СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗЫ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДВС Российский патент 2004 года по МПК G01M15/00 F02M65/00 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для управления двигателем внутреннего сгорания (далее - ДВС) с распределенным впрыском топлива.

Известны ДВС с распределенным циклическим групповым впрыском топлива во впускной тракт. Система управления впрыском топлива включает в себя датчик положения коленчатого вала, контроллер, выполненный на базе микроЭВМ, и топливные форсунки. Впрыск топлива осуществляется одновременно всеми топливными форсунками (1) или попарно-параллельно (2). Впрыск топлива осуществляется путем включения топливных форсунок в заданной фазе поворота (угловом положении) коленчатого вала на определенное. зависящее от режима работы ДВС время, определяемое путем обработки сигнала датчика положения коленчатого вала.

Поскольку полный рабочий цикл ДВС осуществляется за два оборота коленчатого вала (720 угловых градусов или 4π радиан), угловое положение коленчатого вала не дает точной информации о фазе рабочего процесса. Угловое положение коленчатого вала позволяет точно определить фазу движения поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке и от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, однако, неизвестно, какой рабочий такт совершается при этом: рабочий ход или впуск, либо, соответственно, сжатие или выпуск.

Известна (3) система управления ДВС с распределенным последовательным впрыском топлива, снабженная дополнительно датчиком положения распределительного вала (датчиком фаз). Сигнал датчика фаз, формирующийся в конкретном случае в конце такта сжатия первого цилиндра, в совокупности с данными о положении коленчатого вала позволяет определить фазу рабочего цикла ДВС. Используя сигнал датчика фаз и сигнал датчика положения коленчатого вала, контроллер рассчитывает моменты включения форсунок таким образом, что впрыск для каждого цилиндра осуществляется в определенной фазе рабочего цикла (например, на закрытый впускной клапан перед началом такта впуска), что позволяет повысить эффективные показатели конкретного ДВС. Длительность включения форсунок, определяющая величину топливоподачи, рассчитывается, исходя из режима работы ДВС, в том числе угловой скорости вращения коленчатого вала ДВС, которая определяется путем измерения времени поворота вала на заданный угол, например, равный n-й части полного рабочего цикла Ф=4π/n, где n - число цилиндров ДВС.

Недостатками такой системы являются повышенные сложность и стоимость, что обусловлено наличием в системе датчика фаз и дополнительной проводки для подключения датчика к контроллеру.

Недостатком способа определения фазы рабочего цикла ДВС является сложность аппаратной реализации, обусловленная необходимостью применения датчика фаз.

Известен способ определения фазы рабочего цикла ДВС (патент RU2170915, публ. 20.07.2001 г.), при котором производят тестовый впрыск пониженного или повышенного количества топлива в один из цилиндров двигателя, в последовательные тактах рабочего процесса ДВС измеряют и сравнивают друг с другом значения времени поворота коленчатого вала на заданный угол и определяют фазу рабочего процесса по изменению времени поворота на заданный угол по сравнению со временем, соответствующим предшествующему измерению. Недостатком этого способа является его ограниченное применение.

За прототип заявляемого способа взят способ определения фазы рабочего цикла ДВС с распределенным впрыском топлива, используемый в системе управления, снабженной датчиком фаз.

Задачей заявляемого изобретения является определение фазы рабочего цикла ДВС при отсутствии (пропадании) сигнала датчика фаз. Указанная задача решается тем, что в способе определения фазы рабочего цикла многоцилиндрового ДВС с распределенным групповым впрыском топлива, включающим измерение угловой скорости коленчатого вала, определяют среднее значение угловой скорости, отклонение угловой скорости от среднего значения и максимальное значение отклонения угловой скорости от среднего значения, производят тестовый впрыск в один из цилиндров и определяют такт рабочего хода данного цилиндра по превышению отклонения угловой скорости относительно максимального значения.

Определение такта рабочего хода может быть произведено на установившемся режиме работы ДВС. Одновременно с тестовым впрыском может быть произведен дозированный впрыск топлива в остальные цилиндры.

