，計(jì)算出對(duì)應(yīng)廢氣流量及EGR率；閥體的進(jìn)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(duì)應(yīng)直徑相等，三個(gè)接口的中心孔的回轉(zhuǎn)軸線同處于一個(gè)水平面內(nèi)，出氣口B與出氣口C的回轉(zhuǎn)軸線共線，進(jìn)氣口A的回轉(zhuǎn)軸線與出氣口B、C的回轉(zhuǎn)軸線垂直；

所述的文丘里管喉管與進(jìn)口直徑比為0.6，擴(kuò)壓段為圓錐形，其錐角為12°，壓縮段錐角為18°。文丘里管內(nèi)部以及擴(kuò)壓段變直徑管道處都是平滑過(guò)渡連接，以減少流動(dòng)損失；廢氣通過(guò)喉管處，產(chǎn)生不同的真空度以實(shí)現(xiàn)最大程度的廢氣引入，確保廢氣能夠順利流入進(jìn)氣總管中。

本發(fā)明的主要思想是：對(duì)目前現(xiàn)有的高/低壓EGR系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)設(shè)計(jì)集成式EGR閥的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高/低壓EGR管路的靈活快速切換，并將兩個(gè)管路共用一個(gè)EGR閥和一個(gè)進(jìn)氣冷卻器；由于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)增壓后進(jìn)氣壓力大于渦前排氣壓力現(xiàn)象，導(dǎo)致EGR得不到足夠高的驅(qū)動(dòng)力，因此在高壓EGR管路安裝文丘里管，利用其喉管處產(chǎn)生真空度，可以順利的將廢氣引入進(jìn)氣系統(tǒng)中，進(jìn)一步加大EGR的容忍度，從而實(shí)現(xiàn)相對(duì)較大EGR率；EGR廢氣從高壓級(jí)渦輪機(jī)前進(jìn)氣口A引入，在發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷(冷啟動(dòng)或怠速)工況下，連通高壓EGR管路，廢氣不通過(guò)壓氣機(jī)，響應(yīng)速度快；在中、大負(fù)荷工況下，連通低壓EGR管路，能夠獲得較大壓差，實(shí)現(xiàn)較大的EGR率；此外，還可以通過(guò)調(diào)整EGR閥閥塊位置不采用EGR；通過(guò)調(diào)節(jié)EGR閥中閥塊位置，能夠改變通過(guò)管路中的廢氣的流通面積，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)EGR率的調(diào)節(jié)；當(dāng)渦前壓力傳感器到達(dá)預(yù)警值或增壓壓力過(guò)高發(fā)生喘振現(xiàn)象時(shí)，可以部分開(kāi)啟廢氣旁通蝶閥將廢氣排出，保證二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在寬工況范圍內(nèi)滿足對(duì)EGR率的需求。

具體的控制方法通過(guò)下列步驟實(shí)現(xiàn)：

1、順利起動(dòng)二級(jí)增壓內(nèi)燃機(jī)；

2、采集內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、渦前壓力、閥塊位置及廢氣旁通閥開(kāi)度等信號(hào)，并輸入渦前壓力預(yù)警值；

3、根據(jù)采集到的信號(hào)判斷當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)的負(fù)荷工況狀態(tài)，若在小負(fù)荷工況下，則開(kāi)啟高壓EGR管路，進(jìn)入步驟4；否則在中、大負(fù)荷工況下，開(kāi)啟低壓EGR管路，進(jìn)入步驟5；

4、確定內(nèi)燃機(jī)為小負(fù)荷工況，電機(jī)驅(qū)動(dòng)EGR閥閥桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥塊水平右移；

5、確定內(nèi)燃機(jī)為中、大負(fù)荷工況，電機(jī)驅(qū)動(dòng)EGR閥閥桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥塊水平左移；

6、判斷當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)燃燒狀態(tài)，基于目標(biāo)EGR率調(diào)節(jié)EGR閥閥塊位置，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)EGR率。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種用于二級(jí)增壓內(nèi)燃機(jī)的可調(diào)高/低壓EGR系統(tǒng)及控制方法可以實(shí)現(xiàn)不同工況需求下的高/低壓EGR管路切換，通過(guò)對(duì)EGR閥的集成式設(shè)計(jì)，使高/低壓EGR管路共用一個(gè)閥就可以將廢氣引入到進(jìn)氣總管；

