СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ВОЗДУХА ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РЕЦИРКУЛИРУЕМЫХ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
METHOD OF CONTROLLING AIR CONSUMPTION BY INTERNAL COMBUSTION ENGINE TO LIMIT TEMPERATURE OF CIRCULATED EXHAUST GASES

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности, для автотранспортных средств, содержащим контур частичной рециркуляции выхлопных газов, а также к способу управления и регулирования работы таких двигателей.
Поскольку нормы выброса загрязняющих веществ, выходящих из двигателей внутреннего сгорания, таких как дизельные двигатели, становятся все более строгими, эти двигатели, как правило, оснащают системами рециркуляции выхлопных газов (“EGR”) либо типа систем рециркуляции выхлопных газов высокого давления (EGR ВД), либо типа систем рециркуляции выхлопных газов низкого давления (EGR НД). В частности, эти двигатели могут быть разработаны на основе уже существующих архитектур двигателей. Некоторые детали, например, такие как детали компрессора турбокомпрессора двигателя, могут не выдерживать температуру газов, соответствующих смеси наружного воздуха с рециркулируемыми отработавшими газами.
Чтобы избежать повреждения таких деталей или повреждения других деталей контура рециркуляции газов, были предложены различные решения с целью контроля температуры рециркулируемых газов.
Например, в патенте FR 2 119 023 раскрыт способ, предназначенный для термической защиты клапана EGR.
Система отслеживает температуру по меньшей мере одной чувствительной точки контура рециркуляции газов и подсчитывает время, истекшее сверх термически критической точки. Когда счетчик истекшего времени показывает время, превышающее порог, режим управления двигателя переключается на управление, при котором заданное значение поступающего наружного воздуха рассчитывают при помощи картографий, отличных от картографий, используемых при нормальном режиме.
Картография, соответствующая этому безопасному режиму, задает расход воздуха, превышающий примерно на 20-25% расход воздуха в нормальном режиме. В результате в критической точке, которой может быть, например, клапан EGR, температура понижается.
В патенте ЕР 0 935 060 раскрыт способ регулирования температуры контура EGR, согласно которому, если измеренная температура контура EGR превышает пороговое значение в течение порогового времени, клапан привода рециркуляции газов EGR контролируемо закрывается.
Значение закрывания клапана EGR может быть, в частности, указано в картографии в зависимости от отклонения температуры между измеренной температурой и требуемой температурой на уровне клапана EGR. Согласно другому варианту осуществления, разность температуры можно направить в регулятор, который выдает скорректированное значение открывания клапана EGR.
В патентной заявке WO 2008/152491 раскрыт способ изменения температуры входящего воздуха относительно требуемого значения, чтобы точно отрегулировать заданное значение количества газов EGR высокого давления. Когда количество газов EGR высокого давления находится ниже порога, изменяют регулировку фаз клапанов, чтобы скорректировать пропорциональное количество рециркулируемых отработавших газов.
В документах FR 2 919 023 и WO 2008/152491 предложено переходить от одного конкретного режима регулирования к другому конкретному режиму регулирования в зависимости от того, находится измеренная температура газов EGR и/или количество газов EGR выше или ниже определенного порога. Управление двигателем во время фаз «перегрева» контура рециркуляции не оптимизировано, но все же содержит фазу понижения температуры чувствительной зоны контура рециркуляции.
В документе ЕР 0 935 060 предложено априорно применять картографию закрывания клапана EGR или регулирование этого закрывания в зависимости от разности температуры между точкой измерения чувствительной зоны контура рециркуляции и максимальной заданной температурой.
В документе не пояснено, каким образом можно контролировать влияние регулирования закрывания клапана EGR на общую схему расхода газов в контурах двигателя и, в частности, на возможное отклонение рабочей точки двигателя, связанное с закрыванием клапана EGR.
Задача изобретения состоит в создании устройства управления и регулирования двигателя внутреннего сгорания, позволяющего осуществлять постоянную коррекцию рабочей точки двигателя относительно заданного значения педали акселератора транспортного средства и одновременно непрерывный контроль одной или нескольких температур чувствительных точек контура рециркуляции газов двигателя, чтобы избегать отклонения этих температур сверх одного или нескольких пороговых значений.
