一种EGR及涡轮取气结构、其参数计算方法和相关设备与流程

一种egr及涡轮取气结构、其参数计算方法和相关设备
技术领域
1.本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种egr及涡轮取气结构、其参数计算方法和相关设备。


背景技术：

2.egr：又称废气再循环，是将发动机排出的部分废气送回进气歧管与新鲜混合气混合再次进入气缸。
3.多缸共法兰：气缸排气歧管汇合后的排气管需要用法兰结构进行固定，多缸共法兰排气系统是指相邻的两个气缸的排气管共用一个法兰结构。
4.现有发动机egr系统多采用总管中路取气。egr的两个支路的取气口分别位于左右两侧气缸所有废气混合后的排气总管中。此系统中废气会先全部混合然后一部分进入egr系统进行再循环，一部分经涡轮做功后排出。这种结构由于两侧气缸中的废气排气路径长，经过管接头数量多，排气背压相对于中间气缸高，从而导致气缸的一致性差。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施例提供一种egr及涡轮取气结构、其参数计算方法和相关设备，以实现提高发动机气缸的一致性。
6.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种egr及涡轮取气结构，应用于具有对称性的多缸共法兰排气系统中，所述egr及涡轮取气结构包括：egr支路和涡轮取气口；所述egr支路的进气端设置于所述具有对称性的多缸共法兰排气系统中的排气管的第一位置和第二位置之间，所述第一位置为第一法兰对应的两个气缸的废气混合位置，所述第二位置为第二法兰对应的两个气缸的废气混合位置；所述第一法兰为所述具有对称性的多缸共法兰排气系统中位于边缘侧的法兰，所述第二法兰为与所述第一法兰相邻的法兰；所述涡轮取气口设置于所述具有对称性的多缸共法兰排气系统中的排气管的第三位置和第二位置之间，所述第三位置为第三法兰对应的两个气缸的废气混合位置；所述第三法兰为所述具有对称性的多缸共法兰排气系统中另一个位于边缘侧的法兰。
7.可选的，上述egr及涡轮取气结构中，所述egr支路的取气角度大于90
°
且小于180
°
。
8.可选的，上述egr及涡轮取气结构中，所述egr支路包括第一子支路和第二子支路，所述第一子支路和第二子支路共用egr支路的进气端。
9.可选的，上述egr及涡轮取气结构中，所述第一子支路和第二子支路的宽度取值大于1.2d，且小于1.5d，所述d为所述具有对称性的多缸共法兰排气系统的排气管的宽度。
10.可选的，上述egr及涡轮取气结构中，所述egr支路的进气端与所述第一位置之间
的距离值大于1/3d且小于d，所述d为所述具有对称性的多缸共法兰排气系统中相邻的两个法兰之间的距离。
11.可选的，上述egr及涡轮取气结构中，所述涡轮取气口设置于所述具有对称性的多缸共法兰排气系统中的排气管的第三位置和第四位置之间，所述第四位置为第四法兰对应的两个气缸的废气混合位置，所述第四法兰为与所述第三法兰相邻的法兰。
12.可选的，上述egr及涡轮取气结构中，所述涡轮取气口与第三位置之间的距离大于2/5d且小于3/5d，所述d为所述具有对称性的多缸共法兰排气系统中相邻的两个法兰之间的距离。
13.一种发动机系统，包括上述任意一项所述的egr及涡轮取气结构。
14.一种交通工具，应用有上述发动机系统。
15.一种egr及涡轮取气结构参数计算方法，用于上述实施例组合后的各项egr及涡轮取气结构的参数进行计算，方法包括：获取固定参数，所述固定参数包括：具有对称性的多缸共法兰排气系统中相邻的两个法兰之间的距离、以及egr支路的进气端所位于的排气管的宽度；获取设计参数集合，所述设计参数集合中的每个设计参数均包括x个样本点，所述x为大于1的正整数，所述设计参数包括：egr支路的取气角度、第一子支路和第二子支路的宽度、第一子支路和第二子支路管路的曲率、egr支路的进气端与第一位置之间的距离、以及涡轮取气口与第三位置之间的距离；基于所述固定参数和设计参数集合标定发动机一维仿真模型；基于所述发动机一维仿真模型进行试验设计得到在各个参数组合工况下的发动机各缸的排气背压