2、高/低EGR管路僅使用一個(gè)進(jìn)氣冷卻器代替各自的EGR冷卻器，在達(dá)到冷卻效果的同時(shí)節(jié)省了成本和空間，便于安裝在車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)上；

3、在發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷(冷啟動(dòng)或怠速)工況下，連通高壓EGR，廢氣不通過(guò)壓氣機(jī)，響應(yīng)速度快；在中、大負(fù)荷工況下，連通低壓EGR，能夠獲得較大壓差，實(shí)現(xiàn)較大的EGR率；當(dāng)不需要采用EGR時(shí)，調(diào)節(jié)EGR閥閥塊位置，使進(jìn)氣口A關(guān)閉。

附圖說(shuō)明

圖1是用于二級(jí)增壓內(nèi)燃機(jī)的可調(diào)高/低壓EGR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是采用高壓EGR時(shí)EGR閥內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是采用低壓EGR時(shí)EGR閥內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是文丘里管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是用于二級(jí)增壓內(nèi)燃機(jī)的可調(diào)高/低壓EGR系統(tǒng)控制方法流程圖。

圖中：進(jìn)氣歧管1、內(nèi)燃機(jī)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(jí)渦輪旁通管路9、高壓級(jí)渦輪機(jī)管路10、高壓級(jí)渦輪機(jī)11、低壓級(jí)渦輪機(jī)12、進(jìn)氣總管13、進(jìn)氣中冷器14、文丘里管15、高壓EGR管路16、高壓級(jí)壓氣機(jī)17、級(jí)間中冷器18、低壓級(jí)壓氣機(jī)19、電子控制單元ECU20、轉(zhuǎn)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(huán)27、銷(xiāo)釘28、連桿29、閥塊30、卡環(huán)31、銷(xiāo)釘32、卡環(huán)33、銷(xiāo)釘34。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖所示的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)闡述：

參照?qǐng)D1，一種用于二級(jí)增壓內(nèi)燃機(jī)的可調(diào)高/低壓EGR系統(tǒng)及控制方法，包括：電子控制單元ECU20、內(nèi)燃機(jī)2、通過(guò)進(jìn)氣歧管1連接在內(nèi)燃機(jī)2進(jìn)氣口上的進(jìn)氣總管13、通過(guò)排氣歧管3連接在內(nèi)燃機(jī)2排氣口上的排氣總管4、與進(jìn)氣總管13依次順序連通的進(jìn)氣中冷器14、高壓級(jí)壓氣機(jī)17、級(jí)間中冷器18、低壓級(jí)壓氣機(jī)19，與排氣總管4依次順序連通的高壓級(jí)渦輪機(jī)11、低壓級(jí)渦輪機(jī)12，并在排氣總管4引出一條排氣旁通管路5與EGR閥6進(jìn)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(jí)渦輪管路10并聯(lián)高壓級(jí)渦輪旁通管路9；所述的高、低壓級(jí)渦輪機(jī)11、12分別與高、低壓級(jí)壓氣機(jī)17、19之間同軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接。其特征在于：

所述的EGR閥6出氣口A與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣旁通管路5相連；EGR閥6出氣口B通過(guò)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(jìn)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(jí)壓氣機(jī)19進(jìn)氣口端管路連接；所述的高壓級(jí)渦輪旁通管路9上安裝高壓級(jí)廢氣旁通蝶閥8；

所述的電子控制單元ECU20分別與轉(zhuǎn)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(jí)廢氣旁通蝶閥8相連。

