тепловой двигатель внутреннего сгорания, система регулирования, способ определения размерности для двигателя и автотранспортное средство с двигателем

Формула изобретения

1. Тепловой двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, одну камеру сгорания для впускных газов, содержащих смесь, состоящую из горючего, такого как бензин, и окислителя, такого как воздух, соединенную с контуром (А) впуска указанных впускных газов в камеру и с контуром (В) выпуска выхлопных газов из камеры, контур рециркуляции выхлопных газов (С, D), соединяющий выхлопной контур с впускным контуром, и систему регулирования рециркуляции выхлопных газов, отличающийся тем, что система регулирования выполнена с возможностью производить рециркуляцию выхлопных газов, по меньшей мере, для одной рабочей точки, определяемой режимом двигателя и крутящим моментом, создаваемым двигателем, при которой выдаваемый крутящий момент превышает 50% максимального крутящего момента двигателя, при этом, поскольку работа двигателя связана с такими параметрами, как степень сжатия в камере сгорания и коэффициент рециркуляции выхлопных газов, система регулирования выполнена так, что коэффициент рециркуляции в указанной рабочей точке, выраженный в массовых долях, равен троекратной степени сжатия двигателя, уменьшенной на 13, с допуском 2.

2. Тепловой двигатель по п.1, в котором система регулирования выполнена так, чтобы рециркуляция выхлопных газов происходила на режимах, в 3 раза превышающих режим холостого хода двигателя, при этом каждому режиму соответствует максимальный крутящий момент, который может выдавать двигатель.

3. Тепловой двигатель по п.1 или 2, в котором смесь топлива и окислителя для указанной рабочей точки находится по существу в стехиометрическом соотношении, и предпочтительно ее воспламенение происходит в момент, по существу соответствующий оптимальным условиям опережения зажигания.

4. Тепловой двигатель по п.1 или 2, являющийся двигателем с наддувом за счет сжатия впускных газов.

5. Тепловой двигатель по п.3, являющийся двигателем с наддувом за счет сжатия впускных газов.

6. Тепловой двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, одну камеру сгорания для впускных газов, содержащих смесь, состоящую из горючего, такого как бензин, и окислителя, такого как воздух, соединенную с контуром (А) впуска указанных впускных газов в камеру и с контуром (В) выпуска выхлопных газов из камеры, контур рециркуляции выхлопных газов (С, D), соединяющий выхлопной контур с впускным контуром, и систему регулирования рециркуляции выхлопных газов, отличающийся тем, что система регулирования выполнена с возможностью производить рециркуляцию выхлопных газов для рабочей точки, при которой получаемый крутящий момент меньше 50% максимального крутящего момента двигателя, коэффициент рециркуляции равен троекратной степени сжатия двигателя, уменьшенной на 13, с допуском 5.

7. Система регулирования рециркуляции выхлопных газов двигателя по одному из пп.1-6, содержащая, по меньшей мере, один вентиль (8, 18) регулирования рециркуляции выхлопных газов и модуль (20) регулирования, управляющий указанным вентилем.

8. Способ определения размерности контура рециркуляции (С, D) выхлопных газов двигателя по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что коэффициент рециркуляции, учитываемый при определении размерности контура EGR и выраженный в массовых долях, равен троекратной степени сжатия двигателя, уменьшенной на 13, с допуском 2.

9. Способ определения закона регулирования рециркуляции выхлопных газов двигателя по одному из пп.1-5, в котором определяют рециркуляцию выхлопных газов для рабочих точек, при которых получаемый крутящий момент превышает 50% максимального крутящего момента двигателя.

10. Транспортное средство, оборудованное двигателем по одному из пп.1-6.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к тепловым двигателям внутреннего сгорания и, в частности, к бензиновым двигателям, предпочтительно с наддувом.

Двигатель внутреннего сгорания для автотранспортного средства содержит камеру сгорания, как правило, образованную одним или несколькими цилиндрами, в которых сгорание воздушно-топливной смеси обеспечивает работу двигателя. Смесь на входе может быть сжатой или нет в зависимости от того, снабжен ли двигатель или не снабжен компрессором наддува.

