СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F02D41/00 

Настоящее изобретение относится к способу эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, в частности, способу эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением (бензинового двигателя) с наддувом, с высокой степенью сжатия, который имеет установку регулируемых клапанов, так называемый регулируемый привод клапанов, и который управляется в соответствии со способом сгорания Миллера.

В двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением , которые могут быть использованы, например, в легковых автомобилях и грузовиках, термодинамический КПД из-за необходимого дросселирования количественного управления нагрузкой и сниженной степени сжатия, чтобы избежать детонации двигателя, ограничен. Один из подходов для уменьшения дросселирования в режиме частичной нагрузки и для возможного увеличения геометрической степени сжатия представляют так называемые "циклы Миллера/Аткинсона". В данном случае, за счет раннего/позднего закрытия впускных клапанов (FES = раннее закрытие впуска, SES = позднее закрытие впуска) снижаются расход воздуха и эффективное сжатие. Таким образом, дросселирование двигателя может уменьшаться, и конечная температура сжатия и, следовательно, тенденция к детонации может уменьшаться или геометрическое сжатие увеличиваться. Благодаря использованию способа сгорания Миллера с высоким сжатием, расход воздуха (отношение объема поступившего в цилиндр воздуха к рабочему объёму цилиндра) двигателя уменьшается, и это требует более высокого давления наддува при сопоставимой мощности. Это может привести к снижению динамики нагнетателя. При доступной вариабельности привода клапанов двигатель внутреннего сгорания теоретически может, однако, эксплуатироваться "без дросселирования", то есть, без установки дроссельной заслонки. Из этого следует, что двигатель внутреннего сгорания должен регулироваться через расход воздуха. Расход воздуха описывает отношение воздушной массы, прошедшей через двигатель, к возможной воздушной массе, определяемой на основе термодинамического состояния во впускном коллекторе.

В этой связи из ЕР 2041414 В1 известен способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением. В этом способе впускной клапан двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением закрывается очень рано или очень поздно, и воздух для горения, подаваемый в двигатель нагнетателем, сжимается. Слишком раннее или слишком позднее закрытие впускного клапана во взаимосвязи с повышенной относительно нормального режима эксплуатации с наддувом геометрической степенью сжатия приводит к уменьшению уровня температуры при повышенном термодинамическом КПД. Уменьшенное из-за времен закрытия впускных клапанов наполнение цилиндра по меньшей мере приближенно компенсируется сжатием потока воздуха для горения с помощью нагнетателя, так что достаточный уровень мощности предоставляется. В качестве дополнительной меры для снижения температуры, в поток воздуха для горения, по меньшей мере при полной нагрузке, возвращается частичный поток отведенных отработавших газов в качестве рециркуляции отработавших газов.

DE 10159801 А1 относится к двигателю внутреннего сгорания с по меньшей мере одним нагнетателем, который приводится потоком отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, и с регулируемым в соответствии со способом сгорания Миллера распределительным валом, причем последовательно или параллельно к нагнетателю размещена дополнительная ступень компрессора, которая приводится не потоком отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. При низких числах оборотов двигателя внутреннего сгорания, давление наддува возрастает за счет активирования дополнительной ступени компрессора.

DE 10233256 А1 относится к способу поджига топливно-воздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания с принудительным воспламенением с непосредственным впрыском топлива с форкамерой и искровым зажиганием в форкамере. Форкамера находится в функциональной связи с малой полостью камеры сгорания в поршне. Также возможно, путем целенаправленного изменения времен управления клапанами выполнять адаптацию к различным требованиям, в частности, более поздний момент времени для закрытия выпускного клапана служит тому, что компоненты топлива, которые вследствие впрыска в течение такта выпуска попадают в выпускной канал, за счет “внутренней” рециркуляции отработавших газов, вновь переносятся в камеру сгорания и, таким образом, сжигаются при преобразовании смеси в основной камере сгорания, так что не происходит потери КПД двигателя.

Задачей настоящего изобретения является предоставить усовершенствованную стратегию эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением (бензинового двигателя) с наддувом с высокой степенью сжатия согласно способу сгорания Миллера.

Эта задача решается в соответствии с настоящим изобретением с помощью способа эксплуатации двигателя внутреннего сгорания в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения, двигателя внутреннего сгорания в соответствии с пунктом 10 и транспортного средства в соответствии с пунктом 12. Зависимые пункты формулы изобретения определяют предпочтительные и преимущественные варианты осуществления настоящего изобретения.

