CN1664342A - 车用发动机电控egr*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车用发动机废气再循环***(EGR)，包括信号采集传感器，电子控制单元(ECU)，电控EGR阀，进排气压力调节器，废气引出和导入管，废气冷却器等。信号采集由多种传感器组成。ECU有输入部分，处理部分，输出部分，通讯部分和故障诊断部分组成，具有开度控制、自诊断、失效保护等功能。电控EGR阀具有步进电机和比例电磁铁两种驱动方式；其阀体采取底开口、侧开口两种开口布置形式；其阀座和阀杆采取外伸式、内沿式两种启闭方向；其阀座和阀杆采取平面密封、球面密封和锥面密封三种密封形式。本发明还涉及阀门主要参数，包括进气主流孔、阀门升程、排气出口孔等的确定，EGR***在发动机各工况的控制策略。

Description

车用发动机电控EGR***

技术领域

本发明涉及一种车用发动机电控废气再循环***(EGR)。

背景技术

EGR是英文Exhaust Gas Recirculation的缩写。EGR通过将排气管中的部分排气引入进气***，与新鲜的充量进行混合，从而引起进气充量的性质发生变化，进而影响整个燃烧过程和排放。它通过以下三个方面来减少NO_x的形成：1.提高混合气的热容量。废气中含有的水蒸汽和二氧化碳等三原子分子气体，比热容大，可以有效地降低气缸内最高燃烧温度，抑制NO_x的生成。2.降低混合气中O₂的浓度。废气的稀释作用还可以使氧气的相对浓度下降，从而也能降低NO_x的排放。3.降低燃烧速度。由于废气中含有大量的氮和二氧化碳等接近惰性的气体，当这些废气部分回流到进气管后起到了稀释新鲜进气的作用，使燃烧反应速率减缓。

电子控制的EGR根据传感器测得的发动机转速、负荷、压力、温度、流量状态等工况信号，由ECU(电控单元)计算出符合当时工况的最佳的EGR率，并控制EGR执行器进行相应的操作。更为精确的EGR控制***还对EGR率进行闭环控制，将实际的EGR率反馈给ECU，供ECU对输出的控制信号进行修正，以便实际的EGR率与控制目标更为逼近。EGR***中电控式最具优势。

电控的EGR***的硬件包括传感器，信号处理模块，电控单元(ECU)，执行机构功率驱动模块，驱动机构(安装在EGR阀上)，EGR阀，引流装置(用于增压发动机)等。传感器包括：转速传感器，发动机水温传感器，节气门开度传感器或油门开度传感器，进气压力传感器，电磁阀位移反馈传感器等。

专利文献CN 1490513A(名称：柴油机废气再循环净化***)提供了一种采用线形电磁阀控制再循环量的柴油机废气再循环净化***。但该发明只是提出了大致的技术方案，即对EGR***的的硬件配置及部分硬件的主要作用做了介绍，而对EGR阀***开发中的阀门的主要参数的确定方法，以及开发中出现的具体问题，如进排逆差如何解决等都未涉及，而且只针对柴油机，不能用于汽油机。

阀门的主要参数包括进气主流孔，阀门升程，排气出口孔等，需要根据具体配套发动机的类型和机型参数，通过不同的设计依据求得。而现有的EGR阀发明都未说明其发明的针对性，也未提出其通用性原则，即参数的变化依据，在具体的不同的发动机配置中，会出现匹配不合适的情况。

发明内容：

本发明的目的是提供一种车用发动机废气再循环***，提出EGR阀***开发中的阀门的主要参数的确定方法，以及开发中出现的具体问题，以解决现有技术中存在的上述问题，

本发明的技术方案如下：

一种车用发动机废气再循环***，包括信号采集***，电子控制单元(ECU)，电控EGR阀，进排气压力调节器，废气引出和导入管，也可带有废气冷却器，其特征在于该***的信号采集***由传感器组成；ECU组成包括输入部分，处理部分，输出部分，通讯部分和故障诊断部分；电控EGR阀的输出执行机构为步进电动机或比例电磁铁；电控EGR阀的阀体采取底开口或侧开口的布置形式；电控EGR阀的阀座和阀杆采取外伸式或内沿式的启闭方向配合；电控EGR阀的阀座和阀杆采取平面密封、球面密封或锥面密封的密封形式；电控EGR阀主要参数(进气主流孔、阀门升程、排气出口孔)的确定取决于发动机的类型。