В цилиндрах подвижно установлены поршни, которые вращают коленчатый вал, соединенный во вращении с ведущим валом. Как известно специалистам, режим работы двигателя определяют как число оборотов вала двигателя в данный момент; кроме того, крутящий момент, создаваемый двигателем, определяют как момент, измеренный на валу двигателя.

В случае двигателя с наддувом, который содержит средства сжатия, такие как компрессор или турбокомпрессор, смесь всасывается двигателем, сжимается компрессором, поступает в цилиндры, где она сгорает, затем удаляется через выхлопной контур. В случае, когда средство сжатия содержат турбокомпрессор, выхлопные газы вращают турбину, которая механически соединена с компрессором для приведения его во вращение.

Кроме того, известно, что большинство тепловых двигателей внутреннего сгорания и, в частности, дизельные двигатели и бензиновые инжекторные двигатели выделяют оксиды азота, обычно обозначаемые NO_x, которые являются исключительно вредными для окружающей среды. Известное средство ограничения выбросов оксидов азота состоит в рециркуляции части выхлопных газов для нагнетания на вход в двигатель. При этом говорят о рециркуляции выхлопных газов, часто обозначаемой английским сокращением EGR от "Exhaust Gas Recirculation". Уменьшение выбросов NO_x за счет рециркуляции выхлопных газов происходит в результате снижения температуры в камере сгорания, так как теплоемкость выхлопных газов (в основном содержащих СO₂ и водяной пар) примерно на 20% выше, чем у свежих газов (выражением «свежие газы» называют газовую смесь, всасываемую в двигатель до повторного нагнетания рециркулируемых выхлопных газов; таким образом, свежие газы, как правило, содержат воздух и бензиновые пары; свежие газы в смеси с рециркулированными выхлопными газами образуют впускные газы). Как правило, выхлопные газы охлаждаются в теплообменнике до повторного впуска в камеру сгорания.

Эту технологию EGR в основном применяют на низких оборотах (как правило, менее 2000-3000 об/мин, то есть примерно в три раза выше режима холостого хода) и при малой нагрузке (которую можно характеризовать как крутящий момент, меньший половины момента, который может выдавать двигатель), чтобы избежать выбросов NO _x во время эксплуатации транспортного средства в городских условиях. Кроме того, на этих точках работы на малых оборотах при малой нагрузке ее дополнительным преимуществом является снижение расхода топлива: за счет повторного нагнетания газов давление впускных газов близко к атмосферному давлению, тогда как оно было бы ниже (0,7 или 0,8 атмосферы) при такой же массе всасываемых свежих газов, если бы двигатель всасывал только свежие газы; отсюда следует, что двигатель затрачивает меньшую работу для обеспечения всасывания газов и, следовательно, расходует меньше топлива.

Рециркуляция выхлопных газов может быть так называемой рециркуляцией «низкого давления», когда ее производят на выхлопных газах, отбираемых за турбиной и подаваемых на компрессор, и «высокого давления», когда ее производят для газов, отбираемых перед турбиной, и вводят за компрессором.

Рециркуляцию как низкого, так и высокого давления регулируют при помощи специально предназначенных для этой цели средств, например таких, как трехходовой вентиль, и управление этим вентилем осуществляют при помощи блока регулирования двигателя.

Конструкторы автомобилей постоянно ведут поиск решений для снижения расхода топлива двигателя и для соблюдения все более строгих норм, относящихся к выбросам загрязняющих веществ, таких как NO_x. Одним из возможных путей является усовершенствование бензиновых двигателей с наддувом, чтобы они могли конкурировать с дизельными двигателями в плане расхода топлива. Действительно, сжатие газов, связанное с наддувом, выражается уменьшением объема двигателя и, соответственно, снижением потерь на трение.

Одной из проблем, с которыми сталкиваются в случае бензиновых двигателей с наддувом, является их чувствительность к явлению детонации, которое мешает оптимально использовать их характеристики, оптимизированные за счет воздушно-топливной смеси, используемой в стехиометрических условиях (обычно 14 г воздуха на 1 г топлива). Детонации представляют собой явление ненормального сгорания в двигателях с управляемым зажиганием, которое воспринимается на слух снаружи как металлический стук внутри двигателя и которое может быть разрушительным для поршней двигателя. В результате в камере сгорания появляются ударные волны, которые инициируются самовоспламенением еще не сгоревших газов. Повышение степени сжатия (то есть отношение объема камеры сгорания, когда поршень находится в нижней мертвой точке, к ее объему, когда поршень находится в верхней мертвой точке) приводит к усугублению явления детонации. В то время как в случае двигателя с атмосферным давлением, то есть без наддува, обычно достигают степени сжатия порядка 11, в настоящее время двигатели с наддувом на практике ограничены степенью сжатия порядка 9.

