СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ В ВОЗДУШНОМ ТРАКТЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ОСНАЩЕННОГО СИСТЕМОЙ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G05D22/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу регулирования относительной влажности в воздушном тракте системы двигателя внутреннего сгорания, оснащенного системой рециркуляции отработавших газов низкого давления.

Предпосылки создания изобретения

Система дизельного двигателя с турбонаддувом в целом включает дизельный двигатель, имеющий впускной трубопровод и выпускной трубопровод, воздуховод для подачи приточного воздуха из окружающей среды во всасывающий патрубок, ведущий во впускной трубопровод двигателя, выхлопной патрубок для выпуска отработавших газов из выпускного трубопровода в окружающую среду и турбокомпрессор, который включает компрессор, расположенный во всасывающем патрубке и служащий для сжатия протекающего по нему потока воздуха, и турбину, расположенную в выхлопном патрубке и служащую для приведения в действие упомянутого компрессора.

В систему дизельного двигателя с турбонаддувом дополнительно входит промежуточный охладитель, также называемый охладителем наддувочного воздуха, который расположен во всасывающем патрубке после компрессора и служит для охлаждения потока воздуха перед тем, как он достигнет впускного трубопровода, и окислительный нейтрализатор дизельного двигателя (DOC, от английского - diesel oxidation catalyst), который расположен в выхлопном патрубке после турбины и служит для разложения остаточных углеводородов и окисей углерода, содержащихся в отработавших газах.

Системы дизельного двигателя с турбонаддувом также могут оснащаться сажевым фильтром (DPF, от английского - diesel paniculate filter), который расположен в выхлопном патрубке после DOC и служит для улавливания и удаления твердых частиц (сажи) из отработавших газов дизельного двигателя.

Для снижения токсичности выбросов в большинстве систем дизельного двигателя с турбонаддувом используется система рециркуляции отработавших газов (EGR, от английского - exhaust gas recirculation), которая избирательно направляет отработавшие газы из выпускного трубопровода обратно во впускной трубопровод.

Отработавшие газы, смешанные со свежим всасываемым воздухом, вдувают в цилиндры двигателя и уменьшают образование окислов азота (NOx) в процессе сгорания.

Обычные системы EGR имеют трубопровод EGR высокого давления, который с возможностью движения текучей среды соединяет выпускной трубопровод с впускным трубопроводом, охладитель EGR для охлаждения отработавших газов до их смешивания с всасываемым воздухом, клапанное устройство для регулирования расхода отработавших газов через трубопровод EGR и электронный блок управления (ECU) на основе микропроцессора для определения требуемого количества отработавших газов и соответствующего управления упомянутым клапанным устройством.

Для дополнительного снижения выброса окислов азота в усовершенствованных системах EGR также применяется дополнительный трубопровод EGR низкого давления (LPE, от английского - Low Pressure EGR), который с возможностью движения текучей среды соединяет выхлопной патрубок после DPF с всасывающим патрубком до компрессора, дополнительный охладитель EGR, расположенный в дополнительном трубопроводе EGR, и дополнительное клапанное устройство для регулирования расхода отработавших газов через дополнительный трубопровод EGR.

В этих усовершенствованных системах обычный трубопровод EGR образует короткий маршрут рециркуляции отработавших газов, тогда как дополнительный трубопровод EGR образует длинный маршрут рециркуляции отработавших газов, который также включает соответствующую часть выхлопного патрубка и соответствующую часть всасывающего патрубка.

Хотя системы трубопроводов EGR низкого давления имеют ряд описанных выше преимуществ, они также усложнят конструкцию двигателя и создают целый ряд технических сложностей.

Поскольку по этим трубопроводам EGR низкого давления циркулируют отработавшие газы, имеющие определенное паросодержание вследствие сгорания топлива, при определенных условиях работы двигателя в элементах воздушного тракта на участке компрессора и охладителя наддувочного воздуха может значительно повышаться относительная влажность, что даже может приводить к конденсации воды в виде капель и, следовательно, вызывать повреждение и коррозию этих элементов.

Таким образом, первой задачей изобретения является обеспечение защиты упомянутого воздушного тракта от повреждения вследствие нежелательно высокой величины относительной влажности воздуха.

Одной из дополнительных задач изобретения является устранение риска конденсации воды в упомянутом воздушном тракте двигателя.

Еще одной задачей изобретения является создание такой стратегии защиты без использования сложных устройств за счет выгодного использования вычислительных возможностей электронного блока управления (ECU) автомобиля.

Эти задачи решены с помощью способа, двигателя, компьютерной программы, компьютерного программного продукта и электромагнитного сигнала, признаки которых охарактеризованы в независимых пунктах.

В зависимых пунктах охарактеризованы предпочтительно и(или) особо выгодные особенности изобретения.

