CN102257261B - 内燃热机、控制系统、用于设计该发动机尺寸的方法以及具有所述发动机的汽车 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及内燃热机，包括：用于吸入气体的至少一个燃烧室，所述吸入物包括具有燃料和氧化剂的混合物，其中所述燃料例如汽油，所述氧化剂例如空气，所述燃烧室被连接到用于允许所述吸入气体进入燃烧室内的进气回路(A)，并被连接到用于将燃烧后的气体从燃烧室中排出的排气回路(B)；废气再循环回路(C、D)，将排气回路连接到进气回路；和用于废气再循环的控制系统。控制系统被设计以使在至少一个工作点处进行废气再循环，所述工作点由发动机转速和发动机供应的扭矩限定，对于所述工作点，输出的扭矩大于发动机最大扭矩的50％。本发明可被用于使发动机通过最佳理论配比的混合物和点火提前运行而不发生爆震。
Description
技术领域
本发明的领域在于内燃机领域，并更特别地在于汽油发动机，优选地为增压式汽油发动机。
背景技术
用于机动车的内燃机包括燃烧室，该燃烧室大体由一个或多个汽缸形成，燃料和空气的混合物在该汽缸中燃烧以产生发动机功。吸入混合物可以或可以不被压缩，这取决于发动机是否包括增压压缩机。
活塞被安装以使其可在汽缸中移动，这些活塞驱动随轴一体旋转的曲轴。如本领域的技术人员所熟知，发动机的转速被定义为发动机轴在给定时刻的回转数；此外，由发动机供应的扭矩被定义为发动机轴上测量的扭矩的力矩。
在包括压缩装置(例如压缩机或涡轮压缩机)的增压发动机的情况中，混合物被吸入发动机，通过压缩机压缩，被吸入汽缸并在其中燃烧，并随后通过排气回路排出。当压缩装置包括涡轮压缩机时，废气驱动机械地固定到压缩机的涡轮，以便驱动压缩机。
还已知多数内燃机(特别是柴油发动机和汽油直喷发动机)产生对环境有特别有害的影响的氮氧化物(通常表示为NOx)。用于限制氮氧化物的产生的一个已知方法是再循环一些废气并将其注入发动机的进气侧。这已知为废气再循环，通常已知为其英文首字母缩写EGR。通过再循环废气实现的NOx减少是由于燃烧室中的温度的下降，因为废气(主要包括CO2和水蒸气)的热容量比新鲜气体(“新鲜气体”的表述表示在再循环废气的再注入之前被吸入发动机的气体混合物；新鲜气体因此通常包括空气和汽油蒸汽；与再循环废气混合的新鲜气体构成吸入气体)的热容量高大约20％。废气通常在其被再注入燃烧室前在热交换器中冷却。
该EGR技术主要在低转速(典型地在2至3000rpm以下，即大约为低空转转速的三倍)和低负载(其特征可在于比发动机可输出的最大扭矩小一半的扭矩)时实现，以便当车辆在市区道路上使用时避免NOx的排放。这还有额外的优点在于，这在这些低转速和低负载的工作点处提供了燃料消耗的减少。由于再注入的气体，吸入气体的压力为大约一个大气压，而如果发动机仅吸入新鲜气体，对于吸入的相同质量的新鲜气体，该吸入气体的压力低于一个大气压(为0.7或0.8个大气压)；这因此使发动机供应更少的功来吸入气体并从而消耗更少的燃料。
当在涡轮之后排出并在压缩机之前再注入的废气上执行废气再循环时，可被称为“低压”再循环，或当在涡轮之前排出并在压缩机之后再注入的废气上执行废气再循环时，可被称为“高压”再循环。
无论是低压或高压再循环，再循环由专门的装置控制，例如三通阀，并通过发动机控制单元控制该阀。
机动车制造者不断地寻求减少其发动机的燃料消耗，并寻求满足日益严格的污染物排放标准，例如NOx的排放。一个被探究的途径是改进增压式汽油发动机，以使这些发动机可在燃料消耗方面比柴油发动机有竞争力。结合增压的气体压缩确实导致了发动机体积的减小和相应的磨损减少。