В соответствии с настоящим изобретением предоставлен способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания содержит компрессор для установки плотности заряда смеси во впускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания и средство установки для установки степени наполнения двигателя внутреннего сгорания. Средство установки может включать в себя, например, регулируемый привод клапанов, который имеет, например, дискретное изменение кривой перемещения клапана или непрерывное изменение и/или регулировку фазы на стороне впуска и выпуска. В способе определяется динамический заданный параметр для двигателя внутреннего сгорания в зависимости от разности между требованием нагрузки на двигатель внутреннего сгорания, которое задается, например, с помощью педали акселератора, и текущей отдачей нагрузки двигателя внутреннего сгорания. Степень наполнения и плотность заряда устанавливаются в зависимости от динамического заданного параметра. Путем установки степени наполнения двигатель внутреннего сгорания может эксплуатироваться в состоянии без дросселирования. За счет того, что как степень наполнения, так и плотность заряда применяются в качестве управляющих воздействий для установки нагрузки и, тем самым, регулирования момента двигателя внутреннего сгорания, в распоряжение предоставляется расширенное параметрическое пространство для регулирования нагрузки. Это позволяет улучшить динамику двигателя внутреннего сгорания и/или КПД двигателя внутреннего сгорания.

В соответствии с одним из вариантов выполнения степень наполнения устанавливается в зависимости от динамического заданного параметра, и плотность заряда в зависимости от динамического заданного параметра и установленной степени наполнения. Так как время запаздывания или время отклика компрессора, то есть время до того, как компрессор установит требуемую плотность заряда во впускном коллекторе двигателя, больше, чем время запаздывания средства установки для установки степени наполнения (регулируемого привода клапанов), регулирование степени наполнения является ведущим исполнительным механизмом, а регулирование плотности заряда - следующим исполнительным механизмом. Таким образом, может достигаться высокая динамика двигателя внутреннего сгорания при изменяющихся требованиях нагрузки и КПД оптимального состояния, в частности в квазистационарных состояниях.

В соответствии с другим вариантом выполнения с помощью средства установки (регулируемого привода клапанов), кроме того, может устанавливаться доля остаточных газов в наполнении цилиндра двигателя внутреннего сгорания (рециркуляция отработавших газов). Доля остаточных газов устанавливается в зависимости от динамического заданного параметра, и плотность заряда устанавливается в зависимости от динамического заданного параметра, установленной степени наполнения и установленной доли остаточных газов. Опять же, поскольку время запаздывания для изменения установленной доли остаточных газов меньше времени запаздывания для изменения плотности заряда, то регулирование доли остаточных газов является ведущим исполнительным механизмом, а регулирование плотности заряда - последующим исполнительным механизмом.

В соответствии с еще одним вариантом выполнения динамический заданный параметр определяется в зависимости от разности между требованием нагрузки на двигателе внутреннего сгорания и текущей отдачей нагрузки двигателя внутреннего сгорания и в зависимости от временного изменения требования нагрузки. Временное изменение требования нагрузки может, например, включать в себя скорость изменения сигнала датчика положения педали акселератора транспортного средства. За счет того, что также регистрируется временное изменение требования нагрузки и учитывается при установке степени наполнения и плотности заряда, может быть отображен и реализован в соответствии с потребностями желательный для водителя транспортного средства режим вождения в отношении динамики привода двигателя внутреннего сгорания.

В соответствии с другим вариантом выполнения двигатель внутреннего сгорания включает в себя двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением, который имеет геометрическую степень сжатия в диапазоне от 12:1 до 15:1. Такой двигатель внутреннего сгорания, также обозначается как двигатель внутреннего сгорания с высокой степенью сжатия. Двигатель внутреннего сгорания с высокой степенью сжатия управляется в соответствии с процессом сгорания Миллера. При эксплуатации двигателя внутреннего сгорания в соответствии со способом сгорания Миллера, может снижаться тенденция к детонации двигателя, и, таким образом, производительность и срок службы двигателя могут быть улучшены.

Согласно еще одному варианту выполнения для установки степени наполнения сначала определяется диапазон установки хода клапана регулируемого привода клапанов в зависимости от текущей отдачи нагрузки. Кроме того, определяется диапазон установки фазового положения впускного распределительного вала регулируемого привода клапанов в зависимости от текущей отдачи нагрузки и диапазон установки фазового положения выпускного распределительного вала регулируемого привода клапанов в зависимости от текущей отдачи нагрузки. Ход клапана, фазовое положение впускного распределительного вала и фазовое положение выпускного распределительного вала устанавливаются в зависимости от динамического заданного параметра в соответствующих определенных диапазонах установки. За счет того, что сначала определяются текущие возможные диапазоны установки регулируемого привода клапанов, может выполняться так называемая ориентированная на резервы стратегия управления регулированием момента двигателя внутреннего сгорания. Другими словами, в зависимости от требуемого изменения нагрузки и требуемой динамики изменения нагрузки, регулируемый привод клапанов в зависимости от текущего состояния нагрузки двигателя внутреннего сгорания может устанавливаться таким образом, что желаемое изменение нагрузки реализуется в соответствии с требованиями с максимально возможной динамикой или более оптимизированным по КПД и, тем самым, благоприятным для потребления способом.

