СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОПЛИВОПОДАЧИ В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВПРЫСКОМ ТОПЛИВА ВО ВПУСКНОЙ ТРАКТ Российский патент 1998 года по МПК F02D3/04 F02D9/02 F02D41/18 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания и касается электронного регулирования топливоподачи в двигателях внутреннего сгорания.

Известен способ регулирования топливоподачи в двигатель внутреннего сгорания с впрыском топлива во впускной тракт, заключающийся в том, что до начала такта впуска текущего рабочего цикла в рассматриваемом цилиндре сначала измеряют на выбранном угловом интервале поворота коленчатого вала значения часового расхода воздуха через дроссельную заслонку, вычисляют цикловой расход воздуха в текущий момент времени и цикловую подачу топлива, определяют требуемое количество топлива и воздействуют в соответствии с полученным результатом на орган управления подачей топлива (патент СССР N 1719686, F 02 D 41/00, опубл. 15.03.92, БИ N 10).

При использовании известного способа регулирования топливоподачи, как и других известных способов регулирования, для того, чтобы минимизировать возможные динамические ошибки в реализации подачи топлива и обеспечить требуемые показатели рабочего процесса двигателя, подачу топлива в данном цилиндре завершают до начала такта впуска в нем. Подаче топлива предшествует расчет величины цикловой подачи топлива на основании информации о цикловом наполнении, величину которого также необходимо вычислить. В конечном счете, положение коленчатого вала, соответствующее реальному цикловому наполнению цилиндра, отстает от углового положения коленчатого вала, соответствующего вычисленному цикловому наполнению на 200-390^o поворота коленчатого вала (п.к. в. ). Это снижает достоверность оценки циклового наполнения цилиндров воздухом и снижает точность регулирования топливоподачи.

Для того, чтобы обеспечить требуемый состав смеси, необходимо осуществлять топливоподачу в соответствии с количеством воздуха, который в цилиндр двигателя еще не поступал и величину которого на момент подачи топлива можно определить только с какой-то долей вероятности.

Известен способ регулирования топливоподачи в двигатель внутреннего сгорания с впрыском топлива во впускной тракт, заключающийся в том, что до начала такта впуска текущего рабочего цикла в рассматриваемом цилиндре сначала измеряют на выбранном угловом интервале поворота коленчатого вала величины, характеризующие расход воздуха через дроссельную заслонку, вычисляют цикловой расход воздуха в текущий момент времени G1вц

определяют на основании прогноза изменение положения дроссельной заслонки от этого момента времени до выбранного момента времени при такте впуска в текущем рабочем цикле и соответствующее изменение циклового наполнения ΔGпрвцi , а затем вычисляют ожидаемое цикловое наполнение цилиндра воздухом и цикловую подачу топлива в текущем цикле, определяют требуемое количество топлива и воздействуют а соответствии с полученным результатом на орган управления подачей топлива. Ожидаемое цикловое наполнение цилиндра воздухом определяют как сумму упомянутых слагаемых G1вцi и ΔGпрвцi , а в качестве величины, характеризующей расход воздуха через дроссельную заслонку, используют абсолютное давление во впускном тракте (патент США N 5069184, НКИ 123-422, опубл. 1991).

При реализации способа регулирования по патенту США N 5069184 (прототип) повышается точность управления по сравнению с вышеупомянутым аналогом, поскольку согласно прототипу момент получения информации об изменении циклового наполнения приближен к моменту ее использования. Однако и в прототипе не учитывается реальное цикловое наполнение, полученное непосредственно после завершения текущего такта впуска в рассматриваемом цилиндре, и это снижает точность регулирования топливоподачи в двигателе.

Задачей создаваемого изобретения является разработка способа регулирования топливоподачи в двигателе внутреннего сгорания с впрыском топлива во впускной тракт, который бы позволил повысить точность регулирования топливоподачи за счет повышения достоверности оценки циклового наполнения двигателя воздухом путем сокращения интервала времени между последним моментом получения информации о цикловом наполнении цилиндра воздухом и моментом ее использования при реализации управления подачей топлива.