Краткое изложение сущности изобретения

В одном из вариантов осуществления изобретения предложен способ оценивания относительной влажности во всасывающем патрубке двигателя внутреннего сгорания, имеющего впускной трубопровод, соединенный с всасывающим патрубком, выхлопной патрубок и трубопровод EGR низкого давления (LPE), который с возможностью движения текучей среды соединяет выхлопной патрубок с точкой соединения упомянутого всасывающего патрубка, при осуществлении которого:

вычисляют относительную влажность в выхлопном патрубке в зависимости от концентрации О₂ в упомянутом выхлопном патрубке,

определяют удельную влажность окружающей среды,

вычисляют относительную влажность на участке всасывающего патрубка между упомянутой точкой соединения и упомянутым впускным трубопроводом в зависимости от потока наружного воздуха, поступающего в упомянутый всасывающий патрубок, потока отработавших газов, поступающего из упомянутого трубопровода EGR низкого давления (LPE), удельной влажности в упомянутом выхлопном патрубке и удельной влажности окружающей среды,

вычисляют относительную влажность на упомянутом участке всасывающего патрубка в зависимости от его удельной влажности.

Преимуществом этого варианта осуществления способа является надежное оценивание относительной влажности в воздушном тракте при различных условиях работы двигателя без использования специального датчика.

В одном из вариантов осуществления способа концентрацию О₂ в упомянутом выхлопном патрубке измеряют с помощью кислородного датчика.

В этом варианте осуществления выгодно используются измерения датчика, который обычно предусмотрен в существующих двигателях внутреннего сгорания, что предотвращает излишние расходы.

В одном из дополнительных вариантов осуществления способа удельную влажность и относительную влажность на упомянутом участке всасывающего патрубка вычисляют до компрессора.

Преимуществом этого варианта осуществления способа является оценивание относительной влажности для защиты компрессора и расположенных после него элементов.

Согласно другому варианту осуществления способа удельную влажность и относительную влажность на упомянутом участке всасывающего патрубка вычисляют после охладителя наддувочного воздуха.

Преимуществом этого варианта осуществления способа является оценивание относительной влажности для защиты элементов после охладителя наддувочного воздуха.

Согласно еще одному из вариантов осуществления способа оценивания относительной влажности на упомянутом участке всасывающего патрубка осуществляют на основании таблицы соответствия влажности и температуры окружающей среды.

Преимуществом этого варианта осуществления способа является осуществляемое в реальном времени измерение относительной влажности воздуха, поступающего в систему двигателя, без необходимости в датчике влажности, за счет чего обеспечивается снижение затрат.

В одном из дополнительных вариантов осуществления предложен способ регулирования относительной влажности во всасывающем патрубке двигателя внутреннего сгорания, имеющего впускной трубопровод, соединенный с всасывающим патрубком, выхлопной патрубок и трубопровод EGR низкого давления (LPE), который с возможностью движения текучей среды соединяет выхлопной патрубок с точкой соединения упомянутого всасывающего патрубка, при осуществлении которого:

оценивают относительную влажность на участке упомянутого всасывающего патрубка между упомянутой точкой соединения и упомянутым впускным трубопроводом,

сравнивают упомянутую относительную влажность с первой пороговой величиной упомянутой относительной влажности и, если упомянутая относительная влажность превышает упомянутую первую пороговую величину,

регулируют поток отработавших газов, поступающий на упомянутый участок, чтобы снизить относительную влажность на нем.

Преимуществом этого варианта осуществления является возможность поддержания безопасной относительной влажности во впускном трубопроводе ниже предела насыщения, что предотвращает конденсацию воды и возникающую коррозию.

В одном из дополнительных вариантов осуществления предложен способ регулирования относительной влажности во всасывающем патрубке двигателя внутреннего сгорания, при осуществлении которого определяют вторую пороговую величину (H_protection) упомянутой относительной влажности, при этом упомянутая вторая пороговая величина (H_protection) меньше упомянутой первой пороговой величины, и регулируют поток отработавших газов, поступающий на упомянутый участок, чтобы относительная влажность на нем стала меньше упомянутой второй пороговой величины (H_protection).

Преимуществом этого варианта осуществления является возможность повышения уровня защиты всасывающего патрубка.

В одном из дополнительных вариантов осуществления предложен способ регулирования относительной влажности во всасывающем патрубке двигателя внутреннего сгорания, в котором на упомянутой стадии регулирования потока отработавших газов, поступающего на упомянутый участок всасывающего патрубка, регулируют соотношение потока отработавших газов, циркулирующего в трубопроводе EGR высокого давления (НРБ), и потока отработавших газов, циркулирующего в трубопроводе EGR низкого давления (LPE).

Преимуществом этого варианта осуществления является возможность поддержания относительной влажности во впускном трубопроводе в безопасной области с использованием клапанов и трубопроводов, уже имеющихся в системе двигателя.

Согласно одной из особенностей способа он может осуществляться с помощью компьютерной программы, содержащей программный код для осуществления всех стадий описанного способа, и в форме компьютерного программного продукта, содержащего компьютерную программу.

Компьютерный программный продукт может быть воплощен в форме устройства управления двигателем внутреннего сгорания, которое содержит электронный блок управления двигателем (ECU), носитель данных, связанный с ECU, и компьютерную программу, хранящуюся на носителе данных, и, следовательно, устройство управления характеризует изобретение таким же образом, как и способ. В этом случае при выполнении устройством управления компьютерной программы осуществляются все стадии описанного способа.

