面向混合气活性重整的低碳、零碳燃料发动机可变进气与高低温EGR系统

面向混合气活性重整的低碳、零碳燃料发动机可变进气与高低温egr系统
技术领域
1.本发明涉及的是一种发动机排气系统，具体地说是发动机排气再循环系统。


背景技术：

2.在船舶的航行过程中，会排放出大量的有害气体，其主要成分为no
x
、so
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、hc、有害颗粒物等等。随着出航成本的逐渐提高，人们会选用一些劣质燃料，这更是加剧了船舶污染物的排放。当发动机处于高工况时，缸内的绝热火焰温度比较高，在氧气充足的情况下会产生大量的氮氧化物；发动机低工况时，缸内温度较低，由于燃烧不完全、冷壁火焰淬熄、缝隙效应等原因，燃油消耗率增大，碳氢化合物大量生成。因此如何实现发动机不同工况下的高效率和低排放成为主要问题。
3.废气再循环技术(egr)是当前内燃机领域常用来降低nox排放的关键技术之一，egr技术是把内燃机产生的部分废气送入进气道中，由于废气中含有大量比热容较高的多原子气体，在降低氧气浓度的同时能够合理的利用高比热容的尾气有效地吸收燃烧产生的热量降低缸内温度，极大地降低了no
x
的产生。egr技术实现方法有两种，一种是废气通过外接的egr管路引入进气管路中，称为外部egr，另一种是通过可变配气技术改变换气过程，让部分废气残留在缸内，称为内部egr技术。外部egr由于中冷器的作用，可以减小废气的温度，再与新鲜空气混合可以得到低温的废气，在高工况下可以有效的降低燃烧温度，从而减低no
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排放，而在低工况时，由于喷油量小，且涡轮增压功率下降导致进气少，如若继续通入冷却后的egr，会继续恶化燃烧效果，增加了燃油消耗率。采用可变配气技术，通过排气门早关可以滞留高温的egr，可以有效地对燃烧进行预热，促进了燃烧，有效解决了外部egr在低工况的短板。将外部egr技术和可变配气技术联合使用，采用协同控制手段在不同负荷条件下实现不同品质的egr，从而实现不同工况下柴油机的高效率与低排放。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供联合使用外部egr技术和可变配气技术的面向混合气活性重整的低碳、零碳燃料发动机可变进气与高低温egr系统。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.本发明面向混合气活性重整的低碳、零碳燃料发动机可变进气与高低温egr系统，其特征是：包括废气涡轮、压气机、气缸、进气总管、排气总管、低温egr回路、散热器，废气涡轮与压气机同轴，气缸分别连接进气歧管和排气歧管，进气歧管连接进气总管，排气歧管连接排气总管，进气总管通过中冷器连接压气机，排气总管分别连接废气涡轮和低温egr回路，低温egr回路端部连接拉法尔混合器，拉法尔混合器的两端分别连通大气和压气机，低温egr回路上设置egr冷却器和egr流量调节阀，散热器分别通过进水管和排水管连接egr冷却器，排水管上设置泵。
7.本发明还可以包括：
8.1、还包括ecu、转速信号盘，气缸上分别设置进气门、排气门，进气门和排气门均连接液压驱动系统，转速信号盘安装在气缸下方的发动机曲轴上，废气涡轮的进口之前的排气总管上设置排气背压阀，ecu分别连接egr流量调节阀、排气背压阀、转速信号盘、液压驱动系统。
9.2、所述进气门包括阀芯、气门，阀芯连接气门，阀芯位于油腔里，油腔被阀芯隔成上油腔和下油腔，上油腔分别通过第一高压油管、第二高压油管连通高压油源，第一高压油管上设置高压电磁阀，上油腔通过低压油管连通低压油源，低压油管上设置低压电磁阀。
10.3、排气门与进气门的构成相同。
11.4、发动机处于低负荷运行工况时，实施排气门控制高温egr模式，egr流量调节阀完全关闭，egr冷却系统不工作，排气背压阀完全打开，排气门提前关闭，变正时的排气门调控残留在各个气缸内部的废气的质量，排气门提前关闭防止废气的流出从而保障egr的缸内残留；进气门延迟开启，防止高温废气的倒流；进气门延迟关闭，在进气质量充足的前提下实现米勒循环。