信号采集***的传感器包括发动机转速传感器、节气门(或油门)位置传感器、进气歧管绝对压力传感器、进气温度传感器、空气质量流量计及冷却液温度传感器。

电子控制单元(ECU)组成的输入部分包括节气门开度、油门开度、进气管绝对压力、空气质量流量计信号、发动机冷却水温度、EGR阀门开度的反馈信号模拟量，EGR阀工作模式的选择、ECU工作模式的选择开关量，发动机的转速信号脉冲量；处理部分包括8位单片机的微处理器、程序及数据存储器；输出部分包括脉宽调制、功率驱动后控制比例电磁铁或步进电机驱动的EGR阀；通讯部分为电子控制单位、传感器单位及执行器单元连接起来的CAN网络；故障诊断部分是诊断电子控制单元本身以及各传感器、执行机构自诊断的功能模块。

电控EGR阀为步进电机驱动的或比例电磁铁驱动的EGR阀，比例电磁铁驱动的EGR阀可不带位移传感器。

电控EGR阀的阀体采取底开口或侧开口的布置形式，取决于EGR阀所需布置空间及发动机类型，汽油机时阀门采用底开口，大排量汽油机、柴油机时，阀门采用侧开口。

电控EGR阀阀门的主要参数包括进气主流孔、阀门升程、排气出口孔，进气主流孔的尺寸的确定取决于EGR流量和进排气压差，决定阀体的高度，并直接影响稳压腔和排气出口孔的大小，排气出口孔根据发动机机型，进气孔径和压差决定。

附图说明

图1为本发明发动机EGR电子控制***结构示意图；

图2为不带位移传感器的比例电磁铁驱动的EGR阀结构图；

图3为带位移传感器的比例电磁铁驱动的EGR阀结构图；

图4为位移传感器原理图；

图5为步进电机驱动的EGR阀结构图；

图6为阀门的开口形式示意图；

图7为阀杆相对阀座的启闭方向示意图；

图8为阀杆与阀座密封形式示意图。

具体实施方式

一.信号采集传感器，ECU

如图1所示，本发明中发动机EGR电子控制***的输入包括油门位置信号(或节气门位置)，进气压力信号，进气温度信号，发动机冷气水温信号，蓄电池电压信号和EGR阀位置反馈信号等。其中发动机的负荷由油门位置信号(或节气门位置)和进气压力信号确定，排量小的发动机可以使用比例电磁铁EGR阀，并且对EGR的开度进行反馈控制，排量比较大的发动机可以使用步进电机EGR阀进行控制。根据所匹配的机型，***对发动机水温，进气温度和蓄电池电压等信号进行修正。

EGR电子控制***的输入部分，即各种传感器，分别为：

1)发动机转速传感器。在EGR的电子控制***中，转速为一个主要控制变量，控制***根据转速和负荷信号计算出EGR阀门的最佳开度。发动机应用中常见的两种转速传感器为霍尔式转速传感器和磁电式转速传感器。

2)节气门位置(油门位置)传感器。本传感器用于向ECU提供节气门转角信息。根据这个信息，ECU可以获得发动机负荷信息，工况信息(如起动，怠速，倒拖，部分负荷，全负荷)以及加速和减速信息。本传感器具有线型输出的角度传感器，由两个圆弧的滑触电阻和两个滑触臂组成。滑触臂的转轴和节气门轴连接在同一轴线上。

3)进气歧管绝对压力传感器。这个压力传感器通过一个空气通道与进气歧管相通，用于监测进气歧管内的压力，用于速度-密度法向ECU提供发动机间接负荷信息。本传感器可以做成一个安装在ECU上的元件，或者做成一个安装在进气歧管上或安装在其附近的传感器，用软管将传感器与进气歧管进行连接。

4)进气温度传感器。进气温度传感器用于提供进气温度对各控制参数进行修正。

5)空气质量流量计。除了上面提到的间接负荷测量方法，还存在直接的发动机负荷测量方法，这里只简要的介绍热线式和热膜式空气流量计的原理。

热线和热膜式质量空气流量传感器都是根据传热学原理设计的。热膜式质量空气流量传感器是在热线式质量空气流量传感器的基础上发展起来的。热线式传感器，其传感元件是一根极细的高温度系数的金属电阻丝。空气流过时，从热线上带走热量，热线的热平衡取决于三个因素，即气流，电流和热线温度，因为热线的电阻由温度决定，所以恒电阻要求热线恒温度，而在空气温度一定的情况下，若热线恒温度则热线与空气恒温度差决定了流量。热膜式的工作原理和热线式相同。通过采取一定的信号处理电路质量传感器输出和质量成一定关系的空气流量和电压曲线，输入MCU(微程序控制器)，作为发动机的负荷信息。

