控制内燃发动机运行的方法和用于控制内燃发动机运行的控制系统

摘要

本发明涉及一种控制内燃发动机(1)运行的方法，在该方法中：通过第一压缩机(18)加压燃烧气体并将所述燃烧气体引入所述发动机；在利用加压的所述燃烧气体的所述发动机中燃烧燃料，从而形成排气；从所述发动机排出所述排气；通过在所述排气的一部分引入所述发动机之前将该部分排气包含在所述燃烧气体中，而再循环该部分排气；通过可控的第二压缩机(30)加压该部分排气并将该部分排气引入所述燃烧气体；此外，获取表示所述第一压缩机(14)的转速的第一信号(S1)；获取表示所述第二压缩机(30)的转速的第二信号(S2)；获取作为所述第一信号和所述第二信号的函数的反馈信号(F)；以及在提供控制信号(C)的过程中使用所述反馈信号，所述控制信号用于控制所述第二压缩机的运行。

说明书

技术领域

本发明涉及活塞式内燃发动机和该活塞式内燃发动机中的排气再循环。

本发明涉及一种控制内燃发动机运行的方法，在该方法中：通过第一压缩机加压 燃烧气体并将燃烧气体引入发动机；在利用加压的燃烧气体的发动机中燃烧燃料，从 而形成排气；从发动机排出排气；通过在排气的一部分引入发动机之前将该部分排气 包含在燃烧气体中，再循环该部分排气；通过可控制的第二压缩机加压该部分排气并 将该部分排气引入燃烧气体。

本发明还涉及一种用于控制内燃发动机运行的控制系统，内燃发动机包括：第一 压缩机，该第一压缩机用于加压要引入发动机的燃烧气体；排气循环管道系统，第二 压缩机设置在该排气循环管道系统中，用于加压要引入发动机的再循环排气。

背景技术

涡轮增压器是公知的，用于在高于环境压力的压力下供给空气到内燃发动机的进 气口。

通常，涡轮增压器包括在涡轮壳体内安装在旋转轴上的排气驱动的涡轮叶轮。涡 轮叶轮的旋转使在压缩机壳体内安装在所述轴的另一端的压缩机叶轮旋转。为了便于 控制涡轮增压器运行，涡轮可以是固定或可变形状类型。可变形状涡轮不同于固定形 状涡轮之处在于：进气管道的尺寸或功能可以被改变，以控制引入涡轮的气体，从而 涡轮的功率输出可以改变，以适合不同的发动机的需求。

在内燃发动机的运行中形成氮氧化物(NOx)。由于高温，在存在氧气和氮气的 情况下，在燃烧过程期间在发动机中产生NOx。为了满足排气排放的要求，可以使 用排气再循环(EGR)系统，在该排气再循环系统中，一部分发动机排气再循环回到 发动机的燃烧室。这通常是通过将一定量的排气从排气歧管引导到发动机的进气歧管 来实现的。这通常被称为外部再循环。再循环排气降低燃烧期间产生的峰值温度。因 为NOx产量随着峰值温度增加而增加，排气的再循环减少了不需要的NOx的生成量。 涡轮增压器可形成EGR系统的一部分。

在具有高进气歧管压力的发动机中，必需增加再循环排气的压力，如通过电或涡 轮驱动的压缩机。有许多出版物公开了出于此目的使用的压缩机。

例如在出版物US 2010/122530A1中公开了这样的系统。用于具有涡轮增压器的 发动机的EGR系统包括并行于主涡轮增压器运行的第二涡轮增压器。第二涡轮增压 器，本文中称为EGR涡轮增压器，具有涡轮部，该涡轮部由发动机排气的一部分提 供动力。涡轮增压器的压缩机部被设置成将一部分发动机排气——在对排气加压后 ——供给发动机的进气歧管。因此，EGR涡轮增压器的涡轮部驱动EGR涡轮增压器 的压缩机部，使得EGR涡轮增压器将一部分发动机排气供给发动机进气口。