增压式汽油发动机面对的一个问题是其对爆震(pinging)现象的易感性，这妨碍其实现其通过在理论配比条件下(典型地，1g燃料配14g空气)使用的空气/燃料混合物优化的最佳性能。爆震是控制点火发动机的非正常燃烧现象，该现象在外部通过发动机发出的金属噪音而被察觉，并可对发动机的活塞有破坏作用。这是由于燃烧室内的冲击波，该冲击波由尚未燃烧的气体的自燃产生。事实上，加大压缩比(即当活塞在下止点处时燃烧室的容量与当活塞在上止点处时燃烧室的容量之比)加重了爆震现象。但是对于自然吸入式发动机，即非增压的发动机，压缩比通常可达到大约11，而当前的增压发动机实际上限制在大约为9的比率。
已经设想了用于抵御爆震的产生并允许加大压缩比的多种方案。例如，已经提出了使点火提前(ignition advance)时刻后退，即该方法是要将活塞通过上止点之后(换言之，在气体已达到其最大压力之后)点燃空气-燃料混合物的时刻延迟。还已提出了通过注入比理论配比条件所需更多的燃料来增加混合物的富裕度，过剩的燃料吸收可能导致爆震的能量(富裕度(richness)表示注入的燃料量与对应于理论配比混合物的燃料量之比(因而对于理论配比，富裕度等于1))。
这些方案导致注入燃料的非优化使用，并从而导致过度燃料消耗。
发明内容
本发明的目的在于通过提出用于汽油发动机、特别是用于具有高压缩比的增压发动机的改进运行来克服这些缺点。本发明的目的在于使用相对于活塞通过上止点的位置的最佳提前角点燃理论配比条件下的混合物的情况下，允许这些发动机在任何转速运行而没有爆震。
为了这个目的，本发明的主题在于一种内燃机，包括：用于吸入气体的至少一个燃烧室，该吸入气体包括具有燃料(例如汽油)和氧化剂(例如空气)的混合物，该燃烧室被连接到用于允许所述吸入气体进入燃烧室内的进气回路，并被连接到用于将燃烧后的气体从燃烧室内排出的排气回路；废气再循环(EGR)回路，将排气回路连接到进气回路；和用于控制废气再循环的系统，其特征在于，控制系统被设计以使得针对至少一个工作点执行废气再循环，该工作点由发动机转速和发动机供应的扭矩限定，输出的扭矩在该工作点处大于发动机最大扭矩的50％。
在高负载时(即高扭矩时)再循环废气可避免爆震现象。接着可获得发动机的最佳输出并使发动机在燃料消耗方面的最佳条件下运行。
对于任何发动机，运行特性曲线图是被定义的，其将发动机供应的扭矩关联到发动机转动时的转速；每个转速关联于发动机可输出的最大扭矩。将最大扭矩关联到多个转速的曲线具有最大值，已知为发动机最大扭矩；该最大扭矩在特别的转速处输出，已知为最大扭矩转速。
在优选的实施例中，控制系统被设计以使废气再循环在转速高于发动机的低空转转速的三倍时进行。爆震现象在该转速以下是可忽略的。低空转转速以惯常方式被定义为不需运行加速器而保持发动机运行的发动机低转速(取决于发动机，其大约为1000rpm)。
优选地，对于所述工作点，燃料和氧化剂的混合物大致以理论配比比例计算，并优选地在大致对应于最佳点火提前条件的时刻点燃。因此，在扭矩方面，发动机的最佳可能性能在任何转速时获得，并且对于最小燃料消耗也是如此。如本领域的技术人员所熟知，点火提前被定义为在混合物的点燃(例如通过操作汽缸中的火花塞)时曲轴相对于其将在上止点(即在当可用于混合物的汽缸容量处于其最小值时的时刻)处的位置的角度。最佳点火提前条件对应于点火提前角的设定值，取决于转速，该点火提前设定值可在所涉及的转速处获得最大扭矩。
根据一个特别的实施例，内燃机是增压发动机，通过压缩吸入气体工作。再注入废气对于增压发动机更加有益，因为其对爆震现象特别敏感。
