СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ СТЕПЕНЬЮ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ВЫХЛОПНОГО ГАЗА В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F02D41/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для измерения и управления степенью рециркуляции выхлопного газа в двигателе внутреннего сгорания.

Уровень техники

Выбросы окислов азота (NO_x) двигателя внутреннего сгорания могут быть значительно снижены при использовании рециркуляции выхлопного газа (EGR). Выхлопной газ рециркулируется для того, чтобы уменьшить содержание кислорода в отработавшем газе. Это приводит к уменьшению температуры пламени, что, в свою очередь, приводит к снижению выбросов окислов азота из двигателя.

Таким образом, выбросы окислов азота очень ощутимо реагируют на изменения степени рециркуляции выхлопного газа.

Степень рециркуляции выхлопного газа выражается массовым отношением между рециркулированным выхлопным газом и общим объемом газа в цилиндре. В зависимости от нормы по выбросам стремятся к степени рециркуляции выхлопного газа от 20% до 60%, что приводит к сокращению окислов азота приблизительно в 3-10 раз.

Поскольку увеличение степени рециркуляции выхлопного газа влечет за собой увеличение выбросов сажи, зачастую более высокое потребление топлива и вообще ускоренное изнашивание двигателя, этот метод должен применяться только там, где есть необходимость.

Поэтому для точного и воспроизводимого управления выбросами окислов азота крайне важны и необходимы точные измерения и методика контроля степени рециркуляции выхлопного газа.

Известны несколько способов измерений массового расхода рециркуляции выхлопного газа или степени рециркуляции выхлопного газа.

Первым, наиболее распространенным способом измерения является измерение массового расхода свежего воздуха на впуске двигателя. Этот массовый расход вычитается из полного массового расхода цилиндра, который может быть получен из давления наддувочного воздуха p2, температуры наддувочного воздуха T2, частоты вращения двигателя, а также других величин, как изображено на фигуре 1, например, от датчиков частоты вращения коленчатого вала Crs и частоты вращения распределительного вала Cas. Получающийся массовый расход является массовым расходом рециркуляции выхлопного газа.

Первой большой проблемой этой методики является точность. Ошибка измерения массового расхода воздуха увеличивается в количество раз, равное отношению массового расхода воздуха к массовому расходу рециркуляции выхлопного газа. Если, например, измерены массовый расход воздуха в 80 кг/час с 10%-ной ошибкой (т.е. 8 кг/час), а полный массовый расход газа 100 кг/час, то получается массовый расход рециркуляции выхлопного газа в 20 кг/час с ошибкой 8 кг/ч, что соответствует относительной ошибке в 40%. Второй большой проблемой является временная задержка, которая появляется из-за расстояния между устройством измерения воздуха и цилиндром. Для того чтобы получить точную степень рециркуляции выхлопного газа также и при переходных условиях, должна учитываться временная задержка, что является трудной задачей.

Второй возможностью является использование устройства прямого измерения массового расхода рециркуляции выхлопного газа. Могут быть применены различные принципы измерения, такие как измерение с нагретым пленочным элементом или перепад давлений по трубке Пито или расходомеру Вентури.

С точки зрения точности этот подход является самым надежным. Однако самые доступные датчики обнаруживают существенные проблемы с износом, вызванным агрессивной окружающей средой с высокой концентрацией сажи. Нагар может даже привести к блокированию чувствительных элементов. Другой проблемой является высокий уровень пульсаций в линии рециркуляции выхлопного газа. Эти пульсации могут привести к существенным ошибкам измерения.

Третьей возможностью является измерение концентрации кислорода (O₂ или отношения воздух/топливо (лямбда)) на впуске или выпуске двигателя. Степень рециркуляции выхлопного газа может быть вычислена непосредственно из этого содержания кислорода, если количество впрыснутого топлива и полный массовый расход газа известны. Последний получается из p2, T2 частоты вращения двигателя, а также других величин, как и в первом способе (см.фиг.1).

Для того чтобы достигнуть достаточной точности определения степени рециркуляции выхлопного газа, датчики кислорода должны быть очень точными, особенно если используются низкие степени рециркуляции выхлопного газа, что является обычным в тяжелых режимах применения. В настоящее время на рынке нет датчиков, которые отвечают требованиям точности.

