CN109154245B - 一种用于降低热力发动机燃烧不稳定性的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于降低热力发动机（1）燃烧不稳定性的装置（100），该装置包括：发动机的助燃空气的进气回路（2），用于调节进入发动机的助燃气体流量的阀门（3），其安装在发动机的助燃空气进气回路上，废气的再循环回路（5），其连接到进气回路（2）并且位于用于调节助燃气体流量的阀门（3）的上游，其特征在于：设置该装置（100）以使得，至少当发动机（1）的燃料喷射被切断时，能够确保用于调节助燃气体流量的阀门（3）的最小开度以消除进气回路（2）的再循环气体。

Description

一种用于降低热力发动机燃烧不稳定性的装置

技术领域

本发明涉及一种用于降低热力发动机燃烧不稳定性的装置，该装置特别是用于机动车。

背景技术

例如从专利US 8,862,369中已知了将燃油发动机的一部分废气再循环至进气处的原理。该技术应用于增压点燃式发动机时，可以提高发动机效率，从而降低燃料消耗。废气再循环因其法语名称为Recirculation de Gaz d'Echappement通常被称为RGE。接下来讨论用于发动机的RGE流量和RGE比率。为了优化发动机的运行，再循环废气的量需适应于运行条件，并且通过由车辆发动机的电子控制单元控制的电动阀门来精确地控制该再循环废气的量。当以稳定速度运行时，再循环废气流量可以是总流量的约20％。相反，在怠速阶段，因为RGE的存在会降低燃烧质量，RGE的流量通常为零。

通常在进入发动机的助燃空气的计量节流阀的上游，废气被再循环。在具有高RGE比率的运行阶段，废气再循环阀门和节流阀之间存在的废气量可能很高。

当驾驶员通过完全抬升油门踏板而停止加速时，节流阀几乎完全关闭以减小产生的扭矩并实现发动机制动。存在于位于废气再循环阀门下游和节流阀上游的回路部分中的再循环废气只能在被发动机消耗时排出。由于进入发动机的空气量非常低，这些再循环废气只能非常缓慢地排出。因此，即使废气再循环阀门被完全关闭，当发动机进入怠速控制时，大量的再循环废气仍可保留在进气回路中。在这些运行条件下，由于存在这些不希望存在的废气，燃烧稳定性可能会严重降低。

发明内容

这些燃烧不稳定性会产生对车辆乘员不适的振动，并增加污染物排放量。本发明的目的便是克服这些缺点。

为此，本发明提出了一种用于降低热力发动机的燃烧不稳定性的装置，该装置包括：

-发动机的助燃空气的进气回路，

-用于调节进入发动机的助燃气体流量的阀门，其安装在发动机的助燃空气进气回路上，

-废气的再循环回路，其连接到所述进气回路并且位于所述用于调节助燃气体流量的阀门的上游，

其特征在于：设置该装置以使得，至少当所述发动机的燃料喷射被切断时，能够确保所述用于调节助燃气体流量的阀门的最小开度以消除所述进气回路的再循环气体。

打开用于调节助燃气体流量的阀门会增加在每个进气阶段进入发动机的助燃空气量，从而加速去除再循环废气，并且降低进入怠速阶段时仍具有高RGE比率的风险。

优选地，用于调节再循环废气流量的阀门安装在再循环回路上，并且在废气再循环阀门关闭之后确保用于调节助燃气体流量的阀门的最小开度。

存在于进气回路中的再循环废气的比率变化因此更加缓慢。

当进气回路中的RGE气体的浓度变得小于2％时，将认为进气回路中的再循环气体的去除已经完成。事实上，低于该阈值时，再循环废气的影响变得可以忽略不计。

优选地，预定义用于调节助燃气体流量的阀门的最小开度值和维持此最小开度的持续时间值。发动机电子控制单元根据其存储器中的预设参数保证阀门的开度。

根据一个实施方式，保证的最小开度是恒定的。

根据一个实施方式，维持阀门的最小开度的持续时间值是恒定的。这种简单的解决方案可最大限度地减少电子控制单元所需的计算量。

根据另一个实施方式，最小开度的值取决于进气回路中的估算RGE比率。处于再循环回路输出端和用于调节助燃气体流量的阀门之间的进气回路部分中的RGE比率的估算可以如专利申请FR3009020中所述来实现。估算的RGE比率越高，施加在阀门上的最小开度越大，原因在于要除去的气体量很大。