12.5、发动机处于大负荷工况时，实施通用低温egr模式，排气背压阀完全关闭，egr流量调节阀打开，egr冷却系统开始工作，egr流量调节阀开度和egr冷却系统的换热工质流量受ecu控制器调配，排气背压阀保持在较大开度，从而实现较高负荷条件下的外部低温egr的供给。
13.6、发动机处于中高运行工况时，实施高低温egr耦合控制模式，排气门、排气背压阀、egr流量调节阀、egr冷却系统均受控于ecu控制器，采用排气门开启正时的调整实现缸内高温egr质量的调节，采用egr流量调节阀与egr冷却系统的控制实现进气道内低温egr质量的调节，并配合排气背压阀开度控制实现高温egr和低温egr比例的调控，最终低温egr与高温egr在缸内进行掺混从而保障egr不同温度、质量水平下的无级调节。
14.本发明的优势在于：
15.1、本发明采用了排气背压阀、进排气门正时控制、egr冷却系统的综合控制，能够实现在多种发动机上全工况下的应用。
16.2、采用排气背压阀开度与进气门关闭正时协同控制方法能够实现发动机内高温egr的精准捕集；同时，用排气背压阀以提高排气背压很大程度上的减少了高温egr的捕集难度，能够有效扩展egr量的调节范围。
17.3、进气门的延迟开启为缸内高温废气的提供了充足的膨胀时间，能够避免在进气过程中由于较高缸压所带来的废气倒流；同时，与延迟关闭的进气门共同作用，在保障进气量充足的同时，实现米勒循环，有效降低发动机的压缩功，提高发动机热效率。
18.4、采用液压传动系统实现进排气门控制，不仅能够根据实际工况调节气门正时，而且采用液压系统能够有效减少气门开启或关闭过程的通流面积发展的时间，有效避免泵气损失。
附图说明
19.图1为本发明的结构示意图；
20.图2为可变配气系统结构示意图；
21.图3为排气门控制高温egr模式配气相位图；
22.图4为通用低温egr模式和高低温egr耦合控制模式的配气相位图；
23.图5为电液控制与机械控制气门升程对比曲线。
具体实施方式
24.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
25.结合图1-5，本发明由气缸12、进气总管16、排气总管7、节气门17、中冷器18、进气门11、排气门10、液压驱动系统9、低温egr回路、egr冷却系统、egr流量调节阀4、涡轮增压器、排气背压阀6、拉法尔混合器20、进气滤清器19、ecu控制器14等组成，可变进气系统的进气门11和排气门10均与液压驱动系统9相连，通过ecu控制器14控制液压驱动系统9实现气缸12进排气过程的自适应控制，能够改变发动机循环和捕集高温废气；所述涡轮增压器的增压器21进口经管道依次连接拉法尔混合器20、进气滤清器19，涡轮增压器的压气机出口依次连接中冷器18、节气门17和进气总管16，涡轮增压器的废气涡轮5进口依次连接排气背压阀6、排气总管7；低温egr回路的入口与排气总管7连接，接口位于排气背压阀6和排气歧管7之间，低温egr回路的出口与拉法尔混合器20的喉部连接；低温egr回路沿气体流动方向依次布置有低温egr流量调节阀4、egr冷却系统；ecu控制器14与液压驱动系统9、排气背压阀6、egr流量调节阀门4相连，实现不同工况下不同阀门开度的协调控制。可变进气系统和低温egr回路能够实现不同负荷条件下气门正时与高低温egr的耦合控制，通过对进气和排气控制，实现缸内热氛围的调控，结合燃料喷射策略，对混合气活性进行重整，实现发动机全工况运行条件下的性能优化。
26.液压驱动系统由高压油源22、低压油源27、阀芯25、油腔30、气门26、压力室、高压电磁阀24和低压电磁阀29组成，阀芯25与气门26采用焊接的方式连接，阀芯25安装于油腔30内部；油腔30的气门26一侧加工有一进油孔，进油孔与高压油源22相连接；油腔30的另外一侧加工有低压油孔和高压油孔，分别经低压电磁阀29和高压电磁阀24连接于低压油源27和高压油源22。液压驱动系统9受控于ecu控制器14，其控制方式为：常规状态下受到ecu控制器14控制，低压电磁阀29打开、高压电磁阀24关闭，气门26一侧具有较高油压，气门26关闭；气门26需要开启时，低压电磁阀29关闭、高压电磁阀24打开，油腔30两侧油压相等，但气门26侧的作用面积相对较小，阀芯25带动气门下移，气门26开启。
27.egr冷却系统由egr冷却器1、泵2、散热器3、管路组成，egr冷却器1入口通过管路与散热器3出口相连，egr冷却器1出口通过管路依次与泵2、散热器3入口相连，egr冷却器1对低温egr回路内气体进行冷却，利用散热器3将从低温egr回路中吸收的热量释放到环境中。泵2受控于ecu控制器14，根据不同工况和不同egr流量实现相应的换热工质供应，从而保证所述低温egr回路出口处的egr温度稳定于目标温度。