6)冷却液温度传感器。本传感器用于提供冷却液温度信息。其原理和进气温度传感器的原理相同。本传感器内部含有一个负温度传感器热敏电阻，其阻值随着冷却液温度上升而减少，但不是线性关系。负温度系数的热敏电阻安装在一个铜质导热套管里面。冷却液传感器安装在气缸上，并且要将铜质导热套管***冷却液中。利用套筒可以将冷却液传感器拧入气缸体上的螺纹孔中。热敏电阻作为分压电阻的一部分，最后温度信息转化称电压信号输入MCU。

电子控制单元(ECU)的主要功能包括如下几个方面。

1.EGR阀开度控制。电子控制单元根据发动机运行的具体工况，按照所制定的控制策略，即控制单元内部存储的相应程序，根据发动机转速，发动机负荷信息从已经标定好的EGR率脉谱图中读取相应的EGR阀门开度，在结合其它的修正参数，最后完成EGR阀门开度的控制。这是EGR的ECU的最基本功能。

2.自诊断功能。当控制***的电子控制单元发现发动机转速传感器，EGR阀执行机构出现故障时，可以在汽车仪表板上设置故障指示灯，并且以显示故障代码的信息通知驾驶员***中存在的故障以及故障所发生的部位；并且电子控制单元提供专门的诊断接口，用于和故障诊断仪进行通讯，读取故障信息。当电子控制单元检测出***中有故障时，会将故障信息存储到内存中，并且这些信息在发动机熄火后仍然不会消失。因此，在排除故障后要使用专门的故障代码清除程序，才能将其从内存中抹除。

3.失效保护。当电子控制***发生故障，电子控制单元会自动的采用备用的信号继续控制发动机运行，使得在故障排除之前，发动机能继续运行，行驶到修理厂，进行故障排除和修理任务。

EGR的ECU由微处理器和一些接口电路组成，目前在汽车电子控制领域应用的微处理器已达到16位甚至32位，并且大部分具有CAN总线接口，方便与汽车其它控制器进行通讯。目前市场上应用的EGR电子控制已经集成到发动机控制单元上，本发明主要完成对EGR阀的控制策略的研究，所以单独开发了一个EGR专用的ECU，使用了8位的PIC微处理器，可以扩展CAN总线接口。EGR电子控制单元分为5个部分，即输入部分，处理部分，输出部分，通讯部分和故障诊断部分，下面分别加以说明：

1.输入部分。电子控制单元的输入部分包括模拟量、脉冲量和开关量。这3种信息传递基本包括了各种信号的形式。当然3种信号一般情况下还需要经过适当的处理才能输入微处理器进行信息处理。

模拟量在EGR电子控制***中一般包括(针对柴油机或汽油机可以选择不同信号的组合)：节气门开度，油门开度，进气管绝对压力，空气质量流量计信号，发动机冷却水温度，EGR阀门开度的反馈信号。这些信号在经过A/D转化后成为微处理器可以接受的数字信号，然后进行处理。有些处理器本身具有A/D转换功能，否则需要设置A/D转换模块。接口电路的主要作用是对模拟量信号进行滤波和电压变换以适应后续电路的需要。

开关量在本EGR电子控制***中主要包括：EGR阀工作模式的选择按钮开关，EGR的ECU工作模式的选择按钮开关，这些信号的接口部分一般完成电压变化功能，使开关信号的电压值符合微处理器的电平逻辑要求。

脉冲信号在EGR电子控制***中包括发动机的转速信号，这是因为发动机转速信号大部分情况下是采用磁电式传感器和霍尔式传感器采集的，这些传感器的输出是频率与转速成正比的脉冲信号，这些信号还必须经过整形处理后才能被微处理器所接受，这个功能由接口电路来完成。