Чтобы устранить явление детонации и обеспечить повышение степени сжатия, были предложены различные решения. Например, было предложено уменьшить опережение зажигания, то есть задержать момент воспламенения топлива после прихода поршня в его верхнюю мертвую точку, иначе говоря, после того как будет достигнуто максимальное давление газов. Было также предложено повысить обогащение топлива путем впрыска большего количества топлива, чем это понадобилось бы в стехиометрических условиях, при этом избыточное топливо поглощает энергию, которая могла бы привести к детонации (обогащенное состояние топлива понимают как соотношение между количеством впрыскиваемого топлива и количеством топлива, соответствующего стехиометрической смеси (при стехиометрии обогащенное состояние равно 1)).

Эти решения характеризуются неоптимальным использованием топлива и, следовательно, чрезмерным расходом.

Задача изобретения состоит в устранении этих недостатков за счет усовершенствования работы бензиновых двигателей и, в частности, двигателей с наддувом с высокой степенью сжатия. Изобретение призвано обеспечить работу вышеуказанных двигателей на любом режиме без детонации и с использованием смеси в стехиометрических условиях, которая воспламеняется с оптимальным опережением относительно точки прихода поршня в его верхнюю мертвую точку.

Поставленная задача решена в тепловом двигателе внутреннего сгорания, содержащем по меньшей мере одну камеру сгорания для впускных газов, содержащих смесь, состоящую из горючего, такого как бензин, и окислителя, такого как воздух, соединенную с контуром впуска указанных впускных газов в камеру и с контуром выпуска выхлопных газов из камеры, контур рециркуляции выхлопных газов (EGR), соединяющий выхлопной контур с впускным контуром, и систему регулирования рециркуляции выхлопных газов, согласно изобретению система регулирования выполнена с возможностью производить рециркуляцию выхлопных газов, по меньшей мере, для одной рабочей точки, определяемой режимом двигателя и крутящим моментом, создаваемым двигателем, при которой выдаваемый крутящий момент превышает 50% максимального крутящего момента двигателя.

Рециркуляция выхлопных газов при высоких нагрузках (то есть при большом крутящем моменте) позволяет избежать детонации. В этом случае двигатель можно использовать наилучшим образом и он может работать в оптимальных условиях с точки зрения расхода.

Для любого двигателя определяют рабочую диаграмму, связывающую крутящий момент, создаваемый двигателем, с режимом его вращения; каждому режиму соответствует максимальный крутящий момент, который может выдавать двигатель. Кривая, соединяющая максимальные крутящие моменты на различных режимах, содержит максимум, который называют максимальным крутящим моментом двигателя; этот максимальный крутящий момент выдается на специальном режиме, называемом режимом максимального крутящего момента.

В предпочтительном варианте осуществления система регулирования выполнена так, чтобы рециркуляция выхлопных газов происходила на режимах, в 3 раза превышающих режим холостого хода двигателя. Ниже этого режима явлением детонации можно пренебречь. Классически режим холостого хода определяют как низкий режим двигателя (около 1000 об/мин в зависимости от двигателя), предназначенный для поддержания работы двигателя без необходимости использования акселератора.

Предпочтительно смесь топлива и окислителя для указанной рабочей точки находится по существу в стехиометрическом соотношении и предпочтительно ее воспламенение происходит в момент, по существу соответствующий оптимальным условиям опережения зажигания. Таким образом, добиваются максимально возможной эффективности двигателя с точки зрения крутящего момента на любом режиме, причем с минимальным расходом. Как известно специалистам, опережение зажигания определяют как угол, который образует коленчатый вал в момент воспламенения смеси (например, при активации свечи в цилиндре) с положением, которое он будет занимать в верхней мертвой точке, то есть в момент, когда объем цилиндра для смеси будет минимальным. Эти оптимальные условия опережения зажигания соответствуют регулированию опережения зажигания, позволяющему в зависимости от режимов получать максимальный крутящий момент в рассматриваемом режиме.