优选地，进气回路中的RGE比率被连续地估算。考虑到条件的变化，阀门的最小开度可以连续地更新。

根据一个实施方式，当进气回路中的估算RGE比率低于一个第一预定最小速率T1时，最小开度为零。当进气回路中存在的再循环气体的比率较低时，例如在5％和10％之间，在燃烧阶段恢复时没有造成燃烧不稳定的风险。因此没有必要增加用于调节助燃气体流量的阀门的开度。并因此优先使用较强的发动机制动。

优选地，最小开度的值取决于发动机的转速。用于调节助燃气体流量的阀门的位置值可以估计每个进气阶段的进入量。发动机的转速值也可以确定进入发动机的流量。

根据一个实施方式，当进气回路中的估算RGE比率大于一个第二预定阈值T2时，就保持最小开度。当估算的RGE比率下降到预定阈值以下时，可以认为再循环废气进气回路的去除已完成。因此不再需要保持阀门开度高于基础开度。用于加速排出进气回路中存在的再循环废气的额外开度可以被去除。将有助于发动机制动。通过估计进气回路中的RGE比率并在不必要时停止附加开度，可将附加开度的施加持续时间降至必要的最小值。

例如，保证的最小开度取决于发动机冷却液的测量水温。燃烧稳定性特别取决于发动机的运转温度。这个运转温度与发动机冷却液的温度有关。当发动机仍然很冷并且尚未达到热平衡时，燃烧较不稳定，并且发动机对进气回路中的再循环废气的存在更加敏感。同时，在较低温度下，发动机的摩擦更大，通过用于调节助燃气体流量的阀门的额外开度，更少地减弱发动机制动。因此与发动机达到热平衡条件时的附加开度相比，应用更高的附加开度是有利的。

根据一个实施方式，用于调节助燃气体流量的阀门的最小开度取决于发动机运转的余气系数。再循环废气的组成随所述余气系数的变化而变化，这些气体对燃烧稳定性的影响也随所述余气系数而变化。就前一种情况而言，考虑运转余气系数可以使最小开度适应于运转条件。

根据一个实施方式，废气再循环回路使废气再循环，这些废气处在位于增压装置涡轮下游的点与位于增压装置的压缩机上游的点之间。废气再循环回路的这种结构通常被称为“低压”。

根据本发明的一个变型例，用于降低燃烧不稳定性的装置包括能够改变发动机凸轮轴的控制阶段划分的驱动器，根据驱动器的上述作用以及节流阀门的开度，控制驱动器以增加进入发动机的助燃气体的流量。除了阀门的最小开度之外，也可以激活其他附件，这些附件也允许增加发动机在每个进气阶段吸入的助燃气体量。当发动机配备有一个或多个凸轮轴移相器时，可以控制一个或多个凸轮轴移相器以促进发动机的填充，即在每个进气阶段使吸入助燃气体的量最大化。

作为变型例或补充，该装置包括能够改变发动机气门的升程幅度的驱动器，根据驱动器的上述作用以及节流阀门的开度，控制驱动器以增加进入发动机的助燃气体的流量。当发动机配备可变气门升程系统时，可以控制该可变气门升程系统以促进发动机的填充。

