СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С СИСТЕМОЙ ВПУСКА ВОЗДУХА Российский патент 2005 года по МПК F02D41/18 

Изобретение относится к способу и устройству управления двигателем внутреннего сгорания (ДВС) с системой впуска воздуха.

Способ и устройство управления ДВС с системой впуска воздуха известны, например, из заявки DE 19756619. В заявке описана система для эксплуатации ДВС, установленного прежде всего на транспортном средстве, или автомобиле, при этом воздух подают в камеру сгорания через расположенный во впускной (всасывающей) трубе дроссельный клапан, при этом регистрируют расход воздуха через дроссельный клапан. При этом имеется трубопровод рециркуляции отработавших газов (ОГ), в котором установлен клапан, причем определяют также расход газов через этот клапан в трубопроводе рециркуляции ОГ. На основании обоих измеряемых значений расхода определяют расход воздуха, подаваемого в камеру сгорания. При использовании этого устройства возникает проблема, которая состоит в том, что различные необходимые для вычислений величины очень трудно определять с помощью датчиков. Поэтому недостаток известных систем и способов состоит в том, что для определения различных величин необходимо использовать большое количество датчиков.

В основу изобретения положена задача устранения вышеупомянутых недостатков уровня техники. Для этого в соответствии с изобретением предлагается способ управления ДВС с системой впуска воздуха. Согласно предлагаемому способу на основании по меньшей мере одной управляющей величины и по меньшей мере одной измеряемой величины, характеризующей состояние окружающего воздуха, с помощью по меньшей мере одной модели определяют по меньшей мере одну величину, характеризующую параметры системы впуска воздуха. Отличие предлагаемому способа состоит в том, что используемая модель состоит по меньшей мере из первой и второй субмоделей, при этом выходные величины определяют с помощью субмодели на основании входных величин, в качестве входных величин для первой субмодели помимо по меньшей мере одной выходной величины второй субмодели дополнительно учитывают управляющую величину и измеряемую величину, при этом в качестве управляющей величины учитывают по меньшей мере одну величину, характеризующую количество впрыскиваемого топлива.

С помощью предлагаемых в изобретении способа и устройства можно определить по меньшей мере одну величину, которая характеризует систему впуска воздуха. При этом требуется лишь небольшое число измеряемых величин, которые легко определяются посредством простых, дешевых датчиков. Кроме, того, используются величины, которые при управлении ДВС "зашиты" (сохранены) в устройстве управляющем (приборе).

Как указано выше, модель включает в себя по меньшей мере первую и вторую субмодели, которые определяют выходные величины на основании входных величин, при этом в качестве входных величин первой субмодели наряду по меньшей мере с одной выходной величиной второй субмодели дополнительно учитывают управляющую величину и/или измеряемые величины.

Наиболее простая структура модели получается в том случае, если в качестве управляющей величины использовать количество (расход) топлива, характеризующий количество впрыскиваемого топлива в единицу времени, скважность импульсов для управления системой рециркуляции ОГ, которая характеризует управляющий сигнал, подаваемый на исполнительный орган для воздействия на процесс рециркуляции ОГ, и/или скважность импульсов для управления компрессором, характеризующую, управляющий сигнал подаваемый на исполнительный орган для воздействия на рабочие характеристики турбины и приводимого ею компрессора. Наряду с расходом топлива предпочтительно дополнительно использовать скважность импульсов, используемых для управления системой рециркуляции ОГ, и/или скважность импульсов, используемых для управления компрессором. Это зависит от того, оснащен ли ДВС системой рециркуляции ОГ и/или компрессором.

В качестве измеряемой величины в частном случае осуществления способа используют по меньшей мере частоту вращения, характеризующую частоту вращения вала ДВС, температуру окружающей среды, характеризующую температуру окружающего воздуха, и/или давление окружающей среды, характеризующее давление окружающего воздуха. Предпочтительным является использование частоты вращения, температуру окружающей среды и давления окружающей среды.

Далее в частных вариантах с помощью модели компрессора на основании по меньшей мере частоты вращения вала компрессора, давления окружающей среды, давления наддува и температуры окружающей среды можно определять по меньшей мере количество воздуха, проходящего через компрессор, производительность компрессора и температуру наддувочного воздуха. В этом случае количество воздуха определяют на основании плотности и объема воздуха, проходящего через компрессор, причем плотность воздуха определяют на основании температуры окружающей среды и давления окружающей среды, а объем воздуха определяют на основании частоты вращения вала компрессора и перепада энтальпий, который в свою очередь определяют на основании давления окружающей среды и давления наддува.

Кроме того, с помощью модели трубопровода подачи свежего воздуха высокого давления на основании по меньшей мере количества воздуха, поступающего в трубопровод подачи свежего воздуха высокого давления, содержания в этом воздухе кислорода, температуры наддувочного воздуха и температуры в линии рециркуляции ОГ можно определять по меньшей мере давление наддува, содержание кислорода в воздухе, подаваемом в ДВС, и температуру смеси. В этом случае содержание кислорода, поступающего в ДВС, определяют на основании количества воздуха, поступающего в трубопровод подачи свежего воздуха высокого давления, и содержания в нем кислорода, а также на основании по меньшей мере одной константы, и/или давление наддува определяют путем интегрирования величин изменения давления, задаваемых на основании количества входящего и/или выходящего воздуха и его температуры.