В связи с этим изобретением предложен двигатель внутреннего сгорания, в частности, для автотранспортного средства, содержащий контур частичной рециркуляции отработавших газов и устройство регулирования потребления воздуха двигателем внутреннего сгорания, содержащее первую схему оценки первого заданного значения расхода наружного воздуха двигателя. Устройство регулирования дополнительно содержит вторую схему оценки заданного значения расхода воздуха, выполненную с возможностью вырабатывать, - на основании температуры, измеренной на уровне трубопровода рециркуляции отработавших газов, и первого заданного значения расхода наружного воздуха, - увеличенное заданное значение расхода воздуха, превышающее или равное первому заданному значению расхода наружного воздуха.
Вторая схема оценки расхода наружного воздуха может содержать первый регулятор пропорционально-интегрального типа или пропорционально-интегрально-дифференцирующего типа, выполненный с возможностью получать на входе разность между температурой, измеренной на уровне трубопровода рециркуляции отработавших газов, и пороговой температурой.
Согласно частному варианту выполнения, первый регулятор пропорционально-интегрального типа может быть выполнен с возможностью получать абсолютное значение разности между температурой, измеренной на уровне трубопровода рециркуляции отработавших газов, и пороговой температурой.
Устройство может дополнительно содержать второй регулятор, выполненный с возможностью вычисления заданного значения положения по меньшей мере одного устройства регулирования расхода газов газового контура двигателя на основании увеличенного заданного значения расхода воздуха.
Второй регулятор может быть выполнен с возможностью получать на входе разность между увеличенным заданным значением расхода воздуха и измеренным или оценочным значением расхода наружного воздуха, поступающего в двигатель.
Первая схема оценки может быть выполнена с возможностью вырабатывать первое заданное значение расхода наружного воздуха двигателя, в частности, на основании значений рабочих точек двигателя и измеренного значения температуры воздуха снаружи транспортного средства.
Первая схема оценки может быть выполнена с возможностью вырабатывать первое заданное значение расхода наружного воздуха двигателя, учитывая также температуру охлаждающей жидкости двигателя и/или окружающего атмосферного давления.
Изобретением предложено также автотранспортное средство, содержащее двигатель внутреннего сгорания с контуром рециркуляции отработавших газов двигателя, содержащий по меньшей мере один температурный датчик, расположенный на уровне контура рециркуляции отработавших газов, и содержащий описанное выше устройство регулирования.
Объектом изобретения является также способ регулирования потребления воздуха двигателем внутреннего сгорания, в котором вырабатывают первое заданное значение расхода наружного воздуха, поступающего в двигатель, и осуществляют регулирование по отклонению температуры между температурой, измеренной на уровне трубопровода рециркуляции отработавших газов, и пороговой температурой, чтобы выдавать поправочное заданное значение расхода воздуха, при помощи этого поправочного значения и первого заданного значения расхода наружного воздуха вычисляют увеличенное заданное значение расхода воздуха и используют увеличенное заданное значение расхода воздуха для регулирования расхода газов газового контура двигателя.
EGR_MAX
Как показано на фиг. 1, устройство 1 регулирования потребления наружного воздуха двигателем 2 внутреннего сгорания содержит электронный блок 10 управления, выполненный с возможностью управления клапанами 15, 19, 22 газового контура двигателя 2 и соединенный с определенным числом датчиков или схем оценки 7, 23, 25, 26, 28, 29. Электронный бок 10 управления может также содержать картографии (на фиг. 1 не показаны) и запоминающие устройства, в которых записаны контрольные значения, например, запоминающее устройство 24, в котором записана максимальная температура T, которую нельзя превышать в данной точке контура рециркуляции газов.
наружный_воздух
Двигатель 2 питается наружным воздухом через впуск 4 наружного воздуха. Наружный воздух проходит через впускной патрубок 6, на котором установлен расходомер 7 наружного воздуха, который передает в электронный блок 10 управления значение расхода наружного воздуха Q.
Патрубок 6 выходит в смеситель 5, с которым сообщается также трубопровод рециркулируемых газов низкого давления или трубопровод EGR НД, обозначенный позицией 45.