28.如图1所示，发动机的进气由两部分组成，一部分是来自与大气的新鲜空气，一部分是来自低温egr回路的废气，新鲜空气经过空气滤清器19后，两种气体通过拉法尔混合器20混合后一起进入增压器21压缩，压缩后的进气经过中冷器18后进行降温，随后通过节气门17进入进气总管16，并从此进入各个进气歧管15。在进气冲程中，进气门11由液压驱动系统9控制打开，气体进入气缸中，气体做功后进入排气冲程，排气门10由液压驱动系统9控制打开，排气进入排气歧管8中，随后排气汇集到排气总管7中。排出的高温废气有两条流动路径，其中一条：高温废气经过排气背压阀6后，进入废气涡轮5进行膨胀做功，使其为来流空
气加压；另一条流动路径：高温废气进入低温egr回路。
29.如图1所示在低温egr回路上，沿着废气流动方向，分别设有egr流量调节阀4和egr冷却器1，高温废气进入低温egr回路后，流经egr冷却器1，散热器3中的换热工质通过泵2进入egr冷却器1，对中低温egr回路的高温废气进行冷却，从而得到低温废气，实现低温egr，低温egr回路的出口与拉法尔混合器20相连，上述中的泵2通过ecu控制器14控制，通过对泵2的流量控制，从而控制高温废气冷却至一定的温度。
30.如图2所示的可变配气系统，主要是由高压油源22、低压油源27、阀芯25、油腔30、气门26、高压油管23、低压油管28、高压电磁阀24和低压电磁阀29组成。气门打开过程：由于油腔30上侧的压力作用面积比下侧大，故待高压电磁阀24接收到来此ecu控制器14的控制信号打开后，阀芯25在上下压力差的环境中向下移动，带动气门26打开；气门关闭过程：低压电磁阀29接收到来自ecu控制器14的控制信号打开后，油腔30上侧的液压油经过低压电磁阀29，通过低压油管28流至低压油源27，使得活塞上端面腔室内压力减小，从而在压力差的作用下，阀芯带动气门向上移动，就可以实现了气门关闭，气门的升程和相位由ecu控制器14的控制信号所决定，以此实现气门的配气升程和配气相位全可变。机械控制和电液控制的气门升程曲线图如图5所示，进排气门都是由电控液压驱动系统进行控制，相比于传统机械凸轮控制，液压传动系统具有动作响应快、调速范围广、易于控制等优点，不再受机械结构的限制，因而采用电控液压驱动系统的进排气门可以很快的开启和落座，并保持气门升程稳定。
31.如图1所示，发动机曲轴上装有转速信号盘13。egr流量调节阀4、排气背压阀6、液压驱动系统9和泵2均由ecu控制器14控制，ecu控制器14从转速信号盘13上分别获取发动机转速信号，经ecu控制器14处理后，发送信号给egr流量调节阀4、排气背压阀6、液压驱动系统9和泵2。通过对各个设备的控制过程，能够针对发动机的种类及运行状态实现不同的egr供应模式，以实现发动机全工况下的性能优化，不同模式的实现方式如下：
32.(1)排气门控制高温egr模式：此模式适用发动机低负荷运行工况，此模式的配气相位图如图3所示。egr流量调节阀4完全关闭，egr冷却系统不工作，排气背压阀6完全打开，调整ecu控制器14使排气门10提前关闭，采用变正时的排气门10精确调控残留在各个气缸内部的废气的质量，排气门10提前关闭防止废气的流出从而保障egr的缸内残留；采用进气门11延迟开启，防止高温废气的倒流；进气门11延迟关闭，保障进气质量充足的前提下实现米勒循环，减少发动机的压缩功损失。
33.(2)通用低温egr模式：此模式适用于发动机大负荷工况，此模式的配气相位如图4所示。排气背压阀6完全关闭，egr流量调节阀4打开，egr冷却系统开始工作，egr流量调节阀4开度和egr冷却系统的换热工质流量根据实际工况受ecu控制器14调配，排气背压阀6保持在较大开度，从而实现较高负荷条件下的外部低温egr的供给；能够实现低温egr的流量控制，降低燃烧过程中缸内气体的温升速率，减少nox的排放，有效避免发动机爆震及工作粗暴。
34.(3)高低温egr耦合控制模式：此模式适用于发动机中高运行工况，针对不同工况的不同需求采用不同的控制策略，此模式的配气相位如图4所示。所述的排气门10、排气背压阀6、egr流量调节阀4、egr冷却系统均受控于ecu控制器14处于灵活调整的状态，采用排气门10开启正时的调整实现缸内高温egr质量的调节，采用egr流量调节阀4与egr冷却系统
