ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НАДДУВОМ Российский патент 2015 года по МПК F02D41/00 F02B37/13 F02B37/04 F02B37/16 F02B37/18 

Изобретение относится к способу управления и регулирования двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в котором в области высоких мощностей наддувочный воздух подается в двигатель внутреннего сгорания с предварительным сжатием путем двухступенчатого наддува из ступени низкого давления, а также ступени высокого давления и в котором в области низких мощностей предварительно сжатый путем двухступенчатого наддува наддувочный воздух подается с дополнительным сжатием в двигатель внутреннего сгорания посредством компрессора в качестве третьей ступени наддува. Кроме того, изобретение относится к соответственно адаптированному узлу наддува.

Из DE 19905112 A1 известен двигатель внутреннего сгорания с турбокомпрессором, работающим на ОГ, в котором для улучшения характеристик срабатывания предварительно уплотненный воздух дополнительно сжимается посредством компрессора, например нагнетателя Рутса. Параллельно компрессору устанавливается байпасный клапан, который при малых оборотах двигателя закрывается, а при достаточной мощности турбокомпрессора, работающего на ОГ, открывается. В зависимости от системы с помощью этого наддува достигается лишь незначительная мощность системы, которая в случае, например, гусеничной машины, является недостаточной. Кроме того, при одноступенчатом наддуве, рассчитанном в точке номинальной мощности двигателя внутреннего сгорания, по физическим причинам возникает проблема увеличения числа оборотов турбокомпрессора, работающего на ОГ, с увеличением геодезической высоты. Поэтому при большой геодезической высоте мощность двигателя внутреннего сгорания должна сильно сокращаться, как это предлагается, например, в DE 10 2006 008356 A1. То, что при меньшей геодезической высоте одноступенчатый наддув устанавливается на более низкое давление наддува, с другой стороны, в отношении мощности двигателя является нежелательным.

Поэтому в основу изобретения положена задача создания двигателя внутреннего сгорания с наддувом, который давал бы большую мощность независимо от геодезической высоты.

Эта задача решается с помощью способа управления и регулирования с признаками пункта 1 формулы изобретения и соответственно адаптированного узла наддува с признаками пункта 7 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения приведены варианты выполнения.

В способе управления и регулирования в области высоких мощностей наддувочный воздух подается в двигатель внутреннего сгорания с предварительным уплотнением путем двухступенчатого наддува из ступени низкого давления и ступени высокого давления. В области низких давлений предварительно сжатый за счет двухступенчатого наддува наддувочный воздух компрессором в качестве третьей ступени наддува подается с дополнительным уплотнением (сжатием) в двигатель. При этом в области низких мощностей давление наддува регулируется за счет того, что отклонение регулируемой величины (от заданной величины) рассчитывается по заданному, а также по фактическому давлению наддува, турбинный байпасный клапан в обход турбины высокого давления закрывается, а компрессорный байпасный клапан для обхода компрессора управляется в зависимости от отклонения регулируемой величины. Таким образом, в области низких мощностей происходит регулируемый трехступенчатый наддув. В области высоких мощностей давление наддува регулируется за счет того, что компрессорный байпасный клапан открывается, а турбинный байпасный клапан для обхода турбины высокого давления управляется в зависимости от отклонения регулируемой величины. Это соответствует двухступенчатому регулируемому наддуву. Определяется область низких мощностей числом холостых оборотов двигателя внутреннего сгорания, а также предельным числом оборотов компрессора, в то время как область высоких давлений определяется предельным числом оборотов, а также максимальным числом оборотов двигателя внутреннего сгорания.

При двухступенчатом регулируемом наддуве работающий на ОГ (ОГ=отработавшие газы) турбокомпрессор низкой и высокой ступеней давления рассчитывается таким образом, чтобы при номинальной мощности обе ступени активно участвовали в создании давления наддува. Загрузка компонентов и уровень числа оборотов сильно падают, вследствие чего возможность предоставления очень высоких мощностей двигателя даже на больших геодезических высотах обеспечивается без падения мощности. Расчет работающего на ОГ турбокомпрессора ступеней низкого и высокого давлений действует вышеописанным образом, так что имеющий место крутящий момент на малых оборотах явно уменьшен. Тогда здесь в качестве третьей последовательно включенной ступени наддува активизируется компрессор, благодаря чему падение мощности прекращается. Преимуществом наряду с большой пиковой мощностью, а также высоким средним давлением является то, что уже при малых оборотах двигателя происходит быстрое создание наддува и как раз прекращается падение мощности с увеличением геодезической высоты.