Далее с помощью модели цилиндра на основании по меньшей мере расхода топлива, частоты вращения вала ДВС, давления наддува, температуры смеси и содержания кислорода в воздухе, поступающем в ДВС, можно вычислять по меньшей мере температуру ОГ, количество воздуха, поступающего в ДВС, и количество воздуха, выходящего из ДВС, а также содержание кислорода в этом воздухе. В этом случае температуру ОГ определяют на основании расхода топлива и температуры смеси и/или количество воздуха, поступающего в ДВС и выходящего из него, определяют на основании температуры и давления поступающего в ДВС газа, частоты вращения вала двигателя и/или расхода топлива.

С помощью модели турбины на основании по меньшей мере значения хода исполнительного органа компрессора, температуры ОГ, давления за турбиной и количества воздуха, проходящего через турбину, можно определять по меньшей мере давление ОГ, частоту вращения вала компрессора и температуру в выпускном трубопроводе. При этом давление ОГ определяют на основании значения хода исполнительного органа компрессора, количества воздуха, проходящего через турбину, давления за турбиной и температуры ОГ и/или перепад энтальпий в турбине определяют на основании перепада давлений в турбине, вычисляемого как разность давления ОГ и давления за турбиной, и температуры ОГ, и/или температуру в выпускном трубопроводе определяют на основании перепада энтальпий и температуры ОГ, и/или частоту вращения вала компрессора определяют на основании перепада энтальпий, производительности компрессора и количества воздуха, проходящего через турбину.

С помощью модели турбины на основании по меньшей мере значения хода исполнительного органа компрессора, количества воздуха, проходящего через турбину, давления за турбиной и температуры ОГ можно определять по меньшей мере давление ОГ, частоту вращения вала компрессора и температуру в выпускном трубопроводе. В этом случае давление ОГ определяют на основании значения хода исполнительного органа компрессора, количества воздуха, проходящего через турбину, давления за турбиной и температуры ОГ и/или перепад энтальпий в турбине определяют на основании перепада давлений в турбине и температуры ОГ и/или температуру в выпускном трубопроводе определяют на основании перепада энтальпий и температуры ОГ и/или частоту вращения вала компрессора определяют на основании перепада энтальпий, производительности компрессора и количества воздуха, проходящего через турбину.

С помощью модели выпускного трубопровода на основании по меньшей мере количества воздуха, проходящего через турбину, давления окружающей среды и температуры в выпускном трубопроводе можно определять давление за турбиной.

Кроме того, с помощью модели рециркуляции ОГ на основании значения хода исполнительного органа системы рециркуляции ОГ, температуры и давления на входе и выходе клапана системы рециркуляции ОГ можно определять температуру и количество воздуха, проходящего по трубопроводу системы рециркуляции ОГ. В этом случае количество воздуха, проходящего через клапан системы рециркуляции ОГ, определяют на основании перепада давлений в этом клапане системы рециркуляции ОГ, температуры воздуха, проходящего через этот клапан системы рециркуляции ОГ, и значения хода исполнительного органа системы рециркуляции ОГ, при этом в качестве температуры воздуха в трубопроводе системы рециркуляции ОГ в зависимости от перепада давлений в клапане системы рециркуляции ОГ по выбору используют либо температуру наддувочного воздуха, либо температуру ОГ.

Объектом изобретения является также устройство управления ДВС с системой впуска воздуха. В таком устройстве на основании по меньшей мере одной управляющей величины и по меньшей мере одной измеряемой величины, характеризующей состояние окружающего воздуха, с помощью по меньшей мере одной модели определяют по меньшей мере одну величину, характеризующую параметры системы впуска воздуха. Отличие предлагаемого устройства состоит в том, что модель состоит по меньшей мере из первой и второй субмоделей, с помощью которых на основании входных величин определяются выходные величины, при этом в качестве входных величин для первой субмодели помимо по меньшей мере одной выходной величины второй субмодели дополнительно учитываются управляющая величина и измеряемая величина, причем в качестве управляющей величины учитывается по меньшей мере одна величина, характеризующая количество впрыскиваемого топлива.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере предпочтительных вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - блок-схема ДВС вместе с системой впуска воздуха,

на фиг.2 - блок-схема общей модель системы впуска воздуха, и

на фиг.3-8 - блок-схемы различных субмоделей.

Ниже предлагаемые в изобретении способ и устройство рассмотрены на примере дизельного двигателя внутреннего сгорания. Однако применение изобретения не ограничено дизельными двигателями внутреннего сгорания, его можно применять также на других ДВС, прежде всего на бензиновых ДВС с непосредственным впрыскиванием топлива.