Смесь наружного воздуха и рециркулируемых газов проходит через компрессор 8с турбокомпрессора 8, затем по трубопроводу 9 на выходе компрессора, в котором расход газов можно регулировать при помощи впускной заслонки 11, и поступает во впускной коллектор 12 двигателя 2. Отработавшие газы двигателя поступают в выхлопной коллектор 13, который сообщается с трубопроводом рециркуляции газов высокого давления или трубопроводом EGR ВД, обозначенным позицией 14, в котором расход газов можно регулировать при помощи клапана 15 регулирования рециркуляции газов высокого давления и который сообщается с впускным коллектором 12.
Кроме того, отработавшие газы из выхлопного коллектора 13 проходят через турбину 8t компрессора 8, поступают в трубопровод 16 на выходе турбины, проходят через систему очистки 17 (которая может содержать не показанные каталитический элемент и фильтр-улавливатель частиц) и удаляются через выхлопную трубу 18 и выход 44 газов наружу транспортного средства.
Выхлопная труба 18 сообщается с трубопроводом 45 рециркуляции газов низкого давления. Между выхлопным выходом 44 и входом трубопровода 45 рециркуляции находится выхлопная заслонка 19, которая позволяет ограничивать количество отработавших газов, удаляемых наружу транспортного средства, чтобы увеличить количество отработавших газов, направляемых в систему рециркуляции низкого давления.
Вдоль трубопровода 45 рециркуляции отработавших газов могут находиться различные устройства, максимальная рабочая температура которых не должна превышать определенные температурные пороги, например, заслонка 22 рециркуляции низкого давления, теплообменник 21, позволяющий рекуперировать часть калорий отработавших газов, проходящих через трубопровод 45, или фильтр 20.
НД
выхлоп
ВД
вода
EGR_НД
Электронный блок 10 управления выполнен с возможностью передавать заданные значения положения в различные устройства регулирования расхода газов, например, значение углового положения β на заслонку 22 рециркуляции низкого давления, значение положения γ на выхлопную заслонку, значение α в клапан 15 рециркуляции отработавших газов высокого давления. Двигатель 2 охлаждается при помощи контура 3 охлаждающей жидкости. Температурный датчик 29 передает значение температуры Т охлаждающей жидкости в электронный блок 10 управления. Кроме того, электронный блок 10 управления получает от температурного датчика 23, расположенного на трубопроводе 45 рециркуляции отработавших газов низкого давления, значение температуры газов Т, также от датчика 27 скорости вращения двигателя получает значение скорости вращения N двигателя, и получает от схемы 28 оценки крутящего момента двигателя значение С оценочного крутящего момента, развиваемого двигателем.
окр
окр
Крутящий момент двигателя можно оценить при помощи известных методов, учитывая, например, объем топлива, впрыскиваемый в каждый цилиндр двигателя на каждом цикле сгорания. Электронный блок 10 управления получает также значение окружающей температуры Т от датчика 26 температуры воздуха снаружи транспортного средства и, возможно, значение давления Р от барометра 25, соответствующее текущему атмосферному давлению.
Чтобы избегать перегрева элементов 21, 22, 20, присутствующих на трубопроводе 45 рециркуляции, электронный блок управления адаптирует управление потреблением наружного воздуха двигателя 2 согласно принципу, представленному на фиг. 2.
окр
окр
вода
На фиг. 2 можно найти элементы, общие с фиг. 1, при этом общие элементы имеют такие же обозначения. Как показано на фиг. 2, электронный блок 10 управления содержит первое вычислительное устройство 30 для вычисления потребности в наружном воздухе двигателя, которое получает, в частности, значения N, С, соответствующие рабочей точке двигателя, значение Т температуры воздуха снаружи транспортного средства, значение Р текущего атмосферного давления и значение Т температуры охлаждающей жидкости транспортного средства. Электронный блок 10 управления содержит также второе вычислительное устройство 31 для вычисления потребностей в наружном воздухе двигателя, содержащее первый регулятор 37. Электронный блок 10 управления содержит компаратор или экстрактор 39 максимального значения, выполненный с возможностью выдавать наибольшее значение среди двух значений, которые он получает на входе соответственно от первого регулятора 30 и от второго регулятора 31.
