СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДВС Российский патент 1998 года по МПК F02P17/00 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для управления и диагностики двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известен способ контроля рабочего процесса ДВС по сигналу ионного тока [1] , при котором подают постоянное напряжение на электроды искрового разрядника, размещенного в камере сгорания ДВС, измеряют величину ионного тока, пропорционального ионной проводимости между электродами, и по форме кривой ионного тока определяют параметры рабочего процесса, которые используют для управления ДВС. При этом постоянное тестовое напряжение подают во вторичную цепь зажигания в точке соединения низковольтного вывода вторичной обмотки катушки зажигания с одним из выводов измерительного конденсатора, второй вывод которого заземляют через токоизмерительный резистор, а ионный ток во вторичной цепи катушки зажигания выявляют как падение напряжения на токоизмерительном резисторе.

Недостатком способа является сложность реализации, что обусловлено применением специального источника тестового напряжения, устройства высоковольтной развязки, служащего для защиты источника тестового напряжения от импульсов зажигания, и предъявлением повышенных требований к частотным параметрам катушки зажигания, поскольку измеряемый ионный ток протекает через вторичную обмотку катушки.

За прототип взят способ контроля ДВС путем измерения концентрации ионов (ионной проводимости искрового промежутка разрядника) в камере сгорания ДВС [2, 3] , заключающийся в том, что по окончании искрового разряда производят заряд емкостного делителя напряжения, подключенного параллельно электродам разрядника, размещенного в камере сгорания ДВС.

Способ подразумевает измерение времени разряда емкостного делителя, пропорционального величине емкости и обратно пропорционального проводимости искрового промежутка разрядника. Известно, что при снижении тока искрового разряда ниже некоторого порогового значения искра гаснет, а во вторичной обмотке катушки зажигания возникают затухающие свободные колебания тока и напряжения за счет энергии, остающейся в магнитном поле катушки зажигания. Амплитуда свободных колебаний может достигать нескольких сотен вольт. Согласно прототипу первая полуволна свободных колебаний, проходя через диод, последовательно включенный во вторичную цепь катушки зажигания, заряжает емкостной делитель до амплитудного значения напряжения, после чего начинается его разряд через сопротивление искрового промежутка. Напряжение со средней точки емкостного делителя поступает на вход детектора пропуска воспламенения, который измеряет время разряда емкостного делителя. Если воспламенение топливовоздушной смеси в камере сгорания произошло, то время разряда емкостного делителя будет значительно меньше времени его разряда в отсутствии воспламенения, так как наличие свободных ионов, возникающих при сгорании топливовоздушной смеси, резко снижает сопротивление искрового промежутка. Таким образом, путем измерения длительности разряда емкостного делителя (времени снижения напряжения на нем от некоторой величины, получаемой при заряде, до нуля) получают информацию о пропусках воспламенения в цилиндре ДВС.

Достоинством данного способа является простота его реализации, что обусловлено отсутствием дополнительного источника энергии, устройства высоковольтной развязки, а также отсутствием специальных требований к катушке зажигания.

Недостатком описанного способа являются низкая точность и ограниченные функциональные возможности. Это обусловлено тем, что величина напряжения заряда емкостного делителя по окончании искрового разряда флюктуирует, т.к. процесс сгорания в ДВС является стохастическим. Следовательно, и время разряда емкостного делителя будет значительно изменяться от цикла к циклу и поэтому может использоваться лишь для качественной оценки наличия или отсутствия сгорания рабочей смеси в камере сгорания. Кроме того, процесс измерения производится однократно. Вследствие этого известный способ не может быть применим для оценки качества рабочего процесса ДВС посредством исследования индикаторной диаграммы, для оценки состава топливовоздушной смеси, для диагностики состояния электродов разрядника.

Задачей заявляемого технического решения является повышение точности и расширение функциональных возможностей контроля рабочего процесса ДВС.