В соответствии с одним из вариантов выполнения компрессор приводится турбиной, работающей на отработавших газах, двигателя внутреннего сгорания с изменяемой геометрией турбины. Чтобы установить плотность заряда, определяется диапазон установки изменяемой геометрии турбины в зависимости от текущей отдачи нагрузки, и изменяемая геометрия турбины устанавливается в зависимости от динамического заданного параметра в пределах определенного таким образом диапазона установки. За счет изменения изменяемой геометрии турбины можно изменять скорость установки желательной плотности заряда. В результате, посредством установки геометрии турбины, достигается быстрое изменение нагрузки и отдача момента двигателя внутреннего сгорания или улучшенный КПД.

В соответствии с настоящим изобретением дополнительно предложен двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя компрессор для установки плотности заряда во впускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания, средство установки для установки степени наполнения двигателя внутреннего сгорания и устройство управления. Устройство управления способно определять динамический заданный параметр для двигателя внутреннего сгорания в зависимости от разности между требованием нагрузки на двигатель внутреннего сгорания и текущей отдачей нагрузки двигателя внутреннего сгорания и устанавливать степень наполнения и плотность заряда в зависимости от динамического заданного параметра. За счет установки как степени наполнения, так и плотности заряда для реализации изменения нагрузки могут быть улучшены как динамика двигателя внутреннего сгорания, так и КПД двигателя внутреннего сгорания. Под динамикой двигателя внутреннего сгорания в соответствии с настоящим изобретением понимается скорость реакции двигателя внутреннего сгорания на изменение нагрузки, особенно на возрастающее требование нагрузки.

Двигатель внутреннего сгорания может быть предназначен для реализации способа, описанного выше, или одного из его вариантов выполнения и поэтому также включает в себя преимущества, описанные в связи со способом.

В соответствии с настоящим изобретением также предложено транспортное средство с двигателем внутреннего сгорания, как описано выше.

Настоящее изобретение будет описано ниже более подробно со ссылкой на чертежи, на которых показано:

Фиг. 1 - определение заданных параметров для двигателя внутреннего сгорания в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.

Фиг. 2 - в качестве примера резерв исполнительного механизма изменяемой геометрии турбины для двигателя внутреннего сгорания в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.

Фиг. 3 - в качестве примера различные резервы исполнительного механизма регулируемого привода клапанов в зависимости от нагрузки двигателя для двигателя внутреннего сгорания в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.

Фиг. 4 - схематично ориентированную на резервы стратегию регулирования в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.

Фиг. 5 - схематично транспортное средство в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.

В обычных двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением термодинамический КПД ограничен из-за необходимого дросселирования количественного управления нагрузкой и сниженной степени сжатия во избежание детонации двигателя. Один из подходов к снижению дросселирования в режиме частичной нагрузки и к возможному увеличению геометрической степени сжатия представляет так называемый способ Миллера или Аткинсона. При этом посредством раннего или позднего закрытия впускного клапана степень наполнения и эффективное сжатие снижаются. В результате, двигатель эксплуатируется без дросселирования, а также температура уплотнения и, таким образом, тенденция к детонации снижается, или геометрическое сжатие повышается. Степень наполнения, которая описывает отношение захваченной в цилиндре воздушной массы к теоретически возможной воздушной массе в цилиндре, определяемой на основе термодинамического состояния во впускном коллекторе после возможного охладителя нагнетаемого воздуха, может уменьшаться посредством способа Миллера, например, от 0,95 до 0,6-0,8. Из-за пониженной степени наполнения может, однако, возникать потеря мощности. Чтобы избежать этой потери мощности и все же достичь повышения КПД посредством способа Миллера, двигатель внутреннего сгорания может эксплуатироваться с турбонагнетателем, работающим на отработавших газах, в частности, с турбонагнетателем, работающим на отработавших газах, с изменяемой геометрией турбины. При динамических изменениях нагрузки, однако, время запаздывания, необходимое для турбонагнетателя, чтобы предоставить требуемую плотность заряда, то есть требуемое давление во впускном коллекторе, может привести к задержке желательного изменения отдачи мощности двигателя внутреннего сгорания. Сочетание наддува и повышенной степени сжатия (способ Миллера) требует использования вариабельности привода клапанов, а также соответствующих стратегий эксплуатации и регулирования. Кроме того, в данном случае требуется учитывать влияние внешней рециркуляции отработавших газов (AGR). Прежде чем обсуждать соответствующее изобретению регулирование двигателя внутреннего сгорания при динамических изменениях нагрузки, ниже будет кратко описана стратегия стационарных режимов эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением (бензинового двигателя) с наддувом, с высокой степенью сжатия согласно способу Миллера.