В ДВС, условно представленный блоком 100, по трубопроводу подачи свежего воздуха высокого давления, обозначенному позицией 102, подают определенное количество ML22 газа с определенным содержанием МO22 кислорода. Величина МO22 обозначает также содержание, или концентрацию, кислорода в воздухе перед сгоранием. Трубопровод 102 подачи свежего воздуха высокого давления состоит из двух частей. Первая часть обозначена позицией 102а, вторая часть обозначена позицией 102b. Первая часть соответствует трубопроводу на участке до места примешивания ОГ. Вторая часть 102b соответствует трубопроводу на участке после места примешивания ОГ. В первой части 102а может находиться охладитель наддувочного воздуха, условно представленный блоком 104. Воздух в первой части трубопровода 102а подачи свежего воздуха высокого давления характеризуется температурой Т2 и давлением Р2.

По трубопроводу подачи свежего воздуха низкого давления, обозначенному позицией 108, воздух из окружающей среды поступает в компрессор, обозначенный позицией 106, и затем проходит через охладитель 104 наддувочного воздуха в трубопровод 102 подачи свежего воздуха высокого давления. Через компрессор воздух в количестве ML21 с соответствующим содержанием МO21 кислорода проходит в трубопровод 102 подачи свежего воздуха высокого давления. Количество ML21 воздуха, проходящего через трубопровод 108 подачи свежего воздуха низкого давления и характеризующегося содержанием МO21 кислорода, соответствует количеству воздуха, проходящего через компрессор 106, соответственно охладитель 104 наддувочного воздуха и характеризующегося соответствующим содержанием кислорода. Значения температуры Т1 и давления Р1 в трубопроводе 108 подачи свежего воздуха низкого давления соответствуют параметрам (условиям) окружающей среды, т.е. давлению и температуре окружающего воздуха.

Из ДВС 100 количество ML31 воздуха с содержанием МO31 кислорода поступает в выпускной трубопровод 110 ОГ высокого давления. Величина МO31 обозначает также содержание кислорода после сгорания. В выпускном трубопроводе 110 высокого давления ОГ находятся при температуре Т3 и давлении Р3. Эти величины обозначают также давление Р3 ОГ и температуру Т3 ОГ.

Количество ML32 воздуха поступает из выпускного трубопровода 110 ОГ высокого давления в турбину, обозначенную позицией 112, эта величина ML32 обозначает также количество воздуха, проходящего через турбину. Из турбины 112 отработавшие газы поступают в выпускной трубопровод 114 низкого давления, который называют также выхлопным трубопроводом 114. Среда в выпускном трубопроводе ОГ низкого давления характеризуется температурой Т4 и давлением Р4.

Турбина 112 с помощью вала, обозначенного позицией 111, выполняет функцию привода компрессора 106. Частоту NL вращения вала называют также частотой вращения вала компрессора. Посредством исполнительного органа компрессора, обозначенного позицией 113, можно влиять на рабочие параметры турбины и в результате на рабочие параметры компрессора в целом. При управлении на исполнительный элемент компрессора подается управляющий сигнал LTV, в результате чего происходит регулировка компрессора на величину хода LH. Величину LH называют также ходом компрессора, а величину LTV - скважностью импульсов, подаваемых на исполнительный орган компрессора.

Между выпускным трубопроводом 110 ОГ высокого давления и трубопроводом 102 подачи свежего воздуха высокого давления имеется связь, которая называется линией 116 рециркуляции ОГ. По этой линии 116 рециркуляции ОГ проходит количество МА воздуха, содержание кислорода в котором имеет обозначение МОА. Проходное сечение линии 116 рециркуляции ОГ предпочтительно регулировать с помощью клапана рециркуляции ОГ, обозначенного позицией 118. При управлении на обозначенный позицией 119 исполнительный орган системы рециркуляции ОГ подают управляющий сигнал ATV, в результате чего происходит перемещение клапана 118 рециркуляции ОГ на величину хода АН. Величину АН называют также ходом исполнительного органа системы рециркуляции ОГ, а величину LTV - скважностью импульсов, подаваемых на исполнительный орган системы рециркуляции ОГ.

Частоту N вращения предпочтительно измерять на кривошипе и/или распределительном вале ДВС с помощью датчика частоты вращения, условно представленного блоком 101. Кроме того, предусмотрены исполнительные органы системы подачи, условно представленные блоком 103 и определяющие расход ME впрыскиваемого топлива, подаваемого в ДВС. Для этого на исполнительные органы 103 подают сигнал ME, характеризующий количество, или расход, впрыскиваемого топлива.

Для прецизионного управления ДВС, соответственно исполнительными органами 118 и 113 необходимо знать ряд из представленных выше величин. Прежде всего необходимо знать количество подаваемого в ДВС кислорода, соответственно содержание МO22 кислорода. От количества кислорода вместе с впрыснутым количеством ME топлива зависит количество вредных веществ в ОГ, прежде всего количество сажи, выбрасываемой дизельными ДВС. Кроме того, предпочтительно, чтобы были известны различные значения давления и температуры. Предпочтительно также, чтобы была известна частота NL вращения вала компрессора. Эти величины можно использовать для контроля системы в целом и/или для управления/регулирования.