Четвертой возможностью является измерение углекислого газа (CO₂) до или после цилиндров, что широко применяется на стендах для испытаний двигателей. Вычисление степени рециркуляции выхлопного газа выполняется способом, подобным тому, как при использовании датчика кислорода.

Впрочем, в настоящее время нет доступных совершенных, с точки зрения точности, датчиков для мобильных использований.

Пятой возможностью является измерение падения давления по линии рециркуляции выхлопного газа и температуры T3 перед турбиной. Принимая во внимание положение клапана системы рециркуляции выхлопного газа, массовый расход рециркуляции выхлопного газа может быть получен с использованием уравнения дросселя.

Параметры гидравлического сопротивления линии рециркуляции выхлопного газа могут значительно изменяться в течение срока службы из-за нагара, загрязнения охладителя в системе рециркуляции выхлопного газа и т.д. Кроме того, параметры клапана системы рециркуляции выхлопного газа могут значительно отличаться из-за разброса при производстве. Поэтому с этим принципом измерения очень трудно гарантировать неизменную степень рециркуляции выхлопного газа в течение срока службы.

Сущность изобретения

Поэтому главной задачей настоящего изобретения является обеспечение способа и устройства для измерения и управления степенью рециркуляции выхлопного газа в двигателе внутреннего сгорания, которые устраняют вышеупомянутые проблемы и недостатки.

Основной идеей изобретения является определение степени рециркуляции выхлопного газа с использованием датчиков давления и температуры. Вместо того чтобы вычислять степень рециркуляции выхлопного газа непосредственно по падению давления в линии рециркуляции выхлопного газа, массовый расход [dm_EGR] рециркуляции выхлопного газа получают из разности между полным массовым расходом [dm_Tot] выхлопного газа через цилиндры и массовым расходом [dm_Turb] через турбину.

Эти и дополнительные задачи были решены посредством способа и устройства для измерения и управления степенью рециркуляции выхлопного газа в двигателе внутреннего сгорания, как описано в приложенной формуле изобретения, которая образует неотъемлемую часть настоящего описания.

Краткое описание чертежей

Изобретение станет полностью понятным из следующего подробного описания, данного посредством простой иллюстрации и неограничивающего примера, и которое должно истолковываться с учетом приложенных чертежей, на которых:

Фиг.1 - схема части контура двигателя, включающего в себя датчики для реализации способа изобретения; и

Фиг.2 - блок-схема цепи управления для реализации варианта способа.

Одинаковые цифры и буквы на чертежах обозначают одинаковые или функционально эквивалентные части.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Степень рециркуляции выхлопного газа (или массовый расход рециркуляции выхлопного газа) определяется из разности между полным массовым расходом газа и массовым расходом топлива в цилиндрах и массовым расходом газа через турбину.

Полный массовый расход газа и турбинный массовый расход получаются по моделям, которые используют датчики р2 давления (давление наддувочного воздуха), p3 (давление на входе турбины), датчик температуры T2 (температура наддувочного воздуха) и, при наличии, p4 (давление на выходе турбины) и T3 (температура на входе турбины).

Фиг.1 показывает датчики в известной схеме части контура двигателя, включающей в себя двигатель, охладитель в системе рециркуляции выхлопного газа, турбину, причем выход охладителя в системе рециркуляции выхлопного газа подводится к впуску цилиндров, а выпуск цилиндров подводится к турбине и к входу охладителя в системе рециркуляции выхлопного газа через клапан в системе рециркуляции выхлопного газа.

В некоторых случаях для того чтобы увеличить точность этой методики измерения, турбинный массовый расход настраивается таким образом, что он соответствует полному массовому расходу газа тогда, когда клапан рециркуляции выхлопного газа закрыт и, таким образом, массовый расход рециркуляции выхлопного газа равен нулю.

Основной идеей изобретения является определение степени рециркуляции выхлопного газа с использованием датчиков давления и температуры. Вместо того чтобы вычислять степень рециркуляции выхлопного газа непосредственно по падению давления в линии рециркуляции выхлопного газа, массовый расход dm_EGR рециркуляции выхлопного газа получается в обход из разности между полным массовым расходом dm_Tot выхлопного газа через цилиндры и массовым расходом dm_Turb через турбину.