Следующие стратегии эксплуатации могут, например, применяться при следующих режимах.

Пониженный режим частичной нагрузки

В пониженном режиме частичной нагрузки стремятся к максимальному снижению дросселирования всей системы при поддержании границ плавного хода. Для этого, смена заряда осуществляется таким образом, что максимальная доля внутреннего остаточного газа устанавливается с учетом границ плавного хода. Это достигается за счет регулировки момента зажигания в сторону раннего путем открытия впускных клапанов и поздней регулировки момента зажигания в сторону позднего путем закрытия выпускных клапанов. Кроме того, посредством возможной вариабельности хода клапанов и дроссельной заслонки устанавливается оптимальное в отношении процесса смены заряда дросселирование смеси на основе хода клапана и установки дроссельной заслонки, так что устанавливается небольшое пониженное давление всасывающего коллектора, чтобы обеспечить достаточную вентиляцию картера.

Средний режим частичной нагрузки до полной нагрузки всасывания

Для повышения нагрузки в этом диапазоне нагрузок осуществляется дальнейшее снижение дросселирования двигателя посредством открытия дроссельной заслонки, а также, если возможно, посредством повышения степени наполнения за счет увеличения хода клапана. Кроме того, выпускной распределительный вал регулируется в направлении ранней регулировки, чтобы уменьшить внутреннее содержание остаточных газов и заменить его свежим воздухом.

Режим высокой нагрузки до полной нагрузки

В связи с необходимостью уменьшенной степени наполнения для уменьшения эффективной степени сжатия, и, таким образом, чтобы избежать детонации двигателя, уже начиная от умеренной относительной нагрузки rl (Определение: расход воздуха в стандартных условиях, в процентах) требуется увеличение давления наддува с помощью имеющегося нагнетателя. Кроме того, путем подачи внешней охлажденной рециркуляции отработавших газов (eAGR), с одной стороны, снижается тенденция к детонации, а с другой стороны, снижаются потери тепла через стенку. Поэтому необходимо представить оптимум из изменения угла опережения зажигания в сторону позднего во избежание детонации двигателя посредством сокращения эффективной степени сжатия путем уменьшения степени наполнения, потребности давления наддува для компенсации в уменьшении степени наполнения и внешней AGR для термической оптимизации процесса высокого давления. Исходя из полной нагрузки всасывания осуществляется управление нагнетателем. Оно зависит от соответствующего расчета КПД нагнетателя. Для дальнейшего повышения нагрузки непрерывно увеличивают степень наполнения при оптимизации КПД смены заряда. Степень наполнения может быть дополнительно увеличена за счет хода клапана, так что открытие и закрытие впускного клапана можно регулировать отделено. В качестве альтернативы, это может осуществляться при дискретной коррекции хода клапана также посредством быстродействующего регулятора фазы впуска. При этом может допускаться регулирование угла опережения зажигания в сторону позднего на основе возможной детонации двигателя, так как преимущество за счет сниженных потерь смены заряда, ввиду повышенной степени наполнения выше, чем ущерб в контуре высокого давления из-за регулирования угла опережения зажигания в сторону позднего. Тем не менее, это соотношение меняется, когда положения центра тяжести сгорания должны быть установлены позже, чем приблизительно от 16 до 20° KW (угла поворота коленчатого вала) после верхней мертвой точки зажигания. Этот предел зависит от числа оборотов и поведения КПД нагнетателя. Для дальнейшего увеличения нагрузки, через момент времени закрытия впускных клапанов, степень наполнения и, таким образом, эффективная степень сжатия могут быть ограничены. Дальнейшее увеличение нагрузки может осуществляться за счет увеличения плотности заряда нагнетателем, снижение внешней скорости рециркуляции отработавших газов, а также регулировки в сторону позднего закрытия выпускных клапанов в сочетании с положительным напором продувки. Это приводит к улучшенному вытеснению горячего внутреннего остаточного газа, повышающего тенденцию к детонации. Для этого может быть использован, в частности, турбонагнетатель с изменяемой геометрией турбины или механически или электрически приводимый вспомогательный компрессор. Сведение к минимуму долей внутренних остаточных газов является желательным. С увеличением числа оборотов двигателя и, следовательно, увеличением массового расхода происходит сдвиг от максимального управления турбонагнетателем к меньшим управлениям, чтобы постоянно устанавливать оптимальное соотношение давления впускного коллектора и противодавления отработавших газов.