Указанная задача решается способом контроля рабочего процесса ДВС по ионной проводимости, при котором формируют импульс напряжения, производят заряд емкостного делителя напряжения, подключенного параллельно электродам разрядника, размещенного в камере сгорания ДВС, и измеряют напряжение в средней точке емкостного делителя, причем напряжение измеряют непосредственно после заряда и спустя некоторое, меньшее времени полного разряда делителя, время после первого измерения, а затем вычисляют разность измеренных напряжений.

При необходимости осуществления контроля во многих точках рабочего цикла указанные действия производят периодически.

Для учета влияния изменений напряжения питания и параметров катушки зажигания напряжение на емкостном делителе регулируют путем изменения периода упомянутых действий.

Для контроля диаграммы давления в камере сгорания двигателя упомянутые периодические действия производят в фазовом интервале рабочего цикла ДВС между окончанием искрового разряда и окончанием такта рабочего хода ДВС.

Контроль состава смеси осуществляют, производя упомянутые действия на такте выпуска.

Для контроля состояния искрового разрядника, например наличия нагара на его электродах, упомянутые действия производят на такте впуска или сжатия ДВС.

С целью повышения точности путем учета шунтирующего действия загрязнений электродов разрядника результаты вычислений на такте рабочего хода или выпуска корректируют с учетом вычислений на такте впуска или сжатия.

На Фиг.1 представлен пример реализации заявляемого способа в виде системы зажигания ДВС. На Фиг. 2 - 4 показаны эпюры напряжений, возникающих в различных точках системы зажигания.

Система зажигания ДВС (фиг. 1) включает в себя блок 1 управления, искровой разрядник 2, размещенный в камере сгорания ДВС, причем один из электродов разрядника соединен с массой ДВС, и канал 3 зажигания, состоящий из силового ключа 4, катушки 5 зажигания, дополнительного конденсатора 6, диода 7 и конденсаторов 8, 9, образующих емкостной делитель напряжения 10. Блок управления снабжен выходом 11 управления и измерительным входом 12. Ключ 4 служит для подключения первичной обмотки катушки 5 зажигания к источнику питания (не показан), вход управления силового ключа 4 соединен с выходом 11 блока 1. Дополнительный конденсатор 6 включен параллельно первичной обмотке катушки 5 зажигания. Диод 7 включен последовательно с высоковольтным выводом вторичной обмотки катушки 5 зажигания перед точкой подключения первой обкладки измерительного конденсатора 8, причем второй вывод вторичной обмотки подключен к источнику питания. Конденсатор 9, включенный между второй обкладкой конденсатора 8 и массой двигателя, образует с конденсатором 8 емкостной делитель 10 напряжения, включенный параллельно электродам искрового разрядника 2. Средняя точка емкостного делителя соединена с измерительным входом 12 блока 1 управления.

Работу системы зажигания по предлагаемому способу можно разделить на две фазы. Первая фаза, формирование искрового разряда, - традиционная и включает в себя накопление энергии зажигания, пробой искрового промежутка и поддержание тлеющего разряда. Блок 1 управления формирует на своем выходе 11 импульс управления ключом 4 (см. фиг.2). При поступлении этого импульса на вход управления ключа 4 последний коммутирует первый вывод первичной обмотки катушки 5 зажигания на массу. Второй вывод первичной обмотки катушки 5 соединен с первым полюсом источника питания, второй полюс которого соединен с массой. При этом через первичную обмотку начинает протекать нарастающий от нуля ток, вызывающий появление связанного с ним магнитного потока. В магнитном поле катушки накапливается энергия, необходимая для формирования искрового разряда на разряднике 2. Время T1 включенного состояния ключа 4 определяет величину тока в первичной обмотке катушки 5 зажигания и соответственно величину запасаемой в магнитном поле энергии. При размыкании первичной цепи катушки 5 зажигания ток и порождаемый током магнитный поток быстро спадают до нуля, что вызывает появление ЭДС самоиндукции в первичной и вторичной цепях катушки 5 зажигания. Величина А1 напряжения ЭДС во вторичной цепи нарастает до тех пор, пока не наступит электрический пробой искрового разрядника 2 (7 - 15 кВ). После пробоя напряжение на электродах разрядника 2 уменьшается до напряжения поддержания тлеющего разряда (500-700 В). Время существования тлеющего разряда (1,5 - 2 мсек) определяется количеством запасенной энергии, величиной тока разряда и условиями горения, например турбулентностью в камере сгорания. На этом первая традиционная фаза работы системы зажигания заканчивается и наступает вторая фаза - измерения ионной проводимости.

