ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, В ЧАСТНОСТИ ГАЗОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
INTERNAL COMBUSTION ENGINE, IN PARTICULAR GAS ENGINE, FOR MOTOR VEHICLE

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, в частности газовому двигателю, для транспортного средства, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к способу работы двигателя внутреннего сгорания, согласно ограничительной части пункта 10 формулы изобретения.
Известно применение для улучшения коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания, в частности газового двигателя, охлаждаемого и регулируемого возврата отработавших газов (AGR). Возвращаемые отработавшие газы в качестве добавки инертного газа в газовую смесь противодействуют склонности к детонации, так что обеспечивается возможность повышения степени сжатия и тем самым улучшения коэффициента полезного действия. Дополнительно к этому, при применении возврата отработавших газов происходит повышение коэффициента полезного действия в диапазоне частичной и слабой нагрузки за счет уменьшения потерь тепла на процессы газообмена.
Для работы двигателя внутреннего сгорания само по себе известным образом в зависимости от требуемой мощности дозированно добавляется топливо в согласованный массовый поток воздуха. Для заданного дозирования топлива требуется возможно более точное определение соответствующего массового потока воздуха.
Известно определение в двигателях внутреннего сгорания без возврата отработавших газов массового потока воздуха посредством измерения абсолютного давления коллектора (МАР), соответствующего давлению во впускном газопроводе. При этом с помощью модели, которая отражает поглощающую способность двигателя в зависимости от скорости вращения (модели коэффициента подачи), вычисляется заполнение цилиндров. Из заполнения цилиндров вычисляется, в свою очередь, с учетом скорости вращения двигателя, массовый поток воздуха всего двигателя. Однако этот способ в двигателях внутреннего сгорания с возвратом отработавших газов, в частности, в газовых двигателях с возвратом отработавших газов, невозможен, поскольку этот возврат не учитывается в указанном выше вычислении.
Уже известно определение массового потока воздуха, которое применяется в двигателях внутреннего сгорания, в частности газовых двигателях, с возвратом отработавших газов (AGR). При этом массовый поток воздуха в подаче массового потока воздуха измеряется перед подмешиванием топлива и перед подмешиванием возвращаемых отработавших газов непосредственно с помощью специального измерителя массового потока воздуха. Для этого известен измеритель массового потока воздуха с горячей пленкой (HFM). Такой измеритель массового потока воздуха с горячей пленкой очень дорогой и может быть склонным к неисправностям. В частности, такой измеритель HFM оказался очень подверженным неисправностям в работающих на природном газе двигателях (EURO V) на основании его чувствительности к загрязнениям.
Задачей изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания, в частности газового двигателя, а также способа работы такого двигателя внутреннего сгорания с охладителем наддувочного воздуха, с помощью которых обеспечивается возможность альтернативного, дешевого и надежного определения массового потока воздуха.
Эта задача решена с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения являются предметом соответствующих зависимых пунктов формулы изобретения.
Согласно пункту 1 формулы изобретения, предлагается двигатель внутреннего сгорания, в частности газовый двигатель, который имеет расположенный в подводе массового потока воздуха по потоку перед устройством для подмешивания топлива охладитель наддувочного воздуха, а также измерительное устройство для определения массового потока воздуха. Согласно изобретению предусмотрено, что измерительное устройство имеет систему датчиков для измерения потери давления в охладителе наддувочного воздуха. Кроме того, измерительное устройство содержит вычислительный блок в качестве оценочного блока, с помощью которого в хранящейся в нем модели охладителя наддувочного воздуха, в которой охладитель наддувочного воздуха образует геометрически постоянный дроссель для проходящего массового потока воздуха, по меньшей мере из измеренного с помощью системы датчиков потери давления обеспечивается возможность вычисления, соответственно, вычисляется массовый поток воздуха.
Относящаяся к определенному конструктивному элементу модель, например, указанная выше модель охладителя наддувочного воздуха, соответственно, указанная ниже модель дроссельной заслонки, является в данном случае всегда хранящейся в вычислительном блоке, описывающей этот конструктивный элемент математической функцией и/или характеристическими кривыми соответственно, параметрическими поверхностями, с помощью которых вычисляется параметр процесса в зависимости от определенно заданных входных сигналов.