优选地，调节进入发动机的助燃气体流量的阀门是旋转阀。这种类型的阀门能够以精确和快速的方式调节进入发动机的气体流量。该阀门由发动机电子控制单元控制。

根据一个实施例，调节发动机中的再循环气体流量的阀门是旋转阀。这种类型的阀门可以在几乎不产生压降的同时获得高流量。

可替代地，调节发动机中的再循环气体流量的阀门是提升阀。这种类型的阀门具有低泄漏率和良好的耐高气体温度性能。

根据一个实施例，所述热力发动机为点燃式。

根据本发明的一个方面，所述热力发动机为直喷式。

本发明还涉及一种用于减少热力发动机的燃烧不稳定性的方法，包括以下步骤：

-（步骤50）通过进气回路向发动机供应助燃气体，

-（步骤51）通过设置在进气回路上的阀门来调节进入所述发动机的所述助燃气体的流量，

-（步骤52）通过一个再循环回路，再循环处在所述发动机的排气和进气之间的废气，其中该循环回路连接到所述阀门上游的所述进气回路，

-（步骤53）当燃料喷射被切断时，至少能够确保所述阀门的最小开度以消除所述进气回路的再循环废气。

附图说明

通过阅读附图可以更好地理解本发明。

图1为配备有如上文所描述的用于降低燃烧不稳定性的装置的燃油发动机示意图；

图2为发动机的不同运行参数随时间变化的示意图；

图3是示出图1装置的实施方法的各个步骤的框图。

具体实施方式

图1示出了一种燃油发动机，配备有用于降低热力发动机1的燃烧不稳定性的装置，该装置包括：

-发动机的助燃气体的进气回路2，

-用于调节进入发动机的助燃气体流量的阀门3，其安装在发动机的助燃气体进气回路上，

-废气再循环回路5，其连接到进气回路2并且位于用于调节助燃气体流量的阀门3的上游，

其特征在于：设置装置100以使得，当发动机1的燃料喷射被切断时，至少能够确保用于调节助燃气体流量的阀门3的最小开度以消除进气回路2的再循环气体。

热力发动机1为点燃式。

热力发动机1也可为直喷式。

电子控制单元7接收来自装配到发动机1的全部传感器的信号，并控制全部驱动器以确保发动机1的良好运转。

发动机1由进气回路2供给助燃气体。调节阀3也被称为蝶形箱，其可以调节进入发动机1的助燃气体流量。助燃气体是指包括空气、再循环废气和来自油箱的燃料蒸气的混合物。通过喷射器12加压并引入到发动机1的每个燃烧室中的燃料在发动机1的每个气缸中燃烧。该燃烧产生由发动机提供的机械功。在燃烧之后，烟道气被排放到排气回路4中。

在示例中，发动机是增压的，即在进入发动机1之前进气压强被升高到一个高于大气压的值。为此，增压装置9包括一个离心式压缩机10，该离心式压缩机10由废气经过的涡轮机11驱动旋转。涡轮机11中的废气的膨胀提供了压缩机10所需的能量以完成进气的压缩做功。本领域技术人员熟知，增压能够在排量不变的情况下提高发动机的性能，或者确保当排量较小时发动机性能保持不变。

废气在涡轮机11中膨胀之后，经过去污染装置13，该去污染装置转换大部分气态污染物并捕获固体颗粒。在该去污染装置13的下游，存在用于废气再循环回路5的分接头14。因此，部分废气在通过再循环回路5之后被重新引入到发动机1的进气口。再循环回路5在此处连接到在阀门3上游的进气回路2。 换言之，位于增压装置9的涡轮11下游的点与位于增压装置9的压缩机10上游的点之间的废气经过废气再循环回路5再循环，形成“低压”架构。

调节进入发动机1的助燃气体流量的蝶形箱是一种旋转阀。旋转蝶板在管道中的角度位置可以改变通过阀门的流量。该旋转阀由发动机的电子控制单元7控制，以获得必需的气体流量以满足环境和驾驶员施加的发动机运转条件。

再循环回路5包括用于冷却废气的热交换器15。废气再循环能够降低燃烧温度，这降低了发动机的爆震趋势并限制了混合燃料浓缩要求。这两种效应可以提高发动机的效率，从而降低燃料消耗。再循环废气的冷却能够提高其效率以降低燃料消耗。

