СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СТЕПЕНИ ОБОГАЩЕНИЯ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С УПРАВЛЯЕМЫМ ЗАЖИГАНИЕМ Российский патент 2021 года по МПК F02D41/14 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу регулирования степени обогащения топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания с управляемым зажиганием (работающем, в частности, на бензине). Оно находит свое предпочтительное применение в области автомобилестроения.

Уровень техники

Как известно, в двигателях внутреннего сгорания с управляемым зажиганием (работающих на бензине), в частности, в двигателях автотранспортных средств, степень обогащения топливо-воздушной смеси определяют в зависимости от совокупности рабочих параметров двигателя, включающих в себя по меньшей мере режим двигателя и крутящий момент, необходимый для обеспечения движения транспортного средства. Загрузка или количество воздуха, подаваемого в двигатель, регулируют, в частности, за счет степени открывания дроссельной заслонки, а обогащение регулируют в зависимости от указанной загрузки, корректируя время впрыска топлива в двигатель.

Известно регулирование значения степени обогащения в таком двигателе в области стехиометрического значения, то есть в области степени обогащения 1, для большинства рабочих точек двигателя, чтобы обеспечивать очистку отработавших газов двигателя при помощи трехканального катализатора, установленного на выхлопе двигателя. Например, регулируя степень обогащения в замкнутом цикле, используя показания по меньшей мере одного кислородного датчика, установленного на входе катализатора, указанному катализатору задают работу в его каталитическом окне, в котором он уменьшает количество оксидов азота (NOx) в отработавших газах двигателя и окисляет несгоревшие углеводороды (НС) и моноксид углерода (СО).

Однако известно, что при приближении к полной нагрузке детали, образующие выхлопной контур двигателя, могут достигать очень высоких температур, которые могут снизить их механическую прочность и поставить под угрозу надежность транспортного средства. Чтобы ограничить температуру на выхлопе, обычно обогащают топливовоздушную смесь, например, до значений степени обогащения, которые могут превышать 1,20, когда обнаруживают, что для обеспечения движения транспортного средства требуется значение крутящего момента (или нагрузка), превышающее заранее определенный порог.

Значение степени обогащения, устанавливаемое для получения заданной максимальной температуры на выхлопе, например, заданного значения температуры выпускного коллектора или заданного значения температуры турбины турбокомпрессора (в случае двигателя с наддувом), можно определить путем предварительных стендовых испытаний двигателя на устойчивых режимах, то есть поддерживая постоянные режим и крутящий момент. По сути дела значение степени обогащения регулируют таким образом, чтобы температура выхлопных газов была равной заранее определенному заданному значению, причем это значение становится значением температуры компонентов выпускного контура двигателя после определенного времени, которое связано с инерцией материала.

Из уровня техники известны несколько способов регулирования обогащения в двигателе автотранспортного средства, согласно которым обогащение повышают до значения, превышающего 1, когда нагрузка двигателя достигает значения, близкого к полной нагрузке.

Например, в публикации JP-S-6043144 раскрыт способ регулирования времени впрыска топлива в зависимости от условий работы двигателя, чтобы избегать перегрева выпускного контура. Если обнаруживается нагрузка, превышающая пороговое значение, температурный датчик измеряет температуру выхлопных газов, и степень обогащения повышают после заранее определенного времени задержки, которое является убывающей функцией указанной температуры газов.

Задержка позволяет избегать бесполезного перерасхода топлива. Действительно, нет необходимости немедленно повышать степень обогащения при обнаружении повышенной нагрузки, так как детали, образующие выпускной контур, обладают определенной теплоемкостью и, следовательно, не достигают мгновенно температур, являющихся предельными для их надежности, за счет тепла выхлопных газов, когда двигатель работает с повышенной нагрузкой. Таким образом, это свойство можно использовать для задержки повышения обогащения, не ставя под угрозу надежность двигателя, что в принципе позволяет экономить топливо.