Стратегия эксплуатации для двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением с наддувом с высокой степенью сжатия с регулируемым приводом клапанов, описанная выше, приводит к расширенному возможному параметрическому пространству для регулирования нагрузки. В общем, справедливо, что момент двигателя прямо пропорционален улавливаемой в цилиндре массе свежего воздуха, m_l,zyl. Таким образом:

$$\begin{array}{cccc}& & & \end{array}$$ (1)

Где:

λ_l - степень наполнения

V_h - рабочий объем цилиндра

ρ - плотность

p - давление

R - газовая постоянная

Т - температура

индекс SGR - впускной коллектор.

В обычных двигателях внутреннего сгорания, степень наполнения и внутренняя доля остаточных газов получаются из заданных времен клапанного газораспределения и изменяются в диапазоне приблизительно от 0,9 до 1,05. С помощью регулируемого привода клапанов степень наполнения может теоретически варьироваться примерно от 0,1 до 1,05, и сверх того внутренняя доля остаточных газов может активно устанавливаться. В соответствии с принципом способа Миллера, КПД влияет не только на наполнение цилиндра, но и на тенденцию к детонации, и, следовательно, отображаемый момент и достижимый КПД двигателя внутреннего сгорания. Отсюда следует, что для двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением с наддувом, с высокой степенью сжатия, в соответствии со способом Миллера, степень наполнения для наполнения свежим воздухом (цилиндров) и давление впускного коллектора должны устанавливаться в соответствии с уравнением (1) для каждого рабочего состояния в оптимальном для режима эксплуатации контексте. Из заданного наполнения массы свежего воздуха выводится заданная степень наполнения, заданная плотность заряда и заданная доля остаточных газов. Заданная степень наполнения и заданная доля остаточных газов регулируются посредством вариабельности привода клапанов. Заданная плотность заряда регулируется дроссельной заслонкой и/или регулировочным клапаном нагнетателя. Степень наполнения, по существу, обратно пропорциональна плотности во впускном коллекторе или давлению во впускном коллекторе. Отсюда следует, что два взаимозависимых регулятора регулируют целевой параметр, а именно, наполнение свежим воздухом.

На Фиг. 1 показан схематичный процесс определения заданных параметров для предоставленного регулятора регулирования нагрузки. Исходя из желания водителя, wped, которое регистрируется с помощью педали акселератора, осуществляется определение заданного момента Md_soll и, с учетом внутреннего КПД двигателя, определение заданного наполнения свежим воздухом, mzyl_soll. Это заданное наполнение свежим воздухом в зависимости от рабочего состояния пересчитывается в относительную заданную нагрузку rl_soll, из которой выводятся заданные значения управляющих параметров имеющегося регулятора нагрузки. Параллельно с этим из текущего давления во впускном коллекторе, pSGR_i, определяется текущая нагрузка rl_ist двигателя. Из разности между текущей относительной нагрузкой rl_ist и относительной заданной нагрузкой rl_soll определяется динамический фактор rl_dyn. В двигателе внутреннего сгорания с принудительным воспламенением с наддувом, с высокой степенью сжатия в соответствии со способом Миллера, этим являются, например, плотность заряда во впускном коллекторе ρ_SGR, степень наполнения λ_l и доля x_r остаточных газов. Плотность во впускном коллекторе ρ_SGR может устанавливаться, например, посредством дроссельной заслонки или регулировочного клапана применяемого нагнетателя (турбонагнетателя). Степень наполнения λ_l и доля x_r остаточных газов могут регулироваться за счет вариабельности привода клапанов. Вариабельность привода клапанов может быть реализована, например, посредством непрерывно регулируемого центрально-симметричного хода впускного клапана с помощью приведения в действие эксцентрикового вала и фазовой регулировки впускного и выпускного распределительных клапанов. Осуществляется подчиненная координация этих трех исполнительных механизмов, которые через координированную установку посредством предварительного управления и регулирования закрытия выпускного клапана через регулятор фазы выпускного распределительного вала, а также посредством предварительного управления и регулирования открытия и закрытия впускного клапана через регулятор фазы впускного распределительного вала и регулятор хода клапана устанавливают заданные управляющие параметры. Посредством определения динамического фактора f_dyn из скорости перемещения педали акселератора также оказывается динамическое влияние на заданные параметры - степень наполнения λ_l и долю x_r остаточных газов. Это осуществляется посредством ориентированного на резервы управления задающими параметрами регулирования, как описано ниже.