用于调节再循环废气流量的阀门6设置在再循环回路5上。在所示的示例中，调节发动机1中再循环气体流量的阀门6是旋转阀。

根据未示出的实施方式，调节发动机1中的再循环气体流量的阀门6是提升阀。

再循环废气率也称为RGE比率。该比率表示再循环废气的质量流与进入发动机的总质量流的比率，以百分比表示。

当进行废气再循环时，再循环气体通过位于点8下游的进气回路2的整个部分。在稳定条件下，该回路的上述整个部分中的再循环气体所占的比例等于用于发动机的RGE比率。RGE比率取决于发动机特性和运转条件，对于发动机扭矩介于最大值的一半和其最大值之间时，RGE比率可以达到15％至20％。这些点对应于驾驶员希望获得车辆的大加速度的运转条件。

当驾驶员通过完全抬升油门踏板停止加速时，节气门几乎完全关闭以减少发动机产生的扭矩并获得发动机制动。只要发动机转速足够高，燃料喷射就会被切断以将燃料消耗和污染物排放量降至最低。即，在减速阶段没有燃油喷射。存在于位于废气再循环阀下游和节气门上游的回路部分中的再循环废气只能在被发动机消耗时排出。进入发动机的气体量非常低，原因在于蝶形的阀门的蝶板实际上是关闭的，所以这些再循环废气只能非常缓慢地排出。只要燃料喷射被抑制，就没有不利影响。当燃料喷射恢复时，例如因为发动机转速接近怠速，即使废气再循环阀门被完全关闭，大量的再循环废气仍可保留在进气回路中。在这些运转条件下，由于具有这些不希望存在的废气，燃烧稳定性可能会显著降低。

这些燃烧不稳定性会产生对车辆乘员不适的振动，并增加污染物排放量，因此应当消除它们。

为此，设置该装置100以使得，当发动机1的燃料喷射被切断时，至少能够确保阀门3的最小开度以消除来自进气回路2的再循环气体。

通过增加蝶形的阀门3的开度，在喷射切断阶段，增加发动机消耗的助燃气体量，这提高了进气回路2中存在的废气被消耗的速率。因此加速了从回路2中消除再循环排气。

在废气再循环阀6关闭之后确保用于调节助燃气体流量的阀门3的最小开度。

当进气回路2中的RGE气体所占的比例变得小于2％时将认为实现了进气回路2的再循环气体的去除。事实上，低于这个阈值时，再循环废气的影响变得可以忽略不计，并且可以认为它们已被消除。

根据一个实施方式，预定义用于调节助燃气体流量的阀门3的最小开度值和维持此最小开度的持续时间值。这两个参数以图像形式存储在发动机电子控制单元中。这些图像可以取决于不同的参数。

根据一个实施方式，保证的最小开口是恒定的。

根据另一个实施方式，维持阀门的最小开度的持续时间值是恒定的。

在该示例中，最小开度的值取决于进气回路2中的估算的RGE比率。处于再循环回路输出端和用于调节助燃气体流量的阀门之间的进气回路部分中的RGE比率的估算可以如专利申请FR3009020中所述来实现。通过阀门6的流量由阀门6两侧的压力、阀门附近的气体温度和阀门位置等条件确定。进入发动机的总流量可以由进气歧管19中的压力和温度的值以及填充模型来确定。

根据这两条信息，控制单元7实时计算进气回路2中的废气所占的比例。即，进气回路2中的RGE比率被连续地估算。

施加在蝶形的阀门3上的最小打开幅度由RGE气体所占的比例、发动机转速和发动机转速变化率确定。

该估计浓度越高，施加在阀门上的最小开度越大，原因在于要消除的气体量很大。因此阀门的这个最小开度持续更新并将发动机状态的变化考虑在内。

当进气回路2中的估算RGE比率小于一个第一预定最小比率T1时，最小开度为零。该最小比率取决于所考虑的应用，并且通常接近6％。即，当回路中存在的再循环气体的比率足够低时，用于降低燃烧不稳定性的装置不起作用，从而在返回到燃烧阶段时没有造成燃烧不稳定性的风险。这有利于获得发动机强制动。