US 6216461 B1公开了一种用于内燃发动机的排气再循环和控制系统。再循环排 气由EGR压缩机泵送穿过EGR管道，EGR压缩机由可独立控制的专用EGR驱动器 驱动。通过这种方式，系统的EGR流量不由例如发动机排气流量的因素确定或限制。 控制器根据至少一个运行状态参数调节输送到驱动装置的功率，以实现需要的EGR 流量。系统还包括控制器，该控制器与EGR驱动器操作性连接以调节输送到EGR驱 动器的功率，从而控制EGR流量。控制器根据来自传感器的各种输入参数调节压缩 机的EGR输出，每一个传感器提供表示具体运行参数的信号。

对于闭环运行，信号也可以包括对应于EGR驱动器或EGR压缩机运行的适当反 馈信号，例如表示驱动器或压缩机的驱动速度、EGR驱动器或EGR压缩机的位置、 EGR流量的信号，或表示EGR系统的输出的其他适合的信号。

有关通过EGR压缩机再循环排气的问题是，针对发动机的各种运行条件设置适 当EGR运行和控制。

发明内容

现有技术的上述问题通过一种控制内燃发动机运行的方法解决，在该方法中：通 过第一压缩机加压燃烧气体并将所述燃烧气体引入所述发动机；在利用加压的所述燃 烧气体的所述发动机中燃烧燃料，从而形成排气；从所述发动机排出所述排气；通过 在所述排气的一部分引入所述发动机之前将该部分排气包含在所述燃烧气体中，再循 环该部分排气；通过可控制的第二压缩机加压该部分排气并将该部分排气引入所述燃 烧气体。本发明的特征是，在方法中：获取表示所述第一压缩机的转速的第一信号； 获取表示所述第二压缩机的转速的第二信号；获取作为所述第一信号和所述第二信号 的函数的反馈信号；以及在提供控制信号的过程中使用所述反馈信号，所述控制信号 用于控制所述第二压缩机运行。

根据本发明的实施方式，获取作为速度比的所述反馈信号，所述速度比被定义为 所述第二信号与所述第一信号的比值。

根据本发明的实施方式，表示所述转速的所述第一信号是所述第一压缩机的实际 转速。

根据本发明的实施方式，表示所述转速的所述第二信号是所述第二压缩机的实际 转速。

根据本发明的实施方式，提供控制信号的过程包括：获取发动机运行的基准信号； 以及通过对比所述反馈信号和所述基准信号确立所述控制信号。

根据本发明的实施方式，所述基准信号是发动机负载和发动机转速的函数。

根据本发明的实施方式，基于存储于基准信号处理单元中的或由基准信号处理单 元能够读取的基准信号值的预定映射，获取所述基准信号。

现有技术的上述问题通过一种用于控制内燃发动机运行的控制系统解决，所述内 燃发动机包括：第一压缩机，该第一压缩机用于加压要引入所述发动机的燃烧气体； 以及排气再循环管道系统，第二压缩机设置在该排气再循环管道系统中，用于加压要 引入所述发动机的再循环排气。所述控制系统包括：输入单元，该输入单元设置为接 收表示发动机运行状态的测量数据，所述测量数据包括所述第一压缩机的转速、所述 第二压缩机的转速、发动机转速和发动机负载；基准信号处理单元，该基准信号处理 单元设置为至少基于所述发动机转速和所述发动机负载获取基准信号；反馈信号处理 单元，该反馈信号处理单元设置为获取作为所述第二压缩机的所述转速和所述第一压 缩机的所述转速的函数的反馈信号；控制器单元，该控制器单元设置为通过对比所述 反馈信号和所述基准信号获取控制信号。