Полный массовый расход dm_Tot выхлопного газа получается по модели, в которой общий объем газа в цилиндре за один двойной ход вычисляется, используя p2, T2 и, возможно, также p3 и T3. Такие модели, которые часто упоминаются как "модели скорость-плотность", широко используются и известны.

Фактический массовый расход газа может быть вычислен вместе со скоростью вращения двигателя из количества газа в системе. Полный массовый расход dm_Tot выхлопного газа тогда получается как сумма полного массового расхода газа и массового расхода топлива.

Вычисление полного массового расхода dm_Tot газа может быть выполнено с использованием известных выражений.

Турбинный массовый расход dm_Turb вычисляется с использованием модели.

Если используется турбина с неизменяемой геометрией, то турбинный массовый расход dm_Turb может быть получен из давлений p3 и p4 до и после турбины, соответственно, и по температуре T3 до турбины. Давление p3 получают от датчика, а давление p4 - по модели или от датчика. T3 обычно получают по модели.

Если используется турбина с изменяемой геометрией (VGT), то для определения турбинного массового расхода dm_Turb должно также быть принято во внимание положение VGT.

В случае турбины с перепускным клапаном для определения турбинного массового расхода dm_Turb также должно быть принято во внимание открывание перепускного клапана.

Вычисление турбинного массового расхода dm_Turb может быть выполнено с использованием известных выражений, например, полученных по модели турбины, определенной при использовании известного выражения, подобного уравнению дросселя, как описано, например в: Guzzella, Onder: "Introduction to Modeling and Control of Internal Combustion Engine Systems", ISBN3-540-22274-x, Springer-Verlag, Berlin, 2004.

Массовый расход dm_EGR рециркуляции выхлопного газа теперь может быть получен как разность между полным массовым расходом dm_Tot выхлопного газа и турбинным массовым расходом dm_Turb.

dm_EGR=dm_Tot-dm_Turb.

Существует несколько преимуществ применения способа настоящего изобретения по сравнению с другими способами:

- за время срока службы турбина мало изменяет свои параметры гидравлического сопротивления; по крайней мере намного меньше, чем линия рециркуляции выхлопного газа;

- расстояние между цилиндром и турбиной является очень маленьким по сравнению с расстоянием между впуском двигателя и цилиндром. Поэтому не должны ожидаться никакие существенные временные задержки при транспортировке как, например, в методике измерения массового потока воздуха;

- датчик p3 является потенциально более дешевым, чем устройства измерения массового расхода.

В некоторых случаях точность определения массового расхода dm_EGR рециркуляции выхлопного газа лучше при использовании алгоритма адаптации. Когда клапан рециркуляции выхлопного газа закрыт, массовый расход рециркуляции выхлопного газа равен приблизительно нулю. Приблизительно ноль означает, что всегда есть несущественное маленькое значение потому, что клапан полностью никогда не закрывается.

Следовательно, турбинный массовый расход dm_Turb равен полному массовому расходу dm_Tot. Либо клапан рециркуляции выхлопного газа закрывают специально для того, чтобы разрешить процедуру адаптации, либо используют условия, при которых клапан закрыт в любом случае, например, во время ускорения. Так как турбина и выпуск цилиндра очень близки, то алгоритм адаптации может даже быть применен во время работы в неустановившемся режиме.

Фиг.2 показывает блок-схему неограничивающего примера алгоритма адаптации. Это должен быть любой алгоритм адаптации, где турбинный массовый расход dm_Turb или полный массовый расход dm_Tot выхлопного газа отрегулированы таким образом, что они равны тогда, когда клапан рециркуляции выхлопного газа закрыт.

К значению dm_Turb прибавляется значение корректирующей поправки по обратной связи, получаемой с интегратора. Результат R1 вычитается из значения dm_Tot и подается на вход блока коррекции усиления, который может быть коэффициентом, который умножается на разность между полным массовым расходом и скорректированным турбинным массовым расходом R1.

Результат коррекции усиления подается на интегратор, только если клапан рециркуляции выхлопного газа закрыт. Если клапан рециркуляции выхлопного газа не закрыт, то на входе интегратора ноль.