的控制实现进气道内低温egr质量的调节，并配合排气背压阀6开度控制实现高温egr和低温egr比例的调控，最终低温egr与高温egr在缸内进行掺混从而保障egr不同温度、质量水平下的无级调节。

技术特征：
1.面向混合气活性重整的低碳、零碳燃料发动机可变进气与高低温egr系统，其特征是：包括废气涡轮、压气机、气缸、进气总管、排气总管、低温egr回路、散热器，废气涡轮与压气机同轴，气缸分别连接进气歧管和排气歧管，进气歧管连接进气总管，排气歧管连接排气总管，进气总管通过中冷器连接压气机，排气总管分别连接废气涡轮和低温egr回路，低温egr回路端部连接拉法尔混合器，拉法尔混合器的两端分别连通大气和压气机，低温egr回路上设置egr冷却器和egr流量调节阀，散热器分别通过进水管和排水管连接egr冷却器，排水管上设置泵。2.根据权利要求1所述的面向混合气活性重整的低碳、零碳燃料发动机可变进气与高低温egr系统，其特征是：还包括ecu、转速信号盘，气缸上分别设置进气门、排气门，进气门和排气门均连接液压驱动系统，转速信号盘安装在气缸下方的发动机曲轴上，废气涡轮的进口之前的排气总管上设置排气背压阀，ecu分别连接egr流量调节阀、排气背压阀、转速信号盘、液压驱动系统。3.根据权利要求1所述的面向混合气活性重整的低碳、零碳燃料发动机可变进气与高低温egr系统，其特征是：所述进气门包括阀芯、气门，阀芯连接气门，阀芯位于油腔里，油腔被阀芯隔成上油腔和下油腔，上油腔分别通过第一高压油管、第二高压油管连通高压油源，第一高压油管上设置高压电磁阀，上油腔通过低压油管连通低压油源，低压油管上设置低压电磁阀。4.根据权利要求3所述的面向混合气活性重整的低碳、零碳燃料发动机可变进气与高低温egr系统，其特征是：排气门与进气门的构成相同。5.根据权利要求1所述的面向混合气活性重整的低碳、零碳燃料发动机可变进气与高低温egr系统，其特征是：发动机处于低负荷运行工况时，实施排气门控制高温egr模式，egr流量调节阀完全关闭，egr冷却系统不工作，排气背压阀完全打开，排气门提前关闭，变正时的排气门调控残留在各个气缸内部的废气的质量，排气门提前关闭防止废气的流出从而保障egr的缸内残留；进气门延迟开启，防止高温废气的倒流；进气门延迟关闭，在进气质量充足的前提下实现米勒循环。6.根据权利要求1所述的面向混合气活性重整的低碳、零碳燃料发动机可变进气与高低温egr系统，其特征是：发动机处于大负荷工况时，实施通用低温egr模式，排气背压阀完全关闭，egr流量调节阀打开，egr冷却系统开始工作，egr流量调节阀开度和egr冷却系统的换热工质流量受ecu控制器调配，排气背压阀保持在较大开度，从而实现较高负荷条件下的外部低温egr的供给。7.根据权利要求1所述的面向混合气活性重整的低碳、零碳燃料发动机可变进气与高低温egr系统，其特征是：发动机处于中高运行工况时，实施高低温egr耦合控制模式，排气门、排气背压阀、egr流量调节阀、egr冷却系统均受控于ecu控制器，采用排气门开启正时的调整实现缸内高温egr质量的调节，采用egr流量调节阀与egr冷却系统的控制实现进气道内低温egr质量的调节，并配合排气背压阀开度控制实现高温egr和低温egr比例的调控，最终低温egr与高温egr在缸内进行掺混从而保障egr不同温度、质量水平下的无级调节。

技术总结
本发明的目的在于提供面向混合气活性重整的低碳、零碳燃料发动机可变进气与高低温EGR系统，包括废气涡轮、压气机、气缸、进气总管、排气总管、低温EGR回路、散热器，气缸分别连接进气歧管和排气歧管，进气歧管连接进气总管，排气歧管连接排气总管，进气总管通过中冷器连接压气机，排气总管分别连接废气涡轮和低温EGR回路，低温EGR回路端部连接拉法尔混合器，拉法尔混合器的两端分别连通大气和压气机，低温EGR回路上设置EGR冷却器和EGR流量调节阀，散热器分别通过进水管和排水管连接EGR冷却器，排水管上设置泵。本发明能够实现多种模式的应用以面向不同种类发动机的不同工况，通过进排气门控制耦合EGR调节实现发动机全工况下的性能优化。况下的性能优化。况下的性能优化。


技术研发人员：杨立平 王鑫 冀帅壮 刘玮
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/8/9