Согласно частному варианту осуществления тепловой двигатель является двигателем с наддувом сжатыми впускными газами. Повторное нагнетание выхлопных газов является тем более предпочтительным для двигателей с наддувом, так как они являются особенно чувствительными к явлению детонации.

Предпочтительно, поскольку работа двигателя связана с такими параметрами, как степень сжатия в камере сгорания и коэффициент рециркуляции выхлопных газов, систему регулирования выполняют таким образом, чтобы коэффициент рециркуляции в указанной рабочей точке, выраженный в массовых долях, был равен троекратной степени сжатия двигателя, уменьшенной на 13, с допуском 2. Коэффициент EGR определяют как соотношение между массой нагнетаемых выхлопных газов, заходящей во впускной коллектор за единицу времени, и общей массой газов, поступающей в камеру сгорания за единицу времени. Заявитель выявил связь между оптимальным коэффициентом EGR при больших нагрузках и степенью сжатия. Заявитель установил, что коэффициент EGR обеспечивает оптимальную работу двигателя с точки зрения расхода топлива без детонации в его области работы при больших нагрузках (получаемый крутящий момент превышает 50% максимального крутящего момента).

Предпочтительно систему регулирования выполняют таким образом, чтобы для рабочей точки, при которой получаемый крутящий момент меньше 50% максимального крутящего момента двигателя, коэффициент EGR был равен троекратной степени сжатия двигателя, уменьшенной на 13, с допуском 5. Таким образом, при небольших нагрузках коэффициент EGR можно выбирать в более широком интервале значений, не опасаясь детонации, и оптимизировать его для снижения расхода топлива.

Поставленная задача решена также в системе регулирования рециркуляции выхлопных газов для вышеуказанного двигателя, содержащая, по меньшей мере, один вентиль регулирования рециркуляции выхлопных газов и модуль регулирования, управляющий этим вентилем.

Поставленная задача решена также в способе определения размерности контура рециркуляции выхлопных газов описанного выше двигателя, в котором, согласно изобретению, коэффициент рециркуляции, учитываемый при определении размерности контура EGR и выраженный в массовых долях, равен троекратной степени сжатия двигателя, уменьшенной на 13, с допуском 2.

Поставленная задача решена также в способе определения закона регулирования рециркуляции выхлопных газов описанного выше двигателя, в котором определяют рециркуляцию выхлопных газов для рабочих точек, при которых получаемый крутящий момент превышает 50% максимального крутящего момента двигателя. Благодаря этому способу регулирование двигателя определяют таким образом, чтобы не сталкиваться с проблемой детонации и обеспечивать оптимальную работу двигателя с точки зрения расхода топлива.

Поставленная задача решена также в транспортном средстве, приводимом в движение двигателем внутреннего сгорания, отвечающим отличительным признакам описанного выше двигателя.

Предложенное изобретение, его другие задачи, детали, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания варианта осуществления изобретения, представленного исключительно в качестве неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 схематично показан двигатель с наддувом с двумя устройствами рециркуляции выхлопных газов, высокого давления и низкого давления;

на фиг.2 представлен график, показывающий положение рабочей точки двигателя внутреннего сгорания на диаграмме режим/крутящий момент;

на фиг.3 представлен график, показывающий изменение крутящего момента двигателя внутреннего сгорания на данном режиме в зависимости от опережения зажигания.

На фиг.1 показан двигатель 13 с наддувом, содержащий четыре цилиндра, каждый из которых образует камеру сгорания и в которые поступают впускные газы через впускной контур А, соединенный с двигателем через впускной патрубок 11, и которые соединены с выхлопным контуром В выпуска отработавших газов, содержащим, в частности, коллектор 16 выхлопных газов. Свежие газы направляются к двигателю через впускной трубопровод 2, сжимаются компрессором 3а турбокомпрессора 3 и проходят во впускной патрубок 11; компрессор 3а механически связан с турбиной 3b. На выходе выхлопного коллектора 16 выхлопные газы поступают через выхлопной трубопровод 15 на турбину 3b турбокомпрессора 3, где они расширяются и отдают мощность, необходимую для вращения компрессора 3а. Затем их можно либо удалить в глушитель транспортного средства через трубопровод 6, либо рециркулировать.