На режиме группового впрыска топлива во впускной тракт n-цилиндрового четырехтактного двигателя измеряют последовательность значений угловой скорости Ω поворота коленчатого вала ДВС на угол Ф<=4π/n (определяется экспериментально), определяют среднее значение ΔΩ_av угловой скорости, определяют максимальное значение ΔΩ_max отклонения угловой скорости Ω от среднего значения Ω_av и производят тестовый впрыск пониженного/повышенного количества топлива в один из цилиндров ДВС. После тестового впрыска продолжают измерять значения угловой скорости Ω поворота коленчатого вала ДВС на угол Ф и определяют значения ΔΩ=Ω-Ω_av отклонения угловой скорости Ω от среднего значения Ω_av. Сравнивают полученные значения ΔΩ и ΔΩ_mах и в случае превышения Ω_av>ΔΩ_mах определяют, что угловой сектор Ф поворота коленчатого вала, в котором отклонение угловой скорости превышает максимальное значение ΔΩ_mах принадлежит такту рабочего хода цилиндра, для которого был произведен тестовый впрыск.

Максимальное значение ΔΩ_max отклонения от среднего значения Ω_av определяют либо непосредственно перед тестовым впрыском, либо заранее, на этапе испытаний (калибровки) ДВС.

В первом случае, например, проводят последовательное измерение и суммирование К (определяется экспериментально) значений скорости Ω поворота коленчатого вала ДВС на угол Ф и делят на число К, таким образом получают среднее значение Ω_av. Определяют значения ΔΩ=Ω-Ω_av отклонений от среднего значения Ω_av. Определяют значение ΔΩ_mах путем сортировки значений ΔΩ.

Во втором случае значение ΔΩ_mах для каждого скоростного режима ДВС, т.е. для каждого значения Ω_av, определяют на этапе испытаний ДВС и записывают в постоянное запоминающее устройство микроЭВМ контроллера. Перед тестовым впрыском измеряют последовательность значений Ω, определяют среднее значение Ω_av и извлекают из памяти соответствующее значение ΔΩ_max.

Описанную процедуру определения фазы рабочего процесса производят на устанавливающемся скоростном режиме работы ДВС.

В качестве критерия установившегося рабочего процесса может служить условие ограничения нестабильности скорости вращения вала на некотором заданном уровне ΔΩ<ΔΩ_ad, где ΔΩ_ad - допустимое для установившегося режима отклонение ΔΩ (определяется экспериментально).

В варианте реализации предложенного способа определения фазы рабочего процесса ДВС в цикле работы ДВС, в котором производят тестовый впрыск, например, пониженного количества топлива для одного из n цилиндров, осуществляют дозированный впрыск повышенного количества топлива для остальных цилиндров. Этим можно достичь три цели:

- во-первых, избежать, хотя и небольшого, падения средней угловой скорости вращения вала двигателя в данном цикле;

- во-вторых, обеспечить сохранение среднего в рабочем цикле стехиометрического состава, оптимального для работы системы нейтрализации отработавших газов:

- в-третьих, при повторении данного тестового цикла добиться ускорения прогрева системы нейтрализации в результате присутствия в отработавших газах смеси непрореагировавших кислорода и углеводородов, реакция которых с выделением тепла происходит на катализаторе системы нейтрализации.

Напротив, в цикле работы ДВС. в котором производят тестовый впрыск повышенного количества топлива для одного из n цилиндров, осуществляют дозированный впрыск пониженного количества топлива для остальных цилиндров.

Определение фазы рабочего цикла для одного из цилиндров четырехтактного ДВС позволяет однозначно определять фазы рабочего цикла для всех остальных цилиндров ДВС, что обусловлено конструкцией ДВС. Работа четырехтактного ДВС представляет собой жесткую периодическую последовательность тактов рабочего процесса (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск), поэтому однократное определение текущей фазы работы ДВС и измерение положения коленчатого вала позволяют знать текущую фазу работы каждого цилиндра во всех последующих циклах работы до остановки ДВС.