最小开度的值取决于发动机1的转速。可以通过用于调节助燃气体流量的阀门的位置值估计在每个进气阶段的进入量。也可以通过发动机的转速值确定发动机允许的流量。

只要进气回路2中的估计RGE比率大于一个第二预定阈值T2，就保持最小开度。这个比率也取决于所考虑的应用，并且通常等于3％。当估计的RGE比率下降到预定阈值以下时，可以认为已完成进气回路的再循环废气的去除。因此不再需要保持阀门开口度高于基础开口度。即，维持最小开度的持续时间由控制单元7自动地调整，并且为了利于发动机制动可以将最小开度的持续时间降至必要的最小值。

图2示出了用于减少燃烧不稳定性的装置的总体运转情况。

曲线C1示出了发动机转速随时间的变化情况。

曲线C2示出了油门踏板位置随时间的变化情况。0值对应于抬脚位置，值C21处于获得对应于该示例的发动机稳定转速的位置。

曲线C3示出了燃料喷射的激活状态和停用状态随时间的切换。当曲线C3处于状态1时，在每个发动机循环中激活燃料喷射。当曲线C3处于状态0时，燃料喷射被切断并且没有燃料被喷射。

曲线C4a和C4b示出了进气回路中RGE比率随时间的变化。曲线C4a以虚线示出了当用于降低燃烧不稳定性的装置停用时的上述这种变化。曲线C4b以实线示出了用于变化不稳定性的装置被激活时的上述这种变化。

曲线C5a和C5b示出了蝶形的阀门6的位置随时间的变化。曲线C5a以虚线示出了当用于降低燃烧不稳定性的装置停用时的上述这种变化。曲线C5b以实线示出了用于降低不稳定性的装置被激活时的上述这种变化。

曲线C1和C2显示了在过渡到稳定转速后，驾驶员停止加速并释放加速踏板。在t1时刻，油门踏板完全释放，发动机转速开始下降。如曲线C3所示，在t1时刻后的数百毫秒，燃料喷射被切断。

当用于降低燃烧不稳定性的装置未被激活时，从曲线C5a可以看出，蝶形的阀门 3的开度减小，并且一旦油门踏板被释放，蝶形的阀门就基本上关闭。曲线C4a显示进气回路2中的RGE比率的递减。可以看出，t3对应于进入怠速控制的喷射恢复的时刻，RGE比率仍然等于C43a。

当用于降低燃烧不稳定性的装置100被激活时，在曲线C5b上可以看到，等于值C52的最小开度施加于蝶形的阀门3。因此，进气回路中RGE比率的递减更快，正如C4b曲线所示。如图2中的双箭头直线所示，在时刻t3剩余的RGE的比率低于值C43a。

在时刻t2，RGE比率低于阈值T2，施加于蝶形的阀门6的最小开度不再是必需的并且将逐渐被去除。

根据一个实施方式，最小保证开度取决于发动机1的冷却剂的测量水温。冷却剂温度的测量可以用于估计发动机的运转温度。当发动机仍然很冷并且尚未达到热平衡时，燃烧较不稳定，并且发动机对再循环废气的进气回路中的存在更加敏感。同时，在较低温度下，发动机的不同活动部件之间的摩擦力更大，因此通过助燃气体流量控制阀的额外开度，发动机制动装置受到的磨损更小。蝶形的阀门6的附加开度可以高于当发动机处于稳定热状态时的开度。

根据一个实施方式，阀门的最小开度取决于发动机1的运转余气系数。再循环废气的组成随所述余气系数的变化而变化，这些气体对燃烧稳定性的影响也随所述余气系数而变化。运转余气系数由放置在排气装置中的测量探测器中的信息确定（图中未示出）。如前所述，蝶形的阀门6的最小开度适应于运转条件。

发动机的其他驱动器可以用于增强依靠蝶形的阀门6的最小开度所得的效果。

因此，用于降低燃烧不稳定性的装置包括驱动器17a、17b，该驱动器可以改变发动机的凸轮轴的控制阶段划分与阀门3的开度，控制驱动器17a、17b以增加进入发动机的助燃气体的流量。