После окончания искрового разряда блок 1 формирует по меньшей мере один импульс управления длительностью T2 (см. фиг. 2), в результате чего на электродах разрядника 2, а следовательно, и на емкостном делителе 10 возникает импульс напряжения с амплитудой А2. Электрического пробоя при этом не происходит, поскольку величина А2 гораздо меньше напряжения пробоя. Будучи заряженным до напряжения А2, емкостной делитель 10 разряжается через проводимость разрядника 2. На рабочем такте ДВС эта проводимость зависит от концентрации свободных ионов [1] , которая определяется параметрами рабочего процесса ДВС, такими как температура t, давление P. Непосредственно после заряда емкостного делителя 10 блок 1 управления производит измерение и запоминание напряжения (фиг. 4) на своем измерительном входе 12. Спустя некоторое экспериментально определенное время T3 после заряда емкостного делителя 10, блок 1 вновь производит измерение оставшегося напряжения на емкостном делителе 10 и вычисляет разность измеренных напряжений, по которой судят о величине ионной проводимости. Величина T3 зависит от величины максимально возможной при выбранном напряжении заряда емкостного делителя 10 ионной проводимости, которая в свою очередь определятся величинами максимального давления и температуры в камере сгорания, составом топливовоздушной смеси, а также емкости емкостного делителя 10 и параметров катушки 5 зажигания. Его величина выбирается таким образом, чтобы за время T3 при максимально возможной для данного типа ДВС ионной проводимости не происходил полный разряд делителя 10.

Известно, что величина ионной проводимости между электродами разрядника, размещенного в камере сгорания ДВС, пропорциональна давлению в камере сгорания [1, 4]. Поэтому для контроля рабочего процесса ДВС, важнейшим показателем которого являются параметры диаграммы давления в камере сгорания (индикаторной диаграммы), блок 1 формирует импульсы управления ключом 4, производит измерение напряжения на емкостном делителе 10 после его заряда и через время T3, а также вычисление разности измеренных напряжений периодически.

Параметры реальных ключа 4, катушки 5 зажигания, конденсаторов 6, 8, 9, диода 7, разрядника 2 и соединяющих их проводов могут изменяться от образца к образцу. Кроме того, напряжение питания системы может быть нестабильным. С целью повышения точности процесса измерения блок 1 управления имеет возможность регулирования амплитуды А2 заряда емкостного делителя 10 путем изменения длительности T2 импульса управления, что является общеизвестным. Согласно предлагаемому изобретению блок 1 производит регулирование амплитуды А2 путем изменения периода формирования T (T = T2 + T3) импульсов заряда емкостного делителя 10, измерения напряжения в его средней точке и вычисления разности. Управление амплитудой А2 путем изменения периода T (или другими словами, частоты f, поскольку f=1/T) возможно в области резонанса системы магнитосвязанных резонансных контуров, образованных индуктивностями рассеивания и распределенными емкостями первичной и вторичной обмоток катушки 5 зажигания. Вышеназванные емкости и индуктивности являются конструктивными параметрами и присущи любой катушке зажигания.

Поскольку основная информационная часть диаграммы давления в камере сгорания (индикаторной диаграммы) ДВС протекает от момента зажигания до начала такта выпуска [2], то упомянутые периодические действия производят в фазовом интервале рабочего цикла ДВС между окончанием искрового разряда и окончанием такта рабочего хода.

На такте выпуска давление в камере сгорания практически постоянно. Известно [5], что концентрация ионов NO_x отработавших газов существенно зависит от состава исходной топливовоздушной смеси, причем максимума она достигает при коэффициенте избытка воздуха, примерно равном 1,07. Поскольку величина ионного тока определяется, главным образом, количеством относительно долгоживущих ионов NO_x [1], то при прочих равных условиях она будет зависеть от коэффициента избытка воздуха. Поэтому осуществление упомянутых действий на такте выпуска позволяет судить о составе смеси.