Заявляемый способ позволяет осуществлять последовательный впрыск топлива в ДВС с сохранением эффективных показателей его работы при отказе датчика фаз (если система снабжена таким датчиком), что повышает надежность системы. Способ позволяет осуществлять последовательный впрыск топлива в ДВС при отсутствии датчика фаз в системе управления, что упрощает ее и, следовательно, повышает надежность за счет упрощения, а также снижает себестоимость системы.

Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 изображена структурная схема системы управления ДВС для реализации заявляемого способа.

Фиг.2 показывает характер изменения угловой скорости ω=dϕ/dt коленчатого вала ДВС, где ϕ - угол поворота вала; t - текущее время.

В примере показана система управления четырехцилиндровым ДВС (n=4), но способ осуществим для двигателя с любым числом цилиндров.

На фиг.2 присутствуют следующие обозначения:

ϕ_av - средняя угловая скорость поворота коленчатого вала на угол Ф<=720/4;

ω_а - амплитудное значение пульсаций угловой скорости, вызванных пульсациями давления в цилиндрах двигателя;

+Δω - изменение амплитудного значения угловой скорости, вызванного тестовым впрыском с увеличенным количеством топлива;

-Δω - изменение амплитудного значения угловой скорости, вызванного тестовым впрыском с уменьшенным количеством топлива.

Фиг.2 не учитывает нестабильностей рабочего процесса, чтобы не усложнять описание. Обработка информации о работе реального ДВС требует экспериментального определения пороговых калибровочных констант, зависящих от особенностей конструкции и режима работы ДВС.

Заявляемый способ может быть реализован в системе управления ДВС (см. фиг.1), включающей в себя контроллер 1, выполненный на базе микроЭВМ, датчик 2 углового положения коленчатого вала, подключенный ко входу контроллера 1, и топливные форсунки 3, подключенные к выходам контроллера 1.

Система также может содержать другие датчики режима работы ДВС, такие как датчик 4 расхода воздуха, датчик 5 положения дроссельной заслонки, датчик 6 температуры охлаждающей жидкости и т.п., подключенные к соответствующим входам контроллера 1.

Датчик 2 может быть выполнен, например, в виде магнитоиндукционного чувствительного элемента, размещенного над зубчатым диском из ферромагнитного материала, жестко закрепленным на коленчатом валу ДВС и имеющим 60-2 зуба, положение пропущенных зубьев относительно ВМТ определено.

Для реализации способа выполняют следующие действия.

В режиме прокрутки двигателя при помощи стартера (пусковой режим) датчиком 2 углового положения коленчатого вала генерируют электрические импульсы, которые позволяют точно определять угловое положение вала относительно верхней мертвой точки (ВМТ).

Контроллером 1 системы управления по сигналу датчика 2 определяют текущее положение коленчатого вала ДВС относительно ВМТ.

Используя сигналы датчика 2 (4, 5, 6), контроллером 1 производят попарно-параллельное (групповое) управление впрыском топлива посредством открытия форсунок 3 соответствующих пар (1-4 и 3-2) цилиндров в определенном угловом положении коленчатого вала.

Контроллером 1 производят последовательность измерений угловой скорости Ω поворота коленчатого вала двигателя на угол Ф.

При достижении коленчатым валом ДВС определенной величины угловой скорости вращения делают вывод об окончании пускового режима.

Определяют значение ΔΩ_max. Для этого производят нахождение максимального из значений отклонения ΔΩ от среднего Ω_av методом сортировки. Найденное максимальное значение отклонения могут корректировать, например, путем умножения на определенный эмпирически коэффициент.

Записывают значение ΔΩ_mах в память микроЭВМ контроллера 1.

В варианте осуществления изобретения могут рассчитывать величину Ω_av отклонение ΔΩ от Ω_av, и проверять по выполнению условия ΔΩ<ΔΩ_ad, является ли режим работы ДВС установившимся.