В обычных двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением, на основе положения педали акселератора определяется желательный водителю момент. Отсюда следует заданное наполнение цилиндра, после чего устанавливаются все термодинамически релевантные исполнительные механизмы двигателя, такие как дроссельная заслонка, регулятор фазы распределительного вала, регулятор давления наддува, в соответствии с предварительным управлением на это заданное наполнение цилиндра. Из-за снижения степени наполнения для уменьшения детонации двигателя и связанной с этим зависимости динамики нарастания наполнения, в частности, через нагнетатель, эта стратегия задающих параметров приводит к большим потерям динамики и КПД при эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением с наддувом, степенью сжатия в соответствии со способом Миллера.

Поэтому применяется векторное управление заданным параметром "наполнение цилиндра свежим воздухом" для улучшения реакции. В зависимости от разности между относительной заданной нагрузкой rl_soll и относительной фактической нагрузкой rl_ist определяется динамический заданный параметр rl_dyn, который определяется в зависимости от мгновенного считываемого нарастания степени наполнения и плотности заряда. При этом учитывается время запаздывания исполнительных элементов для изменения степени наполнения и нарастания плотности заряда, из-за чего регулирование степени наполнения всегда является ведущим исполнительным механизмом, а регулирование плотности заряда - следующим исполнительным механизмом. Для этой цели определяется и применяется ориентированная на резерв параметризация описанных зависимостей заданных параметров регулирования и ограничивающих параметров предоставленных в распоряжение исполнительных механизмов в качестве основы для ориентированной на резервы стратегии управления для предварительного управления и регулирования момента двигателя. Это может быть определено, например, с помощью искусственной нейронной сети или физического моделирования. Параметры регулирования: заданная степень наполнения, заданная плотность заряда и заданная доля остаточных газов могут параметризироваться или моделироваться с учетом положений центров тяжести, достижимых при заданных границах детонации, а также плавности хода. На Фиг. 2 и 3 показаны соответствующие резервы исполнительных механизмов (регуляторов) в зависимости от нагрузки rl при постоянном числе оборотов. Диапазон установки турбонагнетателя с изменяемой геометрией турбины (VTG), который определяет заданную плотность заряда во впускном коллекторе ρ_SGR, получается из максимально воспроизводимой степени наполнения из установки положения впускного распределительного вала (ENW) и установки положения эксцентрикового вала (EW) механического привода клапанов, которая, таким образом, является репрезентативной для хода клапана, угла поворота коленчатого вала 50%-ой точки преобразования энергии (АI 50%), концентрации кислорода в отработавших газах (О2) на границе мощности турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, а также максимальной доли остаточных газов. Полностью переменное регулирование приводом клапанов (VVT-регулирование) управляет заданной степенью наполнения λ_l и заданным расходом остаточного газа x_r_soll. Исполнительными механизмами, на которые оказывается влияние, являются эксцентриковый вал (EW), который определяет максимальный ход клапана регулируемого привода клапанов (hvmax), фазовое положение впускного распределительного вала относительно верхней мертвой точки смены заряда (wnwe) и фазовое положение выпускного распределительного вала относительно верхней мертвой точки смены заряда (wnwa). Другие использованные на фиг.3 сокращения означают следующее:

O2@VL: концентрация кислорода в отработавших газах при полной нагрузке,

xr@TL: расход остаточного газа при частичной нагрузке.

Пунктирные линии на диаграммах на фиг. 2 и 3 изображают соответственно возможный диапазон установки соответствующего исполнительного механизма при определенном постоянном числе оборотов в зависимости от относительной нагрузки rl.

Стратегия эксплуатации, описанная выше со ссылкой на фиг 1, особенно ориентированная на резервы стратегия управления регулированием момента будет описана ниже на примере трех уровней нагрузки со ссылкой на фиг. 4. При этом предполагаются три различных случая А, B и С, в которых водитель транспортного средства с помощью педали акселератора запрашивает соответствующее изменение нагрузки с разной динамикой. На этапе 1 через педаль акселератора wped регистрируется запрашиваемое водителем изменение нагрузки. На диаграмме 2 показаны соответствующие графики A, B, C для случаев A, B, C. На графике графе А водителю желательно максимально возможное ускорение и затем стабилизация на постоянном высоком крутящем моменте Md_soll. На графике В целевой момент такой же, как на графике А, однако требование к динамике или нарастанию крутящего момента значительно меньше, то есть, водитель нажимает на педаль акселератора с пониженной скоростью. График C показывает требование для оптимальной по КПД характеристики крутящего момента. Целевой крутящий момент на графиках A, B, C на диаграмме 2 один и то же в каждом случае.