На такте впуска или в начале такта сжатия в камере сгорания ДВС свободные ионы практически отсутствуют. Если электроды разрядника загрязнены нагаром, то его сопротивление снижается до 1 Мом [6], в то время как сопротивление чистого разрядника находится в пределах 10 - 100 Мом. Поэтому, произведение упомянутых действий в этой фазе работы ДВС позволит оценить шунтирующее сопротивление загрязненного разрядника 2.

Для учета тока, протекающего через шунтирующий разрядник загрязнения, результаты вычислений, выполненных на тактах рабочего хода и/или выпуска, корректируют с учетом результатов вычислений, произведенных на тактах впуска или сжатия. Корректировка проводится, например, путем вычитания разности напряжения, вычисленной на такте впуска или сжатия, из разности напряжений, вычисленной на тактах рабочего хода или выпуска.

Таким образом, заявляемый способ позволяет контролировать такие важнейшие характеристики рабочего процесса ДВС, как параметры индикаторной диаграммы (относительные значения давления в камере сгорания, положение максимума давления, форма индикаторной диаграммы, позволяющая судить о наличии/отсутствии детонации, пропусков воспламенения смеси), состав смеси, а также состояние электродов искрового разрядника в камере сгорания. Способ реализуется (см. фиг. 1) достаточно просто, при этом не требуется дополнительного источника питания и высоковольтной развязки, отсутствуют специальные требования к катушке зажигания.

Список используемых источников информации
1. SAE paper N 960337. An lonization Equilibrium Analysis of the Spark Plug as an lonization Sensor. Andre Saitzkoff, Raymond Reinman, and Thomas Berglind from Lund lnstitute of technoljgy, Magnus Glavmo from Mecel.

2. SAE paper N 930462. Flame lon Density Mesurement Using Spark Plug Voltage Analysis. Shugeru Miyata and Yasuo lto (NGK), Yuichi Shimasaki (Honda).

3. Патент США N 4648367, публ. 10.03.87 г.

4. SAE paper N 960045. lgnition Control by lonization current Interpretation, Lars Eriksson and Lars Nielsen, Linkoping Univ., Jan Nytomt, Mecel AB.

5. А. З. Филлипов. Токсичность отработавших газов тепловых двигателей. Киев. Вища школа. 1980.

6. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями./Под редакцией Д. Хиллиарда, Дж. Спрингера, М.: Машиностроение, 1988 г., стр. 260.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для диагностики двигателей внутреннего сгорания. Способ заключается в том, что формируют импульс напряжения, производят заряд емкостного делителя напряжения, подключенного параллельно электродам разрядника, размещенного в камере сгорания ДВС, и измеряют напряжение в средней точке емкостного делителя непосредственно после заряда и спустя некоторое время, меньшее времени полного разряда делителя, а затем вычисляют разность измеренных напряжений. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ контроля рабочего процесса ДВС по ионной проводимости, заключающийся в том, что формируют импульс напряжения, производят заряд емкостного делителя напряжения, подключенного параллельно электродам разрядника, размещенного в камере сгорания ДВС, и измеряют напряжение в средней точке емкостного делителя, отличающийся тем, что напряжение измеряют непосредственно после заряда и спустя некоторое время, меньшее времени полного разряда делителя, а затем вычисляют разность измеренных напряжений. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутые действия производят периодически. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что напряжение на емкостном делителе регулируют путем изменения периода упомянутых действий. 4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что упомянутые периодические действия производят в фазовом интервале между окончанием искрового разряда и окончанием такта рабочего хода ДВС. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутые действия производят на такте выпуска ДВС. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутые действия производят на такте впуска или сжатия ДВС. 7. Способ по пп.1 и 6, или 1, 2 и 6, или 1, 3 или 6, или 1, 4 и 6, или 1, 5 и 6, отличающийся тем, что результаты вычислений, производимых на тактах рабочего хода или выпуска, корректируют с учетом результатов вычислений, произведенных на тактах впуска или сжатия.