Более подробно, описанные варианты осуществления способа могут осуществляться с помощью компьютерной программы, содержащей программный код или считываемые компьютером команды для осуществления всех описанных стадий способа. Компьютерная программа может храниться на носителе данных, или, в целом, на машиночитаемом носителе, или в запоминающем устройстве для представления компьютерного программного продукта. Запоминающим устройством может являться компакт-диск, универсальный цифровой диск или жесткий диск, флэш-память и т.п.

Компьютерная программа также может быть воплощена в форме электромагнитного сигнала, который модулируют для передачи последовательности битов данных, которые представляют компьютерную программу для осуществления всех описанных стадий способа.

Компьютерная программа может постоянной храниться на носителе данных, например, во флэш-памяти, которая с возможностью обмена данными соединена с устройством управления двигателем внутреннего сгорания. Устройство управления имеет микропроцессор, который принимает считываемые компьютером команды в форме элементов упомянутой компьютерной программы и выполняет их. Выполнение этих команд эквивалентно полному или частичному выполнению стадий описанного выше способа.

Электронным блоком управления или, в целом, ЕСА (электронной аппаратурой управления) может являться специализированная аппаратура, такая ECU (электронный блок управления) или устройства управления передачей данных, которые имеются на рынке и, следовательно, известны из техники, или аппаратура, отличающаяся от такого ECU, например встроенный контроллер. Если компьютерная программа воплощена в форме описанного электромагнитного сигнала, электронная аппаратура управления, например, ECU или ТСМ имеет приемник для приема такого сигнала или соединена с таким приемником, который может быть размещен где-либо в другом месте. Сигнал может передаваться программным роботом на производственном предприятии. Затем последовательность символов, которую содержит сигнал, извлекает демодулятор, соединенный с запоминающим устройством, после чего последовательность символов сохраняют в упомянутом запоминающем устройстве ECU или ТСМ.

Согласно одной из дополнительных особенностей способа он также может быть воплощен в форме электромагнитного сигнала, который модулируют для передачи последовательности битов данных, которые представляют компьютерную программу для осуществления всех стадий способа.

Согласно еще одной из дополнительных особенностей предложен двигатель внутреннего сгорания, специально рассчитанный на осуществление заявленного способа.

Согласно другой особенности изобретения предложено устройство для оценивания относительной влажности во всасывающем патрубке двигателя внутреннего сгорания, имеющего впускной трубопровод, соединенный с всасывающим патрубком, выхлопной патрубок и трубопровод EGR низкого давления (LPE), который возможностью движения текучей среды соединяет выхлопной патрубок с точкой соединения упомянутого всасывающего патрубка, при этом упомянутое устройство содержит средство для вычисления относительной влажности в выхлопном патрубке в зависимости от концентрации О₂ в упомянутом выхлопном патрубке; средство для определения удельной влажности окружающей среды; средство для вычисления относительной влажности на участке всасывающего патрубка между упомянутой точкой соединения и упомянутым впускным трубопроводом в зависимости от потока наружного воздуха, поступающего в упомянутый всасывающий патрубок, потока отработавших газов, поступающего из упомянутого трубопровода EGR низкого давления (LPE), удельной влажности в упомянутом выхлопном патрубке и удельной влажности окружающей среды, и средство для вычисления относительной влажности на упомянутом участке всасывающего патрубка в зависимости от его удельной влажности.

Преимуществом этого устройства является надежное оценивание относительной влажности в воздушном тракте при различных условиях работы двигателя без использования специального датчика,

В одном из вариантов осуществления устройство сконфигурировано на измерение концентрации О₂ в упомянутом выхлопном патрубке с помощью кислородного датчика. В этом варианте осуществления выгодно используются измерения датчика, который обычно имеется в существующих двигателях внутреннего сгорания, что предотвращает излишние расходы.

В другом варианте осуществления устройства удельную влажность и относительную влажность на упомянутом участке всасывающего патрубка вычисляют до компрессора. Преимуществом этого варианта осуществления является оценивание относительной влажности для защиты компрессора и элементов, расположенных после него.

Дополнительно может быть предусмотрено устройство, которое вычисляет удельную влажность и относительную влажность на упомянутом участке всасывающего патрубка после охладителя наддувочного воздуха. Преимуществом этого варианта осуществления является оценивание относительной влажности для защиты элементов, расположенных после охладителя наддувочного воздуха.

В еще одном варианте осуществления относительную влажность на упомянутом участке всасывающего патрубка оценивают на основании таблицы соответствия влажности и температуры окружающей среды. Преимуществом этого варианта осуществления является осуществляемое в реальном времени измерение относительной влажности воздуха, поступающего в систему двигателя без необходимости в датчике влажности, за счет чего обеспечивается снижение затрат.

Краткое описание чертежей

Далее настоящее изобретение будет в порядке примера описано со ссылкой на сопровождающие его чертежи, на которых:

на фиг. 1 схематически проиллюстрирована система дизельного двигателя с турбонаддувом, рассчитанная на способ по изобретению и различные варианты его осуществления,

на фиг. 2 схематически представлены основные шаги модели оценивания, и

на фиг. 3 показана блок-схема шагов, выполняемых в варианте осуществления способа.

Подробное описание чертежей

Далее будут описаны предпочтительные варианты осуществления способа со ссылкой на прилагаемые чертежи и систему дизельного двигателя с турбонаддувом. Вместе с тем, описанные в изобретении идеи применимы в различных системах дизельных двигателей и даже в системах двигателей с искровым зажиганием.