2.处理部分。电子控制单元的信息处理部分主要由微处理器完成，它是EGR的ECU的控制中心。微处理器的性能是体现电子控制单元控制性能的主要因素之一。从20世纪80年代以来开始大规模应用微处理器后，其处理速度以及性能以几何级数增加，许多汽车电子控制单元使用32位微处理器，鉴于本EGR的ECU的特殊性，本发明采用8位单片机。程序以及数据存储器也属于处理部分。显然，微处理器性能的提高以及控制规模的扩大都要求程序与数据存储器的容量也必须增加，最初的存储容量只有几k字节，而目前都在100k甚至到几M字节，这也反应出控制规模，控制精度以及复杂程度的提高。

3.EGR控制策略

对于汽油机，经综合考虑，确定EGR***在发动机各工况的控制策略如下：

a.冷起动及预热工况

冷起动时，汽油机的转速及温度较低，空气流动速度也低，导致汽油雾化差，混合气质量不佳，燃油壁流严重，各缸混合气分配不均匀；在低温下，汽油的饱和蒸气压力下降，难以形成达到着火界限的可燃混合气。为了顺利起动，须向汽油机提供很浓的混合气；同样原因，在预热暖机过程中，也需要很浓的混合气，只是加浓的过程必须在预热过程中逐渐减小。因此，冷起动和预热工况时，NO_x浓度都很低，为防止EGR影响燃烧稳定性，当冷却水低于某一值时，一般不进行EGR。

b.怠速及低负荷工况

汽油机怠速运转的特点是转速低，节气门开度小，供油量少，但混合气浓度较高，雾化不良，缸内残余废气相对较多，废气稀释的影响很大，各缸不均匀性严重。这种情况造成燃烧缓慢，燃烧不完全，甚至出现间断着火现象。因此鉴于缸内温度不高加上供氧不足，NO_x排放浓度低，不宜进行EGR。

c.中等负荷工况

中等负荷时，节气门已有足够的开度，缸内残余废气稀释的影响可以忽略不计，缸内混合气是经济混合气，即稀混合气，以获得最佳比油耗。此时缸内温度随负荷的升高而升高，加上稀混合气中又有足够的氧，造成NO_x排放浓度也升高。故EGR率也应随负荷的增加而增加，直至最大允许限度。

d.高负荷、高速或油门全开工况

高负荷运转时，节气门开度超过75％，这是要求供给浓混合气，以保证输出最大的功率。由于此时混合气变浓，NO_x浓度下降，为了保证汽油机有良好的动力性，一般不进行EGR。

e.加速工况

汽车加速时，节气门骤开，气的响应一般要快于油的响应，因此缸内短时间内会是稀混合气，但供油装置会立即增加供油量，提供浓混合气，以保证汽油机在加速时有必要的功率。由于燃烧温度提高，NO_x生成量增加，因而在加速时，为获得加速过程中必要的净化效果，EGR在过渡过程中应起作用，但一旦加速完成，应停止EGR，以保证汽油机的动力性能。

f.减速工况

同理，汽车减速时，节气门开度骤然减小，进气管内产生较大的真空度，壁面上的燃油蒸发加速，气缸内会在短时间内形成浓混合气，因此减速时，NO_x浓度较低，不宜进行EGR。

对于柴油机来讲，控制策略的基本指导思想与汽油机是一致的，即从各工况下NO_x的排放特性出发，综合考虑发动机的动力性、经济性要求，来决定是否进行EGR并粗略确定EGR率的大小。但由于柴油机有着自己不同于汽油机的工作特点，所以并不能完全照搬汽油机的控制策略，柴油发动机的控制策略如下：

a.冷起动及预热工况

主要考虑温度因素，由于此时发动机温度很低，虽然存在氧过量，但NO_x的生成量仍然很少，故不进行EGR。

b.怠速及低负荷工况

与汽油机不同，此时柴油机燃烧的仍是稀混合气，气缸中氧含量仍大大过剩，例如怠速下，此时空燃比约为100∶1，加上气缸温度逐步提高，NO_x的排放也随之升高，因此这时柴油机允许有EGR，并且EGR量还可以适当加大，其值受限于燃烧稳定性和可能会引起其他排放物的剧增。

c.中等负荷工况

与汽油机类似，柴油机此时应当进行EGR，并且由于柴油机的过量空气系数远比汽油机为大，故其EGR率应当比汽油机高。

d.高负荷、高速或油门全开工况

同样是基于动力性考虑，柴油机应当减小EGR率或停止进行EGR。

e.加速工况

与汽油机不同，汽车加速时，一般柴油机是油的响应快于气的响应，特别是对废气涡轮增压柴油机来说更是如此。所以过渡工况内会存在较浓的混合气，此时不应当进行EGR。

f.减速工况

同理，当柴油汽车减速时，混合气变稀，发动机温度仍较高，故应当进行EGR。

EGR给发动机运行带来的影响是复杂的。一般来讲，增加EGR率可以使NO_x排放降低，但同时会使HC排出物、PM排放物和燃油消耗增加，因此，在各种工况下采用的EGR率必须是对动力性、经济性和排放性能的综合考虑，这些可以通过本发明的技术保障体系来实现。