В возможных вариантах алгоритма адаптации вместо корректирующей поправки, которая прибавляется к турбинному массовому расходу dm_Turb, также может быть применен любой другой метод коррекции.

Корректирующий коэффициент может быть умножен на турбинный массовый расход dm_Turb или может быть использовано любое другое математическое/алгебраическое вычисление, такое как кривые поправок или карты поправок.

Полный массовый расход dm_Tot может быть скорректирован аналогичным образом вместо турбинного массового расхода dm_Turb.

Кроме того, чтобы вычислить корректирующую поправку, коэффициент или функцию, вместо интегратора могут также использоваться кривая поправок или карта поправок.

Однако сохраняется главный принцип, что любая коррекция применяется таким образом, что интегратор или подобное устройство, в конечном счете, вынуждают турбинный и полный массовый расход выхлопного газа быть равными, когда клапан рециркуляции выхлопного газа закрыт.

Вообще, в случае наличия более одной турбины в системе двигателя или при более сложной конструкции двигателя общий принцип способа остается тем же самым.

Например, при более сложной конструкции, включающей в себя, по меньшей мере, две турбины, важно, чтобы был определен турбинный массовый расход dm_Turb после соединения системы рециркуляции выхлопного газа.

При рециркуляции выхлопного газа высокого давления должен быть определен турбинный массовый расход dm_Turb первой или второй турбины, а при рециркуляции выхлопного газа промежуточного давления - турбинный массовый расход dm_Turb второй турбины.

Способ согласно настоящему изобретению может быть предпочтительно осуществлен посредством программы для компьютера, содержащей средства программного кода для выполнения одного или более этапов способа, когда эта программа запущена на компьютере. Поэтому подразумевается, что объем охраны расширен на такую программу для компьютера и в дополнение на машиночитаемые средства, имеющие записанную на них информацию, упомянутые машиночитаемые средства, содержащие средства программного кода для выполнения одного или более этапов способа, когда эта программа запущена на компьютере.

Множество изменений, модификаций, вариаций и прочего использования и применения рассматриваемого изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники после рассмотрения описания и сопровождающих чертежей, которые раскрывают предпочтительные варианты воплощения изобретения. Все такие изменения, модификации, вариации и прочие использования и применения, которые не отступают от идеи и объема настоящего изобретения, как считают, охватываются этим изобретением.

Дополнительные подробности реализации не будут описаны, поскольку специалист в данной области техники в состоянии осуществить изобретение, начинающееся с изучения вышеупомянутого описания.

Изобретение относится к системам управления работой двигателей внутреннего сгорания. Техническим результатом является измерение и управление степенью рециркуляции выхлопного газа в системе двигателя внутреннего сгорания, содержащей охладитель EGR клапана EGR и турбину. Результат достигается определением массового расхода рециркуляции (dm_EGR) выхлопного газа из разности между полным массовым расходом (dm_Tot) выхлопного газа через цилиндры двигателя и массовым расходом (dm_Turb) через турбину, определенным по модели турбины. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения и управления степенью рециркуляции выхлопного газа (EGR) в системе двигателя внутреннего сгорания, содержащей, по меньшей мере, охладитель EGR, клапан EGR и турбину, причем способ включает определение массового расхода (dm_EGR) EGR из разности между полным массовым расходом (dm_Tot) выхлопного газа через цилиндры двигателя и массовым расходом (dm_Turb) через турбину, определенным по модели турбины.

2. Способ по п. 1, при котором полный массовый расход (dm_Tot) выхлопного газа получают на этапах, на которых:
вычисляют общий объем газа в цилиндре за один двойной ход, используя давление (p2) наддувочного воздуха, температуру (Т2) наддувочного воздуха на впуске двигателя и, возможно, давление (p3) на входе турбины и температуру (T3) на входе турбины;
вычисляют фактический массовый расход газа вместе со скоростью вращения двигателя из количества газа в системе; и
получают полный массовый расход (dm_Tot) выхлопного газа как сумму полного массового расхода газа и массового расхода топлива.

3. Способ по п. 1 или 2, при котором на дополнительном этапе адаптации турбинный массовый расход (dm_Turb) или полный массовый расход (dm_Tot) выхлопного газа отрегулированы таким образом, что они равны тогда, когда клапан EGR закрыт.