Более точно, способ, который описан также со ссылкой в качестве примера на систему двигателя, показанную на фиг. 1, включает использование алгоритма для оценивания относительной влажности на выходе охладителя наддувочного воздуха и на входе турбокомпрессора и предусматривает ограничение скорости EGR низкого давления (LPE) во избежание превышения пороговой величины влажности. Оценивание влажности начинают с определения содержания водяного пара в отработавших газах, которое вычисляют на основании лямбда-измерений (1) кислородного датчика 81 в выхлопном патрубке 3 двигателя 1, а именно измерений концентрации О₂ в отработавших газах. Затем путем определения баланса масс водных потоков, которые поступают из отработавших газов, рециркулируемых из контура EGR низкого давления (LPE), и из окружающей среды, можно оценить относительную влажность на выходе охладителя 20 наддувочного воздуха и на входе турбокомпрессора 40 с учетом также температуры на выходе охладителя 20 наддувочного воздуха, измеренной датчиком 76 температуры, и температуры на входе турбокомпрессора, которую предпочтительно определяют путем оценивания.

В показанную на фиг. 1 систему дизельного двигателя с турбонаддувом входит дизельный двигатель 1, имеющий впускной трубопровод 10 и выпускной трубопровод 11, воздуховод 2 для подачи приточного воздуха из окружающей среды во всасывающий патрубок 5, ведущий во впускной трубопровод 10 двигателя, выхлопной патрубок 3 для выпуска отработавших газов из выпускного трубопровода 11 в окружающую среду и турбокомпрессор 4, который имеет компрессор 40, расположенный во всасывающем патрубке 5 и служащий для сжатия протекающего по нему потока воздуха, и турбину 41, расположенную в выхлопном патрубке 3 и служащую для приведения в действие упомянутого компрессора 40. Предусмотрен температурный датчик 80 для определения температуры во впускном трубопроводе 10.

В систему дизельного двигателя с турбонаддувом дополнительно входит промежуточный охладитель (охладитель наддувочного воздуха) 20, расположенный во всасывающем патрубке 5 после компрессора 40 турбокомпрессора 4 и служащий для охлаждения потока воздуха до того, как он достигнет впускного трубопровода 10, и клапан 21, расположенный во всасывающем патрубке между промежуточным охладителем 20 и впускным трубопроводом 10.

Система дизельного двигателя с турбонаддувом дополнительно имеет окислительный нейтрализатор дизельного двигателя (DOC) 30, расположенный в выхлопном патрубке 3 после турбины 41 турбокомпрессора 4 и служащий для разложения остаточных углеводородов и окисей углерода, содержащихся в отработавших газах, и сажевый фильтр дизельного двигателя (DPF) 31, расположенный в выхлопном патрубке 3 после DOC 30 и служащий для улавливания и удаления твердых частиц (сажи) из отработавших газов дизельного двигателя.

Для снижения токсичности выбросов в системе дизельного двигателя с турбонаддувом используется система рециркуляции отработавших газов (EGR), которая избирательно направляет отработавшие газы из выпускного трубопровода обратно во впускной трубопровод.

В систему EGR входит первый трубопровод 50 EGR (также именуемый трубопроводом EGR высокого давления (НРЕ)), который с возможностью движения текучей среды непосредственно соединяет выпускной трубопровод 11 с впускным трубопроводом 10, первый охладитель 51 EGR для охлаждения отработавших газов и первый клапан 52 с электрическим управлением для определения расхода отработавших газов через первый трубопровод 50 EGR.

Первый трубопровод 50 EGR образует короткий маршрут до охладителя рециркулируемых отработавших газов, за счет чего возвращаемые по нему отработавшие газы являются достаточно горячими.

Система EGR дополнительно имеет второй трубопровод 60 EGR низкого давления (LPE), который с возможностью движения текучей среды соединяет точку 32 разветвления выхлопного патрубка 3 после DPF 32 с точкой 22 соединения с всасывающим патрубком 2 до компрессора 40 турбокомпрессора 4, и второй охладитель 61 EGR, расположенный в дополнительном трубопроводе 60 EGR.

Для определения расхода выхлопных газов через второй трубопровод 60 EGR используется клапан 62 с электрическим управлением, который расположен во втором трубопроводе 60 EGR до второго охладителя 61 EGR.

В воздуховоде 2 после воздушного фильтра 23 и до точки 22 соединения расположен клапан 63.

Второй трубопровод 60 EGR образует длинный маршрут рециркуляции отработавших газов, который также включает часть выхлопного патрубка 3 между выпускным трубопроводом 11 и точкой 32 разветвления и часть всасывающего патрубка 2 между точкой 22 соединения и впускным трубопроводом 10.

Протекающие по длинному маршруту отработавшие газы принудительно проходят через турбину 41 турбокомпрессора 4, DOC 30, DPF 31, второй охладитель 61 EGR, компрессор 40 турбокомпрессора 4 и промежуточный охладитель 20 и становятся значительно холоднее, чем отработавшие газы, протекающие через первый трубопровод 50 EGR, и имеют более низкую температуру при достижении впускного трубопровода.