Эта задача достигается тем, что согласно заявляемому способу регулирования топливоподачи в двигатель внутреннего сгорания с впрыском топлива во впускной тракт, заключающемуся в том, что до начала такта впуска текущего рабочего цикла в рассматриваемом цилиндре сначала измеряют на выбранном угловом интервале поворота коленчатого вала величины, характеризующие расход воздуха через дроссельную заслонку, вычисляют цикловой расход воздуха в текущий момент времени G1вцi

, определяют на основании прогноза изменения положения дроссельной заслонки от этого момента времени до выбранного момента времени при такте впуска в текущем рабочем цикле и соответствующее изменение циклового наполнения ΔGпрвцi , а затем вычисляют ожидаемое цикловое наполнение цилиндра воздухом и цикловую подачу топлива в текущем рабочем цикле, определяют требуемое количество топлива и воздействуют в соответствии с полученным результатом на орган управления подачей топлива. Ожидаемое цикловое наполнение цилиндра воздухом определяют по формуле Gожидвцi = G1вцi+k_i-1•ΔGпрвцi , где k - коэффициент, характеризующий ошибку упомянутого прогнозирования, при этом при определении ожидаемого циклового наполнения цилиндра в текущем рабочем цикле используют величину k_i-1, вычисленную в предшествующем ему рабочем цикле, а величину k_i, которую вычисляют в текущем рабочем цикле, используют для определения ожидаемого циклового наполнения в последующем за ним цикле, причем перед определением величины k_i дополнительно определяют фактическое цикловое наполнение цилиндра воздухом в такте впуска текущего рабочего цикла Gфактвцi и величину k_i подсчитывают по формуле

При использовании заявляемого способа удается существенно сократить интервал времени между последним моментом получения информации о цикловом наполнении цилиндра воздухом и моментом ее использования при реализации подачи топлива, а следовательно, повысить достоверность оценки циклового наполнения двигателя воздухом, как следствие, повысить точность регулирования топливоподачи.

На фиг. 1 приведен график, поясняющий методику вычисления циклового наполнения цилиндра воздухом и регулирования топливоподачи в двигателе внутреннего сгорания с впрыском топлива во впускной тракт на основе анализа изменения положения дроссельной заслонки в зависимости от угла ϕ поворота коленчатого вала; на фиг. 2 показана схема устройства для регулирования топливоподачи; на фиг. 3 - блок-схема электронного блока управления; на фиг. 4 приведены результаты испытаний двигателя при оптимальном (с использованием заявляемого способа регулирования) и неоптимальном регулированиях топливоподачи.

На графике фиг. 1 показано прогнозируемое изменение положения дроссельной заслонки, при этом позициями 1, 2, 3, 4 обозначены моменты времени определения соответственно циклового наполнения цилиндра воздухом G1вцi

(по результатам измерения часового расхода воздуха через дроссельную заслонку), положения дросселя δ2i , ожидаемого циклового наполнения цилиндра воздухом в текущем рабочем цикле Gожидвцi, , цикловой подачи топлива G_тцi.

На этом же графике введены следующие обозначения:
ϕ_Gв - угловой интервал поворота коленчатого вала, на котором производят измерение расхода воздуха через дроссельную заслонку;
ϕ_ext - угловой интервал поворота коленчатого вала, на котором прогнозируется изменение положения дроссельной заслонки;
ϕбреp

- угловой интервал поворота коленчатого вала от момента определения циклового наполнения цилиндра воздухом G1вцi до момента вычисления цикловой подачи топлива G_тцi;
ϕ_cal и ϕ_inj - угловые длительности интервалов, необходимые соответственно для расчета величины и осуществления подачи топлива.