На фигурах изображен предпочтительный пример выполнения. При этом:

фиг.1 изображает схему системы,

фиг.2 - характеристику двигателя,

фиг.3 - контур регулирования и

фиг.4 - блок-схему программы.

На фиг.1 изображена схема системы двигателя 1 внутреннего сгорания с узлом наддува. Узел наддува содержит ступень ND низкого давления, ступень HD высокого давления и компрессор 2. Ступень ND низкого давления соответствует первой ступени наддува. Ступень HD высокого давления соответствует второй ступени наддува, а компрессор 2 в этом случае соответствует третьей ступени наддува. Ступень ND низкого давления содержит по меньшей мере один турбокомпрессор, работающий на ОГ. В изображенном примере выполнения ступень ND низкого давления содержит первый турбокомпрессор 3, работающий на ОГ, и второй турбокомпрессор 3, работающий на ОГ, в то время как ступень HD высокого давления содержит только один турбокомпрессор 5, работающий на ОГ. Каждый турбокомпрессор, работающий на ОГ, состоит из нагнетателя для подачи наддувочного воздуха и турбины, нагружаемой отработавшими газами, например из нагнетателя 6 и турбины 7 высокого давления ступени HD высокого давления. Параллельно турбине 7 высокого давления ступени HD высокого давления установлен электроуправляемый турбинный байпасный клапан 8. «Параллельно» означает, что один частичный поток отработавших газов может протекать через турбину 7 высокого давления, и один частичный поток отработавших газов - через турбинный байпасный клапан 8. Параллельно компрессору 2 установлен электроуправляемый компрессорный байпасный клапан 9. Компрессор 2 приводится в действие двигателем 1 внутреннего сгорания посредством передачи 10, например шестеренной ступени со сцеплением.

Двигатель 1 внутреннего сгорания и узел наддува управляются устройством 11 (ECU) управления двигателя, содержащим обычные компоненты микрокомпьютерной системы, например микропроцессор, модуль ввода-вывода, буфер и модули памяти (EEPROM, RAM). В модулях памяти на поля характеристик и кривые характеристики наложены рабочие данные, релевантные для работы двигателя 1 внутреннего сгорания и узла наддува. С их помощью устройство 11 управления по входным параметрам вычисляет выходные параметры. На фиг.1 в качестве входных параметров устройства 11 управления для примера изображены число nMOT оборотов двигателя, давление pLL наддува и параметр EIN (вход). Параметр EIN замещает другие входные сигналы, например топливо или температуру топлива. Степень OKBP открытия компрессорного байпасного клапана 9 и степень ОТВР открытия турбинного байпасного клапана 8 являются опционными входными параметрами устройства 11 управления двигателя, если оба байпасных клапана должны контролироваться. Изображенными выходными параметрами электронного устройства 11 управления двигателя являются сигнал КВР управления компрессорным байпасным клапаном 9, сигнал ТВР управления турбинным байпасным клапаном 8 и сигнал AUS (выход). Сигнал AUS замещает другие устанавливающие сигналы управления и регулирования двигателя 1 внутреннего сгорания, например начала/длительности впрыскивания инжекторов или сигнал управления дросселем всасывания в Common-Railsystem.

Посредством ступени ND низкого давления окружающий воздух UL в первой ступени наддува сжимается до первого уровня давления, например в диапазоне 1,8-2,9 бара. Этот наддувочный воздух протекает затем через первый охладитель 12 наддувочного воздуха и сжимается в ступени HD высокого давления до второго уровня давления, например в диапазоне 3-4 бара. После этого наддувочный воздух еще раз охлаждается во втором охладителе 13 наддувочного воздуха. При закрытом компрессорном байпасном клапане 9 наддувочный воздух затем сжимается в третьей ступени наддува посредством компрессора 2 (pLL>4 бар) и по обоим наддувочным воздуховодам 14, 15 подается в двигатель 1 внутреннего сгорания. После процесса сгорания отработавшие газы по выпускному трубопроводу 16 подаются из цилиндров двигателя 1 внутреннего сгорания в турбину 7 высокого давления ступени HD высокого давления. При закрытом турбинном байпасном клапане 8 весь объемный поток отработавших газов протекает через турбину 7 высокого давления. После этого отработавшие газы с уменьшенным давлением параллельно подаются на обе турбины ступени ND низкого давления.