；计算各个参数组合工况下的发动机各缸的排气背压之间的方差；以所述方差为因变量、以所述设计参数为自变量的数学代理模型；基于所述数学代理模型以所述方差最小为目标、以所述设计参数的取值范围为预设条件，利用序列线性规划法进行优化计算，得到各设计参数的目标值，以及与所述各设计参数的目标值所对应的目标方差；将各设计参数的目标值代入所述发动机一维仿真模型，得到发动机各缸的目标排气背压；判断所述发动机各缸的目标排气背压的方差与所述目标方差差值是否在允许范围内；如果差值在允许范围内，基于所述设计参数的目标值、以及所述固定参数建立三维仿真模型，并进行三维流动计算，得到三维仿真结果；判断三维仿真结果与所述发动机一维仿真模型基于所述各设计参数的目标值以及固定参数确定的一维仿真结果的差值是否在允许范围内；如果在允许范围内，则将所述设计参数的目标值作为所述egr及涡轮取气结构参数的计算结果进行输出。
16.本发明实施例提供的上述方案，通过将egr支路的进气端设置于具有对称性的多缸共法兰排气系统的一个边缘侧的两气缸废气混合后的排气管处，将涡轮取气口设置于具有对称性的多缸共法兰排气系统的另一个边缘侧的两气缸废气混合后的排气管处，使得废
气进入egr支路始终为顺流。在减小涡前气流扰动、保证涡轮做功稳定性的同时进一步提高了发动机气缸一致性。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
18.图1为本技术实施例公开的egr及涡轮取气结构的结构示意图；图2为本技术实施例公开的egr及涡轮取气结构参数计算方法的流程示意图；图3为本技术实施例公开的egr及涡轮取气结构参数计算设备的结构示意图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.针对具有对称性的多缸共法兰排气系统，本发明提出一种新型egr及涡轮取气方式，将egr两个支路的取气口设置于一侧两气缸废气混合后的排气管处，将涡轮取气口设置于另一侧两气缸废气混合后的排气管处。其中，保证废气进入egr支路始终为顺流。在减小涡前气流扰动、保证涡轮做功稳定性的同时优化设计egr取气口位置、取气口结构及涡轮取气口位置，进一步提高发动机气缸一致性。即本发明对egr取气的优化设计是以各缸排气背压方差最小为目标的多变量优化过程。
21.具体的，本技术实施例公开的egr及涡轮取气结构，应用于具有对称性的多缸共法兰排气系统中，参见图1，egr及涡轮取气结构包括：egr支路a和涡轮取气口b；所述egr支路a的进气端设置于所述具有对称性的多缸共法兰排气系统中的排气管的第一位置和第二位置之间；所述第一位置为第一法兰对应的两个气缸的废气混合位置，所述第二位置为第二法兰对应的两个气缸的废气混合位置；所述第一法兰为所述具有对称性的多缸共法兰排气系统中位于边缘侧的法兰，所述第二法兰为与所述第一法兰相邻的法兰；如图1中，第一法兰指的是气缸5和气缸6对应的法兰，所述第一位置为气缸5和气缸6的废气排气管的连接位置，所述第二法兰指的是气缸3和气缸4对应的法兰，所述第二位置为气缸3和气缸4的废气排气管的连接位置。
22.所述涡轮取气口b设置于所述具有对称性的多缸共法兰排气系统中的排气管的第三位置和第二位置之间，所述第三位置为第三法兰对应的两个气缸的废气混合位置；所述第三法兰为所述具有对称性的多缸共法兰排气系统中另一个位于边缘侧的法兰，在具有对称性的多缸共法兰排气系统中，所述第三法兰与所述第一法兰对称分布。所述涡轮取气口b可以认为是发动机中的涡轮的进气管与气缸的排气管的连接位置。
23.在本方案中，通过将egr支路的进气端（egr支路的取气口）设置于具有对称性的多缸共法兰排气系统的一个边缘侧的两气缸废气混合后的排气管处，将涡轮取气口设置于具有对称性的多缸共法兰排气系统的另一个边缘侧的两气缸废气混合后的排气管处，使得废气进入egr支路始终为顺流。在减小涡前气流扰动、保证涡轮做功稳定性的同时进一步提高了发动机气缸一致性。
24.在本实施例公开的技术方案中，为了保证废气进入egr支路的流畅性，所述egr支路的取气角度α大于90
°
且小于180
°
，如图1所示，所述egr支路的取气角α为egr支路与排气管之间的夹角，具体的采用何种进气角度，可以根据设计需求自行设定。