4.输出部分。控制单元的输出部分主要是用来控制比例电磁阀驱动的EGR阀或步进电机驱动的EGR阀。输出信号为脉宽调制的信号，用来控制比例电磁阀和步进电机。微处理器输出的这些信号必须经过功率驱动才能用来控制被控对象。控制单元中功率驱动部分主要采用集成的功率模块，这样可以提高***的可靠性和抗干扰性。

5.通讯部分。由于电子技术在汽车上的大规模应用，极大地降低了制造成本，提高了技术含量，同时，对提高汽车动力性，降低废气排放，减少油耗等都起到了至关重要地作用。本发明采用CAN网络。CAN网络通过一条总线将所有满足CAN通信协议的电子控制单位(ECU)，传感器单位，执行器单元连接起来，可提供点对点以及广播式通讯方式，很好的解决了汽车内众多测控仪器以及单位之间的数据共享与数据传递问题。目前在汽车设计领域，无论是载货车，大客车，还是小轿车，CAN基本上成为一种必须采用的技术。美国的汽车制造商正在将控制器的网络逐步过渡到CAN总线，CAN总线已经成为汽车电子控制***的主流总线。为了和其它的控制器进行通讯，本EGR的ECU亦采用了CAN通讯模块。

6.故障诊断部分。故障诊断部分是用来对电子控制单元本身以及各传感器，执行机构进行自诊断的功能模块，利用故障诊断可以了解EGR***的工作状态，有利于日常维护和维修，也充分发挥了电子控制单元的作用。随着电子控制单元以及******的日益复杂，故障诊断功能已不仅仅是一个辅助功能，而逐渐成为电子控制单元的主要功能之一。故障诊断信息与外部的故障诊断仪一般都遵守一些标准，这些标准有些成为国际标准，所以故障诊断功能模块的设计与相应的故障诊断仪的设计紧密相连。

二.电控EGR阀

EGR电子控制单元的输出执行机构为电控EGR阀，本发明的电控EGR阀分为三种：a)步进电动机驱动的EGR阀；b)不带位移传感器的比例电磁铁驱动的EGR阀；c)带位移传感器的比例电磁铁驱动的EGR阀。

如图2所示，不带位移传感器的比例电磁铁EGR阀采用的是开环的控制。在保证一定控制精度的情况下，可以降低成本。

比例电磁铁EGR阀通常应用于EGR流量较小的小排量发动机(例如：汽油机)中，它通过脉宽调制的电压进行控制。如图3所示，带位移传感器的比例电磁铁EGR阀的结构包括阀座(3-1)、阀杆(3-2)、阀体(3-3)、衔铁(3-4)、线圈(3-5)、位移传感器(3-6)等。ECU向比例电磁铁的线圈输入脉宽调制的电压，线圈然后产生磁场力吸动衔铁，从而打开EGR阀门，废气通过EGR阀门流向进气管。EGR阀门的流量(开度)通过位移传感器反馈到ECU。因为比例电磁铁的发热导致线圈中的电流发生变化，使得EGR阀门的开度发生变化，所以应该利用位移传感器的反馈信号对EGR阀门进行闭环控制，提高控制精度。

带位移传感器的比例电磁铁EGR阀的控制步骤：EGR的ECU根据发动机的转速，负荷，冷却水温和进气歧管温度，大气压力，节气门位置传感器，油门位移传感器(根据不同类型的发动机选择其中一些传感器)的输入信号调整衔铁的位置；EGR的ECU产生的脉冲调制信号电压驱动电磁线圈，使衔铁响应EGR的ECU的指令移动到所需要的位置；电磁线圈对衔铁产生电磁力，开启阀门使得废气进入进气歧管；阀门的的打开使得位移传感器运动，位移传感器的电阻变化，该电阻的分压作用使得位移传感器输出与阀门开度成比例的电压信号，ECU根据该电压反馈信号进行闭环控制和诊断。