Однако этот способ является неточным, так как температура, измеренная датчиком после обнаружения повышенной нагрузки, не отображает должным образом температуру деталей выпускного контура двигателя в этот же момент. В частности, температура деталей зависит от количества тепла, которое уже было передано на указанные детали до обнаружения повышенной нагрузки, и она тем выше, чем больше тепловой энергии получили указанные детали.

Таким образом, если время задержки уменьшить, когда измеренная температура газов является более высокой, можно встретить ситуацию, в которой обогащение увеличивается почти моментально, хотя температура деталей выпускного контура еще не повысилась до значения измеренной температуры газов, и, следовательно, нет необходимости в изменении степени обогащения в этот момент. Это приводит к бесполезному расходу топлива.

Из документа US-А-5239965 известен способ регулирования степени обогащения, в котором задерживают применение увеличенного значения степени обогащения на время задержки, которое зависит от термических условий деталей выпускного контура, при этом указанные условия измеряют при помощи соответствующих средств измерения.

В частности, проверяют, превышает ли нагрузка двигателя контрольную повышенную нагрузку (обозначаемую аббревиатурой РМОТР1), которая позволяет определять, находятся ли детали выпускного контура в термических условиях повышенной нагрузки. Если результат проверки является положительным, это показывает, что температура деталей повышается по причине тепла, исходящего от выхлопных газов, и что детали могут перегреться, если не повысить степень обогащения.

В этих условиях повышенной нагрузки регулярно инкрементируют значение счетчика задержки (обозначаемого аббревиатурой СОТРСY), который отображает пропорции, в которых температура деталей выпускного контура повышалась по причине тепла газов до обнаружения повышенной нагрузки, и значение указанного счетчика сравнивают с порогом задержки (обозначаемым аббревиатурой QAOTP), который устанавливают заранее в зависимости от расхода воздуха в двигателе. Порог задержки является убывающей функцией расхода.

Пока значение счетчика остается ниже порога, считают, что детали выпускного контура не перегреются за очень короткий срок, поэтому не предпринимают никаких шагов для повышения степени обогащения. С другой стороны, если значение счетчика превышает порог, это значение счетчика фиксируют на значении, которое он принимает в момент, когда порог оказывается превышенным, и немедленно повышают степень обогащения.

Такой способ требует большой предварительной работы по калибровке порогов задержки. Кроме того, для их фиксирования учитывают только расход воздуха в двигателе. Погрешности в выбранных порогах выражаются либо в появлении риска превышения допустимой температуры (случай слишком высокого порога, который приводит к слишком позднему обогащению), либо в слишком большом расходе топлива (случай слишком низкого порога, что приводит к слишком раннему обогащению).

Из документа US-A-4400944 известен также способ регулирования степени обогащения для предупреждения термических нарушений в работе турбокомпрессора двигателя, в частности, на высоком режиме и при повышенной загрузке, когда двигатель отрегулирован со слишком поздним опережением зажигания, что способствует повышенным температурам турбокомпрессора.

Согласно этому документу, когда температура выхлопных газов, проходящих через турбокомпрессор, ниже заранее определенного целевого значения (обозначаемого Т1) и когда со временем указанная температура повышается, степень обогащения регулируют в открытом цикле, добавляя поправку времени впрыска топлива к времени впрыска, соответствующему стехиометрической смеси, при этом поправка зависит от разности между температурой и целевой температурой.

С другой стороны, если температура ниже целевого значения, если смесь является богатой и если температура со временем понижается, степень обогащения регулируют, вычитая поправку времени впрыска топлива из времени впрыска, соответствующего стехиометрической смеси.

Такой способ, в котором степень обогащения меняется, позволяет управлять температурой выхлопных газов по целевому значению и не требует работы по выбору времени задержки, чтобы повысить степень обогащения до значения, превышающего 1. Однако он включает в себя фазы, в которых происходит превышение целевого значения, что может привести к снижению надежности деталей, образующих выпускной контур, к перерасходу топлива и к увеличению загрязняющих выбросов двигателя.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей изобретения является преодоление недостатков известных способов регулирования степени обогащения.