Относительно модели охладителя наддувочного воздуха это означает, что охладитель наддувочного воздуха в данном случае является пропускающим массовый поток воздуха геометрически постоянным дросселем, для которого обеспечивается возможность вычисления, по меньшей мере из измеренного с помощью системы датчиков потери давления в качестве входной величины, массового потока воздуха. Наряду с потерей давления можно, естественно, учитывать также еще другие параметры, соответственно, входные величины, такие как, например, параметры двигателя, параметры AGR или т.п. При этом геометрически постоянный дроссель является дросселем с геометрией, при которой потеря давления по существу линейно пропорциональна проходящему через дроссель массовому потоку.
Таким образом, в изобретении используется физический эффект потери давления дросселирования в газовом потоке. Такая потеря давления, как показали опыты заявителей, приблизительно линейно соотносится с массовым потоком, который проходит через дроссель. Конкретно, для определения массового потока воздуха требуется определять сначала с помощью измерений дроссельную характеристику охладителя наддувочного воздуха в качестве основы для вычисления.
Таким образом, за счет определения, согласно изобретению, массового потока воздуха предпочтительно отпадает необходимость в дорогом и склонном к неисправностям измерителе массового потока воздуха с помощью горячей пленки (HFM).
Система датчиков для измерения потери давления на охладителе наддувочного воздуха может быть образована с помощью соответствующего датчика давления по потоку перед и после охладителя наддувочного воздуха или, в качестве альтернативного решения, с помощью датчика разницы давления. Дополнительно к этому можно также применять по меньшей мере один температурный датчик для измерения температуры массового потока воздуха, при этом в этом случае температуру можно учитывать при вычислении для увеличения точности.
Обычно в двигателе внутреннего сгорания, в частности в газовом двигателе, потребность в мощности задается с помощью переставляемой дроссельной заслонки в подводе массового потока воздуха, которая тем самым служит в качестве изменяемого дросселя. Таким образом, в модели дроссельной заслонки, в которой дроссельная заслонка определена в качестве пропускающего массовый поток воздуха, геометрически изменяемого дросселя, можно определять массовый поток воздуха также на основании измеренного с помощью системы датчиков потери давления на дроссельной заслонке и измеренного с помощью системы датчиков положения дроссельной заслонки. В диапазоне слабой нагрузки и в нижнем диапазоне частичной нагрузки дроссельное действие за счет дроссельной заслонки для образования хорошо измеряемых различий давления и тем самым для точного определения массового потока воздуха достаточно высоко. Однако в близком к полной нагрузке диапазоне при максимально открытой дроссельной заслонке эти измеряемые различия давления настолько малы, что больше невозможно удовлетворительное для дозирования топлива достаточно точное определение массового потока воздуха ввиду плоской характеристической кривой в этом диапазоне.
Таким образом, модель дроссельной заслонки является моделью, в которой дроссельная заслонка принимается в качестве пропускающего массовый поток воздуха, геометрически изменяемого дросселя, для которого по меньшей мере из измеренной с помощью системы датчиков потери давления и измеренного с помощью системы датчиков положения дроссельной заслонки в качестве входных величин обеспечивается возможность вычисления массового потока воздуха.
Поэтому в одной особенно предпочтительной модификации предусмотрено, что в диапазоне слабых нагрузок массовый поток воздуха определяется с помощью модели дроссельной заслонки, а в диапазонах большой нагрузки - с помощью модели охладителя наддувочного воздуха. По меньшей мере в одном лежащем промежуточно диапазоне средних нагрузок обе возможности дают достаточно хорошие результаты и тем самым могут применяться альтернативно или, возможно, параллельно для непрерывной настройки, возможно, в соединении с лямбда-регулированием.
Измерение, согласно изобретению, массового потока воздуха является предпочтительным в двигателе внутреннего сгорания, в частности, в газовом двигателе, который имеет возврат отработавших газов (AGR) в подводе массового потока воздуха, предпочтительно в подводе массового потока воздуха по потоку после охладителя наддувочного воздуха. При этом особенно предпочтительно этот возврат отработавших газов является регулируемым и/или охлаждаемым возвратом отработавших газов, при этом в этом случае доля возвращаемых отработавших газов вычисляется с помощью вычислительного блока в качестве степени AGR, соответственно, фактического значения AGR. Для этого определяется общий массовый поток из свежего воздуха, горючего газа и возвращаемых отработавших газов посредством измерения давления во впускном газопроводе (абсолютного давления в коллекторе) с помощью датчика МАР в модели коэффициента наполнения цилиндров. От общего массового потока вычитается определяемый и тем самым известный массовый поток воздуха, а также массовый поток горючего газа. Массовый поток горючего газа можно определять через известную длительность вдувания инжекторов и/или с помощью известного соотношения воздуха сгорания из лямбда-измерения с помощью лямбда-зонда. Оставшаяся разница дает долю фактически возвращаемых отработавших газов в качестве степени AGR, соответственно, в качестве фактического значения AGR.