如图4所示，位移传感器为电位计，其功能如下：为电磁线圈提供主要的平衡力；闭环控制的方法，可以为电压波动做补偿；为摩擦力的影响做补偿；为衔铁和阀门压力波动，制造公差做补偿；为EGR***提供诊断能力。

如图5所示，步进电机驱动的EGR阀包括步进电机(5-4)、阀体(5-3)、阀座(5-1)、阀杆(5-2)等组成。其中步进电机为直线位移式。ECU向步进电机输入步进脉冲电压，步进电机线圈产生旋转运动最终通过涡轮蜗杆机构转换成轴线方向的直线位移。步进电机驱动的EGR阀体和比例电磁铁驱动的EGR阀体的机构相同。可以根据需要安装脉冲编码器或位移传感器进行反馈控制。

如图6所示，阀门开口形式的设计主要根据EGR阀所需布置空间和发动机类型，取决于电控EGR阀在发动机上的安置位置，一般有底开和侧开形式。底开形式中进气孔(6-1-1)、稳压腔(6-1-2)、排气孔(6-1-3)；侧开形式中进气孔(6-2-1)、稳压腔(6-2-2)、排气孔(6-2-3)。其设计依据为：

1.由发动机类型设计阀门开口形式。汽油机排气压力波动大，所需稳压腔大，因此一般采用底开口，只有当汽油机排量大的时候才需要用侧开口。柴油机排气压力波动小，所需稳压腔小，倾向于侧开口。

2.由布置空间设计阀门开口形式。对小口径的阀门来说，采用底开口和侧开口区别不大，毕竟此时的空间要求都很小。但是在大口径的时候采用底开口会大大增加阀的长度，对在发动机上的布置不利，所以一般采用侧开口外形更紧凑。底开时，稳压腔稳压效果好，阀座上表面和阀体稳压腔下表面可以在同一位置。侧开时，阀座上表面一般要高出阀体稳压腔下表面3～5mm，以使从排气孔出去的气体能经过一定的稳压和减速。如果进出口压力变化很小，也可无高度差。

再循环的废气在进入阀门前若无冷却(即采用热EGR)，则阀门材料的选取必须考虑发动机废气的高温、腐蚀等特性。阀体选用加入镍、铬等耐高温元素的中碳铸钢，具有一定的韧性及塑性，强度较高，切削性及铸造性较好。阀杆选择耐高温不锈钢，例如1Cr18Ni9Ti。阀座，选择耐热，不绣，线胀率相同或略大于阀体的金属，热导尽量大，例如2Cr13、5Cr21Mn9Ni4N等。

为简化结构，我们把阀杆和阀瓣视为一体，统称为阀杆。阀座和阀杆的配合包括：启闭方向和密封形式。

启闭方向如图7所示，启闭方向有外伸式(7-1)和内沿式(7-2)两种，阀杆相对阀座的启闭方向也与EGR的安装位置有关，外伸式加工方便，而内延式不受安装位置影响。其特点如下：

A.外伸式：阀杆向阀体外部运动开启阀门。稳压腔内空气稳压作用好，出口管路的流动损失小，管路噪音小，容易保证阀座与阀杆的对中及密封要求，并且不易积碳，但是阀瓣载荷较大(作用面大)，阀门冲击载荷较大，并且外伸增加了阀的总体长度空间。

B.内沿式：阀杆向阀体内部运动开启阀门。相对于外伸式，稳压腔内空气扰动大，稳压效果差，管路噪音大，并且易积碳，不易保障阀座与阀杆的对中及密封要求，但阀门冲击载荷小，并可减少阀的总体布置空间。由于积碳300℃以后会进行自身化学反应而分解，而腔的正常温度约400℃，因此采用内沿式的优势很大。

密封形式如图8所示，阀门关闭时，阀杆与阀座需要密封。其密封方式有平面密封(8-1)、球面密封(8-2)和锥面密封(8-3)。平面密封对密封圈要求高，需要的零件增多，预紧力的要求较高；球面密封可操作性好，对中性要求不高，但制造困难；锥面密封零件少，预紧力要求少，对中性能良好，制造方便，流量控制精度高，因此EGR阀选用类似与发动机中气门与气门座的锥面密封很普遍。