优选地，在发动机运行通过燃烧室压缩比和废气再循环比参数化之后，控制系统被设计以使在所述工作点处的再循环比(表示为质量百分比)等于发动机压缩比的三倍减去13，容差为2。EGR比被定义为每单位时间进入进气回路的再注入废气的质量与每单位时间进入燃烧室的气体的总质量之比。本发明的申请人公司不厌其烦地研究高负载时的最佳EGR比与压缩比之间是否有关系；发现确实存在这样的关系，并发现在高负载时的运行范围内(供应大于最大扭矩的50％的扭矩)该EGR比在燃料消耗方面保证了发动机的最佳运行，而没有爆震。
优选地，对于输出的扭矩小于发动机最大扭矩的50％的工作点，控制系统被设计以使EGR比等于发动机压缩比的三倍减去13，容差为5。在低负载时，EGR比可因此从更宽范围的值中选择，而没有爆震的风险，并可被优化以便减少燃料消耗。
本发明还涉及一种控制系统，用于控制用于上述限定的发动机的废气再循环，包括至少一个废气再循环控制阀和控制所述阀的控制模块。
本发明还涉及设计上述限定的发动机的废气再循环回路的尺寸的方法，其特征在于，当设计EGR回路的尺寸时，考虑到的再循环比(表示为质量百分比)等于发动机压缩比的三倍减去13，容差为2。
本发明进一步涉及一种用于定义控制规则的方法，用于控制上述限定的发动机的废气再循环，其中废气再循环被限定用于输出的扭矩大于发动机最大扭矩的50％的工作点。由于该方法，发动机控制可被限定为确保将不会发生爆震并且在燃料消耗方面将会实现发动机的最佳运行。
本发明的另一主题在于由具有上述限定的发动机的特征的内燃机驱动的车辆。
附图说明
参考示意性附图，通过以示例的和非限定的例子给出的本发明的一个实施例的详细说明，将更好地理解本发明，本发明的其他目的、细节、特征和优势将变得清晰明显。
在这些附图中：
图1是具有两个废气再循环设备的增压发动机的示意图，一个是高压的和一个是低压的；
图2是在转速-扭矩图中示出了内燃机工作点的位置的曲线图；
图3是在给定的发动机转速时，作为内燃机的点火提前角的函数的内燃机扭矩的变化图。
具体实施方式
参考图1，示出了包括四个汽缸-全部形成燃烧室-的增压发动机13，通过进气回路A供应吸入气体，该进气回路通过进气管道11附连到发动机，且该发动机连接到特别地包括废气歧管16的排气回路B，用于排放燃烧后的气体。新鲜气体通过进气管2被传送到发动机，接着被涡轮压缩机3的压缩机3a压缩，并传送到进气管道11；压缩机3a被机械地连接到涡轮3b。离开废气歧管16的废气经由排气管15朝着涡轮压缩机3的涡轮3b驱动，该废气在该涡轮中膨胀以供应驱动压缩机3a所必需的动力。接着，废气可经由管6通过车辆的排气管道排放或再循环。
设置了两个独立的废气再循环(EGR)设备：高压EGR设备C和低压EGR设备D。本发明应用于单独使用这些设备C、D中的任一个，或应用于共同地使用两个设备。
高压设备C包括从废气歧管16排出废气的第一旁路管17。第一控制阀18被安装在该管17中并被连接到第一热交换器19。当废气沿着第一管17、控制阀18和第一交换器19而行时，其经由再注入管17’被再注入进气管道11。
低压设备D包括在涡轮压缩机3的涡轮3b下游排放废气的第二旁路管7。第二控制阀8被安装在该管中并被连接到第二热交换器9。当废气沿着第二管7、控制阀8和第二交换器9而行时，其经由再注入管7’被再注入涡轮压缩机3的压缩机3a上游的进气管2中。
控制阀8、18被设计用于控制EGR比。为此，其被连接到EGR比控制系统20，该控制系统控制控制阀8、18以使从排气回路B排出的废气量更多或更少。控制系统20可特别地包括微控制器，如常规一样。