Таким образом, изобретение предусматривает, чтобы в области низких мощностей наддувочный воздух предварительно сжимался за счет ступени ND низкого давления, а также в ступени HD высокого давления и предварительно уплотненный (сжатый) воздух затем дополнительно сжимался в компрессоре 2 в качестве третьей ступени наддува. Это соответствует трехступенчатому наддуву. В области низких мощностей давление pLL наддува регулируется за счет того, что отклонение регулируемой величины рассчитывается по заданному, а также по фактическому давлению наддува, турбинный байпасный клапан 8 в обход турбины 7 высокого давления полностью закрывается, а компрессорный байпасный клапан 9 управляется в зависимости от регулируемой величины отклонения.

В области высоких мощностей давление pLL наддува регулируется за счет того, что компрессорный байпасный клапан 9 полностью открывается, а турбинный байпасный клапан 8 в обход турбины 7 высокого давления управляется в зависимости от отклонения регулируемой величины. Это соответствует двухступенчато регулируемому наддуву.

На фиг.2 изображено поле характеристик двигателя с числом nMOT оборотов двигателя по оси абсцисс и моментом Md двигателя по оси ординат. Момент Md двигателя ограничен DBR-кривой 17, характеризующей максимально допустимое среднее давление двигателя 1 внутреннего сгорания. В поле характеристик двигателя область NLB низких мощностей изображена заштрихованной. В области NLB низких мощностей из ступеней низкого и высокого давлений и компрессора активирован трехступенчатый наддув. Область NLB низких мощностей начинается при числе nLL холостых оборотов двигателя 1 внутреннего сгорания, обычно nLL = 700 1/мин, и заканчивается при предельном числе nGW оборотов, например при nGW=250 1/мин. Предельное число nGW оборотов получается из максимально допустимого числа оборотов компрессора, т.е. из его предельного числа оборотов, и из (повышающего) передаточного отношения передачи. В области низких мощностей турбинный байпасный клапан полностью закрыт, в то время как компрессорный байпасный клапан регулируется в зависимости от отклонения регулируемой величины. Выше (кривой) характеристики 18 переключения, т.е. в направлении увеличения числа nMOT оборотов двигателя, начинается область HLB высоких мощностей. Область HLB высоких мощностей простирается до максимального числа nMAX оборотов. В области HLB высоких мощностей из ступеней низкого и высокого давлений активизирован двухступенчатый наддув. Компрессор в качестве третьей ступени наддува не активизирован, поскольку компрессорный байпасный клапан полностью открыт. В области HLB высоких мощностей давление наддува регулируется турбинным байпасным клапаном в зависимости от отклонения регулируемой величины давления наддува. В одной опции предусмотрено, чтобы характеристика 18 переключения для реагирования на изменение условий окружающей среды была окружена полосой допуска. На фигуре полоса допуска обозначена пунктирными линиями.

На фиг.3 изображен контур регулирования для регулирования давления pLL наддува. Входным, т.е. задающим, параметром является заданное давление pLL(SL) наддува. Выходным параметром контура регулирования являются грубые значения давления pLL наддува. Последнее регистрируется в воздуховоде наддувочного воздуха (фиг.1:15) с помощью датчика, отфильтровывается в программном фильтре и устанавливается в качестве фактического давления pl(IST) наддува. Затем в точке А суммирования по отклонению фактического давления наддува от заданного вычисляется отклонение ер регулируемой величины. По отклонению ер регулируемой величины регулятор 19 давления наддува по крайней мере с PI-характеристикой определяет управляющий параметр SG. Управляющий параметр SG по первой сигнальной цепи 20 подается на ограничитель 22, а по второй сигнальной цепи 21 - на функциональный блок 23. По первой сигнальной цепи 20 ограничивается управляющий параметр SG, а сигналом ТВР управления управляется турбинный байпасный клапан 8. По второй сигнальной цепи 21 в функциональном блоке 23 происходит дальнейшая обработка управляющего параметра, в ограничителе 24 он ограничивается, а компрессорный байпасный клапан 9 управляется сигналом КВР управления. С помощью функционального блока 23 добиваются того, чтобы регулятор 19 давления наддува обращался к компрессорному байпасному клапану 9 лишь тогда, когда турбинный байпасный клапан 8 полностью закрыт. Как отчетливо видно из изображения на фиг.3, регулирование давления наддува при трехступенчатом наддуве может быть интегрировано в имеющийся контур регулирования давления наддува. Поэтому предпочтительным является простая реализация в рамках программного обеспечения двигателя.