Q
задан
наружный_воздух
Электронный блок 10 управления содержит второй регулятор 39, получающий на входе разность δ, выдаваемую экстрактором 36, между увеличенным значением Q расхода наружного воздуха, выдаваемым компаратором 38, и измеренным значением Q расхода наружного воздуха, выдаваемым расходомером 7.
EGR_НД
EGR_MAX
Т
EGR_MAX
Второе вычислительное устройство 31 вычисления потребностей в наружном воздухе двигателя получает в качестве единственного измеренного значения на входе температуру Т, переданную температурным датчиком 23, и получает на входе или извлекает из одной из ячеек своего запоминающего устройства 24 постоянную температуру Т. Измеренное значение 23 и записанное в памяти значение 24 поступают на два входа первого вычитателя 33, который выдает разность ε между измеренной температурой и максимальной допустимой температурой Т.
Т
Т
Т
Q
воздух_задан1
Оператор 32 абсолютного значения вычисляет абсолютное значение этой разности ε. Разность ε и ее абсолютное значение суммируются на уровне первого сумматора 34, который выдает таким образом исправленное значение разности ε и передает его в первый регулятор 37, например, пропорционально-интегрального типа. Регулятор 37 выдает поправочное значение δ, направляемое на первый вход второго сумматора 35, который получает на другом входе первое заданное значение Q наружного воздуха, выдаваемое первым вычислительным устройством 30.
воздух_задан2
Таким образом, второй сумматор 35 выдает скорректированное значение Q, которое поступает на один из входов компаратора 38.
задан
наружный_воздух
Компаратор 38 выдает увеличенное заданное значение Q расхода воздуха. Как было указано выше, оно поступает на один из входов второго вычитателя 36, который получает на другом входе измеренный расход Q наружного воздуха от расходомера 7 наружного воздуха. Измеренный расход наружного воздуха сравнивают с расходом наружного воздуха, который контролируемо увеличивают, чтобы избежать перегрева на уровне точки 23 измерения температуры.
откр
НД
выхлоп
На основании этой разности второй регулятор 39 выдает значение управления Q, например, пропорциональное конечному заданному значению расхода наружного воздуха, которое затем конвертируют в положение β и в положение γ соответственно заслонки EGR 22 и выхлопной заслонки 19. Изменения положения этих двух заслонок приводят к изменению газовых потоков, которое отражаются, в частности, на расходе наружного воздуха, поступающего в двигатель. Таким образом, согласно изобретению, их положение регулируют таким образом, чтобы одновременно избегать перегрева чувствительных точек, ограничивать загрязняющие выбросы и обеспечивать подачу наружного воздуха как можно ближе к заданному значению крутящего момента, задаваемому водителем (при помощи педали).
откр
НД
выхлоп
откр
откр
0
НД
НД
выхлоп
Конверсию заданного расхода Q в положение β и γ заслонки можно производить, например, используя одну или несколько картографий 40, которые позволяют считывать первое значение Мар(Q), соответствующее положению одной из заслонок 19 или 22, и проверить, остается ли это значение Мар(Q) ниже определенного порога, что показано на фиг. 2 в виде тестового этапа 41. Если результат теста 41 является положительным, на этапе 42 применяют произвольное значение, в данном случае γ, для положения выхлопной заслонки 19 и считывают положение β заслонки 22 контура рециркуляции непосредственно в картографии 40. Если результат теста 41 является отрицательным, на этапе 43 применяют произвольное значение Мар1 для положения β заслонки и используют другую картографию (не показана), определяющую функцию Г и позволяющую считать положение γ заслонки 19.
откр
воздух_задан1
EGR_MAX
Таким образом, второй регулятор 39, который управляет системой заслонок между клапаном двигателя и точкой смешивания рециркулируемых отработавших газов с наружным воздухом, всасываемым двигателем, получает заданное значение Q наружного воздуха, которое учитывает одновременно потребности в наружном воздухе двигателя «априори» с учетом крутящего момента, задаваемого педалью, и условия сгорания и подачи газов по давлению и температуре. Первое «априорное» заданное значение Q вырабатывает первое вычислительное устройство 30. Устройство учитывает также скорректированное заданное значение расхода воздуха, которое вычисляют при помощи регулятора в зависимости от первого заданного значения расхода воздуха, и заданное значение температуры Т, которое нельзя превышать.