Система дизельного двигателя с турбонаддувом управляется электронным блоком 59 управления (ECU), который служит для генерации и подачи управляющих сигналов на клапаны 52, 62 и 63, чтобы тем самым регулировать расход отработавших газов через первый трубопровод 50 EGR и второй трубопровод 60 EGR.

Кроме того, в выхлопном патрубке 3 расположен кислородный датчик 81, который используют для определения отношения λ количества воздуха к количеству топлива в выхлопном патрубке 3.

В выхлопном патрубке также могут находиться датчик 83 давления и датчик 84 температуры и дополнительные датчики, такие как датчик 85 массового расхода воздуха (МРВ), которые будут описаны по мере их применения в рассматриваемом способе и различных вариантах его осуществления.

Описанный способ можно разделить на две части:

модель оценивания относительной влажности на выходе охладителя наддувочного воздуха и на входе турбокомпрессора,

восстановительные действия.

Что касается восстановительных действий, их задачей является предотвращение конденсации воды на входе турбокомпрессора или на выходе охладителя наддувочного воздуха. Предпочтительными восстановительными действиями для решения этой задачи является регулирование соотношения отработавших газов, циркулирующих в трубопроводе EGR высокого давления (НРЕ), и отработавших газов, циркулирующих в трубопроводе EGR низкого давления (LPE), а именно распределение между EGR высокого давления (НРЕ) и EGR низкого давления (LPE).

Что касается модели оценивания относительной влажности на выходе охладителя наддувочного воздуха и на входе турбокомпрессора, она может быть разделена на четыре подсистемы:

модель 110 оценивания содержания водяного пара в отработавших газах,

вычисление 120 удельной влажности окружающей среды,

вычисление 130 удельной влажности на входе турбокомпрессора и на выходе охладителя наддувочного воздуха,

вычисление 140 относительной влажности на входе турбокомпрессор и на выходе охладителя наддувочного воздуха.

Что касается первой подсистемы, а именно модели 110 оценивания содержания водяного пара в отработавших газах, необходимо учесть, что задачей этой подсистемы является вычисление содержания в отработавших газах водяного пара, который является одним из продуктов сгорания. Вычисление начинают на основании закона сгорания (исходя из предположения полного сгорания), который для бедной смеси может быть представлен в виде следующего уравнения:

$$x\cdot C{O}_2+\frac{y}{2}\cdot H_{2}O+\left(\lambda -1\right)\cdot \left(x+\frac{y}{4}\right)\cdot O_2+3.713\cdot \lambda \cdot \left(x+\frac{y}{4}\right)\cdot N_2$$

в котором:

y/x≈1,8,

λ означает отношение количества воздуха к количеству топлива, определенное с использованием кислородного датчика 81, который обычно имеется в системе двигателя.

На основании приведенного выше уравнения можно вычислить концентрацию воды [H₂O] следующим образом:

$$[H_{2}O]=\frac{n_{mol,H2O}}{n_{mol,exh}}=\frac{\raisebox{1ex}{$y$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.}{x+\raisebox{1ex}{$y$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.+(\lambda -1)\cdot (x+\raisebox{1ex}{$y$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4$}\right.)+3.713\cdot \lambda \cdot (x+\raisebox{1ex}{$y$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4$}\right.)}$$

а затем удельную влажность отработавших газов с учетом молекулярной массы отработавших газов и молекулярной массы воды согласно уравнению:

$$x_{exh}=[H_{2}O]\cdot \frac{M_{H_{2}O}}{M_{exh}}$$

в котором:

$$M_{H_{2}O}$$ означает молекулярную массу воды (18 г/моль),

M_exh означает молекулярную массу отработавших газов (29 г/моль).

Затем на основании условий окружающей среды (температуры (T_air) и относительной влажности (H_air)) оценивают удельную влажность окружающей среды (x_air) (шаг 120 на фиг. 2) согласно следующему уравнению:

$$x_{air}=0.622\cdot \frac{H_{air}\cdot p_{sat,air}}{p_{air}-H_{air}\cdot p_{sat,air},}$$

в котором:

H_air означает относительную влажность окружающей среды (%), которая может измеряться специальным датчиком (обозначенным позицией 38 на фиг. 1) или определяться путем оценивания,

p_air означает давление окружающей среды (в мбарах),

p_sat,air означает давление насыщения водяного пара, содержащегося в приточном воздухе, которое может быть вычислено согласно следующему уравнению:

$$p_{sat,air}=610.5\cdot e^{\frac{17.269\cdot T_{air}}{237.3+T_{air}}},$$

в котором:

T_air означает температуру окружающей среды (в °C), измеренную датчиком (обозначенным позицией 39 на фиг. 1).

При отсутствии датчика влажности окружающей среды вместо осуществления измерения влажности может использоваться таблица зависимости влажности окружающей среды от температуры окружающей среды; например таблица, калиброванная на основании данных за длительный период времени для континентального климата.

В одном из альтернативных вариантов осуществления данные температуры и влажности могут храниться в таблице и считываться из нее. Один из примеров таких данных приведен в следующей далее Таблице 1.

Таблица 1 Исходные данные Т [°C] OB [%] 13 100 15 100 17 100 19 100 21 100 23 100 25 95 27 85 29 75 31 65 33 65

В качестве третьего альтернативного варианта величина H_air может быть принята за 100% для всех величин температуры окружающей среды. Этот вариант является простейшим и наиболее осторожным.