Двигатель внутреннего сгорания (фиг. 2) содержит впускной трубопровод 5 с установленными в нем дроссельной заслонкой 6, датчиком 7 расхода воздуха, датчиком 8 температуры воздуха и датчиком 9 абсолютного давления, коленчатый вал 10, датчик 11 угловых импульсов для измерения положения и частоты "n" вращения коленчатого вала, датчик 12 температуры охлаждающей жидкости, установленный в рубашке охлаждения двигателя, датчик 13 положения дроссельной заслонки, электромагнитную форсунку 14 для подачи топлива во впускной трубопровод 5. Датчики 7, 8, 9, 11, 12, 13 подключены к входам электронного блока управления 15. Электронный блок управления 15 (фиг. 3) содержит шину обмена данными 16, процессор 17, постоянное запоминающее устройство 18 с размещенной в нем программой управления, оперативное запоминающее устройство 19, подсистему 20 ввода измерительных сигналов, к которой подключены датчики 7, 8, 9, 11, 12, 13, и подсистему 21 вывода управляющих сигналов, к которой подключена форсунка 14.

Заявляемый способ основан на следующих предпосылках. Известно, что основной причиной изменения циклового наполнения циклового наполнения является изменение положения дроссельной заслонки, а положение дроссельной заслонки, с определенной погрешностью, характеризует цикловое наполнение при данной частоте вращения коленчатого вала: G_вц= F(δ,n). Поставив в соответствие цикловому наполнению, определенному по датчику массового расхода воздуха G_вц(G_в), цикловое наполнение, определенное по положению дроссельной заслонки G_вц(δ) , и учитывая влияние факторов искажающих эту связь, представляется возможным оценить изменение наполнения к моменту начала расчета подачи топлива и спрогнозировать его изменение к моменту оценки циклового наполнения, основываясь на анализе изменения положения дроссельной заслонки.

Угловое положение дроссельной заслонки δ3i

в момент оценки ожидаемого циклового наполнения может быть определено как значение функции экстраполяции вычисленной по результатам измерения положения δ1i дроссельной заслонки в момент, соответствующий полученной оценке циклового наполнения и в момент вычисления цикловой подачи топлива δ2i (фиг. 1)

Зная вероятное положение дроссельной заслонки при угловом положении коленчатого вала, соответствующем оценке реального циклового наполнения, становится возможным оценить ожидаемое цикловое наполнение как величину, равную сумме оценки величины циклового наполнения, полученной на основании непосредственного измерения расхода воздуха и величины измерения циклового наполнения, рассчитанной на основании прогноза изменения положения дроссельной заслонки:

где
G_вцвs(δ,n) цикловое наполнение, определяемое предварительно на установившихся режимах работы двигателя в зависимости от положения дроссельной заслонки и частоты вращения коленчатого вала двигателя, k - коэффициент, характеризующий ошибку упомянутого прогнозирования.

Прогноз ожидаемого циклового наполнения цилиндра воздухом может быть уточнен непосредственно после завершения такта впуска. Для этой цели можно использовать оценку реального циклового наполнения Gфактвцi

, полученную непосредственно после завершения такта впуска. Сопоставив оценку реального циклового наполнения с оценкой, рассчитанной на основании прогноза изменения положения дроссельной заслонки, можно вычислить поправочный коэффициент k_i, характеризующий ошибку прогнозирования, в виде:

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

До начала такта впуска текущего рабочего цикла в рассматриваемом цилиндре двигателя на выбранном угловом интервале поворота коленчатого вала сначала с помощью датчика массового расхода воздуха измеряют часовой расход воздуха через дроссельную заслонку 7. Упомянутый угловой интервал ϕ_Gв определяется как отношение угловой длительности рабочего цикла к числу цилиндров. Для 4-цилиндрового 4-тактного двигателя этот интервал составляет 180^o п.к.в. Поскольку минимальная частота вращения коленчатого вала, при которой должна быть обеспечена удовлетворительная точность измерения массового расхода воздуха, для современных двигателей не ниже 500 мин^-1, то для принятой частоты опроса датчика (порядка 480 Гц) угловой интервал опроса должен составлять около 6^o п.к.в. Уменьшение этого интервала, не давая выигрыша в точности измерения сигнала датчика, привело бы к значительному увеличению затрат на хранение и обработку получаемой информации.

