专利名称：内燃发动机egr装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃(IC)发动机的废气再循环(EGR)装置，所述 内燃发动机特别是涡轮增压汽车柴油发动机。
背景技术：
众所周知，可以通过将一部分废气再循环到发动机进气中将NOx排放 物减少。在当前的应用中，EGR气体通过EGR管道限定的路线被输送，所 述EGR管道从涡轮增压器涡轮上游的排气集管分叉出，并且与涡轮增压器 压縮机上游的进气管道相连接。EGR流由排气集管与进气管道之间的自然 存在的压力差而保证。EGR流率和温度分别由沿着EGR管道定位的EGR 阀和EGR冷却器控制。
这种设置对于当前的应用、即设计成满足当前排放标准(例如，在欧 洲设定的用于NOx的0.25 g/km的欧四标准)的应用是合适的。但是，未 来的标准被预期会显著地变得更为严格特别地，欧五的NOx标准比当前 标准低20%。这需要显著增加EGR质量流率，达到总排放流率的65%的 预期值。考虑到这些新的需求，所述己知的设置会带来在EGR冷却器和阀 的尺寸和重量上的无法接受的增加。此外，EGR阀的运动部件的质量的增 加会产生无法接受的增加的反应时间。
与前述类型的现有系统有关的另一个问题是EGR流仍然富含颗粒物质 (PM)形成的前驱物，例如油滴、碳氢化合物、化学反应的PM。因此， 所述系统不适于符合新的PM要求。
为了解决这些问题，己经提出了新的EGR方案，其中EGR管道从排 气后处理单元下游的排气集管分叉出。这些系统通常被称为"低压EGR"。 所述低压回路方案具有两个基本的优点再循环的废气更冷(因此不需要 显著地增加冷却器尺寸)并且没有PM前驱物。更一般地说，额外的好处 还有具有低水平碳氢化合物的气体的再循环，因为所述碳氢化合物通过催化剂被减少。
然而，所述低压系统具有一个缺点在于在EGR管道的端部之间没有足 够的压力差。事实上，在确定的运行条件下，后处理单元下游的排气管中 的压力可能接近于进气管道中的压力，因此通过EGR管道的气体的自然流 动会被削弱。
已经提出了针对这些问题的不同解决方案，包括在EGR管道入口下游 的排气管道中以及在EGR管道出口上游的进气管道中节流阀装置的使用， 以及在EGR管道中压縮机的使用。然而，已知的解决方案在EGR质量流 率和动态响应的控制方面都没有被证明完全符合要求。
发明内容
本发明的一个目的是设计一种没有现有技术中的所述缺点的EGR控制 装置。
这一范围通过如权利要求1所要求保护的发动机EGR装置获得。
在下文中将参照附图对本发明的一个非限制性实施方式进行描述，其
中
图1是根据本发明的EGR装置的示意图2是将图1的所述装置的EGR压縮机的速度表示为驱动电机的电枢 电压的函数的图表；
图3是将EGR压缩机的质量流率表示为所述电机的电枢电压的函数的 图表；
图4是所述电机等效电路的示意图5是表示第一压縮机工作循环的图表；
图6是表示第二压縮机工作循环的图表；
图7是将电机电枢电压示出为时间的函数的一个示例性图表； 图8是将电机电枢电压示出为时间的函数的另一个示例性图表； 图9是EGR压縮机的一个优选实施方式的示意性横截面视图。
具体实施例方式
参见图l，附图标记1表示从排气系统2向内燃发动机4的进气系统提
供废气的再循环的EGR装置。
发动机4是涡轮增压柴油发动机，其包括多个汽缸5以及经由已知的 未示出的阀系统与所述汽缸选择性地相连接的进气集管6和排气集管7。
进气系统3包括沿着与进气集管6相连接的进气管道12串联的空气过 滤器9、增压压缩机10和中间冷却器11。
排气系统2包括沿着排气管道16串联的涡轮13、排气后处理装置14 和消声器15。所述后处理装置包括催化转化器17和颗粒物质(PM)过滤 器18。
压縮机10和涡轮13具有未示出的各自的转子，它们以传统的方式通 过公共轴19刚性地彼此连接。