Как описано выше со ссылкой на фиг.1, из заданного крутящего момента Md_soll на этапе 3 определяется заданное наполнение цилиндра mzyl_soll и из него на этапе 4 - относительная заданная нагрузка rl_soll. Принимая во внимание динамику перемещения педали акселератора графиков А, В и С, на этапе 5 определяется заданное значение для динамического наполнения воздуха в цилиндре rl_dyn. Диаграммы 6, 7 и 8 показывают выведенную отсюда установку для степени наполнения λ_l, давления во впускном коллекторе p_SGR, которое соответствует плотности заряда, и изменяемой геометрии турбины VTG турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, которая определяется из давления во впускном коллекторе p_SGR. Для того чтобы в случае А при скачке нагрузки как можно быстрее обеспечить повышение крутящего момента, привод клапанов (быстродействующий исполнительный механизм) через фазу впуска и/или ход клапана регулируется таким образом, что достигается максимально возможная степень наполнения из ориентированной на резервы в связи с фиг.3 параметризации заполнения. Одновременно изменяется изменяемая геометрия турбины (более медленный исполнительный механизм) для увеличения давления наддува. За счет увеличения степени наполнения и давления наддува, наполнение двигателя достигает максимума, и устанавливается быстрое увеличение крутящего момента Md_ist, как показано на диаграмме 9 графиком А. В случае В, который запрашивает умеренный скачок нагрузки, степень наполнения посредством привода клапанов повышается заметно меньше по сравнению со случаем А. Изменяемая геометрия турбины изменяется одновременно, чтобы повысить давление наддува по возможности быстро. В целом, это дает более медленный скачок нагрузки по сравнению со случаем А, за счет чего, однако, также может быть достигнут заметно лучший КПД. В случае C требуемое увеличение крутящего момента во времени настолько мало, что степень наполнения всегда может быть установлена для обеспечения оптимального КПД. Поэтому в способе с высокой степенью сжатия степень наполнения может оставаться на низком уровне, как показано на диаграмме 6 графиком C. Увеличение крутящего момента может здесь регулироваться только через увеличение плотности во впускном коллекторе ρ_SGR посредством регулировки изменяемой геометрии турбины VTG из турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, то есть посредством более медленного исполнительного механизма. Это позволяет реализовать оптимальный по КПД режим эксплуатации двигателя внутреннего сгорания.

Наконец, на фиг. 5 показано транспортное средство 50 с двигателем 51 внутреннего сгорания. Двигатель 51 внутреннего сгорания включает в себя турбонагнетатель 52 с изменяемой геометрией турбины и регулируемый привод 53 клапанов. Двигатель 51 внутреннего сгорания дополнительно содержит устройство 54 управления, которое выполнено с возможностью определения динамического заданного параметра для двигателя 51 внутреннего сгорания в зависимости от разности между требованием нагрузки, например, от водителя транспортного средства на двигатель 51 внутреннего сгорания и текущей отдачей нагрузки двигателя 51 внутреннего сгорания. Кроме того, устройство 54 управления выполнено с возможностью установки степени наполнения посредством регулируемого привода 53 клапанов и плотности заряда посредством турбонагнетателя 52, работающего на отработавших газах, в зависимости от динамического заданного параметра.