Более предпочтительно, если эти величины можно определять не прямым методом, а опосредованно с помощью модели и/или одной или нескольких субмоделей. В этом случае не требуются соответствующие датчики.

Согласно изобретению предусмотрена возможность с помощью по меньшей мере одной модели вычислять одну из величин или несколько величин, которые характеризуют систему впуска воздуха, на основании одной или нескольких управляющих величин, прежде всего количества ME впрыскиваемого топлива (расхода топлива), управляющей величины ATV для клапана системы рециркуляции ОГ и управляющей величины LTV для турбины 112, а также по меньшей мере одной измеряемой величины, характеризующей температуру Т1 окружающей среды и/или давление Р1 окружающей среды. Более предпочтительно, если одну или несколько величин, которые характеризуют систему впуска воздуха, можно определять, на основании количества (расхода) ME впрыскиваемого топлива, частоты N вращения, величин, характеризующих температуру Т1 окружающей среды и давление Р1 окружающей среды, и при этом дополнительно используются управляющая величина для клапана 118 рециркуляции ОГ и управляющая величина для компрессора 112. В этом случае особое преимущество состоит в том, что не требуется вычислять расход впрыскиваемого топлива, поскольку эта величина уже предварительно задана и она используется в процессе управления ДВС. Прежде всего для этого используется величина, "зашитая" (сохраненная) в устройстве управления. Кроме того, известна частота вращения N вала ДВС, поскольку она также необходима для управления ДВС. Сказанное относится также к величинам, характеризующим температуру Т1 и давление Р1. Соответствующая изложенная информация относится и к управляющим сигналам, подаваемым на исполнительные органы 118 и 112.

Более предпочтительно создать различные субмодели для соответствующих подсистем, при этом каждая субмодель вычисляет различные входные величины и на основании их вычисляет различные выходные величины. При этом предусмотрено получать различные входные величины для различных моделей на основе выходных величин других моделей. В качестве входных величин общей модели в сумме различных субмоделей требуются только легко получаемые измеряемые величины, соответственно известные управляющие величины.

Общая модель системы впуска воздуха и разделение системы впуска воздуха на субмодели показаны на фиг.2.

К современным ДВС предъявляются все более жесткие требования по содержанию вредных веществ в ОГ и удельному расходу топлива. За счет управляемого изменения положения направляющих лопаток турбины турбокомпрессор с изменяемой геометрией турбины позволяет осуществлять подстройку к фактическому режиму работы двигателя. Благодаря этому можно избежать замедленной реакции турбокомпрессора и одновременно увеличить коэффициент полезного действия (кпд) ДВС. Одновременно с помощью рециркуляции ОГ обеспечивается возврат прецизионно регулируемого количества ОГ в трубопровод подачи свежего воздуха высокого давления, благодаря чему значительно уменьшается содержание в ОГ оксидов азота.

В результате системы впуска воздуха современных ДВС вследствие высокой степени взаимодействия контуров регулирования обладают выраженной нелинейностью. Определение существенно важных величин, характеризующих состояние системы впуска воздуха, например, давления в выпускном трубопроводе ОГ высокого давления, которое также называют как противодавление Р3 ОГ, или текущего количества МА рециркулируемых ОГ, с точки зрения метрологии сопряжено с очень высокими трудозатратами или вовсе невыполнимо. Соответствующие датчики или не производятся, или отличаются очень высокой стоимостью.

В современных системах сигналы датчиков при управлении системой впуска воздуха используются для решения ограниченной задачи, т.е. сигнал, характеризующий количество воздуха, соответственно количество ML21 воздуха, проходящего по трубопроводу 108 подачи свежего воздуха низкого давления, используется только для управления или регулирования положения клапана 118 рециркуляции ОГ. Измеряемое значение давления Р2 наддува используют только для воздействия на исполнительный орган турбины 112.

Наличие перекрестных связей, обусловленных строением современных систем управления, не принимается во внимание и поэтому воспринимается в отдельных контурах управления в виде помех.

Согласно предлагаемым в изобретении способу и устройству известная динамика системы описывается приближенно с помощью моделей. При этом выбирают такой уровень абстрагирования от реального поведения системы, чтобы в блоке управления двигателем можно было рассчитывать имеющиеся модели в режиме реального времени. При этом несмотря на упрощенность моделей обеспечивается возможность правильного отражения физических факторов (эффектов) и взаимосвязей между отдельными системами, существенно важных для управления.

