[发明专利]具有柴油机废气再循环功能的双峰凸轮设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有柴油机废气再循环功能的双峰凸轮设计方法，属于柴油机减排技术领域。

背景技术

柴油机废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)技术，是当今柴油机机内净化技术中最为有效和可靠的减排技术方法之一。该技术方法是将一部分废气引入气缸或使废气排出量减少，让燃烧过的废气重新参与下一个工作循环的燃烧。当废气与新鲜空气混合后，气缸内混合气成分发生了改变，由于废气中所含的惰性气体(CO₂，N₂等)具有较高比热的特性，会使缸内燃烧温度气体降低，对有害排放物NOx的生成有一定的抑制作用，实现减少有害气体NOx生成和排放的目的。

废气再循环技术分为废气残留和废气重吸两种技术策略。目前废气残留技术策略在内燃机中应用比较广泛，废气残留技术实现的核心方法是：减少废气排出量，从而使得一部分燃烧过的废气残留在气缸里。实现这一策略有两种途径，一种是通过缩短排气门开启的持续角减少废气的排出量，但由于排气凸轮升起的高度通常要达到十几毫米，所以凸轮开启角的减小，会增加凸轮型线设计的难度，使系统可靠性降低；同时在排气行程里，排气的速度随着气缸内外压差的不断变化而改变。减小排气持续角对排气的整个过程影响很大，无法准确地控制废气的排出量，实现精确控制废气再循环率的目标。第二种途径是应用可变凸轮轴相位器(VCP)调整气门重叠角，使排气门开启和关闭的相位提前，通过错过有效的排气时机，来达到降低排气量，产生废气残留的目的。这种方法需要另外增加一套配气相位调整装置去改变原凸轮相位，附加的调整装置增加了系统的复杂度和成本。采用改变气门重叠角来减少废气的排出量是可行的，但此气体流动过程与相位匹配关系复杂，仍然无法对残留废气量进行精确控制。

2004年Jacobs车辆系的John Schwoerer等学者，在题为Internal EGR Systems for NOx Emission(SAE2004-01-1315)的一文中首次提到了一种排气门二次开启(Exhaust Valve Re-opening，EVRO)或进气门二次开启产生IEGR的理论；在随后的2006和2009年里，日本Shiga Prefecture大学的Kiyoshi KAWASAKI等学者，分别发表了多篇关于利用废气余热改善天然气均质充量压缩燃烧(HCCI)热效率与降低排放中的未然气体的文章，文中描述了在发动机一个工作循环里，运用发动机配气凸轮对气门的控制作用，让进或排气门两次开启，让已排出气缸的废气重新回到气缸里的思路。但是至今国内外还未出现有关废气重吸式IEGR技术具体实现方法的详细介绍，更未见该技术实施的有关报道。

发明内容

本发明公开了一种具有柴油机废气再循环功能的双峰凸轮设计方法，目的在于克服现有的柴油机凸轮设计，存在无法对残留废气量进行精确控制的弊端；若采用缩短排气门开启的持续角达到减少废气排出量的方法，会增加凸轮型线设计难度，使系统可靠性降低；若采用可变凸轮轴相位器(VCP)调整气门重叠角达到降低排气量方法，会增加系统的复杂度和成本，同时气体流动过程与相位匹配关系复杂。

本发明设计的关键技术是在发动机一个工作循环里，使排气门两次开启并通过排气门第二次开启将产生的废气再循环，实现减少有害气体NOx生成和排放的目的；核心内容是建立能控制气门二次开启的凸轮型线数学模型，根据进气行程中气缸和排气管道的压力状况，由设计者通过调整设计参数实现灵活调整二次开启凸轮的运动规律，合理控制二次开启排气门的开启时刻和持续相位角，并可根据实际需求，准确、灵活地控制发动机在不同行程阶段废气返回量即废气再循环率，使气缸内新鲜气体与废气的混合比例得到控制，实现有效改善发动机气缸内的燃烧条件，达到柴油机性能与NOx排放物控制最佳协调的目的。

本发明技术方案是这样实现的：

一种具有柴油机废气再循环功能的双峰凸轮设计方法，首先分段建立主凸轮缓冲上升段、工作段、缓冲下降段，主、副凸轮连接段，副凸轮工作段、缓冲下降段等凸轮挺柱升程曲线h(α)的6个方程式，求出各方程式的待定系数，然后将待定系数代入到建立的数学方程式中，得到具有柴油机废气再循环功能的双峰凸轮型线；具体实施步骤如下：

1、分段建立凸轮型线方程式：