Имеются два независимых устройства рециркуляции выхлопных газов (EGR): устройство EGR высокого давления С и устройство EGR низкого давления D. Изобретение можно применять для одного или другого из этих устройств С, D, используемых индивидуально, или для обоих устройств, используемых совместно.

Устройство высокого давления С содержит первый отводной трубопровод 17, отбирающий выхлопные газы из коллекторе 16 выхлопных газов. В этом трубопроводе 17 установлен первый вентиль 18 регулирования, соединенный с первым теплообменником 19. Проходя через первый трубопровод 17, вентиль 18 регулирования и первый теплообменник 19, выхлопные газы нагнетаются через трубопровод 17 повторного нагнетания во впускной патрубок 11.

Устройство низкого давления D содержит второй отводной трубопровод 7, отбирающий выхлопные газы на выходе турбины 3b турбокомпрессора 3. В этом трубопроводе установлен второй вентиль 8 регулирования, соединенный со вторым теплообменником 9. Проходя через второй трубопровод 7, вентиль 8 регулирования и второй теплообменник 9, выхлопные газы нагнетаются через трубопровод 7 повторного нагнетания во впускной трубопровод 2 на входе в компрессор 3а турбокомпрессора 3.

Вентили 8, 18 регулирования выполнены с возможностью регулирования коэффициента EGR. Для этого они соединены с системой 20 регулирования коэффициента EGR, управляющей вентилями 8, 18 регулирования для отбора большего или меньшего количества выхлопных газов из выхлопного контура В. В частности, система 20 регулирования, как известно, может содержать микроконтроллер.

Имеется также устройство регулирования температуры впускных газов (то есть добавления свежих газов и повторно нагнетаемых выхлопных газов), содержащее третий вентиль 10 регулирования, который направляет впускные газы в третий теплообменник 14, обеспечивающий их охлаждение, или в байпасный трубопровод 14 теплообменника 14, направляющий газы напрямую во впускной патрубок 11; газы могут проходить полностью или частично тем или иным путем.

На фиг.2 показана хорошо известная специалистам рабочая диаграмма крутящего момента (в Нм) в зависимости от режима вращения N (в оборотах в минуту (об/мин)) для двигателя с наддувом. «Рабочей точкой двигателя» называют для данного момента времени точку этой диаграммы, определяемую режимом N двигателя и крутящим моментом С, который он производит. В любой момент времени рабочая точка двигателя находится в положении, которое указывает на нагрузку двигателя, которую определяют как соотношение между крутящим моментом, производимым двигателем при вращении на данном режиме, и максимальным крутящим моментом, который он может выдавать на этом режиме.

Кривая E₁ определяет максимальный крутящий момент в зависимости от режима, который можно получить при помощи известных решений, избегая появления детонации как за счет уменьшения опережения зажигания, так и за счет обогащения смеси за пределами стехиометрических условий, как было указано выше. Кривая Е₂ определяет максимальный крутящий момент, который может выдавать двигатель при номинальных условиях, если бы явлений детонация не существовало и если бы не нужно было предупреждать его появление. Таким образом, заштрихованная зона между этими двумя кривыми E1, E2 соответствует рабочей зоне, не допустимой в известных технических решениях по причине детонации. Зона, ограниченная кривой Е2, соответствует рабочим точкам (в основном ниже 3-кратного режима холостого хода при частичной нагрузке ниже 50%), для которых в известных решениях применили рециркуляцию выхлопных газов. Следует отметить, что «максимальным крутящим моментом двигателя» C_max называют верхнюю точку кривой E2, то есть самый большой момент, который может производить двигатель с учетом всех своих режимов.