На фиг.4 изображена блок-схема программы для способа в качестве подпрограммы UP. При S1 считывается заданное давление pLL(SL) наддува, которое обычно вычисляется с помощью поля характеристик/кривой характеристик по крайней мере в зависимости от желательной мощности. После этого при S2 по грубым значениям вычисляется фактическое давление pLL(IST) наддува, а при S3 производится его сравнение с заданным давлением pLL(SL) наддува. Это соответствует отклонению ер регулируемой величины. При S4 регулятор давления наддува на основе отклонения ер определяет свой управляющий параметр SG. Затем проверяется, больше ли управляющий параметр SG, чем предельное значение, например угол открытия 90°, или равен ему. Если управляющий параметр SG меньше предельного значения, результат опроса при S5: отрицательный, то при S6 третья ступень наддува дезактивируется компрессором за счет того, что компрессорный байпасный клапан по сигналу КВР управления полностью открывается. Тогда предварительно сжатый наддувочный воздух после ступени высокого давления в обход компрессора подается непосредственно в двигатель внутреннего сгорания. В этом случае при S7 турбинный байпасный клапан регулируется по сигналу ТВР управления в зависимости от отклонения ер регулируемой величины. Это соответствует области HLB высоких мощностей с двухступенчато регулируемым наддувом. После этого сигнальная цепь заканчивается и осуществляется возврат к основной программе.

Если при S5 установлено, наоборот, что управляющий параметр больше предельного значения или равен ему, результат опроса S5: положительный, то при S8 турбинный байпасный клапан по сигналу ТВР управления полностью закрывается, а при S9 компрессорный байпасный клапан регулируется по сигналу ТВР управления в зависимости от отклонения ер регулируемой величины. Это соответствует области NLB низких мощностей с трехступенчато регулируемым наддувом. После этого осуществляется возврат к основной программе.

Изобретение может варьироваться без изменения сущности изобретения по следующим пунктам:

- компрессор вместо двигателя внутреннего сгорания может приводиться в действие электродвигателем. Мощность компрессора и тем самым уровень давления pLL наддувочного воздуха в этом случае устанавливаются с помощью числа оборотов электродвигателя. Компрессорный байпасный клапан в этом случае выполняет только байпасную функцию в области высоких мощностей. Управляется электродвигатель устройством управления двигателя по сигналу PWM;

- компрессор может быть частью турбокомпрессора, работающего на ОГ, т.е. механический или электрический привод отпадают;

- вместо уровня давления pLL наддувочного воздуха в качестве регулируемой величины могут быть использованы воздушная масса или коэффициент избытка воздуха в цилиндре, причем воздушная масса в этом случае детектируется в том же месте, что и уровень давления pLL наддувочного воздуха, а коэффициент избытка воздуха в цилиндре измеряется вниз по течению от турбины ступени низкого давления;

- управление обоими байпасными клапанами может осуществляться посредством пневматических управляющих давлений.

Перечень позиций

1 - двигатель внутреннего сгорания

2 - компрессор

3 - первый турбокомпрессор, работающий на ОГ (ступень ND низкого давления)

4 - второй турбокомпрессор, работающий на ОГ (ступень HD высокого давления)

5 - турбокомпрессор, работающий на ОГ (ступень HD)