Согласно изобретению физические взаимосвязи значительно упрощаются. Предлагаемую в изобретении модель всей системы впуска воздуха, включающую несколько субмоделей, можно применять для решения различных задач. Таким образом, на основании имеющихся сигналов от датчиков или управляющих величин можно приближенно вычислить, например, не поддающиеся измерению параметры системы впуска воздуха, соответственно очень тяжело измеряемые параметры системы впуска воздуха. Имеющуюся информацию, получаемую от датчиков, можно оптимальным образом интегрировать и в результате уменьшать погрешность измерений. Измеряемые величины и вычисляемые величины можно отфильтровывать без потери времени (фазы), т.е. без динамических потерь. Вместо показаний вышедшего из строя датчика можно использовать имеющую физический смысл подставную величину. Кроме того, можно значительно упростить функциональные структуры, для чего необходимо обрабатывать моделируемые неизмеряемые величины. Контроль работы компрессора можно осуществлять благодаря использованию оценочной частоты вращения вала компрессора.

На фиг.2 показана общая модель в виде блок-схемы или структурной схемы. По существу общая модель включает различные субмодели для отдельных компонентов системы впуска воздуха. Субмодель для компрессора 106 условно представлена блоком 206. Субмодель, условно представленную блоком 202 и моделирующую трубопровод 102 подачи свежего воздуха высокого давления, называют моделью трубопровода подачи свежего воздуха высокого давления. Охладитель наддувочного воздуха учитывается в модели 206 компрессора. Еще одна субмодель, условно представленная блоком 200, моделирует ДВС 100, и ее также называют моделью цилиндра. Еще одну субмодель, условно представленную блоком 212, называют моделью турбины, и она моделирует работу турбины 112. Следующая субмодель, условно представленная блоком 218, моделирует процесс рециркуляции ОГ и обозначается также как модель 218 рециркуляции ОГ. Еще одна субмодель, условно представленная блоком 214, моделирует выпускной трубопровод 114, и она называется также моделью выпускного трубопровода низкого давления.

К входным величинам общей модели предпочтительно относятся скважность импульсов LTV, подаваемых на исполнительный орган 113 компрессора, расход ME впрыскиваемого топлива, фактическая частота N вращения вала двигателя, скважность импульсов ATV, подаваемых на исполнительный орган 118 системы рециркуляции ОГ, давление Р1 атмосферы и температура Т1 воздуха окружающей среды. Эти входные величины на фиг.2 условно представлены малыми квадратами.

Вместо этих величин можно также использовать сигналы, характеризующие эти величины. Таким образом можно также вместо величины, характеризующей расход впрыскиваемого топлива, использовать величину, характеризующую расход впрыскиваемого топлива, или сигнал, указывающий на продолжительность впрыска. Вместо скважности импульсов можно использовать, например, непосредственно величину, характеризующую ход исполнительного органа.

В качестве выходной величины можно использовать любую вычисляемую с помощью модели величину, если таковая необходима в процессе управления ДВС. Более предпочтительно использовать следующие выходные величины. К ним относятся давление Р2 наддува, которое соответствует давлению в трубопроводе 102 подачи свежего воздуха высокого давления, противодавление Р3 ОГ, которое соответствует давлению в выпускном трубопроводе 110 ОГ высокого давления между турбиной 112 и ДВС 100, ход LH исполнительного органа 113 турбины 112, частота NL вращения вала компрессора, количество ML21 воздуха, проходящего через компрессор 106, температура Т3 ОГ на входе в турбину, противодавление Р4 ОГ, которое соответствует давлению Р4 в выпускном трубопроводе за турбиной, ход АН исполнительного органа 118 системы рециркуляции ОГ, количество МА воздуха в трубопроводе 116 рециркуляции ОГ, содержание МO31 кислорода после сгорания и содержание кислорода МO22 до сгорания.

Путем простого пересчета предпочтительно с использованием нормирующих констант можно определить также другие сигналы, которые характеризуют соответствующие величины.

Некоторые из этих вычисленных с помощью модели величин не поддаются измерению на ДВС или требуют для решения этой задачи больших трудозатрат. Другие величины, например давление Р2 наддува, могут представлять собой сигналы датчиков. Путем сравнения измеренной и вычисленной с помощью модели величины можно оценить эффективность отображения моделью фактической ситуации. Соответствующие обозначения выходных величин модели, соответственно субмоделей, указаны в кругах, соответственно эллипсах.

На фиг.3 более подробно показана модель компрессора, в которой также учитываются свойства охладителя наддувочного воздуха. В качестве входных величин в модели компрессора обрабатываются сигналы, которые характеризуют различные величины. К ним относятся частота NL вращения вала компрессора, температура Т1 окружающей среды, которая соответствует температуре воздуха на входе в компрессор, давление Р1 окружающей среды, которое соответствует давлению на входе в компрессор, и давление Р2 наддува, которое соответствует давлению на выходе из компрессора. На основании этих сигналов рассчитывают различные выходные величины. К ним относятся в основном снимаемая с вала 111 механическая мощность, или производительность PL компрессора, температура Т2 наддувочного воздуха, которая соответствует температуре сжатого газа на выходе из охладителя наддувочного воздуха, а также количество ML21 воздуха, проходящего через компрессор, соответственно через впускной трубопровод 108.