本发明采用的阀杆与阀座密封形式是根据具体的发动机的机型和热负荷条件进行选择，并与所使用的材料相匹配。

阀座和阀杆的使用材料符合硬—软密封形式，即选用不同硬度的材料，在高的密封力下可通过两者之间的变形来实现密封。但在密封力较小的EGR阀中，也可以采用硬—硬密封，即阀座和阀杆采用同一硬度的材料。

在EGR阀中，阀杆做往复直线运动，和阀体导轨之间的间隙会导致泄漏，因此必须考虑阀杆和阀体导轨间的密封。汽油机、非增压柴油机和增压柴油机由于自身的特性，密封不好造成的影响也不同。

汽油机和非增压柴油机中，EGR阀出口的压力小于外界大气压，阀杆泄漏，是外界空气进入EGR阀。外界空气向EGR阀的渗漏，降低了同等状况下的EGR率，过多的灰尘也对EGR阀和发动机造成损害。

增压柴油机中，进气压力高，EGR阀出口和内腔的压力要高于一个大气压，因此如果EGR阀和外界环境之间存在气体通道，那么高温废气和颗粒物就泄漏到外界空气中，对发动机舱的其他零部件造成严重影响，也没有达到再循环控制的目的。

由于阀杆运动低速、往复、中温，无润滑，为接触型的动密封。可选择以下填料：橡胶石棉填料、金属填料、柔性石墨。

采用EGR时，阀内流体介质温度很高，增压柴油机能达到700℃，而阀上的许多零件的正常工作温度都在200℃以下，因此为保证各个零件的正常工作，必须采取隔热措施。最简单的方法是在阀体上直接加隔热板，隔热材料的选取以及厚度可根据相关传热学知识求得。

电控EGR阀主要参数(包括进气主流孔，阀门升程，排气出口孔)的确定取决于发动机的类型，需要根据具体配套发动机，通过气体流动计算求得。

主流孔大小的决定性因素是EGR流量和压差。在计算中，很多参数都是互相牵制的，需要进行优化设计。

对于汽油机和非增压柴油机EGR流量的计算可利用公式：

$q_e=\frac{3.6{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{\η}}_v{V}_{h}n{\mathrm{\η}}_e}{120m}$

其中，ρ₀为标况空气密度(Kg/m³)；η_v为充气效率；V_h为排量(L)；n为转速(r/min)；η_e为EGR率；m为EGR阀的个数；q_e为EGR循环流量(Kg/h)。再利用阀门的有关公式：

$A_f=q_e\sqrt{\frac{B}{\mathrm{\ΔP}\·\mathrm{\ρ}}},$ $A_n=\frac{1}{4}\mathrm{\π}{d}^2=\frac{9}{8}{A}_f,$ 可计算出主流孔孔径d的大小。

其中，A_f为摩阻面积，m²；q_e为流量，Kg/s；B为系数；ΔP为压差，bar；ρ为流体密度，Kg/m³；A_n为主流孔截面面积，m²。

但对于增压柴油机，由于EGR流量的计算公式不同，以上公式是不能满足要求的，可利用公式：

$d=$ $\sqrt{q_e\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\ΔP}}\·\frac{P_0}{P}\·\frac{T}{T_0}\·\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_0}}},$ 求得主流孔孔径d。

其中，q_e为流量，Kg/s；Ne为额定功率，单位为KW；g_e为有效油耗率，单位为Kg/(KW·h)；α为燃烧过量空气系数；_s为扫气系数；η_e为EGR率；ΔP为进排气压差，pa；P为废气压力，pa；T为废气温度，K；P₀为标况压力，10⁵pa；T₀为标况温度，273K；ρ₀为标况空气密度1.293Kg/m³。

至于阀门升程，一般可取经验值，即取主流孔的0.4倍。

以上的计算公式是基于理论上最大的EGR率考虑的，即汽油机为25％的EGR率，柴油机为50％的EGR率，发动机在不同工况时，如果小于最大值，则可以通过EGR阀的开启度来控制。

出口孔大小的影响因素为发动机机型、主流孔大小和进排气压差。出口孔孔径的不适当将导致颗粒物沉积、噪声、冲击、气体的壅塞等不良现象的发生。

出口孔孔径是相对于主流孔的孔径来确定的，基于和进口处流量相等的条件，即：

p₁A₁ν₁＝p₂A₂ν₂＝q_m＝常数

式中，p₁、p₂为进出口截面上流体的密度，kg/m³；A₁、A₂为进出口截面的截面积(对应直径为d₁、d₂，单位为m)；ν₁、ν₂为进出口截面上流体运动速度，m/s；q_m为质量流量kg/s。假定两截面流速比为ψ，则由：