6 - нагнетатель

7 - турбина высокого давления

8 - турбинный байпасный клапан

9 - компрессорный байпасный клапан

10 - передача

11 - устройство управления двигателя

12 - первый охладитель наддувочного воздуха

13 - второй охладитель наддувочного воздуха

14 - воздуховод наддувочного воздуха

15 - воздуховод наддувочного воздуха

16 - выпускной трубопровод

17 - DBR-кривая

18 - характеристика переключения

19 - регулятор давления наддува

20 - первая сигнальная цепь

21 - вторая сигнальная цепь

22 - ограничитель

23 - функциональный блок

24 - ограничитель

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания с наддувом. Способ управления и регулирования двигателя (1) внутреннего сгорания с наддувом заключается в том, что в области высоких мощностей наддувочный воздух подают с предварительным сжатием в двигатель внутреннего сгорания за счет двухступенчатого наддува из ступени (ND) низкого давления, а также ступени (HD) высокого давления. В области низких мощностей предварительно сжатый за счет двухступенчатого наддува наддувочный воздух подают с дополнительным сжатием в двигатель (1) внутреннего сгорания посредством компрессора в качестве третьей ступени наддува. Раскрыты варианты выполнения узла наддува для осуществления способа. Технический результат заключается в сохранении мощности независимо от геодезической высоты. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ управления и регулирования двигателя (1) внутреннего сгорания с наддувом, в котором в области (HLB) высоких мощностей наддувочный воздух подают с предварительным сжатием в двигатель внутреннего сгорания за счет двухступенчатого наддува из ступени (ND) низкого давления, а также ступени (HD) высокого давления и в котором в области (NLD) низких мощностей предварительно сжатый за счет двухступенчатого наддува наддувочный воздух подают с дополнительным сжатием в двигатель (1) внутреннего сгорания посредством компрессора в качестве третьей ступени наддува.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в области (NLB) низких мощностей давление (pLL) наддува регулируют за счет того, что по заданному давлению (pLL(SL)) наддува, а также по фактическому давлению (pLL(IST)) наддува вычисляют отклонение (ер) регулируемой величины, турбинный байпасный клапан (8) в обход турбины (7) высокого давления закрывают, а компрессорным байпасным клапаном (9) для обхода компрессора (2) управляют в зависимости от отклонения (ер) регулируемой величины.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в области (NHB) высоких мощностей давление (pLL) наддува регулируют за счет того, что компрессорный байпасный клапан (9) открывают, а турбинным байпасным клапаном (8) для обхода турбины (7) высокого давления управляют в зависимости от отклонения (ер) регулируемого давления.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что область (NLB) низких мощностей задают числом (nLL) холостых оборотов двигателя (1) внутреннего сгорания, а также предельным числом оборотов компрессора (2), а область (HLB) высоких мощностей определяется предельным числом оборотов, а также максимальным числом (nMAX) оборотов двигателя (1) внутреннего сгорания.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в области (NLB) низких мощностей давление (pLL) наддува регулируют за счет того, что по заданному давлению (pLL(SL)) наддува, а также по фактическому давлению (pLL(IST)) наддува вычисляют отклонение (ер) регулируемой величины, турбинный байпасный клапан (8) для обхода турбины (7) высокого давления закрывают, а число оборотов компрессора (2) регулируют в зависимости от отклонения (ер) регулируемой величины.

6. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что степень (ОТВР) открытия турбинного байпасного клапана (8) и степень (ОКВР) открытия компрессорного байпасного клапана (9) в качестве квитированных параметров контролируют электронным устройством (11) управления двигателя.

7. Узел наддува для осуществления способа по п.1, отличающийся тем, что двигатель (10) внутреннего сгорания механически приводит в действие компрессор (2), параллельно компрессору (2) установлен компрессорный байпасный клапан (9) для обхода компрессора (2), а параллельно турбине (7) высокого давления установлен турбинный байпасный клапан (8) для обхода турбины (7) высокого давления.

8. Узел наддува по п.7, отличающийся тем, что в области (NLB) низких мощностей турбинный байпасный клапан (8) закрыт, а отклонение (ер) регулируемой величины давления наддува устанавливает степень открытия компрессорного байпасного клапана (9).

9. Узел наддува по п.8, отличающийся тем, что в области (HLB) высоких мощностей компрессорный байпасный клапан (9) полностью открыт, а отклонение (ер) регулируемой величины давления наддува устанавливает степень открытия турбинного байпасного клапана (8).

10. Узел наддува для осуществления способа по п.1, отличающийся тем, что электродвигатель приводит в действие компрессор (2), а отклонение (ер) регулируемой величины давления наддува определяет число оборотов в электродвигателе.