Что касается вычисления удельной влажности (шаг 130) на входе турбокомпрессора и на выходе охладителя наддувочного воздуха, следует отметить, что в этой модели предусмотрено оценивание удельной влажности на входе компрессора (x_before,TC) и на выходе охладителя наддувочного воздуха (x_after,IC). Это оценивание осуществляют с учетом перемешивания приточного воздуха и отработавших газов (рециркулированных из контура EGR низкого давления) и соответствующего содержания воды (вычисленного на двух предыдущих шагах) согласно следующему уравнению:

$$x_{before,TC}=\frac{{\dot{m}}_{air}\cdot x_{air}+{\dot{m}}_{LPE}\cdot x_{exh}}{{\dot{m}}_{air}+{\dot{m}}_{LPE}}$$

в котором:

$${\dot{m}}_{air}$$ - означает массовый расход воздуха, измеренный датчиком 85 МРВ, который уже имеется в автомобиле,

x_air означает удельную влажность окружающей среды,

$${\dot{m}}_{LPE}$$ означает поток EGR низкого давления,

x_exh означает удельную влажность отработавших газов,

В соответствии с законом сохранения массы удельная влажность на выходе охладителя наддувочного воздуха является такой же, как на входе компрессора:

x_before,TC=x_after,IC.

После того как определена удельная влажность на входе компрессора на выходе охладителя наддувочного воздуха, на основании термодинамических состояний (давления и температуры) может быть вычислена соответствующая относительная влажность (шаг 140).

Относительная влажность на входе компрессора может быть вычислена согласно следующему уравнению, которое уже применялось для вычисления относительной влажности окружающего воздуха:

$$H_{before,TC}=\frac{x_{before,TC}\cdot p_{before,TC}}{(x_{before,TC}+0.622)\cdot p_{sat,before,TC}}$$

в котором:

x_before,TC означает удельную влажность на входе турбокомпрессора,

p_before,TC означает абсолютное давление на входе турбокомпрессора, которое может быть оценено или измерено датчиком,

p_{sat,before,TC} означает давление насыщения водяного пара на входе компрессора, которое может быть вычислено следующим образом:

$$p_{sat,before,TC}=610.5\cdot e^{\frac{17.269\cdot T_{before,TC}}{237.3+T_{befoe,TC}}},$$

T_before,TC означает температуру на входе турбокомпрессора, которая может быть оценена или измерена датчиком.

Относительная влажность на выходе охладителя наддувочного воздуха может быть вычислена таким способом согласно следующему уравнению:

$$H_{after,IC}=\frac{x_{after,IC}\cdot p_{after,IC}}{(x_{after,IC}+0.622)\cdot p_{sat,after,IC},}$$

в котором:

x_after,IC означает удельную влажность на выходе охладителя наддувочного воздуха,

p_after,IC означает абсолютное давление на выходе охладителя наддувочного воздуха, которое принимается за равное давлению в трубопроводе (которое измеряют датчиком),

p_sat,after,IC означает давление насыщения водяного пара на выходе охладителя наддувочного воздуха, которое может быть вычислено следующим образом:

$$p_{sat,after,IC}=610.5\cdot e^{\frac{17.269\cdot T_{after,IC}}{237.3+T_{after,IC}}},$$

T_after,IC означает температуру на выходе охладителя наддувочного воздуха, которая может быть оценена или измерена датчиком.

Затем оба оценочных значения относительной влажности используют при восстановительных действиях для защиты двигателя от возможных повреждений вследствие образования жидкой воды, как схематически показано на блок-схеме, проиллюстрированной на фиг. 3.

Задачей этих восстановительных действий является поддержание безопасной величины (H_protection) относительной влажность на входе турбокомпрессора или влажности на выходе охладителя наддувочного воздуха во избежание возможного образования воды, которая способна повредить колесо компрессора или воздушные каналы.

Эта задача может быть решена, например, путем регулирования соотношения потока отработавших газов, циркулирующих в трубопроводе 50 EGR высокого давления (НРЕ), и потока отработавших газов, циркулирующих в трубопроводе 60 EGR низкого давления (LPE).

При осуществлении восстановительных действий используют величину, полученную на шаге 140 оценивания (а именно, H_before,TC и H_after,IC) и сравнивают отфильтрованные (через фильтр нижних частот) величины с двумя пороговыми величинами. Если по меньшей мере одна из отфильтрованных величин превышает свою пороговую величину, приводят в действие защиту и, соответственно, изменяют распределение между HPE и LPE, пока отфильтрованная величина влажности не станет меньше второго пороговой величины (H_protection).

Хотя выше рассмотрен, по меньшей мере, один пример осуществления, следует учесть, что существует огромное число их разновидностей. Также следует учесть, что пример или примеры осуществления служат лишь примерами и не имеют целью каким-либо образом ограничить объем, применимость или конфигурацию изобретения. Точнее, вышеизложенное служит для специалиста в данной области техники удобным планом действий по реализации, по меньшей мере, одного примера осуществления, при этом подразумевается, что в функции и расположение элементов, описанных в примере осуществления, могут быть внесены различные изменения, не выходящие за пределы объема изобретения, ограниченного прилагаемой формулой изобретения и ее допустимыми законом эквивалентами.