作为变型例或补充，该装置包括驱动器17a、17b，该驱动器能够改变发动机气门的升程幅度以及阀门3的开度，控制驱动器17a、17b以增加进入发动机的助燃气体的流量。如凸轮轴移相器的情况一样，除了施加在蝶形的阀门3上的最小开度之外，还可以使用气门可变升程系统。

本发明还涉及一种用于减少热力发动机1的燃烧不稳定性的方法，图3以方框图表示的方法包括以下步骤：

-（步骤50）通过进气回路2向发动机供应助燃气体，

-（步骤51）通过设置在进气回路2上的阀门3来调节进入发动机1的所述助燃气体的流量，

-（步骤52）通过一个再循环回路，再循环处在所述发动机的排气和进气之间的废气，其中该循环回路连接到所述阀门（3）上游的所述进气回路，

-（步骤53）当燃料喷射被切断时，至少能够确保阀门的最小开度以消除所述进气回路的再循环废气。

Claims (8)

1.一种用于降低热力发动机的燃烧不稳定性的装置（100），该装置包括：

- 发动机的助燃气体的进气回路（2），

- 用于调节进入发动机的助燃气体流量的阀门（3），其安装在发动机的助燃气体进气回路上，

- 废气的再循环回路（5），其连接到所述进气回路（2）并且位于所述用于调节助燃气体流量的阀门（3）的上游，

其特征在于：设置该装置（100）以使得，当所述发动机（1）的燃料喷射被切断时，至少能够确保所述用于调节助燃气体流量的阀门（3）的最小开度以消除所述进气回路（2）的再循环气体；

其中，所述最小开度的值取决于所述进气回路（2）中的估算的废气的再循环的比率，当所述进气回路（2）中的估算的所述废气的再循环的比率低于一个第一预定最小比率（T1）时，所述最小开度为零，所述最小开度还取决于发动机的转速。

2.如权利要求1所述的装置，包括一个设置在所述再循环回路（5）上的用于调节再循环废气流量的阀门（6），其中，在所述用于调节再循环废气流量的再循环的阀门（6）关闭后，能够确保所述用于调节助燃气体流量的阀门（3）的所述最小开度。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的装置，其中，所述用于调节助燃气体流量的阀门（3）的所述最小开度的值和维持所述最小开度的持续时间是预先定义的。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的装置，其中，所述进气回路（2）中的所述废气的再循环的比率被连续地估算。

5.根据权利要求1-2中任一项所述的装置，其中，当所述进气回路中的所述估算的所述废气的再循环的比率大于一个第二预定阈值（T2）时，所述最小开度被保持。

6.根据权利要求1-2中任一项所述的装置，其中，所述废气的再循环回路（5）对废气进行再循环，所述废气在位于增压装置（9）的涡轮（11）下游的一个点与位于所述增压装置（9）的压缩机（10）上游的一个点之间。

7.根据权利要求1-2中任一项所述的装置，其中，所述热力发动机为点燃式发动机。

8.一种用于减少热力发动机（1）的燃烧不稳定性的方法，包括以下步骤：

- 步骤50：通过进气回路（2）向发动机供应助燃气体，

- 步骤51：通过设置在进气回路（2）上的阀门（3）来调节进入所述发动机（1）的所述助燃气体的流量，

- 步骤52：通过一个再循环回路，再循环处在所述发动机的排气和进气之间的废气，其中该循环回路连接到所述阀门（3）上游的所述进气回路，

- 步骤53：当燃料喷射被切断时，至少能够确保所述阀门的最小开度以消除所述进气回路的再循环废气；

其中，所述最小开度的值取决于所述进气回路（2）中的估算的废气的再循环的比率，当所述进气回路（2）中的估算的所述废气的再循环的比率低于一个第一预定最小比率（T1）时，所述最小开度为零，所述最小开度还取决于发动机的转速。

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