本发明的EGR装置包括将排气管道16与进气管道12相连接的EGR 管道20。更特别地，EGR管道20从位于后处理装置14下游的排气管道16 处、即后处理装置14与消声器15之间的入口分叉点21延伸到位于压縮机 10上游的进气管道12处、即空气过滤器9与压縮机10之间的出口分叉点 22。所述装置因此是所谓的"低压"EGR系统，因为废气不是从典型参数 为约450°C和2-3 X 105 Pa处的排气集管被再循环，而是从温度可为约250°C 且压力可为约1.05到1.2X 105Pa的后处理装置14的下游被再循环。
所述EGR装置1还包括沿着EGR管道20设置并分别用于控制再循环 废气温度和质量流率的EGR冷却器23和EGR压縮机24。
EGR冷却器23是使用发动机冷却水作为废气的冷却流体的传统气/液 热交换器。EGR冷却器23也可以被集成到压縮机外壳的内部以便于减小整 个系统的尺寸。
EGR压縮机24是旋转型容积式压縮机，例如旋转型叶片式压缩机。 EGR压縮机24由电机25驱动，所述电机25由发动机控制单元(ECU) 27 的控制模块26控制速度，以便于如下文更详细描述地控制再循环气体质量 流率。速度受控的容积式压縮机24的使用允许EGR质量流率能够依据排 放控制需要而被确定并被控制，所述排放控制需要又可以被确定用于每个 发动机工作条件；特别地，最佳EGR百分比值可以以本身已知的方式基于作为运行参数的函数的査找表格28由ECU确定，其中所述运行参数例如 为加速器踏板位置和速度(位置的导数)、发动机每分钟转数以及环境温度; 这些参数由输入到ECU27中的信号S1、 S2、 S3、 S4表示。因此，压縮机 的目标速度可以被确定为发动机工作条件的函数，但是并不取决于发动机 速度本身。
电机25的速度通过改变电枢电压而控制。在稳定条件下，电机25的 速度/电枢电压特性曲线(图2)是拟线性的。因为EGR流率与压縮机24 的速度成比例，所以在稳定条件下在EGR质量流率请求与电机电枢电压之 间存在类似的拟线性的关系(图3)。因此可以通过控制电机25的电枢电压 来控制EGR质量流率。
明显地，在动态条件下，EGR质量流率的变化需要压縮机速度改变， 从而引起压縮机抗转矩的变化。
根据以上所述，从控制的观点出发，来自于ECU的EGR流率请求可 以看成电机25的速度设定点，压縮机抗转矩的变化可以看成扰动。
特别是因为摩擦力，所述抗转矩具有不确定性，但是可以通过基于电 机/压缩机单元的模型的状态观测器来估算，以便于对于以所需的速度参考 值为目标的电机提供前馈控制。
以下给出了用于所述系统的主要元素(压縮机、电机、控制策略)的 数学表示。这可以通过以下的不同方法来实现；此处所给出的一个方法代 表在模型复杂性与工程目的之间的一个合适选择，但很明显其他模型也可 行。
在使用直流电机、启动改变电枢电压的情况下，元素的模型由以下方 程定义 , = ,+，)
& 丄。
其表示根据图4的示意图的电机的电枢电路的电压平衡，其中
/"是电枢电流，
及。是电枢等效电阻，
A是电枢等效电感，
K"是电枢电压，
6《(Z)是总磁通量，以及
W是电机速度； 禾口 Cr)
其表示电机轴上的转矩平衡，其中除了已经定义的符号外，已经忽略 了铁损，
/是旋转质量的惯性矩，
A必是摩擦转矩，以及
CV是由压縮机24施加的抗转矩。
压縮机抗转矩C,取决于由压縮机24在叶片之间的每个空间中的流体 上所做的多变功(polytropicwork) ￡c。如果具有!'个叶片，那么 C _尸。— S = 'A
其中A是由压縮机24所吸收的功率，^d和77c。，^。,是所述压縮机的
机械和多变压縮效率。
参照图5和6的图表，它们表示取决于输送压力水平的压缩机24的可 能的工作循环 A = _fraP + rmin(^-P_Pm)
因此 [5〗
Cr *〖4 /(2;r. 7— . L )《7 .