Частота NL вращения вала компрессора подается на вход блока 300 вычисления объема проходящего через компрессор воздуха. Давление Р1 окружающей среды подается на вход блока 310 вычисления плотности и блока 320 вычисления энтальпии. На вход блока 320 вычисления энтальпии подается также давление Р2 наддува. Температура Т1 окружающей среды на входе в компрессор подается на вход блока 380 вычисления температуры, блока 320 вычисления энтальпии и блока 310 вычисления плотности. Сигнал на выходе блока 300 вычисления объема проходящего через компрессор воздуха и сигнал на выходе блока 310 вычисления плотности поступают на вход блока 330 вычисления массового расхода, который выдает сигнал количества (массового расхода) ML21 воздуха. Сигнал на выходе блока 320 вычисления энтальпии поступает сначала в блок 300 вычисления объема проходящего через компрессор воздуха и далее в блок 350 вычисления количества энергии. Сигнал на выходе блока 350 вычисления количества энергии подается на вход блока 340 вычисления мощности и блока 360 вычисления температуры. Дополнительно в блок 340 вычисления мощности поступает сигнал количества (массового расхода) ML21 воздуха. На выходе блока 340 вычисления мощности снимается сигнал PL, характеризующий производительность (механическую мощность на валу) компрессора. Сигнал на выходе блока 360 вычисления температуры подается в модель 370 охладителя наддувочного воздуха, которая в свою очередь подает сигнал в блок 380 вычисления температуры. На выходе блока 380 вычисления температуры получают сигнал, характеризующий температуру Т2.

Объем воздуха, проходящего через компрессор в единицу времени, вычисляется в зависимости от частоты вращения вала компрессора и перепада энтальпий между стороной низкого давления (всасывания) и стороной высокого давления (нагнетания), т.е. между трубопроводом 102 подачи свежего воздуха высокого давления и трубопроводом 108 подачи свежего воздуха низкого давления. Перепад энтальпий вычисляется блоком 320 вычисления энтальпии. При этом объем проходящего через компрессор воздуха увеличивается с увеличением частоты вращения вала компрессора и уменьшается с увеличением перепада энтальпий. Эта зависимость воспроизводится в блоке 300 вычисления объема с помощью рабочей характеристики или путем вычислений. С помощью различных констант осуществляется согласование модели со специфическими характеристиками компрессора.

На основании давления Р1 и температуры Т1 на входе в компрессор блок 310 вычисления плотности вычисляет плотность газа на входе в компрессор в 108 трубопроводе подачи свежего воздуха низкого давления. В блоке 330 вычисления количества вычисляется количество (массовый расход) ML21 воздуха, проходящего через компрессор, путем умножения объемного расхода на плотность воздуха.

В блоке 320 вычисления энтальпии определяется перепад энтальпий газа как разность энтальпий на входе в компрессор и на выходе из компрессора в зависимости от температуры Т1 на входе в компрессор и отношения давления Р1 на входе в компрессор к давлению Р2 на выходе из компрессора. Кроме того, учитываются различные константы, такие как газовая постоянная и экспонента изотропности.

Путем деления перепада энтальпий на кпд компрессора в блоке 350 вычисления количества энергии определяется величина энергии, сообщаемой определенному количеству сжатого газа. Значение кпд компрессора предпочтительно сохранять в запоминающем устройстве. В блоке 340 вычисления мощности происходит умножение величины энергии на величину ML21 проходящего через компрессор потока воздуха. В результате этого умножения получается производительность (мгновенная мощность) PL.

В блоке 360 вычисления температуры вычисляется количество энергии, сообщенной газу при сжатии, т.е. на нагрев газа в компрессоре. Часть этого тепла газ снова отдает в охладителе 104 наддувочного воздуха. Это условие учитывается в условно представленной блоком 370 модели охладителя наддувочного воздуха. Доля тепла, отдаваемая газом, тем больше, чем выше эффективность охладителя наддувочного воздуха, т.е. в зависимости от эффективности охладителя наддувочного воздуха уменьшается характеризующая температуру величина, вычисленная в блоке 360 вычисления температуры. В блоке 380 вычисления температуры к этой величине температуры, на которую нагрелся воздух в компрессоре, прибавляется величина температуры Т1 газа на входе в компрессор, в результате чего получается величина температуры Т2 газа на выходе из компрессора, соответственно за компрессором и охладителем наддувочного воздуха. Если модель необходимо адаптировать к двигателю без охладителя наддувочного воздуха, то величина, характеризующая эффективность радиатора, выставляется на нуль, т.е. в модели 370 охладителя наддувочного воздуха вычитается нуль.

Согласно изобретению количество ML воздуха вычисляется с учетом плотности и объема воздуха, проходящего через компрессор. Плотность определяется по температуре Т1 и давлению Р1 воздуха окружающей среды. Объем потока воздуха вычисляется с учетом частоты вращения вала компрессора и перепада энтальпий на впуске и выпуске из компрессора. При этом перепад энтальпий вычисляется с учетом разности давлений и температуры Т1 газа. Это означает, что с учетом частоты NL вращения вала компрессора, давления Р1 окружающей среды, давления Р2 наддува и температуры Т1 окружающей среды с помощью модели компрессора вычисляются количество ML21 воздуха, проходящего через компрессор, производительность PL компрессора и температура наддувочного воздуха.

