СПОСОБ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ КЛАПАНОМ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ И ДРОССЕЛЬНОЙ ЗАСЛОНКОЙ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2013 года по МПК F02D43/04 F02D41/26 F02D41/18 F01N11/00 

Настоящее изобретение относится к управлению дроссельной заслонкой и клапаном рециркуляции отработавших газов в двигателе внутреннего сгорания в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы изобретения.

В процессе горения в двигателе внутреннего сгорания образуются соединения NO_x (преимущественно NO и NO₂), соединения CO, CO₂, HC (Углеводороды) и PM (Аэрозольные Вещества).

Количество CO₂ зависит от количества топлива, впрыскиваемого в цилиндры, а количество CO и HC зависит от эффективности горения в двигателе внутреннего сгорания. Количество NO_x зависит от температуры горения и от количества кислорода, вводимого в цилиндры, тогда как количество PM строго зависит от отношения количества воздуха к количеству топлива (λ).

Для оптимизации количества производимых PM и NO_x двигатели внутреннего сгорания снабжаются системой рециркуляции отработанных газов (РОГ). Система рециркуляции отработавших газов повторно подает отработавший газ из выпускного патрубка на впускной патрубок для разбавления свежего воздуха, вводимого в двигатель. Это обеспечивает оптимизацию эмиссии в течение процесса горения, поскольку водятся большие количества H₂О и CО₂, которые имеют высокую теплоемкость, снижающую температуру горения. Другой эффект от разбавления всасываемого потока заключается в том, что оказывается возможным управлять количеством О₂ во всасываемом потоке. Обратный эффект этой системы заключается в том, что чем больше свежего воздуха разбавляется, тем в большей степени снижается отношение количества воздуха к количеству топлива (λ). Это приводит к большей эмиссии PM.

Количество свежего воздуха и отработавшего газа, попадающих в цилиндры, управляется посредством дроссельной заслонки и клапана рециркуляции отработавших газов соответственно.

В обычных двигателях имеется электронный блок управления (ЭБУ), устанавливаемый для управления положением клапана рециркуляции отработавших газов в замкнутом контуре (если клапаном рециркуляции отработавших газов можно управлять контуром позиционной обратной связи) и для управления количеством воздуха или кислорода во впускном патрубке, скоростью рециркуляции отработавших газов, величиной λ, количеством кислорода в выпускном патрубке посредством воздействия либо на дроссельную заслонку, либо на клапан рециркуляции отработавших газов.

Электронный блок управления также используется для управления температурой газа, проходящего через схему рециркуляции отработавших газов в разомкнутом контуре (если используется обводной канал охладителя в системе рециркуляции отработавших газов), и для управления положением заслонки системы наддува (если используется система наддува, которой можно управлять позиционным контуром обратной связи).

Кроме того, электронный блок управления используется для управления давлением ниже по потоку системы наддува, если она имеется, посредством контроллера давления наддува, используя сигналы, приходящие от датчика давления.

Известные системы управления воздухом имеют воздушный контроллер и контроллер давления наддува, расположенные в электронном блоке управления, которые заставляют двигатель работать, используя задаваемое значение свежего воздуха и задаваемое значение наддува, устанавливаемые посредством электронного блока управления.

Входными данными для воздушного контроллера являются задаваемое значение свежего воздуха и фактическое значение массового расхода свежего воздуха, поступающего в двигатель, измеренное датчиком массы воздуха, помещенным во впускное отверстие турбокомпрессора.

Входными данными для контроллера давления наддува являются задаваемое значение наддува и фактическое значение давления наддува во впускном патрубке, измеренное датчиком, расположенным во впускном патрубке ниже по потоку относительно точки смешения потока свежего воздуха и потока рециркулирующего газа.

Выходными данными воздушного контроллера является запрос приведения в действие как системы рециркуляции отработавших газов, так и дроссельной заслонки, который посылается, соответственно, на два контроллера различных положений, которые управляют открытием этих двух клапанов.

Недостатки такой конструкции заключаются в том, что управление дроссельной заслонкой и клапаном рециркуляции отработавших газов основано на единственном задаваемом значении для воздуха, что приводит к трудностям в управлении эмиссией и согласованием положений этих двух клапанов.

В свете вышеизложенного задачей настоящего изобретения является создание улучшенного способа управления клапаном рециркуляции отработавших газов и дроссельной заслонкой, который позволяет независимо управлять каждым клапаном так, чтобы получить наилучший контроль за эмиссией.

Эта и другие задачи решаются в соответствии с настоящим изобретением посредством создания способа, отличительные признаки которого указаны в п.1 формулы изобретения.