还设置了用于控制吸入气体(即新鲜气体和再注入废气的混合物)的温度的设备，其特别地包括第三控制阀10，该第三控制阀引导吸入气体朝着可用于将其冷却的第三热交换器14，或引导吸入气体进入绕过交换器14的管路14’中并引导气体直接进入进气管道11；气体可全部或部分地沿着一条路线或另一条路线而行。
图2描述了运行特性曲线图，示出了增压发动机的作为转速N(每分钟的回旋数(rpm))的函数的扭矩(N.m)，这是本领域的技术人员所熟知的。“发动机工作点”被定义为在给定时刻，该图上由发动机转速N和其提供的扭矩C限定的点。在任何时刻，发动机工作点处于指示发动机负载的位置，该负载可源于发动机在给定发动机转速处运转(turn over)所供应的扭矩与在该转速处其可输出的最大扭矩之比。
曲线E1定义了在避免爆震发生时作为转速的函数的最大扭矩，可在现有技术中通过后退点火提前时刻或通过在理论配比条件之外加大混合物浓度获得，如上所述。曲线E2定义了如果爆震现象不存在且如果无需预防其发生，发动机在正常条件下能够输出的最大扭矩。这两条曲线E1、E2之间的阴影区域因此表示了在现有技术中由于爆震而被禁止的工作区域。由曲线E3界定的区域对应于现有技术中使用的废气再循环的工作点(大体低于低空转转速的三倍并在小于50％的部分负载处)。需要注意的是，“发动机最大扭矩”Cmax被定义为曲线E2上的最高点，即考虑到所有的发动机转速，发动机可以提供的最高扭矩。
图3示出了作为应用于发动机的点火提前角的函数的发动机在给定转速处输出的扭矩，发动机被供应以理论配比比例的燃料和氧化剂的混合物。在无再注入废气的情况下，提前角可被增加到值A1，超出该值时爆震现象发生。输出的扭矩随着点火提前角增加到值C1，通过提前角A1获得，该值C1低于爆震不存在时发动机可能输出的最大扭矩C0。可针对大于提前角A1的A0获得该值。
根据本发明，废气再循环被执行用于与大于发动机最大扭矩的50％的扭矩相对应的发动机工作点，即大于0.5.Cmax，或换言之，在大于0.5的发动机负载时。
这种废气再循环使得可在任何发动机转速处借助等于A0的点火提前角获得对于该转速处的最大扭矩C0而不增加混合物浓度的无爆震运行，即，使用汽油和空气之间的理论配比比例制造的混合物。
换言之，在研究了多种增压式汽油发动机的运行情况之后，已经发现可以在高负载时消除爆震，而不在提前角或富裕度方面劣化发动机的运行。该结果通过在发动机的运行范围内再注入废气来获得，即，即使在与大于发动机可输出的最大扭矩的50％的扭矩相对应的负载时。
根据一个实施例，EGR气体的冷却的增加与该运行模式相关联，以便补偿在高转速时通过这些废气提供的额外的热量。
还可以在任何发动机转速时需要再注入的EGR比(该比以每单位时间再注入的废气的质量与吸入气体的总质量的百分比计算)与发动机压缩比之间建立简单联系。
最佳EGR比(TEGR)因此通过以下关系式与发动机压缩比(TC)联系：
TEGR＝3.TC-13
作为例子，在压缩比为9的情况下，最大扭矩可在任何转速处使用14至15％之间的EGR比来获得，无提前角的劣化且不增加混合物富裕度。对于压缩比为11的发动机，最佳EGR比是20％。
除了别的因素以外，该关系可使发动机设计者基于选定的压缩比提前设计废气再注入回路的尺寸，而不必在试验阶段进行冗长的开发工作。该尺寸设计涉及将废气再注入进气侧的废气支管7、17和管7’、17’的尺寸，并涉及控制系统20所使用的用于相关控制阀8或18的控制规则的定义。