4. Способ по п. 3, при котором:
складывают (или умножают) турбинный массовый расход (dm_Turb) со значением корректирующей поправки по обратной связи (или на корректирующий коэффициент по обратной связи), соответственно, получаемой с интегратора или получаемой по кривым поправок или по картам поправок;
прибавляют результат предыдущего этапа к значению массового расхода (dm_Tot) выхлопного газа;
применяют коррекцию усиления к результату предыдущего этапа;
передают результат предыдущего этапа на интегратор, только если клапан EGR закрыт; и если клапан EGR не закрыт, то на входе интегратора ноль.

5. Способ по п. 4, при котором турбинный массовый расход (dm_Turb) и массовый расход (dm_Tot) выхлопного газа взаимозаменяемы.

6. Способ по п. 1, при котором в случае турбины с неизменяемой геометрией турбинный массовый расход (dm_Turb) получают из давлений (p3, p4) до и после турбины, соответственно, и из температуры (Т3) до турбины, причем давление (p3) до турбины получают от датчика, давление (p4) после турбины - по модели или от датчика, а температуру (Т3) до турбины - от датчика или по модели.

7. Способ по п. 6, при котором в случае турбины с изменяемой геометрией (VGT) положение VGT должно также быть принято во внимание для определения турбинного массового расхода (dm_Turb).

8. Способ по п. 6 или 7, при котором в случае турбины с перепускным клапаном для определения турбинного массового расхода (dm_Turb) также должно быть принято во внимание открывание перепускного клапана.

9. Способ по п. 6, при котором в случае более одной турбины определяют турбинный массовый расход (dm_Turb) после соединения системы EGR.

10. Способ по п. 9, при котором при рециркуляции выхлопного газа высокого давления должен быть определен турбинный массовый расход (dm_Turb) первой или второй турбины, а при рециркуляции выхлопного газа промежуточного давления - турбинный массовый расход (dm_Turb) второй турбины.

11. Устройство для измерения и управления степенью рециркуляции выхлопного газа в системе двигателя внутреннего сгорания, содержащей, по меньшей мере, охладитель EGR, клапан EGR и турбину, причем устройство содержит средства для осуществления способа измерения и управления степенью рециркуляции выхлопного газа (EGR) в системе двигателя внутреннего сгорания, содержащей, по меньшей мере, охладитель EGR, клапан EGR и турбину, причем способ включает определение массового расхода (dm_EGR) EGR из разности между полным массовым расходом (dm_Tot) выхлопного газа через цилиндры двигателя и массовым расходом (dm_Turb) через турбину, определенным по модели турбины, при этом упомянутые средства содержат датчики давления и температуры, расположенные до и после двигателя и турбины.

12. Устройство по п. 11, в котором полный массовый расход (dm_Tot) выхлопного газа получают на этапах, на которых:
вычисляют общий объем газа в цилиндре за один двойной ход, используя давление (p2) наддувочного воздуха, температуру (Т2) наддувочного воздуха на впуске двигателя и, возможно, давление (p3) на входе турбины и температуру (Т3) на входе турбины;
вычисляют фактический массовый расход газа вместе со скоростью вращения двигателя из количества газа в системе; и
получают полный массовый расход (dm_Tot) выхлопного газа как сумму полного массового расхода газа и массового расхода топлива.

13. Устройство по п. 11, в котором в случае турбины с неизменяемой геометрией турбинный массовый расход (dm_Turb) получают из давлений (p3, p4) до и после турбины, соответственно, и из температуры (Т3) до турбины, причем давление (p3) до турбины получают от датчика, давление (р4) после турбины - по модели или от датчика, а температуру (Т3) до турбины - от датчика или по модели.

14. Устройство по п. 13, в котором в случае турбины с изменяемой геометрией (VGT) положение VGT должно также быть принято во внимание для определения турбинного массового расхода (dm_Turb).

15. Транспортное средство, содержащее устройство для измерения и управления степенью рециркуляции выхлопного газа в системе двигателя внутреннего сгорания по любому из пп. 11-14.

16. Машиночитаемый носитель с записанной на нем программой, содержащий компьютерный код для выполнения всех этапов способа по любому из пп. 1-10, когда программа запущена на компьютере.