Более предпочтительно, если с помощью датчиков измеряются только температура Т1 и давление Р1, а остальные величины определяются с помощью других моделей.

На фиг.4 показана субмодель трубопровода подачи свежего воздуха высокого давления, т.е. модель впускного трубопровода 102 в виде блок-схемы. Подводящий трубопровод между компрессором 106 и впускным клапаном цилиндра моделируется как емкость, в которой параметры состояния газа связаны между собой с помощью уравнения состояния идеального газа. С целью упрощения в модели не учтены скорость потока свежего воздуха и все связанные со скоростью получающиеся результаты. В качестве входных величин для этой модели предпочтительно использовать количество ML21 воздуха, выходящего из компрессора, температуру Т2 наддувочного воздуха на выходе из охладителя 104 наддувочного воздуха, количество ML22 воздуха, которое поступает в ДВС, количество МА воздуха, которое рециркулируется ОГ в трубопровод 102 подачи свежего воздуха высокого давления, температуру ТА в системе рециркуляции ОГ, соответствующую температуре рециркулируемых ОГ, и содержание кислорода МОА в рециркулируемых ОГ.

На основании этих входных величин посредством физически обоснованных логических операций вычисляются выходные величины. В качестве выходных величин вычисляются давление Р2 наддува в трубопроводе 102 подачи свежего воздуха высокого давления, температура Т2 наддувочного воздуха в трубопроводе подачи свежего воздуха высокого давления и содержание МO2 кислорода в подаваемом в ДВС воздухе.

Субмодель трубопровода 102 подачи свежего воздуха высокого давления по существу включает в себя блок 400 вычисления количества кислорода, блок 410 вычисления давления, блок 420 вычисления температуры, а также интегратор 432, на котором вычисляется общая масса.

В состав блока 400 вычисления количества кислорода входят по существу первый субблок 402 вычисления количества кислорода, второй субблок 404 вычисления количества кислорода и третий субблок 406 вычисления количества кислорода, результаты или выходные сигналы которых суммируются в блоке 408 суммирования с соответствующим знаком и затем интегрируются в блоке 409 интегрирования. На вход первого субблока вычисления количества кислорода подаются величины, соответствующие количеству ML22 воздуха, которое соответствует поступающему в ДВС количеству воздуха, и содержание МO22 кислорода в воздухе, поступающем в ДВС. На вход второго субблока 404 второго вычисления количества кислорода подается сигнал ML21, соответствующий нагнетаемому компрессором количеству воздуха. На вход третьего субблока вычисления количества кислорода подается сигнал МОА, соответствующий содержанию кислорода в трубопроводе рециркуляции ОГ, и сигнал МА, соответствующий протекающему в трубопроводе рециркуляции ОГ количеству воздуха.

Путем умножения каждого соответствующего количества воздуха на соответствующее содержание кислорода, получаемое на выходе первого, второго и третьего субблоков вычисления количества кислорода, определяют количество кислорода в каждом соответствующем количестве воздуха. При этом во втором субблоке вычисления количества кислорода количество ML21 воздуха умножается на постоянный коэффициент, который соответствует содержанию кислорода в воздухе окружающей среды при нормальных условиях. Различные количества кислорода интегрируют с учетом знака, т.е. поступающие со знаком плюс и отходящие со знаком минус.

В сумматоре 430 и интеграторе 432 отдельные количества воздуха, поступающие в трубопровод 102 подачи свежего воздуха высокого давления и выходящие из него, интегрируются также с учетом знака. В результате получается мгновенное количество воздуха в емкости. На основании этого общего количества воздуха в емкости и определенного в блоке 400 содержания кислорода в трубопроводе 102 подачи свежего воздуха высокого давления рассчитывается содержание МO22 кислорода в поступающем в ДВС количестве воздуха. Это вычисление производится блоком 440 деления.

На основании значений расхода, характеризующихся соответствующей температурой, объемом и газовой постоянной R, вычисляется изменение значений парциального давления в трубопроводе 102 подачи свежего воздуха высокого давления. В первом субблоке 412 вычисления парциального давления парциальное давление вычисляется на основании количества ML21 воздуха, проходящего через компрессор 106, и температуры Т2 на выходе из охладителя 104 наддувочного воздуха. Во втором субблоке 414 вычисления парциального давления парциальное давление вычисляется на основании количества ML22 воздуха, поступающего в ДВС, и температуры Т22, соответствующей температуре количества воздуха непосредственно перед впуском в ДВС. Эту температуру называют также температурой Т22 смеси. В третьем субблоке 416 вычисления парциального давления парциальное давление вычисляется с учетом количества МА воздуха, проходящего через трубопровод 116 рециркуляции ОГ, и температуры ТА в трубопроводе рециркуляции ОГ. Расчеты парциального давления предпочтительно проводить как расчеты, в которых величины вычисляют на основании входных величин по соответствующей формуле.