Ссылочные позиции

1 двигатель внутреннего сгорания

2 воздуховод

3 выхлопной патрубок

4 турбокомпрессор

5 всасывающий патрубок

10 впускной трубопровод

11 выпускной трубопровод

20 охладитель наддувочного воздуха

21 охладитель наддувочного воздуха valve

22 точка соединения с всасывающим патрубком

23 воздушный фильтр

30 окислительный нейтрализатор дизельного двигателя (DOC)

31 сажевый фильтр (DPF)

32 точка разветвления выхлопного патрубка

36 датчик температуры (до компрессора)

37 датчик давления (до компрессора)

38 датчик относительной влажности окружающей среды

39 датчик температуры окружающего воздуха

40 компрессор

41 турбина

50 короткий маршрут трубопровода EGR

51 охладитель короткого маршрута EGR

52 клапан короткого маршрута EGR

59 электронный блок управления (ECU)

60 длинный маршрут трубопровода EGR

61 охладитель длинного маршрута EGR

62 клапан длинного маршрута EGR

63 клапан всасывающего патрубка

76 датчик температуры (после охладителя наддувочного воздуха)

80 датчик температуры (впускной трубопровод)

81 кислородный датчик

83 датчик давления

84 датчик температуры

85 датчик МРВ 93 участок всасывающего патрубка между точкой 22 соединения и впускным трубопроводом 10

110 модель оценивания содержания водяного пара в отработавших газах

120 вычисление удельной влажности окружающей среды

130 вычисление удельной влажности на входе турбокомпрессор и на выходе охладителя наддувочного воздуха

140 вычисление относительной влажности на входе турбокомпрессора и на выходе охладителя наддувочного воздуха.

Изобретение относится к способу регулирования относительной влажности в воздушном тракте системы двигателя внутреннего сгорания, оснащенного системой рециркуляции отработавших газов низкого давления. Способ оценивания относительной влажности во всасывающем патрубке двигателя внутреннего сгорания, имеющего впускной трубопровод, соединенный с всасывающим патрубком, выхлопной патрубок и трубопровод EGR низкого давления (LPE), который с возможностью движения текучей среды соединяет выхлопной патрубок с точкой соединения упомянутого всасывающего патрубка, заключается в том, что сперва вычисляют относительную влажность в выхлопном патрубке, в зависимости от концентрации О₂ в упомянутом выхлопном патрубке, определяют удельную влажность окружающей среды. Затем вычисляют относительную влажность на участке всасывающего патрубка между упомянутой точкой соединения и упомянутым впускным трубопроводом в зависимости от потока наружного воздуха, поступающего в упомянутый всасывающий патрубок, потока отработавших газов, поступающего из упомянутого трубопровода EGR низкого давления (LPE), удельной влажности в упомянутом выхлопном патрубке и удельной влажности окружающей среды. Далее вычисляют относительную влажность на упомянутом участке всасывающего патрубка в зависимости от его удельной влажности. Техническим результатом является обеспечение защиты воздушного тракта от повреждений и коррозии конструктивных элементов воздушного тракта, а также устранение конденсации воды в воздушном тракте. 5 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ оценивания относительной влажности во всасывающем патрубке (5) двигателя (1) внутреннего сгорания, имеющего впускной трубопровод (10), соединенный с всасывающим патрубком (5), выхлопной патрубок (3) и трубопровод (60) EGR низкого давления (LPE)), который с возможностью движения текучей среды соединяет выхлопной патрубок (3) с точкой (22) соединения упомянутого всасывающего патрубка (5), при осуществлении которого:
вычисляют относительную влажность в выхлопном патрубке (3) в зависимости от концентрации О₂ в упомянутом выхлопном патрубке (3),
определяют удельную влажность окружающей среды,
вычисляют относительную влажность на участке (93) всасывающего патрубка (5) между упомянутой точкой (22) и упомянутым впускным трубопроводом (10) в зависимости от потока наружного воздуха, поступающего в упомянутый всасывающий патрубок (5), потока отработавших газов, поступающего из упомянутого трубопровода (60) EGR низкого давления (LPE), удельной влажности в упомянутом выхлопном патрубке (3) и удельной влажности окружающей среды,
вычисляют относительную влажность на упомянутом участке (93) всасывающего патрубка (5) в зависимости от его удельной влажности.

2. Способ по п.1, в котором измеряют концентрацию О₂ в упомянутом выхлопном патрубке (3) с помощью кислородного датчика.

3. Способ по п.1, в котором вычисляют удельную влажность и относительную влажность на упомянутом участке (93) всасывающего патрубка (5) до компрессора (40).

4. Способ по п.1, в котором вычисляют удельную влажность и относительную влажность на упомянутом участке (93) всасывающего патрубка (5) после охладителя наддувочного воздуха (20).

5. Способ по п.1, в котором оценивают относительную влажность на упомянутом участке (93) всасывающего патрубка (5) на основании таблицы соответствия влажности окружающей среды и температуры окружающей среды.