В частности, оно призвано предложить способ регулирования степени обогащения, который позволяет предохранять выпускной контур от чрезмерных температур, который является простым в применении и который ограничивает перерасход топлива в двигателе, не приводя к значительному увеличению загрязняющих выбросов.

Для этого изобретением предложен способ регулирования степени обогащения двигателя внутреннего сгорания с управляемым зажиганием, при этом значение степени обогащения регулируют в области стехиометрического значения, когда двигатель не работает близко к полной нагрузке, и в области значения, более высокого, чем стехиометрическое значение, когда крутящий момент двигателя превышает порог крутящего момента, меньший или равный максимальному крутящему моменту двигателя.

Согласно изобретению, когда указанный крутящий момент превышает указанный порог крутящего момента, способ содержит:

- этап, во время которого указанное значение степени обогащения регулируют по первому значению степени обогащения, превышающему стехиометрическое значение, когда температура выхлопных газов двигателя ниже первого порога температуры;

- этап, во время которого указанное значение степени обогащения немедленно регулируют по второму значению степени обогащения, превышающему первое значение степени обогащения, когда указанное значение температуры превышает второй порог температуры, при этом указанный второй порог температуры превышает указанный первый порог; и

- этап, во время которого указанное значение степени обогащения постепенно повышают от первого значения степени обогащения до максимума второго значения степени обогащения, когда указанное значение температуры находится между указанным первым порогом и указанным вторым порогом.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из описания неограничивающего примера его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1 показан пример двигателя внутреннего сгорания с управляемым зажиганием, в котором можно применять заявленный способ;

на фиг. 2 представлена блок-схема этапов способа регулирования степени обогащения согласно варианту осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 представлен двигатель внутреннего сгорания с управляемым зажиганием (в частности, работающий на бензине), в частности, показан в разрезе цилиндр 1 блока цилиндров. Впускной контур 2 и выпускной контур 3 сообщаются соответственно с впускным каналом 4 и с выпускным каналом 5 цилиндра 1.

Впускной контур 2 не ограничительно содержит от входа к выходу, в направлении прохождения воздуха, компрессор 6 турбокомпрессора 7 наддува двигателя, задвижку 8 регулирования расхода воздуха или дроссельную заслонку 8 и впускной коллектор 9 или распределитель 9.

В данном случае двигатель не ограничительно представлен в виде двигателя с непрямым впрыском: топливная форсунка 10 выходит во впускной канал 4, чтобы впрыскивать бензин в указанный канал 4. В не показанном варианте двигатель может быть двигателем с прямым впрыском.

Цилиндр 1 закрыт головкой 11 блока цилиндров двигателя. В головке 11 блока установлены впускной клапан 12, который служит для открывания и закрывания впускного канала 4, и выпускной клапан 13, который служит для открывания и закрывания выпускного канала 5. В цилиндре 1 находится поршень 14, выполненный с возможностью перемещения внутри отверстия 15 цилиндра 1 поочередно между положением нижней мертвой точки (НМТ) и верхней мертвой точки (ВМТ), и в пространстве между поршнем 14 и головкой 11 блока образована камера 16 сгорания. На головке 11 блока установлена свеча 17 зажигания, электроды которой выходят в камеру 16 сгорания.

Выпускной контур 3 не ограничительно содержит от входа к выходу, в направлении прохождения отработавших газов, выпускной коллектор 18, турбину 19 турбокомпрессора 7, которая установлена на валу 20, общем для компрессора 6 и для турбины 19, а также устройство 21 очистки отработавших газов двигателя, например, трехканальный катализатор 21.

В выпускном контуре 3 на входе турбины 19 установлен температурный датчик 22. Он выполнен с возможностью измерения значения температуры выхлопных газов на входе турбины.