Далее с помощью цифрового фильтра производят интегрирование мгновенного расхода воздуха с целью получения осредненной оценки массы прошедшего через датчик воздуха в единицу времени, а затем, используя полученные значения часового расхода воздуха, частоты вращения коленчатого вала, температуры охлаждающей среды и воздуха вычисляют цикловой расход воздуха в текущий момент времени G1вцi

(точка 1 на фиг. 1 соответствует середине интервала ϕ_Gв ) путем деления измеренного расхода воздуха на частоту вращения коленчатого вала. Далее прогнозируют изменение положения дроссельной на интервал ϕ_ext от этого момента времени до выбранного момента времени при такте впуска в текущем рабочем цикле (точка 3 на фиг.1, соответствующая середине этого такта), и соответствующее изменение циклового наполнения ΔGпрвцi, определяемое как
ΔGпрвцi= ΔG_вцвs(δ3i,n_i)-ΔG_вцвs(δ1i,n_i) ,
определяют ожидаемое цикловое наполнение цилиндра воздухом
Gожидвцi = G1вцi+k_i-1•ΔGпрвцi
и по этой величине - цикловую подачу топлива G_тцi (на фиг. 1 этот момент времени соответствует точке 2) в текущем рабочем цикле. Далее определяют требуемое количество топлива G_впрi в текущем рабочем цикле и воздействуют в соответствии с полученным результатом на орган управления подачей топлива. Требуемое количество топлива в текущем рабочем цикле G_впрi определяют по методике, описанной в аналоге (патент РФ N 1719686). Все эти операции осуществляют до начала такта впуска текущего рабочего цикла в рассматриваемом цилиндре, а завершают подачу топлива в момент, совпадающий с началом впуска.

При определении ожидаемого циклового наполнения цилиндра в текущем рабочем цикле используют величину k_i-1, вычисленную в предшествующем ему рабочем цикле, а величину k_i, которую вычисляют в текущем рабочем цикле, используют для определения ожидаемого циклового наполнения в последующем за ним цикле. Перед определением величины k_i непосредственно после завершения такта впуска определяют реальное, фактическое цикловое наполнение цилиндра воздухом в такте впуска текущего рабочего цикла Gфактвцi

, , а поправочный коэффициент k_i, характеризующий ошибку прогнозирования, подсчитывают по формуле

Описанный выше способ регулирования топливоподачи в двигатель внутреннего сгорания с впрыском бензина во впускной тракт реализуется с помощью устройства, показанного на фиг. 2 и 3. При работе двигателя измеряют с помощью датчика 8 значения температуры воздуха на впуске, с помощью датчика 11 положение и значение частоты коленчатого вала, с помощью датчика 13 - положение дроссельной заслонки, с помощью датчика 7 - значение часового расхода воздуха двигателем, с помощью датчика 9 - значение абсолютного давления воздуха во впускной системе двигателя, с помощью датчика 12 - значения температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя. Электрические сигналы с этих датчиков поступают в подсистему ввода измерительных сигналов 20 электронного блока управления 15, где эти электрические сигналы преобразуются в цифровой вид, передаются в процессор 17 и обрабатываются процессором 17 с использованием программы управления, размещенной в постоянном запоминающем устройстве 18. При необходимости промежуточные данные обработки размещаются в оперативном запоминающем устройстве 19. Полученные результирующие данные обработки передаются в подсистему вывода управляющих сигналов 21, где эти данные преобразуются из цифрового вида в электрические сигналы и поступают на исполнительное устройство, обеспечивая управление впрыском топлива форсункой 14.

Использование при регулировании топливоподачи информации в виде фактического циклового наполнения Gфактвцi

, полученной непосредственно после завершения такта впуска, и поправочного коэффициента k, характеризующего ошибку в прогнозировании ожидаемого циклового наполнения цилиндра воздухом, позволяет сократить время запаздывания между последним моментом получения информации и ее реализацией при регулировании топливоподачи в двигателе и тем самым повысить точность упомянутого регулирования.