6. Способ регулирования относительной влажности во всасывающем патрубке (5) двигателя (1) внутреннего сгорания, имеющего впускной трубопровод (10), соединенный с всасывающим патрубком (5), выхлопной патрубок (3) и трубопровод (60) EGR низкого давления (LPE), который с возможностью движения текучей среды соединяет выхлопной патрубок (3) с точкой (22) соединения упомянутого всасывающего патрубка (5), при осуществлении которого:
оценивают относительную влажность на участке (93) упомянутого всасывающего патрубка (5) между упомянутой точкой (22) и упомянутым впускным трубопроводом (10),
сравнивают упомянутую относительную влажность с первой пороговой величиной упомянутой относительной влажности и, если упомянутая относительная влажность превышает упомянутую первую пороговую величину,
регулируют поток отработавших газов, поступающий на упомянутый участок (93), чтобы снизить относительную влажность на нем.

7. Способ по п.6, в котором определяют вторую пороговую величину (H_protection) упомянутой относительной влажности, при этом упомянутая вторая пороговая величина (H_protection) меньше упомянутой первой пороговой величины, и регулируют поток отработавших газов, поступающий на упомянутый участок, чтобы относительная влажность на нем стала меньше упомянутой второй пороговой величины (H_protection).

8. Способ по п.6, в котором на упомянутой стадии регулирования потока отработавших газов, поступающего на упомянутый участок (93) всасывающего патрубка (5), регулируют соотношение потока отработавших газов, циркулирующего в трубопроводе (50) EGR высокого давления (НРЕ), и потока отработавших газов, циркулирующего в трубопроводе (60) EGR низкого давления (LPE).

9. Двигатель (1) внутреннего сгорания, имеющий электронный блок управления (ECU) (59), сконфигурированный на осуществление способов по любому из предшествующих пунктов.

10. Устройство для оценивания относительной влажности во всасывающем патрубке (5) двигателя (1) внутреннего сгорания, имеющего впускной трубопровод (10), соединенный с всасывающим патрубком (5), выхлопной патрубок (3) и трубопровод (60) EGR низкого давления (LPE), который с возможностью движения текучей среды соединяет выхлопной патрубок (3) с точкой (22) соединения упомянутого всасывающего патрубка (5), которое содержит:
средство для вычисления относительной влажности в выхлопном патрубке (3) в зависимости от концентрации О₂ в упомянутом выхлопном патрубке (3),
средство для определения удельной влажности окружающей среды,
средство для вычисления относительной влажности на участке (93) всасывающего патрубка (5) между упомянутой точкой (22) и упомянутым впускным трубопроводом (10) в зависимости от потока наружного воздуха, поступающего в упомянутый всасывающий патрубок (5), потока отработавших газов, поступающего из упомянутого трубопровода (60) EGR низкого давления (LPE), удельной влажности в упомянутом выхлопном патрубке (3) и удельной влажности окружающей среды,
средство для вычисления относительной влажности на упомянутом участке (93) всасывающего патрубка (5) в зависимости от его удельной влажности.

11. Устройство по п.11, сконфигурированное на измерение концентрации O₂ в упомянутом выхлопном патрубке (3) с помощью кислородного датчика.

12. Устройство по п.11, в котором вычисляют удельную влажность и относительную влажность на упомянутом участке (93) всасывающего патрубка (5) до компрессора (40).

13. Устройство по п.11, в котором вычисляют удельную влажность и относительную влажность на упомянутом участке (93) всасывающего патрубка (5) после охладителя наддувочного воздуха (20).

14. Устройство по п.11, в котором оценивают относительную влажность на упомянутом участке (93) всасывающего патрубка (5) на основании таблицы соответствия влажности окружающей среды и температуры окружающей среды.

15. Устройство для регулирования относительной влажности во всасывающем патрубке (5) двигателя (1) внутреннего сгорания, имеющего впускной трубопровод (10), соединенный с всасывающим патрубком (5), выхлопной патрубок (3) и трубопровод (60) EGR низкого давления (LPE), который с возможностью движения текучей среды соединяет выхлопной патрубок (3) с точкой (22) соединения упомянутого всасывающего патрубка (5), которое содержит:
средство для оценивания относительной влажности на участке (93) упомянутого всасывающего патрубка (5) между упомянутой точкой (22) и упомянутым впускным трубопроводом (10),
средство для сравнения упомянутой относительной влажности с первой пороговой величиной упомянутой относительной влажности и, если упомянутая относительная влажность превышает упомянутую первую пороговую величину,
средство для регулирования потока отработавших газов, поступающего на упомянутый участок (93), чтобы снизить относительную влажность на нем.

16. Устройство по п.15, в котором определяют вторую пороговую величину (H_protecrion) упомянутой относительной влажности, при этом упомянутая вторая пороговая величина (H_protection) меньше упомянутой первой пороговой величины, и регулируют поток отработавших газов, поступающий на упомянутый участок, чтобы относительная влажность на нем стала меньше упомянутой второй пороговой величины (H_protection).

17. Устройство по п.16, в котором на упомянутой стадии регулирования потока отработавших газов, поступающего на упомянутый участок (93) всасывающего патрубка (5), регулируют соотношение потока отработавших газов, циркулирующего в трубопроводе (50) EGR высокого давления (НРБ), и потока отработавших газов, циркулирующего в трубопроводе (60) EGR низкого давления (LPE).