附
i *恥、z \' / 附一l >9
其中
K^"、 F^^分别是叶片之间的空间的最小和最大容积；
^。,"^，—和是压縮多变效率和机械效率； /^c是压縮机的抽吸侧的压力；
/^/是压縮机的输出侧、即分叉点22处的压力； p是气体密度；和m是多变指数。
为了表示的简单，在下文中认为^。;n;^。/和^d等于-全面的表示，可以容易地将合适的值代入到以下方程中。 基于以上模型，状态观测器的方程如下
但是，为了更
其中
—1 -A/〃_+
0 1A -
0
0
'o—附or
+
"Jit
丄，
是测量到的电枢电流，
C^。w从方程[5]获知，以及
丄7、丄2是确定状态观测器速度的反馈增益
有 [8]
」=
K〃 1
C=[l 0]，和
丄=
丄,
增益丄7和丄2可以根据控制理论估算。例如，它们可以通过实施观测器 的闭环状态矩阵的特征值来确定
1-A
—丄，
Af〃 1
基于根据上述状态观测器估算的抗转矩值G + JG和电机目标速度， 参考电枢控制电压可以被确定
<formula>formula see original document page 8</formula>
凡+孤a^
标
为了优化电机25的动态响应，计算得到的名义控制电压可以经由具有 一个零点和一个极点的补偿器过滤。所述补偿器可以用拉普拉斯变换由以
下方程表示
<formula>formula see original document page 8</formula>
<formula>formula see original document page 8</formula>
如果没有补偿的电枢参考电压KK是阶梯函数，那么所述方程可以由200680056906.9
说明书第7/8页
图7的图表在时域中示出，其中补偿值Kj曲线在每个阶梯前部具有峰值， 每个峰值代表了在与所需的电压变化相同的方向上迅速地减小的、短暂的 电压"过冲"。
可选地，峰值可以由短的过冲阶梯或者阶梯脉冲替代，如图8中所示， 每个脉冲包括一个或多个阶梯。
除了以上描述的前馈控制之外，可以设置反馈速度控制，以便于产生 控制系统，所述控制系统在速度设定点方面是精确的，或者对于所述控制 系统来说在电机-压縮机速度中的误差小于固定的可接受值。为此，可以使 用传统的PID控制器。
在这种情况下，电枢电压可以提供如下 r,^T+风^，
3巾 △、# =尺,("测量—~示)+《}("泄—,标) ", +《d " 标)
0 加
增益A^和&和Xrf可以被调整以设定组件的动态响应。
图1中示出了该控制的一个方案。
以这种方式，最佳动态响应由前馈控制确保，最佳精度由反馈控制确保。
作为备选方案，可以添加基于测量的电枢电流^w皿与计算的名义电枢
电流4一,,。《之间的差的比例反馈 △、" = Kp(w测量—~示)+《—^标).& + &咖测量，示)+ W。 JH" ,W)
根据本发明的一个实施方式，压縮机24可以是如图9中示意性示出的 单叶片的偏心转子压縮机。
压縮机24包括限定出轴A的圆柱形腔体30的外壳29。基本径向的抽 吸端口 31和输出端口 32与腔体30联通。压縮机24还包括偏心转子33， 所述偏心转子33具有相对于轴A平行但偏置的轴。单叶片34径向并滑动 地被容纳在位于端口 31与32之间的外壳29的座35中，并且被弹簧36偏压抵靠转子33以便于在转子33的横向表面37上密封地滑动。
这种压缩机已经被证明特别有效，因为其相对于传统的旋转型叶片式 压縮机具有低的摩擦和良好的动力表现。
在空气过滤器9与EGR出口分叉点22之间，节流阀40 (图1)可以 可选地被包含在进气管道12上，以便于降低点22处的压力值并因此有助 于EGR流动或者减小压縮机做功。