Конкретные варианты реализации изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения, содержание которых в настоящем описании следует понимать как общее или часть общего.

Дополнительные отличительные признаки и преимущества изобретения станут очевидными из следующего описания, иллюстрирующего со ссылками на прилагаемые чертежи исключительно не ограничивающий пример реализации изобретения, представляющий собой схематическое описание двигателя внутреннего сгорания и блок-схему электронного блока управления, установленную для управления клапаном рециркуляции отработавших газов и дроссельной заслонкой в соответствии со способом по изобретению.

На чертеже показана схема двигателя внутреннего сгорания и блок-схема электронного блока управления, установленного для управления клапаном рециркуляции отработавших газов и дроссельной заслонкой в соответствии со способом по изобретению.

На чертеже фактическое значение массового расхода свежего воздуха, поступающего в двигатель, измеряется с помощью датчика 1a массы воздуха, расположенного вблизи турбокомпрессора 1b, и предоставляется в виде сигнала 1. Задаваемое значение [O₂]_spIM концентрации всасываемого кислорода и задаваемое значение p_boost давления наддува во впускном патрубке определяются посредством электронного блока управления (ЭБУ) с помощью соответствующего модуля 2 задания значения всасываемого кислорода и модуля 4 задания значения давления наддува как функция частоты вращения двигателя и нагрузки. Альтернативно, задаваемое значение [O₂]_spIM концентрации всасываемого кислорода не определяется.

В следующем вычислительном модуле 6 эталонного воздуха значение Air_reference эталонного воздуха вычисляется с помощью следующего уравнения:

где M_fuel - количество впрыскиваемого топлива, M_{fuel_Burnt} - доля всего впрыскиваемого топлива, которое участвует в процессе сгорания, C_sr - стехиометрическое отношение количества воздуха к количеству топлива, [O₂]_spEM - задаваемое значение концентрации отработавшего кислорода в выпускном патрубке, определенное модулем 5 задания значение отработавшего кислорода в электронном блоке управления, как раскрывается далее, [O₂]_air - концентрация кислорода в свежем воздухе (например, 20,95% в случае объемной концентрации).

Задаваемое значение [O₂]_spEM концентрации отработавшего кислорода обеспечивается модулем 5 в соответствии со следующими двумя возможностями:

1) оно определяется как функция рабочей точки двигателя (частота вращения двигателя и нагрузка);

2) оно вычисляется в соответствии со следующим уравнением (если задаваемое значение концентрации всасываемого кислорода [O₂]_spIM определено):

где η - объемный кпд, V_eng - рабочий объем цилиндров двигателя, N_eng - частота вращения двигателя, R_im - универсальная газовая постоянная, T_im - задаваемое значение температуры впускного патрубка.

Как вариант, задаваемое значение давления наддува р_boost и задаваемое значение температуры впускного патрубка T_im могут быть заменены соответственными фактическим давлением и фактической температурой, измеренными датчиками, помещенными во впускной патрубок. Альтернативно, возможны и другие комбинации приведенных параметров.

Таким образом, в соответствии с изобретением возможны две опции:

1) задаваемое значение [O₂]_spEM концентрации отработавшего кислорода определяется в электронном блоке управления и затем используется для вычисления эталонного значения Air_reference воздуха с помощью уравнения (1);

2) задаваемое значение концентрации всасываемого кислорода [O₂]_spIM определяется в электронном блоке управления и используется для вычисления соответствующего задаваемого значения концентрации отработавшего кислорода с помощью уравнения (2) так, чтобы иметь значение, которое может быть использовано в уравнении (1), для вычисления эталонного значения Air_reference воздуха.

Эталонное значение Air_reference воздуха и фактическое значение массового расхода свежего воздуха, отображаемые сигналом 1, посылаются затем на блок 8 контроллера воздушной заслонки, который сравнивает упомянутые значения и определяет степень закрытия или открытия дроссельной заслонки 10, которая должна быть установлена так, чтобы иметь значение 1 фактического массового расхода свежего воздуха, равное эталонному значению Air_reference воздуха. Выходные данные блока 8 контроллера воздушной заслонки являются запросом о положении, посылаемым на контроллер 12 положения заслонки, который управляет открытием дроссельной заслонки 10.