根据本发明的实施方式，所述控制器单元设置为：如果所述反馈信号和所述基准 信号之差高于预设定值，则减小控制信号值。

根据本发明的实施方式，所述控制器单元设置为：如果所述反馈信号和所述基准 信号之差低于预设定值，则增加控制信号值。

根据本发明的实施方式，所述基准信号处理单元设置为：基于存储于基准信号处 理单元中的或由基准信号处理单元能够读取的基准信号值的预定映射，获取基准信 号。

附图说明

下文中，将参照所附示例性、示意性的附图说明本发明，其中：

图1示出了根据本发明的实施方式的内燃发动机；以及

图2示出了本发明的其他实施方式。

具体实施方式

图1示意性描绘了内燃发动机1。该发动机包括主体2，几个气缸4以直列布置 设置在该主体中。该发动机还包括进气管道系统6，该进气管道系统穿过进气歧管8 通向发动机1的每个气缸4。该进气管道系统被设置用于输送进气(一般是空气)到 发动机的燃烧室。该发动机还包括排气管道系统20和将排气管道系统20与进气管道 系统6连接的排气再循环管道系统12。

进气歧管8连接到涡轮增压器单元18的压缩机部14的出口。涡轮增压器单元 18的压缩机部在这里称为第一压缩机。排气管道系统20包括排气歧管22，排气管道 24从排气歧管22延伸到涡轮增压器单元18的涡轮部26的入口。涡轮增压器的涡轮 部26和压缩机部14以已知的方式彼此连接。因此，压缩机借助涡轮部运行。涡轮部 可设置排气门或其它控制系统(未示出)。

排气再循环管道系统12将排气管道系统20与进气管道系统6连接，使得发动机 排气流的一部分可能再循环回到发动机。排气再循环管道系统12连接到排气管道系 统20的实际位置可以根据特定的安装而改变，并且这些可能的位置对本领域技术人 员是显而易见的。

在本实施方式中，排气再循环管道系统12包括开/关阀28，为了在需要时通过打 开或关闭阀允许或容许再循环。

发动机中的排气再循环管道系统12包括第二压缩机30，以将排气的再循环部分 加压到所需的水平。第二压缩机30是可控制的，以使再循环排气流的量可以在发动 机的所有运行情况下被有效地控制。在图1的实施方式中，第二压缩机30设置有电 机32，电机32可以通过电能驱动。第二压缩机30的进气端连接到发动机的排气岐 管22，以接收发动机的排气。第二压缩机30的出口通过排气再循环管道系统12连 接到进气管道系统6。第二压缩机30的进气端在某些安装中可以连接到排气管道系 统20中涡轮部26的下游位置。

在发动机的运行中，燃烧气体通过进气管道引入发动机，并且空气由第一压缩机 通过利用设置为流入排气系统的发动机排气的能量来增压。并且，可控量的排气再循 环到进气管道系统和回到发动机的燃烧过程。

即使这里未示出，排气再循环管道系统12可以包括气体清洁装置(例如热气颗 粒材料过滤器)和气体冷却单元。

根据本发明的实施方式，内燃发动机及其运行被控制，使得在运行发动机的同时， 通过第一压缩机14加压燃烧气体，并且将加压的燃烧气体引入发动机，其中利用加 压的燃烧气体燃烧燃料。燃烧气体是含氧气体，优选空气。燃料的燃烧形成排气，从 发动机经由排气管道系统20排出排气。排气的可控部分通过在该部分排气引入发动 机之前将它们包含在燃烧气体中而再循环回到发动机和燃烧过程。

接着，通过第二压缩机30加压该部分排气并将该部分排气引入燃烧气体。第二 压缩机被控制为提供与第一压缩机运行有关的工作。更具体地，第二压缩机基于与第 一压缩机的转速相关限定的反馈信号被控制。

根据本发明的实施方式，该实施方式被实施，使得至少获取表示第一压缩机的转 速的第一信号和获取表示第二压缩机的转速的第二信号。该第一信号和该第二信号用 于产生表示第二压缩机相对于第一压缩机的运行状态的反馈信号，即获取作为第一信 号和第二信号的函数的反馈信号。在该反馈信号的最简单的形式中，表示转速的第一 信号是第一压缩机的实际转速，表示转速的第二信号是第二压缩机的实际转速。