Эту вычисленную степень AGR, соответственно, фактическое значение AGR можно затем регулировать в контуре регулирования на заданные номинальные значения AGR. Такой регулятор AGR может быть интегрирован, так же как и указанный выше вычислительный блок, в устройство управления двигателем, при этом номинальные значения AGR могут храниться в виде параметрической поверхности.
Поскольку измерение массового потока воздуха с помощью датчика HFM оказалось очень склонным к неисправностям, в частности, в газовых двигателях, то можно применять альтернативное определение, согласно изобретению, массового потока воздуха без датчика HFM, особенно предпочтительно в газовых двигателях.
Обеспечиваемые с помощью способа, согласно изобретению, и с помощью предлагаемого транспортного средства преимущества идентичны указанным выше преимуществам двигателя внутреннего сгорания, так что во избежание повторов делается ссылка на приведенные выше выкладки.
Ниже приводится более подробное описание примера выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых лишь схематично и в качестве примера изображено:
фиг. 1 - блок-схема работающего на природном газе двигателя с регулируемым и охлаждаемым возвратом отработавших газов; и
фиг. 2 - и конкретное выполнение двигателя, согласно фиг. 1.
На фиг. 1 показана блок-схема двигателя внутреннего сгорания в виде работающего на природном газе двигателя 1 с регулируемым и охлаждаемым возвратом 2 отработавших газов.
Массовый поток воздуха (стрелка 3) направляется с помощью компрессора 4, который является частью турбокомпрессора 5 наддува, через охладитель 6 наддувочного воздуха. Оттуда охлажденный массовый поток 3 воздуха подается через управляемую дроссельную заслонку 7 в газовый смеситель 8, в который подается, кроме того, массовый поток газа (стрелка 9). Оттуда газовая смесь проходит к впускному газопроводу блока 10 двигателя с цилиндропоршневыми блоками 11, в которых происходит процесс сгорания. Оттуда массовый поток отработавших газов (стрелка 12) проходит через турбину 13 турбокомпрессора 5 наддува, при этом турбина 13 механически соединена с компрессором 4 и приводит его в действие.
По потоку после турбины 13 в месте 17 разветвления ответвляется массовый поток возврата отработавших газов (массовый поток AGR) 14 и через регулировочный AGR-клапан 15 и AGR-охладитель 16 в месте 18 разветвления подается в массовый поток газа по потоку после газового смесителя 8, а также по потоку перед блоком 10 двигателя.
Для измерения потери давления на охладителе 6 наддувочного воздуха в данном случае датчик 19 давления расположен в массовом потоке 3 воздуха по потоку перед охладителем 6 наддувочного воздуха (датчик p-vLLK) и, кроме того, по потоку после охладителя 6 наддувочного воздуха расположен датчик 20 давления (датчик p-nLLK). Измерительные сигналы датчиков 19, 20 давления подаются в соответствии с разницей давления в вычислительный блок 21, в котором из нее вычисляется величина фактически требуемого массового потока 3 воздуха.
По потоку перед блоком 10 двигателя и после места 18 разветвления расположен датчик 22 давления, предпочтительно в виде датчика МАР давления во впускном газопроводе, с помощью которого в модели коэффициента наполнения цилиндров можно определять общий массовый поток из свежего воздуха, горючего газа и возвращенных отработавших газов, например, в вычислительном блоке 21. Из этого общего массового потока можно вычитать определяемый массовый поток 3 воздуха, который вычисляется с помощью датчиков 19, 20 давления через падение давления на охладителе 6 наддувочного воздуха. Кроме того, можно определять массовый поток 9 газа через известную длительность вдувания инжекторов и/или через известное соотношение воздуха сгорания, и также вычитать из общего массового потока, так что остающаяся разница дает долю фактически возвращаемых отработавших газов в качестве массового потока AGR, соответствующего степени AGR, соответственно, фактическому значению AGR. Таким образом, это фактическое значение AGR вычисляется без его непосредственного измерения.
На фиг. 2 показан работающий на природном газе двигатель 1 из фиг. 1 с дальнейшими подробностями, при этом одинаковые с фиг. 1 конструктивные элементы обозначены одинаковыми позициями.