容积式压縮机在其中EGR气体被输送到增压压縮机10上游的入口管 道中的低压EGR装置的框架中的使用在独立于发动机速度本身和总废气流 率的情况下提供了对EGR流率的独立控制，所述EGR流率可以在发动机 的每个运行条件下被设定在任何所需的水平上。就此而言，容积式压縮机 24主要具有传递和限流作用，而不是加压作用；为此，重要的是分叉点22 位于压力值较低且基本恒定的增压压縮机10的上游。
容积式压縮机24可以省去EGR阀。
基于估算电机吸收的未来转矩的数学模型而进行的电机控制的部分提 供了高的响应性，而无需查找表格，所述查找表格要求设定长的实验且不 考虑系统老化期间的参数漂移。
明显地，所描述的EGR装置在不脱离权利要求范围的情况下可以被改变。
特别地，电机可以是不同的类型，并且启动量可以是电枢电压之外的 其它量，例如电流、占空因数、频率等等，以及基本上任何适用于所用电 机类型的量。
反馈控制可以是任何已知的类型，例如PI类型。
ECU内部的EGR速率的估算(作为发动机速度和负载的函数)也可以 以不同方式完成(基于模型的估算、查找表格/基于模型的混合，等等……)。
权利要求
1.一种内燃发动机(4)的EGR装置，其包括引导来自所述内燃发动机的废气流穿过涡轮(13)和后处理装置(14)的排气管道(16)、引导流向内燃发动机的进气空气流通过增压压缩机(10)的进气管道(12)、将所述排气管道(16)在所述后处理装置(14)的下游点处与所述进气管道(12)在所述压缩机(10)的上游点处相连接的EGR管道(20)，所述EGR装置包括沿着所述EGR管道(20)设置的EGR冷却器(23)和容积式压缩机(24)、驱动所述容积式压缩机(24)的电机(25)以及响应于EGR流率请求而控制所述电机(25)的控制装置(26)，所述EGR流率请求取决于所述内燃发动机(4)的运行参数。
2. 根据权利要求1所述的EGR装置，其特征在于，所述电机(25)是通过改变电枢电压而速度受控的直流电机。
3. 根据权利要求1所述的EGR装置，其特征在于，所述控制装置(26)是基于模型的。
4. 根据前述权利要求任一项所述的EGR装置，其特征在于，所述控制装置包括估算所述容积式压縮机(24)的抗转矩的状态观测器。
5. 根据权利要求4所述的EGR装置，其特征在于，所述控制装置包括在电压瞬变处在与电压变化相同的方向上产生电压过冲的控制电压补偿器。
6. 根据权利要求5所述的EGR装置，其特征在于，所述控制电压补偿器具有零点和极点。
7. 根据前述权利要求任一项所述的EGR装置，其特征在于，所述控制装置包括基于模型的前馈控制装置和反馈控制装置。
8. 根据权利要求7所述的EGR装置，其特征在于，所述反馈控制装置是PI类型的。
9. 根据权利要求7所述的EGR装置，其特征在于，所述反馈控制装置是PID类型的。
全文摘要
一种内燃发动机(4)的EGR装置，包括将发动机(4)的排气管道(16)在后处理装置(14)的下游点处与进气管道(12)在压缩机(10)的上游点处相连接的EGR管道(20)、沿着所述EGR管道(20)设置的EGR冷却器(23)和EGR容积式压缩机(24)。所述EGR压缩机(24)由电机(25)驱动，所述电机(25)由基于模型的控制模块(26)响应于EGR流率请求而控制，所述EGR流率请求取决于所述内燃发动机(4)的运行参数。
文档编号F02M25/07GK101631947SQ200680056906
公开日2010年1月20日 申请日期2006年12月11日 优先权日2006年12月11日
发明者A·罗兰多 申请人:迪泰昂萨有限公司