В выпускном контуре 3 двигателя на входе трехканального катализатора 21 установлен датчик 23 обогащения или кислородный датчик 23. Он выполнен с возможностью измерения значения концентрации кислорода в отработавших газах двигателя.

Как известно, вычислительное устройство (не показано) двигателя содержит средства, выполненные с возможностью определять по меньшей мере значение загрузки (или расхода воздуха) Qair, значение расхода впрыскиваемого топлива Qcarb и распределение расхода топлива по фазам по отношению к верхней мертвой точке, а также значение опережения зажигания АА в зависимости от совокупности параметров, характеризующих работу двигателя и включающих в себя по меньшей мере крутящий момент С и режим N двигателя.

Классически, вычислительное устройство регулирует загрузку Qair, корректируя степень открывания дроссельной заслонки 8, и/или мощность турбины посредством степени открывания разгрузочного клапана на выходе турбины, называемого также вентилем waste-gate (не показан). Оно регулирует расход топлива Qcarb и распределение его впрыска по фазам посредством регулирования времени впрыска Ti топливной форсунки 10, в частности, момента начала открывания и момента конца открывания по отношению к верхней мертвой точке. Оно регулирует опережение зажигания АА посредством создания искры на контактах электродов свечи 17 для заданного угла в цикле двигателя по отношению к верхней мертвой точке цилиндра 1.

Представленный на фиг. 2 заявленный способ регулирования степени обогащения содержит следующие этапы, осуществляемые вычислительным устройством двигателя и реализуемые итеративно в каждый момент t_n+1, отделенный от предыдущего момента t_n постоянным шагом времени dt:

Способ начинается с этапа 100, в ходе которого вычислительное устройство двигателя определяет значение режима N двигателя и заданное значение крутящего момента С, необходимое для приведения в движение транспортного средства. Значение режима может поступать от датчика (на фиг. 1 не показан), установленного на конце коленчатого вала двигателя, а значение крутящего момента можно вывести из значения степени нажатия на педаль акселератора водителем транспортного средства.

На первом тестовом этапе 200 проверяют, является ли крутящий момент двигателя близким или нет к полной нагрузке. Иначе говоря, проверяют, находится ли крутящий момент С между порогом крутящего момента Cs, меньшим или равным максимальному крутящему моменту Cmax, который может развить двигатель, и максимальным крутящим моментом Cmax. Порог крутящего момента Cs и максимальный крутящий момент Cmax зависят от режима N. Они ограничивают диапазон рабочих точек, в котором, если бы степень обогащения r воздушно-топливной смеси была равна 1, то температура θ_ech отработавших газов двигателя на входе турбины (измеряемая датчиком 22) превышала бы порог, который соответствует пределу надежности (как правило, температура порядка 950°С-980°С).

Если результат теста оказывается отрицательным, то есть если крутящий момент не является близким к полной нагрузке (иначе говоря, если он меньше порога крутящего момента Cs), то способ переходит к этапу 300, на котором степень обогащения r воздушно-топливной смеси регулируют в области стехиометрического значения степени обогащения (степень обогащения 1), затем он возвращается на этап 100.

В противном случае способ переходит к этапу 400, на котором степень обогащения r регулируют по первому значению степени обогащения r₁, соответствующему слегка обогащенной смеси, например, степень обогащения составляет от 1,00 до 1,05.

Предпочтительное первое значение степени обогащения по существу равно 1,01, что обеспечивает немедленное предварительное охлаждение выхлопных газов двигателя без существенного увеличения выбросов оксидов азота транспортного средства, и степень обогащения регулируют немедленно по этому первому значению степени обогащения, равному 1,01. В не показанном варианте первое значение степени обогащения может быть по существу равно 1,05, и регулирование обогащения по этому первому значению степени обогащения осуществляют постепенно, например линейно, в зависимости от времени, начиная от стехиометрического значения и до указанного первого значения степени обогащения, по существу равного 1,05.