非常清晰的是，这些值可以被逼近，而发动机不会非常远离其最佳状态运行，即没有任何明显的爆震。作为通常的规则，上述关系的结果对于大约为2的误差仍然有效。因此，例如，在压缩比为8的发动机的情况中，用于再注入的最佳EGR比因此应该在9至13％之间的范围内，最佳值仍等于11。
对于与低于发动机可输出的最大扭矩Cmax的50％的扭矩相对应的发动机工作点，由于需求不同，废气再循环可向下回顾；特别地，爆震不存在并且废气再循环被首先和首要地用于减少汽油消耗。因此，对于这些工作点，EGR比TEGR和压缩比TC之间的关系式可写作：
TEGR＝3.TC-13，容差为5。
本发明已描述了增压发动机的情况，为其特别敏感的爆震问题提供了特别有效的方案。但是，本发明可同样地以相似的优点被应用于自然吸入式发动机。
尽管本发明已结合多个具体实施例描述，非常清晰的是，没有以任何对其限制的方式，并且包含了属于本发明范围的所述装置及其组合的所有技术等同物。
Claims (10)
1.一种内燃发动机，包括：用于吸入气体的至少一个燃烧室，所述吸入气体包括具有燃料和氧化剂的混合物，其中所述燃烧室被连接到用于允许所述吸入气体进入燃烧室内的进气回路（A），并被连接到用于将燃烧后的气体从燃烧室中排出的排气回路（B）；废气再循环回路（C、D），将排气回路连接到进气回路；和用于控制废气再循环的系统，其特征在于，控制系统被设计以使在至少一个工作点处进行废气再循环，所述工作点由发动机转速和发动机提供的扭矩限定，对于所述工作点，输出的扭矩大于发动机最大扭矩的50%,且其中在发动机运行由燃烧室压缩比和废气再循环比参数化后，控制系统被设计以使在所述工作点处的再循环比等于发动机压缩比的三倍减去13，容差为2，其中再循环比表示为质量百分比。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述燃料为汽油而所述氧化剂为空气。
3.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，控制系统被设计以使废气再循环在转速高于发动机低空转转速的三倍时进行。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的内燃发动机，其中，对于所述工作点，燃料和氧化剂的混合物大致以理论配比比例计算，并在大致对应于最佳点火提前条件的时刻点燃。
5.根据权利要求1至3中的一项所述的内燃发动机，通过压缩吸入气体来增压。
6.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，控制系统被设计以使对于输出的扭矩小于发动机最大扭矩的50%的工作点，再循环比等于发动机压缩比的三倍减去13，容差为5。
7.一种用于控制根据权利要求1至5中的一项所述的内燃发动机的废气再循环的控制系统，包括至少一个废气再循环控制阀（8、18）和控制所述阀的控制模块（20）。
8.一种设计根据权利要求1至5中的一项所述的内燃发动机的废气再循环EGR回路（C、D）的尺寸的方法，其特征在于，当设计EGR回路时，考虑到的再循环比等于发动机压缩比的三倍减去13，容差为2，所述再循环比表示为质量百分比。
9.一种定义用于控制根据权利要求1至5中的一项所述的内燃发动机的废气再循环的控制规则的方法，其中，废气再循环被定义用于输出的扭矩大于发动机最大扭矩的50%的工作点。
10.一种装备有根据权利要求1至5中的一项所述的内燃发动机的机动车。
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