Задаваемое значение [O₂]_spEM концентрации отработавшего кислорода или задаваемое значение [O₂]_spIM концентрации всасываемого кислорода (если имеются) посылается в блок 14 контроллера воздуха рециркуляции отработавших газов вместе со значением концентрации кислорода обратного контура, измеренным датчиком или оцененным посредством электронного блока управления известным образом. Значение концентрации кислорода обратного контура является значением [O₂]_fdEM концентрации отработавшего кислорода обратного контура, если задаваемое значение [O₂]_spEM концентрации отработавшего кислорода определяется посредством электронного блока управления, или значением [O₂]_fdIM концентрации всасываемого кислорода обратного контура, если задаваемое значение концентрации всасываемого кислорода [O₂]_spIM определяется посредством электронного блока управления.

Блок 14 воздушного контроллера рециркуляции отработавших газов сравнивает задаваемое значение и значения обратного контура и определяет степень закрытия или открытия клапана 16 рециркуляции отработавших газов, который должен быть установлен так, чтобы иметь значение концентрации кислорода обратного контура, равное соответствующему задаваемому значению. Выходной сигнал воздушного контроллера 14 рециркуляции отработавших газов представляет собой запрос о положении, посылаемый на контроллер 18 положения рециркуляции отработавших газов, который управляет открытием клапана 16 рециркуляции отработавших газов.

Задаваемое значение р_boost давления наддува посылается на контроллер 20 давления наддува вместе с фактическим значением давления наддува, измеряемым датчиком, помещенным во впускной патрубок (не показан). Контроллер 20 давления наддува сравнивает упомянутые значения и выводит управляющий сигнал управления для работы турбокомпрессора 1b так, чтобы давление во впускном патрубке равнялось задаваемому значению р_boost давления наддува. Если турбокомпрессор отсутствует, то контроллер наддува не используется и в уравнении (1) вместо задаваемого значения р_boost давления наддува используется значение наддува р_act фактического давления.

С помощью раскрытых выше этапов способа в соответствии с изобретением можно управлять клапаном 16 рециркуляции отработавших газов и дроссельной заслонкой 10 с помощью раздельных воздушных контроллеров, причем каждый контроллер использует разные входные задаваемые значения. Эти разные задаваемые значения, в то же время, связаны друг с другом так что, в частности, можно определить задаваемые значения для контроллера 8 воздушной заслонки, исходя из уже существующих задаваемых значений для воздушного контроллера 14 рециркуляции отработавших газов и контроллера 20 давления наддува. Это позволяет получать согласованные задаваемые значения между всеми контроллерами и лучше управлять эмиссией двигателя.

Изобретение применимо в двигателях внутреннего сгорания, оборудованных турбокомпрессором и системой рециркуляции отработавших газов. Система рециркуляции отработавших газов может быть с охладителем или без, или с охладителем и обводным охладителем. Клапан рециркуляции отработавших газов может быть, например, пневматическим или соленоидным клапаном, и может управляться с позиционным контуром обратной связи, или без него. То же самое относится и к дроссельной заслонке.

Альтернативно, изобретение применимо также к двигателям без турбокомпрессора или к системам наддува любого типа. Кроме того, изобретение может быть использовано как в бензиновых двигателях, так и в дизельных двигателях.

Очевидно, что без отхода от принципов изобретения варианты реализации и детали изготовления могут значительно отличаться от того, что было описано и проиллюстрировано исключительно в качестве не ограничивающего примера, причем без отклонения от объема настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.