參照?qǐng)D2、圖3，所述的EGR閥6是一個(gè)電動(dòng)集成式三通閥，包括電機(jī)、閥體24、閥塊30、閥桿25、曲柄26、連桿29、銷(xiāo)釘28、32、34、卡環(huán)27、31、33與位置傳感器；閥體24與閥塊30同為圓柱形結(jié)構(gòu)件，在閥塊30左端面以其軸線為基準(zhǔn)對(duì)稱加工兩個(gè)帶銷(xiāo)孔的凸臺(tái)并將閥塊30水平安裝在閥體24內(nèi)且直徑略小于閥體24內(nèi)徑；閥桿25中間加工一個(gè)不連通的銷(xiāo)孔并閥桿25其插入閥體24內(nèi)部，保證閥桿25與閥塊30軸線垂直且在同一平面內(nèi)；曲柄26的一端為帶銷(xiāo)孔的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，利用銷(xiāo)釘32及卡環(huán)31與閥桿25上銷(xiāo)孔固定連接實(shí)現(xiàn)過(guò)渡配合，另一端加工兩個(gè)以閥塊30軸線為基準(zhǔn)對(duì)稱的帶銷(xiāo)孔的凸臺(tái)，連桿29兩端利用帶有卡環(huán)27、33限位的銷(xiāo)釘28、34分別與曲柄26和閥塊30帶銷(xiāo)孔的凸臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)在水平面內(nèi)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)與閥桿25同軸連接，驅(qū)動(dòng)閥桿25及曲柄26同步旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)連桿29在水平面內(nèi)移動(dòng)使閥塊30在閥體24內(nèi)水平左右移動(dòng)，位置傳感器的移動(dòng)端安裝在閥塊30上；根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，調(diào)整閥桿25旋轉(zhuǎn)角度以實(shí)現(xiàn)高/低壓EGR管路的切換，通過(guò)不同位置閥塊30的位置傳感器信號(hào)反饋，計(jì)算出對(duì)應(yīng)廢氣流量及EGR率；閥體24的進(jìn)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(duì)應(yīng)直徑相等，三個(gè)接口的中心孔的回轉(zhuǎn)軸線同處于一個(gè)水平面內(nèi)，出氣口B與出氣口C的回轉(zhuǎn)軸線共線，進(jìn)氣口A的回轉(zhuǎn)軸線與出氣口B、C的回轉(zhuǎn)軸線垂直；

在發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷工況下，采用高壓EGR，電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥桿25帶動(dòng)曲柄26連桿29機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)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(guò)改變EGR閥6閥塊30占出氣口B體積的比例，調(diào)節(jié)廢氣進(jìn)入高壓EGR管路16流量，實(shí)現(xiàn)高壓EGR率的連續(xù)調(diào)節(jié)；在發(fā)動(dòng)機(jī)中、大負(fù)荷工況下，采用低壓EGR，電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥桿25帶動(dòng)曲柄26連桿29機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)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(guò)改變EGR閥6閥塊30占出氣口C體積的比例，調(diào)節(jié)廢氣進(jìn)入低壓EGR管路7流量，實(shí)現(xiàn)低壓EGR率的連續(xù)調(diào)節(jié)。

參照?qǐng)D4，文丘里管15結(jié)構(gòu)分為收縮段、喉管段和擴(kuò)壓段。廢氣在收縮段通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，氣體會(huì)加速，馬赫數(shù)會(huì)增大，壓力、溫度和密度都會(huì)下降；而在擴(kuò)壓段通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，氣體會(huì)減速，馬赫數(shù)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(nèi)流動(dòng)時(shí)，氣體壓力減小，在喉管處會(huì)產(chǎn)生真空度，利用這個(gè)真空度就可以順利將廢氣引入進(jìn)氣總管13中。通過(guò)利用文丘里管15，降低了廢氣的流動(dòng)阻力，有效抑制閥堵塞的現(xiàn)象，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的EGR率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失。

參照?qǐng)D5，根據(jù)采集到的轉(zhuǎn)速、扭矩、渦前壓力、閥塊30位置以及廢氣旁通蝶閥8開(kāi)度信號(hào)判斷當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)2的負(fù)荷狀態(tài)，在發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷(冷啟動(dòng)或怠速)工況下，采用高壓EGR通路16，電機(jī)驅(qū)動(dòng)EGR閥6閥桿25旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)曲柄26連桿29機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥塊30水平右移，使廢氣不通過(guò)壓氣機(jī)，響應(yīng)速度快；在中、大負(fù)荷工況下，采用低壓EGR通路7，電機(jī)驅(qū)動(dòng)EGR閥6閥桿25旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)曲柄26連桿29機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥塊30水平左移，能夠獲得較大壓差，實(shí)現(xiàn)較大的EGR率。判斷當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)2燃燒狀態(tài)，基于目標(biāo)EGR率調(diào)節(jié)EGR閥6閥塊30位置，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)EGR率。