$d_2=d_1\·\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2\·\mathrm{\ψ}}}=d_1\·\sqrt{\frac{P_1}{P_2}\·\frac{T_2}{T_1}\·\frac{1}{\mathrm{\ψ}}}$ 可求得出口孔直径。

汽油机的废气中由于没有颗粒物，不会有沉积的生成。为了降低噪声，减小流动损失并提高效率，需在许可的条件下增加孔径，使得气体在EGR回流管路中降低流速。一般ψ取0.5～0.7。

对柴油机来说，由于颗粒物的存在，流速不能变化太大，这样会导致颗粒物的沉积，所以一般选取流速比为0.8～0.9。

三.进排气压力调节器

EGR是通过进排气压差来引导的，因此必须有一定的进排压差，才能保证足够的EGR率。对于增压柴油机进气压力高，在有些工况会出现进排气压力逆差的现象，因此EGR设计中必须考虑进排气压差的调节。

可在柴油机进气管路中加装节气门，进行节流降压，增大排气管对进气管的压力差，也可加装文丘利管，较好地解决进排压逆差问题。也可在EGR管路中布置单向阀。

四.废气引出和导入管

废气引出和导入管的直径决定了废气在管路中的流速。本发明中的管路设计是按照发动机的机型，通过流动过程的计算软件进行优化设计计算。

五.废气冷却器

根据发动机机型以及发动机的排放性能可以进行选择。如果选择采用废气冷却方式，则采用专用设计方法和步骤进行优化设计。

Claims (6)

1.一种车用发动机废气再循环***，包括信号采集***，电子控制单元(ECU)，电控EGR阀，进排气压力调节器，废气引出和导入管，也可带有废气冷却器，其特征在于该***的信号采集***由传感器组成；ECU组成包括输入部分，处理部分，输出部分，通讯部分和故障诊断部分；电控EGR阀的输出执行机构为步进电动机或比例电磁铁；电控EGR阀的阀体采取底开口或侧开口的布置形式；电控EGR阀的阀座和阀杆采取外伸式或内沿式的启闭方向配合；电控EGR阀的阀座和阀杆采取平面密封、球面密封或锥面密封的密封形式；电控EGR阀主要参数(进气主流孔、阀门升程、排气出口孔)的确定取决于发动机的类型。

2.如权利要求1所述的车用发动机电控废气再循环***，其特征在于，上述***的信号采集***的传感器包括发动机转速传感器、节气门(或油门)位置传感器、进气歧管绝对压力传感器、进气温度传感器、空气质量流量计及冷却液温度传感器。

3.如权利要求1所述的车用发动机电控废气再循环***，其特征在于，上述***的电子控制单元(ECU)组成的输入部分包括节气门开度、油门开度、进气管绝对压力、空气质量流量计信号、发动机冷却水温度、EGR阀门开度的反馈信号模拟量，EGR阀工作模式的选择、ECU工作模式的选择开关量，发动机的转速信号脉冲量；处理部分包括8位单片机的微处理器、程序及数据存储器；输出部分包括脉宽调制、功率驱动后控制比例电磁铁或步进电机驱动的EGR阀；通讯部分为电子控制单位、传感器单位及执行器单元连接起来的CAN网络；故障诊断部分是诊断电子控制单元本身以及各传感器、执行机构自诊断的功能模块。

4.如权利要求1所述的车用发动机电控废气再循环***，其特征在于，上述***的电控EGR阀为步进电机驱动的或比例电磁铁驱动的EGR阀，比例电磁铁驱动的EGR阀可不带位移传感器。

5.如权利要求1所述的车用发动机电控废气再循环***，其特征在于，上述***的电控EGR阀的阀体采取底开口或侧开口的布置形式，取决于EGR阀所需布置空间及发动机类型，汽油机时阀门采用底开口；大排量汽油机、柴油机时，阀门采用侧开口。

6.如权利要求1所述的车用发动机电控废气再循环***，其特征在于，上述***的电控EGR阀阀门的主要参数包括进气主流孔、阀门升程、排气出口孔，进气主流孔的尺寸的确定取决于EGR流量和进排气压差，决定阀体的高度，并直接影响稳压腔和排气出口孔的大小，排气出口孔根据发动机机型，进气孔径和压差决定。

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