На фиг.3 показан крутящий момент, выдаваемый двигателем на данном режиме в зависимости от применяемого опережения зажигания, при этом в двигатель подают смесь топлива и окислителя, находящуюся в стехиометрическом соотношении. Без повторного нагнетания выхлопных газов опережение зажигания можно увеличить до значения A ₁, начиная от которого появляются детонации. Выдаваемый крутящий момент увеличивается с увеличением опережения зажигания до значения C₁, которое получают при опережении A ₁ и которое меньше максимального крутящего момента С ₀, который двигатель мог бы выдавать, если бы явления детонации не существовало. Это значение можно было бы получить при опережении A₀, превышающем A₁.

Согласно изобретению рециркуляцию выхлопных газов применяют для рабочих точек двигателя, соответствующих крутящему моменту, превышающему 50% максимального крутящего момента двигателя, то есть превышающему 0,5 C_max, иначе говоря, при нагрузке двигателя, превышающей 0,5.

Такая рециркуляция выхлопных газов позволяет получить на любом режиме работу без детонации для максимально возможного крутящего момента С₀ на этом режиме с опережением зажигания, равным А₀, без обогащения смеси, то есть когда смесь бензина и воздуха находится в стехиометрическом соотношении.

Иначе говоря, после изучения различных случаев работы бензиновых двигателей с наддувом было установлено, что можно устранить детонации при большой нагрузке без ухудшения работы двигателя с точки зрения опережения зажигания и обогащения смеси. Этот результат получают за счет повторного нагнетания выхлопных газов во всей области работы двигателя, то есть даже при нагрузках, соответствующих крутящему моменту, превышающему 50% максимального крутящего момента, который может выдавать двигатель.

Согласно варианту осуществления с этим режимом работы связывают увеличение охлаждения газов EGR, чтобы компенсировать тепло, привносимое на высоком режиме этими выхлопными газами.

Кроме того, можно установить простое отношение между коэффициентом EGR, который следует применять на любом режиме (этот коэффициент в процентном выражении соответствует массе повторно нагнетаемых выхлопных газов за единицу времени относительно общей массы впускных газов), и степенью сжатия двигателя.

Таким образом, оптимальный коэффициент EGR (T_EGR) связан со степенью сжатия двигателя (T_C) следующим отношением:

T_EGR=3T_C-13

Например, при степени сжатия 9 максимальный крутящий момент можно получить на любом режиме без уменьшения опережения зажигания и без обогащения смеси с коэффициентом EGR, составляющим от 14 до 15%. Для двигателя со степенью сжатия 11 оптимальный коэффициент EGR равен 20%.

Кроме всего прочего, это отношение позволяет конструкторам двигателей заранее определять размерность контура повторного нагнетания выхлопных газов на основании выбранной степени сжатия, не прибегая к длительным доводочным стендовым испытаниям. Эта размерность касается размеров отводных трубопроводов 7, 17 выхлопных газов и трубопроводов 7 , 17 повторной подачи выхлопных газов на впуск и определения правила управления системой регулирования 20 соответствующего вентиля 8 или 18.

Разумеется, эти значения можно определить приближенно, не прибегая к работе двигателя далеко за пределами оптимальной работы, то есть без существенного проявления детонаций. На практике принимают во внимание, что результат вышеупомянутого отношения действителен при приближении, равном с большим или меньшим допуском значению 2. Так, например, в случае двигателя со степенью сжатия, равной 8, оптимальный коэффициент EGR для повторного нагнетания должен находиться в пределах от 9 до 13%, при этом оптимальным значением остается 11.

Для рабочих точек двигателя, соответствующих крутящему моменту, меньшему 50% максимального крутящего момента C_max, который может выдать двигатель, рециркуляцию выхлопных газов можно предусмотреть со снижением, так как потребности меняются; действительно явление детонации отсутствует, и рециркуляция выхлопных газов в основном предназначена для снижения расхода бензина. Таким образом, отношение между коэффициентом EGR T_EGR и степенью сжатия Т _C для этих рабочих точек можно записать:

T_EGR=3T_C-13 с допуском 5.

Изобретение было описано для двигателей с наддувом, так как оно обеспечивает эффективное решение проблемы детонации, к которым они особенно чувствительны. Вместе с тем, его можно в равной степени применять для двигателей без наддува с достижением аналогичных преимуществ.

Разумеется, предложенное изобретение ни в коем случае не ограничивается описанными вариантами осуществления и охватывает все технические эквиваленты описанных средств, а также их комбинации, если они не выходят за рамки изобретения.