Предложен способ управления дроссельной заслонкой (10) и клапаном (16) рециркуляции отработавших газов в двигателе внутреннего сгорания, при котором измеряют фактическое значение (1) массового расхода свежего воздуха, поступающего в двигатель. Способ характеризуется тем, что дополнительно определяют задаваемое значение ([О₂]_spEM) концентрации отработавшего кислорода, свидетельствующее о концентрации кислорода в выпускном патрубке; вычисляют эталонное значение (Air_reference) воздуха как функции задаваемого значения ([О₂]_spЕM) концентрации отработавшего кислорода; определяют значение ([О₂]_fdIM, [О₂]_fdEM) концентрации кислорода обратного контура, отображающее концентрацию кислорода в двигателе; получают информацию о положении дроссельной заслонки (10) посредством сравнения фактического значения (1) массового расхода свежего воздуха и эталонного значения (Air_reference) воздуха. Кроме того, согласно способу получают информацию о положении для клапана (16) рециркуляции отработавших газов посредством сравнения значения ([O₂]_fdIM, [О₂]_fdЕM) концентрации кислорода обратного контура и задаваемого значения ([О₂]_spEM) концентрации кислорода. Наконец, согласно способу управляют дроссельной заслонкой (10) и клапаном (16) рециркуляции отработавших газов в соответствии с соответствующей информацией о положении. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления дроссельной заслонкой (10) и клапаном (16) рециркуляции отработавших газов в двигателе внутреннего сгорания, при котором измеряют фактическое значение (1) массового расхода свежего воздуха, поступающего в двигатель, отличающийся тем, что дополнительно:
определяют задаваемое значение ([O₂]_spEM) концентрации отработавшего кислорода, свидетельствующее о концентрации кислорода в выпускном патрубке;
вычисляют эталонное значение (Air_reference) воздуха как функции задаваемого значения ([O₂]_spEM) концентрации отработавшего кислорода;
определяют значение ([О₂]_fdIM, [O₂]_fdEM) концентрации кислорода обратного контура, отображающее концентрацию кислорода в двигателе;
получают информацию о положении дроссельной заслонки (10) посредством сравнения фактического значения (1) массового расхода свежего воздуха и эталонного значения (Air_reference) воздуха;
получают информацию о положении для клапана (16) рециркуляции отработавших газов посредством сравнения значения ([О₂]_fdIM, [O₂]_fdEM) концентрации кислорода обратного контура и задаваемого значения ([O₂]_spEM) концентрации кислорода; и
управляют дроссельной заслонкой (10) и клапаном (16) рециркуляции отработавших газов в соответствии с соответствующей информацией о положении.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что двигатель содержит впускной патрубок и турбокомпрессор (1b), причем согласно способу дополнительно:
определяют задаваемое значение (p_boost) давления наддува во впускном патрубке;
измеряют фактическое значение (p_act) давления наддува во впускном патрубке;
сравнивают задаваемое значение (p_boost) давления наддува и фактическое значение (p_act) давления наддува; и
управляют давлением внутри впускного патрубка посредством турбокомпрессора (1b) в соответствии с результатами сравнения.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что значение ([О₂]_fdIM, [O₂]_fdEM) концентрации кислорода обратного контура является значением ([O₂]_fdEM) концентрации отработавшего кислорода обратного контура, отображающим концентрацию кислорода в выпускном патрубке.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что при определении задаваемого значения ([O₂]_spEM) концентрации отработавшего кислорода:
определяют задаваемое значение ([O₂]_spIM) концентрации всасываемого кислорода, свидетельствующее о концентрации кислорода во впускном патрубке; и
вычисляют задаваемое значение ([O₂]_spEM) концентрации отработавшего кислорода в соответствии со следующим уравнением
$${[O_2]}_{spEM}=\frac{\left(\eta \frac{p_{boost}{V}_{eng}{N}_{eng}}{R_{im}{T}_{im}120}\right){[O_2]}_{spIM}-C_{sr}{M}_{fuel\_Burnt}{[O_2]}_{air}}{\left(\eta \frac{p_{boost}{V}_{eng}{N}_{eng}}{R_{im}{T}_{im}120}\right)+M_{fuel}}$$ ,
где η - заданный объемный кпд двигателя, V_eng - заданный рабочий объем цилиндров двигателя, N_eng - частота вращения двигателя, R_im - универсальная газовая постоянная, T_im - задаваемое значение температуры впускного патрубка.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что значение ([О₂]_fdIM, [O₂]_fdEM) концентрации кислорода обратного контура является значением ([О₂]_fdIM) концентрации всасываемого кислорода обратного контура, отображающим концентрацию кислорода во впускном патрубке.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что эталонное значение (Air_referenсe) воздуха вычисляют в соответствии со следующим уравнением
$$Ai{r}_{reference}=\frac{\frac{{[O_2]}_{spEM}}{{[O_2]}_{air}}{M}_{fuel}+C_{sr}{M}_{fuel\_Burnt}}{1+\left[\frac{{[O_2]}_{spEM}}{{[O_2]}_{air}}\right]}$$ ,
где M_fuel - количество впрыскиваемого топлива, M_fuel__Burnt - доля всего впрыскиваемого топлива, которое участвует в процессе сгорания, C_sr - стехиометрическое отношение количества воздуха к количеству топлива, [O₂]_air - заданная эталонная концентрация кислорода.

7. Система для управления дроссельной заслонкой (10) и клапаном (16) рециркуляции отработавших газов в двигателе внутреннего сгорания, включающая в себя средство обработки (ЭБУ), связанное с двигателем и установленное для приема на входе данных о значении (1) массового расхода свежего воздуха, поступающего в двигатель, и для получения на выходе приводных сигналов управления положением клапана (16) рециркуляции отработавших газов и дроссельной заслонки (10), причем средство обработки (ЭБУ) выполнено с возможностью осуществления способа по любому из пп.1-6.