Показан также подвод массового потока воздуха (стрелка 3) через воздушный фильтр 23 в компрессор 4 турбокомпрессора 5 наддува и подача из него через охладитель 6 наддувочного воздуха и дроссельную заслонку 7 в газовый смеситель 8. Дополнительно к этому в газовый смеситель подается из резервуара 24 высокого давления для сжатого природного газа (резервуар CNG высокого давления для сжатого природного газа) через запорный клапан 25 высокого давления, регулятор 26 давления газа в соединении с предохранительным клапаном 27 и запорным клапаном 28 низкого давления массовый поток 9 газа. Газовый смеситель 8 соединен с впускным газопроводом 29 на блоке 10 двигателя, при этом от впускного газопровода 29 отходят соответствующие соединительные трубопроводы к показанным здесь лишь в качестве примера шести цилиндропоршневым блокам 30. Для дозированной подачи газового массового потока 9 в газовом смесителе 8 предусмотрены клапаны 31 вдувания.
Массовый поток отработавших газов (стрелка) 12 также и здесь направляется через турбину 13 турбокомпрессора 5 наддува и через расположенный за ним катализатор, например, трехпутевой катализатор 32, с глушителем. Также в этом случае от потока отработавших газов ответвляется массовый поток 14 возврата отработавших газов и возвращается через блок 33 возврата отработавших газов между дроссельной заслонкой 7 и газовым смесителем 8. Охлаждение массового потока 14 возврата отработавших газов происходит здесь опосредованно с помощью охлаждающего средства, которое расположено в радиаторе 34 водяного охлаждения, который здесь компактным образом расположен между охладителем 6 наддувочного воздуха и соответствующим вентилятором 35, и охлаждается до заданной, измеряемой с помощью датчика 36 температуры охлаждающего средства температуры. Вентилятор 35, согласованный с ним радиатор 34 водяного охлаждения, а также согласованный с ним охладитель 6 наддувочного воздуха могут быть при этом объединены в один конструктивный блок или же могут быть также образованы с помощью лишь согласованных друг с другом отдельных конструктивных элементов.
Кроме того, в массовом потоке 3 воздуха расположены датчик 19 p-vLLK и датчик 20 p-nLLK, при этом оба датчика 19, 20 предпочтительно дополнительно снабжены датчиком температуры.
Дополнительно к этому, на впускном газопроводе 29 установлен МАР-датчик 22 давления во впускном газопроводе. По потоку перед газовым смесителем 8 в газопроводе для газового массового потока 9 расположены CNG-датчик 37 давления и CNG-датчик 38 температуры.
По потоку перед катализатором 32 в массовом потоке 12 отработавших газов здесь дополнительно в качестве примера расположен широкополосный лямбда-зонд 39, а по потоку после катализатора 32 расположен лямбда-зонд 40 скачка избытка воздуха.
Также в конкретно показанном варианте выполнения работающего на природном газе двигателя 1, согласно фиг. 2, соответствующий фактически требуемый массовый поток 3 воздуха определяется посредством измерения потери давления с помощью датчиков 19, 20 давления на охладителе 6 наддувочного воздуха, возможно, в соединении с (не изображенной) моделью дроссельной заслонки. Получаемое при этом значение можно использовать, в частности, для регулирования возврата отработавших газов.
Перечень позиций
1 Работающий на природном газе двигатель
2 Возврат отработавших газов
3 Стрелка (массовый поток воздуха)
4 Компрессор
5 Турбокомпрессор наддува
6 Охладитель наддувочного воздуха
7 Дроссельная заслонка
8 Газовый смеситель
9 Стрелка (массовый поток газа)
10 Блок двигателя
11 Цилиндропоршневой блок
12 Стрелка (массовый поток отработавших газов)
13 Турбина
14 Массовый поток возврата отработавших газов
15 Регулировочный клапан возврата отработавших газов
16 Охладитель возврата отработавших газов
17 Место разветвления
18 Место разветвления
19 Датчик p-vLLK
20 Датчик p-nLLK
21 Вычислительный блок
22 Датчик МАР давления во впускном газопроводе
23 Воздушный фильтр
24 Резервуар высокого давления
25 Запорный клапан высокого давления
26 Регулятор давления газа
27 Предохранительный клапан
28 Запорный клапан низкого давления
29 Впускной газопровод
30 Цилиндропоршневой блок
31 Клапан вдувания
32 Трехпутевой катализатор
33 Блок возврата отработавших газов
34 Радиатор водяного охлаждения
35 Вентилятор
36 Датчик температуры охлаждающего средства
37 CNG-датчик давления
38 CNG-датчик температуры
39 Широкополосный лямбда-зонд
40 Лямбда-зонд скачка избытка воздуха