Способ продолжается этапом 500, на котором измеряют температуру θ_ech выхлопных газов, например, при помощи температурного датчика 22. В не показанном варианте этапы 400 и 500 можно поменять местами.

На тестовом этапе 600 указанную температуру θ_ech сравнивают с первым порогом θ₁ температуры, например, с температурой порядка 900°С. Если указанная температура ниже указанного первого порога, способ возвращается на этап 100. В противном случае, то есть если температура превышает первый порог, способ продолжается новым тестовым этапом 700, на котором температуру θ_ech сравнивают со вторым порогом θ₂ температуры, например, порядка 950°С-980°С, соответствующим пределу термомеханической прочности выпускного контура. Способ ставит своей целью не превышать этот второй порог θ₂ температуры.

Если температура θ_ech выхлопных газов превышает второй порог θ₂, способ переходит к этапу 800, на котором степень обогащения немедленно регулируют по второму значению степени обогащения r₂. Это второе значение r₂ степени обогащения превышает первое значение r₁ степени обогащения. Его определяют таким образом, чтобы получить заданную максимальную температуру деталей, образующих выпускной контур, например, заданное значение температуры выпускного коллектора или заданное значение температуры турбины турбокомпрессора (в случае двигателя с наддувом). Второе значение r₂ степени обогащения можно определить в ходе предварительных стендовых испытаний двигателя на устойчивом режиме, то есть поддерживая постоянными режим и крутящий момент. По сути дела значение степени обогащения регулируют таким образом, чтобы сама температура выхлопных газов была равна заранее определенному заданному значению, причем это значение становится значением температуры компонентов выпускного контура двигателя после определенного промежутка времени, который связан с инерцией материала.

Для каждого данного значения режима N существует диапазон крутящего момента С, близкий к полной нагрузке, в котором степень обогащения реально увеличивают, чтобы ограничить температуру выхлопных газов. Следовательно, второе значение r₂ степени обогащения необходимо определять в зависимости от режима и от крутящего момента.

В противном случае, то есть, если температура θ_ech выхлопных газов ниже второго порога θ₂, способ продолжается этапом 900, на котором степень обогащения повышают постепенно, то есть посредством последовательных итераций на каждом шаге времени dt каждый раз, когда температура выхлопных газов находится между первым и вторым порогами θ₁, θ₂, начиная от первого значения r₁ степени обогащения и до максимума второго значения r₂ степени обогащения.

Предпочтительно степень обогащения повышают линейно в зависимости от времени, при этом ограничивая ее максимальным значением, равным второму значению r₂ степени обогащения, то есть в соответствии с уравнением типа:

(Уравнение 1)

r_n+1 = max(r₂; r_n+k×(r₂-r₁)×dt),

где:

- r_n+1 обозначает значение степени обогащения, вычисленное в момент t_n+1 способа;

- r_n обозначает значение степени обогащения, вычисленное в момент t_n способа; и

- k обозначает постоянный положительный коэффициент, который характеризует скорость повышения степени обогащения.

После этапа 800 или этапа 900 способ возвращается на этап 100. Из всего вышесказанного и, в частности, из последовательности этапов 600-900 понятно, что, когда двигатель входит в условия, близкие к полной нагрузке, температура выхлопных газов начинает повышаться непрерывно до значений, которые все больше приближаются к второму порогу θ₂ температуры. Как только температура достигает первого порога θ₁ температуры, который можно считать порогом оповещения, начинают увеличивать степень обогащения. Никакого времени задержки не применяют, но все применяемые значения степени обогащения ниже второго значения r₂ степени обогащения, которое соответствует пределу термомеханической прочности выпускного контура. Таким образом, получают замедленное повышение температуры выхлопных газов, которое, как правило, позволяет температуре деталей, образующих выпускной контур, догнать температуру газов, поскольку скорость повышения степени обогащения (характеризуемую постоянным положительными коэффициентом k) является достаточно низкой. Это значение можно определить посредством предварительных испытаний, чтобы учитывать инерцию повышения температуры деталей выпускного контура, или эмпирически в зависимости от значений теплоемкости их материалов.