25.在本实施例公开的技术方案中，所述egr支路a可以包括多个子支路，例如可以为2个、3个等，例如参见图1，所述egr支路a可以包括第一子支路a1和第二子支路a2，所述第一子支路a1和第二子支路a2共用egr支路a的进气端，每个子支路的宽度可以根据用户需求自行设定，参见图1所示，所述第一子支路a1和第二子支路a2的宽度为w，所述w的值可以大于1.2d，且小于1.5d，如图1所示，所述d为所述具有对称性的多缸共法兰排气系统的排气管的宽度，在这里排气管指的是气缸的废气混合后所位于的排气管路，而非是某个气缸独用的排气管的排气管路。
26.在本实施例中，所述第一子支路a1和第二子支路a2的管路曲率r可以根据设计需求自行设定，两者的曲率r的值可以不同。
27.为了更近一步的提高发动机气缸的一致性，在本实施例中，还对所述egr支路a的进气端位置与所述第一位置之间的距离值进行了具体限定，参见图1，在本实施例中，将egr支路a的进气端位置与所述第一位置之间的距离值定义为l1，所述l1的值大于1/3d且小于d，所述l1的值可以为该范围内的任意值，具体大小可以根据设计需求自行确定。其中，所述d为所述具有对称性的多缸共法兰排气系统中相邻的两个法兰之间的距离。例如图1中，气缸1和气缸2共用的法兰，与气缸3和气缸4共用的法兰之间的距离。
28.在本实施例公开的技术方案中，为了进一步保证发动机气缸的一致性，将所述涡轮取气口的位置要尽量远离所述egr支路a的进气端的位置，以防止两者出现干扰，具体的，涡轮取气口b设置于所述具有对称性的多缸共法兰排气系统中的排气管的第三位置和第四位置之间，所述第四位置为第四法兰对应的两个气缸的废气混合位置，所述第四法兰为与所述第三法兰相邻的法兰。在本方案中，如图1所示，当所述具有对称性的多缸共法兰排气系统中具有三个法兰时，所述第四位置与所述第二位置为同一位置，当所述具有对称性的多缸共法兰排气系统中具有四个法兰或四个以上的法兰时，所述第四位置与所述第二位置为不同位置。
29.同样的，为了更进一步的提高发动机气缸的一致性，在本实施例中，还对所述涡轮取气口与所述第三位置之间的距离值进行了具体限定，参见图1，将所述涡轮取气口与所述第三位置之间的距离值定义为l2，l2的值大于2/5d且小于3/5d。所述l2的值可以为该范围内的任意值，具体大小可以根据设计需求自行确定。
30.对应于上述方案，本技术还公开了一种发动机系统，该系统可以应用有上述任意一项所述的egr及涡轮取气结构。
31.对应于上述方案，本技术还公开了一种交通工具，应用有上述发动机系统。交通工具可以为现有任意类型的需要发动机的工具，例如，家用汽车、工程用汽车、轮船等。
32.为了进一步提高发动机气缸一致性。本发明还提供了一种对egr及涡轮取气结构中的各项设计参数进行优化的参数计算方法，该计算方法是以各缸排气背压方差最小为目标的多变量优化过程。该egr及涡轮取气结构参数计算方法用于上述各个实施例组合后的egr及涡轮取气结构的参数的计算，具体的，参见图2，本技术实施例公开的egr及涡轮取气结构参数计算方法可以包括：步骤s101：获取固定参数；所述固定参数包括：具有对称性的多缸共法兰排气系统中相邻的两个法兰之间的距离d、以及egr支路的进气端所位于的排气管的宽度d；步骤s102：获取设计参数集合；所述设计参数集合中的每个设计参数均包括x个样本点，所述x为大于1的正整数，在本方案中，所述x的值可以为1000，所述设计参数包括：egr支路的取气角度α、第一子支路和第二子支路的宽度w、第一子支路和第二子支路管路的曲率r、egr支路的进气端与所述第一位置之间的距离l1、以及涡轮取气口与第三位置之间的距离l2；在本方案中，egr支路走向与废气流向相同，为提高egr取气效率确定α取值范围为90
°
至180
°
。为减小废气混合过程对egr取气及涡轮做功的干扰确定l1的取值范围在1/3d至d之间，l2的取值范围在2/5d至3/5d之间。根据实际工况需求的egr率确定w取值范围为1.2d至1.5d之间。根据实际结构布置确定r的取值。