EGR_MAX
Это скорректированное значение вычисляют таким образом, чтобы продвигаться в сторону уменьшения температуры в точке 23 измерения каждый раз, когда измеряют температуру, превышающую порог Т.
Для надежности вторым регулятором 39 управляют, используя наибольшее из значений среди первого заданного значения расхода воздуха и скорректированного заданного значения расхода воздуха.
Q
Можно предусмотреть варианты осуществления, в которых второй регулятор 39 получает значение отклонения ε расхода воздуха от вычитателя 36, который, в свою очередь, напрямую получает на одном из своих входов от второго вычислительного устройства 31 скорректированное значение потребностей в наружном воздухе двигателя.
EGR_MAX
Таким образом, регулирование наружного воздуха двигателя при помощи заслонок или клапанов, находящихся на уровне по меньшей мере одного контура рециркуляции отработавших газов, позволяет корректировать расход отработавших газов и потребление наружного воздуха двигателем и одновременно гарантировать невозможность превышения пороговых температур Т в одной из точек контура рециркуляции отработавших газов.
EGR_MAX
наружный_воздух
откр
Можно предусмотреть варианты осуществления, в которых отслеживаемая температура может находиться на контуре рециркуляции отработавших газов высокого давления, например, на трубопроводе 14. При этом второе вычислительное устройство 31 получает на входе температуру, измеренную на уровне этого трубопровода 14, вместо температуры, измеренной на уровне трубопровода 45, и в этом случае температурный порог Т адаптируют в зависимости от значений теплового сопротивления элементов этого трубопровода. При этом увеличенное заданное значение расхода воздуха, поступающее из компаратора 38 или из второго вычислительного устройства 31, тоже вычитают из измеряемого заданного значения Q, чтобы вычислить безопасное заданное значение Q расхода воздуха, которое предназначено для управления одновременно выхлопной заслонкой 19 и клапаном EGR 15 высокого давления, например, во время фаз запуска двигателя, пока двигатель является еще наружным.
Можно также предусмотреть варианты выполнения, содержащие два вторых вычислительных устройства для вычисления потребностей в наружном воздухе двигателя, которые используют поочередно во время фаз запуска двигателя и во время фаз движения, когда двигатель прогрелся, чтобы контролировать температуру соответственно на уровне трубопровода EGR 14 высокого давления и на уровне трубопровода EGR 45 низкого давления.
откр
Изобретение не ограничивается описанными примерами выполнения и может иметь многочисленные версии. Конверсию безопасного заданного значения Q расхода воздуха на выходе второго регулятора 39 можно производить при помощи картографии или при помощи эмпирических функций, связывающих необходимое открывание заслонок 19, 22 и требуемый расход воздуха.
задан
воздух_задан
В зависимости от того, содержит или нет второе вычислительное устройство 31 компаратор 38, можно считать, что вычислительное устройство 31 выдает напрямую увеличенное заданное значение Q расхода воздуха или, наоборот, что оно выдает только скорректированное значение Q. В вариантах осуществления без компаратора 38, содержащих в этом случае предпочтительно корректор/оператор 32 абсолютного значения, скорректированное значение и увеличенное значение расхода воздуха совпадают.
Т
Первое вычислительное устройство 30 может учитывать рабочие параметры двигателя, не указанные на фиг. 2. Второе вычислительное устройство 31 может осуществлять регулирование непосредственно на отклонении температуры ε, не производя исправления, и в этом случае предпочтительно используют компаратор 38, чтобы всегда задавать самый большой расход среди расхода воздуха, «априорно» вычисленного первым вычислительным устройством 30, и скорректированного значения, поступающего из второго вычислительного устройства 31.
Заявленное устройство регулирования позволяет ограничивать температуры, достигаемые в чувствительных точках контуров рециркуляции отработавших газов, интегрируя это регулирование непосредственно в процесс регулирования расхода наружного воздуха двигателя таким образом, чтобы как можно меньше нарушать эти изменения расхода наружного воздуха.