В случае, когда в ходе особо сложных циклов движения температура выхлопных газов все же достигает второго порога r₂ степени обогащения, способ консервативно предусматривает немедленное повышение степени обогащения r до этого второго значения r₂ степени обогащения, что моментально препятствует еще большему повышению температуры выхлопных газов и не позволяет температуре деталей, образующих выпускной контур, превысить второй порог θ₂ температуры, и что позволяет гарантировать их надежность.

Изобретение относится к способу регулирования степени обогащения топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания с управляемым зажиганием. Техническим результатом является повышение надежности двигателя внутреннего сгорания путем ограничения температуры деталей, образующих выпускной контур, при сильной нагрузке. Результат достигается тем, что вблизи полной нагрузки степень обогащения регулируют по первому значению (r₁) степени обогащения для предварительного охлаждения выхлопных газов. Когда температура (θ_ech) выхлопных газов достигает первого порога (θ₁) температуры, который ниже второго порога (θ₂) температуры, значение степени обогащения увеличивают постепенно, например линейно, от первого значения (θ₁) степени обогащения до максимума второго значения (r₂) степени обогащения, при котором температура выхлопных газов равна второму порогу (θ₂) температуры. Если температура (θ_ech) выхлопных газов достигает указанного второго порога (θ₂), прежде чем степень обогащения достигнет второго значения (r₂) степени обогащения, степень обогащения немедленно регулируют по указанному второму значению (r₂) степени обогащения. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ регулирования степени обогащения (r) двигателя внутреннего сгорания с управляемым зажиганием, при этом значение степени обогащения регулируют в области стехиометрического значения, когда двигатель не работает близко к полной нагрузке, и в области значения, более высокого, чем стехиометрическое значение, когда крутящий момент (C) двигателя превышает порог крутящего момента (Cs), меньший максимального крутящего момента (Cmax) двигателя,

отличающийся тем, что, когда указанный крутящий момент (C) превышает указанный порог крутящего момента (Cs), он содержит:

- этап (400), на котором указанное значение степени обогащения (r) регулируют по первому значению (r₁) степени обогащения, превышающему стехиометрическое значение, когда значение температуры (θ_ech) выхлопных газов двигателя ниже первого порога (θ₁) температуры;

- этап (800), на котором указанное значение степени обогащения (r) немедленно регулируют по второму значению (r₂) степени обогащения, превышающему первое значение (r₁) степени обогащения, когда указанное значение температуры (θ_ech) превышает второй порог (θ₂) температуры, при этом указанный второй порог температуры (θ₂) превышает указанный первый порог (θ₁); и

- этап (900), на котором указанное значение степени обогащения постепенно повышают, начиная от первого значения (r₁) степени обогащения и до максимума второго значения (r₂) степени обогащения, когда указанное значение температуры (θ_ech) находится между указанным первым порогом (θ₁) и указанным вторым порогом (θ₂).

2. Способ по п. 1, в котором первое значение (r₁) степени обогащения составляет от 1,00 до 1,05.

3. Способ по пп. 1 или 2, в котором первое значение (r₁) степени обогащения по существу равно 1,01.

4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором второе значение (r₂) степени обогащения регулируют в зависимости от режима (N) и от крутящего момента (С) двигателя таким образом, чтобы температура (θ_ech) выхлопных газов двигателя была равна второму порогу (θ₂) температуры, когда двигатель работает на рабочей точке, стабилизированной в указанном режиме (N) и по указанному крутящему моменту (С).

5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором второй порог (θ₂) температуры составляет от 950°С до 980°С.

6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором постепенное повышение степени обогащения (r), начиная от первого значения (r₁) степени обогащения и до максимума второго значения (r₂) степени обогащения, является линейным повышением в зависимости от времени.