33.当各个设计参数的区间范围确定以后，可以利用拉丁超立方方法或者其他抽样方式确定各个设计参数的1000个样本点，将这些设计点导入所述设计参数集合中，即，每个设计参数都可以有1000个不同的值，或者是，基于各个设计参数中的不同值的组合共同建立1000个总的样本点，即，总共创建1000个不同设计参数的组合，这些组合中，至少有一个设计参数的值不同，将这1000个组合导入所述设计参数集合中。
34.步骤s103：基于所述获取固定参数和设计参数集合标定发动机一维仿真模型；在本步骤中，选定应用本方案的发动机机型，并创建与该机型所适配的一维仿真模型。
35.步骤s104：基于所述发动机一维仿真模型进行试验设计得到在各个参数组合工况下的发动机各缸的排气背压；本方案中，在确定所述设计参数集合以及固定参数以后，将所述设计参数集合中的各个设计参数的值以及所述固定参数带入所述发动机一维仿真模型，可以得到在各个不同的设计参数的组合的情况下的发动机各缸的排气背压。
36.步骤s105：计算各个参数组合工况下的发动机各缸的排气背压之间的方差；当计算得到各个参数组合工况下的发动机各缸的排气背压之后，再进一步计算各个组合工况下各缸的排气背压之间的方差，在这里，排气背压之间的方差指的是任意两个气缸的排气背压之间的方差之和，为了便于记录各缸的排气背压之间的方差，可以基于这些方差建立样本空间；步骤s106：构建以所述方差为因变量、以所述设计参数为自变量的数学代理模型；本步骤中，为了优化设计参数，还可以基于神经网络算法或响应面法创建数学代理模型，在创建所述数学代理模型时，所述数学代理模型的因变量为各缸的排气背压之间的方差，所述数学代理模型的自变量为设计参数，当然，自变量也可以包括上述固定参数，
但是固定参数的值在优化过程中是不变的。即，所述数学代理模型的输入为设计参数和固定参数，所述数学代理模型的输出为与所述设计参数和固定参数相对应的方差值。
37.在该过程中，基于所述设计参数集合、固定参数以及对应的各个参数组合工况下的发动机各缸的排气背压建立学习样本和验证样本，基于所述学习样本和验证样本对所述数学代理模型进行训练，以得到所需精度的数学代理模型。
38.步骤s107：基于所述数学代理模型以所述方差最小为目标、以所述设计参数的取值范围为预设条件，利用序列线性规划法进行优化计算，得到各设计参数的目标值，以及目标方差。
39.在训练完成所述数学代理模型以后，所述数学代理模型以所述方差最小为目标、以所述设计参数的取值范围为预设条件，利用序列线性规划法进行优化计算，可以得到最小方差所对应的各个设计参数的值，将所述最小方差作为目标方差，将所述目标方差对应的各个设计参数的值作为各设计参数的目标值。
40.步骤s108：将各设计参数的目标值代入所述发动机一维仿真模型，得到发动机各缸的目标排气背压，并进一步计算得到所述各设计参数的目标值对应的发动机各缸的排气背压之间的目标方差；本步骤中，为了进一步验证数学代理模型的计算结果的可靠性，可以将各设计参数的目标值代入所述发动机一维仿真模型，得到对应的目标方差；步骤s109：判断所述发动机各缸的目标排气背压的方差（由发动机一维仿真模型计算得到所述各设计参数的目标值对应的发动机各缸的排气背压之间的目标方差）与所述目标方差差值是否在允许范围内；本步骤中，判断所述发动机一维仿真模型计算得到的目标方差与所述数学代理模型计算得到的目标方差的差值是否在允许范围内，如果在允许范围内，则表明所述各设计参数的目标值有效且可靠，否则，表明所述各设计参数的目标值无效且不可靠，需要重新执行步骤s106并训练所述学代理模型；步骤s110：如果差值在允许范围内，基于所述设计参数的目标值、固定参数建立三维仿真模型，并进行三维流动计算，得到三维仿真结果；当所述发动机一维仿真模型计算得到的目标方差与所述数学代理模型计算得到的目标方差的差值在允许范围内时，继续判断该设计工况下egr率是否满足预设的设计要求，如果不满足设计要求，则数学代理模型以所述方差第二小为目标，执行步骤s107；当egr率满足预设的设计要求时，基于所述设计参数的目标值、固定参数建立三维仿真模型，并进行三维流动计算，得到三维仿真结果，所述三维仿真结果可以包括发动机各缸的排气背压，或发动机各缸的排气背压之间的方差；步骤s111：判断三维仿真结果与所述发动机一维仿真模型基于所述各设计参数的目标值以及固定参数确定的一维仿真结果的差值是否在允许范围内。