Критерием достоверности заявляемого способа регулирования может служить соответствие реальных регулировок рабочего процесса требуемым. При испытаниях двигателя на моторном стенде фиксировали отклик частоты вращения коленчатого вала двигателя на резкое открытие дроссельной заслонки при оптимальном (с использованием заявляемого способа) и неоптимальном регулировании топливоподачи (фиг. 4). В случаях наличия ошибок в оценке циклового наполнения и неоптимального в связи с этим регулирования топливоподачи на записи процесса изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя наблюдались характерные "провалы", вызванные уменьшением индикаторной мощности из-за выхода состава смеси за пределы воспламенения в одном или нескольких рабочих циклах (сплошная линия). При оптимальном регулировании такие провалы не отмечались (пунктирная линия).

Изобретение относится к электронному регулированию топливоподачи в двигателях внутреннего сгорания. До начала такта впуска текущего рабочего цикла в рассматриваемом цилиндре вычисляют цикловой расход воздуха в текущий момент времени, определяют на основании прогноза изменение положения дроссельной заслонки от этого момента до выбранного момента времени при такте впуска в текущем рабочем цикле и соответствующее изменение циклового наполнения цилиндра воздухом. Затем вычисляют величину ожидаемого циклового наполнения цилиндра воздухом и величину цикловой подачи топлива в текущем рабочем цикле, определяют требуемое количество топлива и воздействуют в соответствии с полученным результатом на орган управления подачей топлива. Прогноз ожидаемого циклового наполнения цилиндра воздухом уточняют непосредственно после завершения такта впуска путем определения значения фактического циклового наполнения в текущем рабочем цикле и сопоставления его со значением, вычисленным на основании прогноза. Определенный таким образом поправочный коэффициент используется в последующих циклах управления с аналогичными начальными условиями для корректировки оценки циклового наполнения, используемого для вычисления подачи топлива. Заявляемый способ регулирования обеспечивает сокращение интервала времени между последним моментом получения информации о цикловом наполнении цилиндра воздухом и моментом ее использования при реализации управления подачей топлива, и, как следствие этого, повышение точности регулирования топливоподачи в двигатель. 4 ил.

Способ регулирования топливоподачи в двигатель внутреннего сгорания с впрыском топлива во впускной тракт, заключающийся в том, что до начала такта впуска текущего рабочего цикла в рассматриваемом цилиндре сначала измеряют на выбранном угловом интервале поворота коленчатого вала величины, характеризующие расход воздуха через дроссельную заслонку, вычисляют цикловой расход воздуха в текущий момент времени G1вцi

, определяют на основании прогноза изменение положения дроссельной заслонки от этого момента до выбранного момента времени при такте впуска в текущем рабочем цикле и соответствующее изменение циклового наполнения ΔGпрвцi, а затем вычисляют величину ожидаемого циклового наполнения цилиндра воздухом и величину цикловой подачи топлива в текущем рабочем цикле, определяют требуемое количество топлива и воздействуют в соответствии с полученным результатом на орган управления подачей топлива, отличающийся тем, что величину ожидаемого циклового наполнения цилиндра воздухом определяют по формуле
Gожидвцi= G1вцi+K_i-1•ΔGпрвцi,
где K - коэффициент, характеризующий ошибку упомянутого прогнозирования,
при этом при определении величины циклового наполнения цилиндра в текущем рабочем цикле используют величину K_i-1, вычисленную в предыдущем ему рабочем цикле, а величину K_i, которую вычисляют в текущем рабочем цикле, используют для определения величины ожидаемого циклового наполнения в последующем за ним цикле, причем перед определением величины K_i дополнительно определяют величину фактического циклового наполнения цилиндра воздухом в такте впуска текущего рабочего цикла Gфактвцi и величину K_i подсчитывают по формуле