根据本发明的有利的实施方式，产生作为速度比的反馈信号，速度比定义为第二 信号和第一信号的比值，并且在向第二压缩机提供控制信号的过程中使用反馈信号。

在该方法中，提供控制信号的过程包括：获取基准信号；以及通过比较反馈信号 与基准信号来确立控制信号。基准信号是发动机负载和发动机转速的函数。

根据本发明的实施方式，基于存储于基准信号处理单元中的或由基准信号处理单 元能够读取的基准信号值的预定和/或插入映射，获取基准信号。这种映射的示例显 示在下表中，用于最高转速为1100rpm的特定发动机。很显然，本发明也适用能够 在其它转速下的发动机。

根据本发明的实施方式，速度差定义为反馈信号和基准信号之间的差，并且速度 差用于产生对第二压缩机的控制信号。根据本发明的实施方式，如果反馈信号和基准 信号之间的差高于预设值，减小控制信号值。相应地，如果反馈信号和基准信号之间 的差低于预设值，增加控制信号值。

此外，根据本发明的发动机设置有用于控制发动机的运行的控制系统100。控制 系统100包括输入单元102，输入单元102设置为接收表示发动机的运行状态的测定 数据。输入单元102与位于发动机的特定监测目标的多个发送器数据传输连接，特别 是例如第一压缩机具有测量第一压缩机的转速的速度传感器110，第二压缩机具有测 量第二压缩机的转速的速度传感器112，并且发动机转速传感器和发动机负载传感器 或计算负载信息在图1中被示出为组合传感器114。

此外，控制系统包括基准信号处理单元104。基准信号处理单元设置为基于发动 机速度S_e和发动机负载L获取基准信号，发动机速度S_e和发动机负载L通过输入单 元102读取或获取且然后对于基准信号处理单元104是能够得到的。基准信号处理单 元访问存储在基准信号处理单元中的或由基准信号处理单元能够读取的基准信号值 的预定映射。

此外，控制系统包括反馈信号处理单元106，反馈信号处理单元106设置为获取 反馈信号F。根据本发明的实施方式，反馈信号F是第二压缩机的转速S₂和第一压 缩机的转速S₁的比值。控制系统还包括控制器单元108，控制器单元108设置为通过 对比由反馈信号处理单元获取的反馈信号和由基准信号处理单元104获取的基准信 号而获取控制信号C。

控制器单元设置为执行反馈信号和基准信号之间的比较。它设置为如果反馈信号 和基准信号之间的差高于预设值，则减小控制信号值。相应地，控制器单元设置为如 果反馈信号和基准信号之间的差低于预设值，则增加控制信号值。

在图1中，第二压缩机30的控制通过控制操作压缩机的电机32完成。在图2 中示出本发明的另一个实施方式，其中第二压缩机通过第二涡轮32′运行，发动机的 排气被安排成流过该第二涡轮，进行该涡轮中的工作。在这种情况下，第二压缩机 30的控制可以通过在排气再循环管道系统12中的控制阀40完成和/或在排气再循环 管道系统12中的控制阀42来实现。图2的实施方式的其他方面对应于图1。

在图2中还示出本发明的另一个实施方式，其中除了第一压缩机单元14，还有 第二压缩机单元14′，即两个涡轮增压器顺序连接。因此，明显的是，涡轮增压器单 元(即涡轮部和/或压缩部)也可以包括多于两级。在这样的实施方式中，第一压缩 机的转速优选是指在更高压力水平下运行的压缩机的转速。

虽然在本文中通过示例结合认为最佳实施方式的形式描述了本发明，可以理解的 是本发明不限于公开的实施方式，而是旨在覆盖其特征的各种组合或修改，以及覆盖 包括在本发明范围内的若干其它应用，如在所附权利要求中限定的。例如，本发明可 以很好地应用于在各种循环下运行的两冲程或四冲程发动机，如奥拓循环或狄塞尔循 环。发动机的配置也可以从直列发动机变化为例如V型发动机。当这种组合在技术 上是可行的时，与上述任何实施方式结合提及的细节可以结合另一个实施方式使用。