41.所述三维仿真结果可以包括由三维仿真模型得到的与所述各设计参数的目标值以及固定参数相匹配的发动机各缸的排气背压，或发动机各缸的排气背压之间的方差；所述一维仿真结果可以包括由一维仿真模型得到的与所述各设计参数的目标值以及固定参数相匹配的发动机各缸的排气背压，或发动机各缸的排气背压之间的方差；将所述三维仿真结果与所述一维仿真结果的对应项进行比较，判断两者差值是否
在允许范围内，例如偏差是否小于等于3%，如果偏差小于等于3%，则表明三维仿真结果与所述一维仿真结果的差值是否在允许范围内，则执行步骤s112，如果大于3%，则表明三维仿真结果与所述一维仿真结果的差值不在允许范围内，此时对所述一维仿真模型和三维仿真模型进行可靠性验证，并修正不可靠的仿真模型，此时，如果一维仿真模型不可靠，则修正所述一维仿真模型后，重新执行步骤：基于所述获取固定参数和设计参数集合标定发动机一维仿真模型，若所述三维仿真模型不可靠，重新执行步骤：如果差值在允许范围内，基于所述设计参数的目标值、固定参数建立三维仿真模型，并进行三维流动计算，得到三维仿真结果。
42.步骤s112：如果在允许范围内，则将所述设计参数的目标值作为所述egr及涡轮取气结构参数计算结果进行输出。
43.当所述三维仿真结果与所述一维仿真结果的差值在允许范围内时，表明所述设计参数的目标值为可靠值，此时，将所述设计参数的目标值以及所述固定参数作为所述egr及涡轮取气结构参数的计算结果进行输出。
44.本技术还公开了一种egr及涡轮取气结构参数计算设备，图3为本发明实施例提供的egr及涡轮取气结构参数计算设备的硬件结构图，参见图3所示，可以包括：至少一个处理器100，至少一个通信接口200，至少一个存储器300和至少一个通信总线400；在本发明实施例中，处理器100、通信接口200、存储器300、通信总线400的数量为至少一个，且处理器100、通信接口200、存储器300通过通信总线400完成相互间的通信；显然，图3所示的处理器100、通信接口200、存储器300和通信总线400所示的通信连接示意仅是可选的；可选的，通信接口200可以为通信模块的接口，如gsm模块的接口；处理器100可能是一个中央处理器cpu，或者是特定集成电路asic（application specific integrated circuit），或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。
45.存储器300可能包含高速ram存储器，也可能还包括非易失性存储器（non-volatile memory），例如至少一个磁盘存储器。
46.其中，处理器100具体执行上述egr及涡轮取气结构参数计算方法的各个步骤。
47.由上述方案可见，针对于具有对称性的多缸共法兰排气系统下废气由排气歧管进入排气总管到涡轮前端过程中，两侧气缸中的废气流动路径长，流经管接头数量多，排气背压高于中间气缸而造成的气缸背压的一致性差的问题。本技术为了提高气缸背压的一致性，提出一种新型的egr及涡轮取气方式，即egr支路a的进气端位于一侧两个气缸废气混合后的排气管处，涡轮取气口位于另一侧两气缸废气混合的排气管处。该设计方式一方面能够降低两侧气缸的排气背压，提高气缸一致性，降低油耗；另一方面，还能避免现有结构中废气进入egr支路的过程中产生的气流扰动对涡轮做功的影响。
48.需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
49.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵
盖非排他性的包含，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
50.对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
51.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。