Изобретение относится к способу эксплуатации двигателя внутреннего сгорания. Техническим результатом является предоставление усовершенствованной стратегии эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением (бензинового двигателя) с наддувом с высокой степенью сжатия согласно способу сгорания Миллера. Результат достигается тем, что для двигателя внутреннего сгорания, включающего в себя компрессор для установки плотности заряда (ρ_SGR) во впускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания и средство установки, например регулируемый привод клапанов, для установки степени наполнения (λ_l) двигателя внутреннего сгорания,+ определяют динамический заданный параметр (rl_dyn) для двигателя внутреннего сгорания в зависимости от разности между требованием нагрузки (rl_soll) на двигатель внутреннего сгорания и текущей отдачей нагрузки (rl_ist) двигателя (51) внутреннего сгорания. Степень наполнения (λ_l) и плотность заряда (ρ_SGR) устанавливают в зависимости от динамического заданного параметра (rl_dyn). 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, причем двигатель (51) внутреннего сгорания включает в себя компрессор (52) для установки плотности заряда (ρ_SGR) во впускном коллекторе двигателя (51) внутреннего сгорания и средство (53) установки для установки степени наполнения (λ_l) двигателя (51) внутреннего сгорания, причем способ включает в себя:
- определение динамического заданного параметра (rl_dyn) для двигателя (51) внутреннего сгорания в зависимости от разности между требованием нагрузки (rl_soll) на двигатель (51) внутреннего сгорания и текущей отдачей нагрузки (rl_ist) двигателя (51) внутреннего сгорания, и
- установку степени наполнения (λ_l) и плотности заряда (ρ_SGR) в зависимости от динамического заданного параметра (rl_dyn).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что установка степени наполнения и плотности заряда включает в себя:
- установку степени наполнения (λ_l) в зависимости от динамического заданного параметра (rl_dyn) и
- установку плотности заряда (ρ_SGR) в зависимости от динамического заданного параметра (rl_dyn) и установленной степени наполнения (λ_l).

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что средство установки дополнительно выполнено с возможностью установки доли (x_r) остаточных газов в наполнении цилиндра двигателя (51) внутреннего сгорания, причем способ дополнительно содержит:
- установку доли (x_r) остаточных газов в зависимости от динамического заданного параметра (rl_dyn) и
- установку плотности заряда (ρ_SGR) в зависимости от динамического заданного параметра (rl_dyn), установленной степени наполнения (λ_l) и установленной доли (x_r) остаточных газов.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что определение динамического заданного параметра (rl_dyn) включает в себя:
- определение динамического заданного параметра (rl_dyn) в зависимости от разности между требованием нагрузки (rl_soll) на двигатель (51) внутреннего сгорания и текущей отдачей нагрузки (rl_ist) двигателя (51) внутреннего сгорания (51) и в зависимости от изменения во времени (f_dyn) требования к нагрузке.

5. Способ по п. 1, причем двигатель (51) внутреннего сгорания представляет собой двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением с геометрической степенью сжатия в диапазоне от 12:1 до 15:1, отличающийся тем, что двигатель внутреннего сгорания (51) регулируется в соответствии со способом сгорания Миллера.

6. Способ по п. 1, причем средство (53) установки для установки степени наполнения содержит регулируемый привод клапанов, отличающийся тем, что установка степени наполнения (λ_l) включает в себя:
- определение диапазона установки хода клапана (EW) регулируемого привода клапанов в зависимости от текущей отдачи нагрузки (rl_ist),
- определение диапазона установки фазового положения (wnwe) впускного распределительного вала регулируемого привода клапанов в зависимости от текущей отдачи нагрузки (rl_ist),
- определение диапазона установки фазового положения (wnwd) выпускного распределительного вала регулируемого привода клапанов в зависимости от текущей отдачи нагрузки (rl_ist), и
- установку хода клапана (EW), фазового положения (wnwe) впускного распределительного вала и фазового положения (wnwa) выпускного распределительного вала в зависимости от динамического заданного параметра (rl_dyn) в соответствующих определенных диапазонах установки.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что компрессор (52) приводится в действие турбиной, работающей на отработавших газах, двигателя (51) внутреннего сгорания с изменяемой геометрией турбины (VTG), причем установка плотности заряда (p_SGR) включает в себя:
- определение диапазона установки изменяемой геометрии турбины (VTG) в зависимости от текущей отдачи нагрузки (rl_ist), и
- установку изменяемой геометрии турбины (VTG) в зависимости от динамического заданного параметра (rl_dyn) в пределах определенного диапазона установки.

8. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий:
- компрессор (52) для установки плотности заряда (ρ_SGR) во впускном коллекторе двигателя (51) внутреннего сгорания,
- средство (53) установки для установки степени наполнения (λ_l) двигателя (51) внутреннего сгорания, и
- устройство (54) управления, которое выполнено с возможностью определения динамического заданного параметра (rl_dyn) для двигателя (51) внутреннего сгорания в зависимости от разности между требованием нагрузки (rl_soll) на двигатель (51) внутреннего сгорания и текущей отдачей нагрузки (rl_ist) двигателя (51) внутреннего сгорания и установки степени наполнения (λ_l) и плотности заряда (ρ_SGR) в зависимости от динамического заданного параметра (rl_dyn).

9. Двигатель (51) внутреннего сгорания по п. 8, отличающийся тем, что двигатель внутреннего сгорания выполнен с возможностью осуществления способа по любому из пп. 1-7.

10. Транспортное средство с двигателем (51) внутреннего сгорания по п. 8 или 9.