Проводят тестовый впрыск пониженного или повышенного количества топлива в один из цилиндров, например, в первый цилиндр ДВС.

В варианте осуществления заявляемого способа могут также проводить измененную подачу топлива в остальные цилиндры в цикле работы ДВС с тестовым впрыском. Причем, если тестовый впрыск топлива для первого цилиндра осуществляют увеличенным, то для остальных цилиндров проводят впрыск уменьшенного количества топлива, и наоборот, тестовый впрыск уменьшенного количества топлива для первого цилиндра сопровождают увеличенной подачей топлива для остальных цилиндров.

После тестового впрыска контроллером 1 продолжают измерение угловой скорости Ω, определение отклонения ΔΩ и сравнение последнего с ΔΩ_max, записанным в память микроЭВМ контроллера 1.

После тестового впрыска производят сравнение ΔΩ с ΔΩ_mах в угловых секторах Ф до тех пор. пока не выполнится условие ΔΩ>ΔΩ_mах.

Определяют, как рабочий ход первого цилиндра, такт работы ДВС, которому принадлежит угловой сектор Ф поворота коленчатого вала, отклонение угловой скорости, на котором ΔΩ>ΔΩ_mах.

Определяют фазу рабочего процесса ДВС.

Для повышения достоверности определения фазы рабочего цикла ДВС описанная выше процедура может быть повторена несколько раз.

После этого контроллером осуществляют последовательный впрыск топлива, при котором форсунки включаются в соответствии с порядком работы цилиндров ДВС. Впрыск топлива для каждого цилиндра производят в определенной фазе рабочего процесса, например, для ДВС автомобиля ВАЗ-2112 впрыск топлива осуществляют на закрытый впускной клапан перед началом такта впуска. Фазу и продолжительность впрыска рассчитывают контроллером по результатам измерения параметров режима работы ДВС.

Предложенная последовательность действий позволяет определить фазу рабочего процесса ДВС без обработки сигнала датчика фаз. Это упрощает структуру и стоимость системы управления ДВС и повышает ее надежность.

Литература

1. Автомобили ВАЗ-21083, ВАЗ-21093, ВАЗ-21099, ВАЗ-21102, ВАЗ-2111. Система управления двигателем ВАЗ-2111 (1,5 л) с распределенным впрыском топлива. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту. - М.: "Ливр", 1998 г., стр. 11.

2. Система управления двигателями ВАЗ-2111 и ВАЗ-2112 (1,5 л) с распределенным впрыском топлива. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту. - М.: "Третий Рим", 1999 г., стр. 15 и 16.

3. Там же, стр.158 и 159.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для управления двигателем внутреннего сгорания (ДВС) с распределенным впрыском топлива. Изобретение позволяет определять фазы рабочего цикла ДВС при отсутствии (пропадании) сигнала датчика фаз. В способе определения фазы рабочего цикла многоцилиндрового ДВС с распределенным групповым впрыском топлива, включающим измерение угловой скорости коленчатого вала, определяют среднее значение угловой скорости, отклонение угловой скорости от среднего значения и максимальное значение отклонения угловой скорости от среднего значения. Производят тестовый впрыск в один из цилиндров и определяют такт рабочего хода данного цилиндра по превышению отклонения угловой скорости относительно максимального значения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения фазы рабочего цикла многоцилиндрового ДВС с распределенным групповым впрыском топлива, включающий измерение угловой скорости коленчатого вала, отличающийся тем, что определяют среднее значение угловой скорости, отклонение угловой скорости от среднего значения и максимальное значение отклонения угловой скорости от среднего значения, производят тестовый впрыск в один из цилиндров и определяют такт рабочего хода данного цилиндра по превышению отклонения угловой скорости относительно максимального значения.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение такта рабочего хода производят на установившемся режиме работы ДВС.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно с тестовым впрыском производят дозированный впрыск топлива в остальные цилиндры ДВС.