С увеличением количества воздуха и/или повышением температуры соответственно повышается парциальное давление. В сумматоре 418 суммирования с учетом знака суммируются изменения величин парциальных давлений. Подводимые порции в операции алгебраического сложения учитываются как величины с положительным знаком и отходящие порции учитываются как величины с отрицательным знаком. В результате получается изменение давления Р2 в трубопроводе подачи свежего воздуха высокого давления. Путем интегрирования изменения давления в функции времени получают фактическое давление Р2 наддува.

На основании вычисленного давления Р2 в трубопроводе подачи свежего воздуха высокого давления, расчет которого проведен в соответствии с изложенным выше порядком, и с учетом количества газа, вычисленного в интеграторе 432, в блоке 420 вычисления температуры вычисляется непосредственно температура Т22 смеси с помощью уравнения состояния идеального газа при использовании газовой постоянной R.

С помощью модели трубопровода подачи свежего воздуха высокого давления вычисляются давление Р2 наддува, содержание МO22 кислорода в газе, поступающем в ДВС, и температура Т22 смеси на основании проходящих в трубопроводе подачи свежего воздуха высокого давления или выходящих из него количеств ML21, ML22 и МА воздуха и значений содержания кислорода в них, температуры Т2 наддувочного воздуха и температуры ТА в трубопроводе рециркуляции ОГ.

Согласно изобретению содержание МO22 кислорода в количестве ML22 воздуха, поступающего в ДВС, вычисляется на основании количества ML22 воздуха, количества ML21 воздуха, проходящего через компрессор, количества МА воздуха, проходящего через трубопровод рециркуляции ОГ, соответствующих значениям содержания кислорода и различных констант. Давление Р2 наддува предпочтительно получать в результате интегрирования отдельных вкладов в изменения давления, обусловленных приточными, соответственно отходящими количествами воздуха и их температурами.

Более предпочтительно, если с помощью датчика измеряется только температура Т2 наддувочного воздуха, а остальные величины определяются с помощью других моделей. В более предпочтительном варианте температура наддувочного воздуха определяется с помощью модели компрессора.

На фиг.5 более подробно показана модель цилиндра 200. В качестве входных величин в модель 200 цилиндра подводятся сигналы. К ним относятся сигналы, характеризующие количество ME впрыснутого топлива или расход впрыскиваемого топлива, температуру Т22 смеси, равную температуре воздуха, подаваемого в цилиндр, давление Р2 наддува, соответствующее давлению на входе в цилиндр, частоту N вращения вала ДВС и содержание МO22 кислорода в воздухе, подаваемом в ДВС.

В качестве выходных величин эта модель формирует различные сигналы, которые характеризуют следующие величины. К ним относятся температура Т3 ОГ, этот сигнал характеризует температуру газа в выпускном трубопроводе 110 ОГ высокого давления, количество ML31 воздуха, выходящего из ДВС в выпускной трубопровод 110 ОГ высокого давления, количество ML22 воздуха, поступающего в ДВС, и содержание МO31 кислорода в количестве ML31 воздуха, отходящего из ДВС.

Сигнал, характеризующий расход ME впрыскиваемого топлива, сначала подается на вход блока 500 вычисления нагрева, затем в сумматор 510, далее с отрицательным знаком в сумматор 520 и в умножитель 530. Сигнал, характеризующий температуру Т22 смеси, сначала подается на вход блока 540 вычисления всасываемого количества и затем в сумматор 550. Сигнал, характеризующий давление Р2 наддува, подается на вход блока 540 вычисления всасываемого количества воздуха. Сигнал, характеризующий частоту N вращения, сначала подается на вход блока 560 коррекции степени наполнения цилиндра (объемного к.п.д) и затем в умножитель 570. Сигнал, характеризующий содержание МO22 кислорода, подается на вход умножителя 580.

Сигналы на выходе блока 560 коррекции степени наполнения и блока 540 вычисления всасываемого количества воздуха подаются в умножитель 590, выходной сигнал которого в свою очередь подается в сумматор 510, умножитель 570 и умножитель 580.

Сигнал на выходе сумматора 550 характеризует температуру Т3 ОГ. Сигналы с выходов умножителя 530 и умножителя 570 подаются в сумматор 595, формирующий сигнал количества ML31 воздуха. Сигнал на выходе умножителя 570 дает количество ML22 воздуха. Содержание МO31 кислорода представлено сигналом на выходе умножителя 585, который делит выходной сигнал сумматора 520 на выходной сигнал сумматора 510.

При известном рабочем объеме ДВС на основании давления Р2 наддува и температуры Т2 смеси поступающего в ДВС свежего воздуха блок 540 вычисления всасываемого количества воздуха при помощи уравнения состояния идеального газа вычисляет теоретически возможное количество газа в цилиндре. Эта величина возрастает в прямой зависимости от давления Р2 наддува и уменьшается при повышении температуры воздуха. Эта теоретическая величина наполнения цилиндра корректируется умножителем 590 умножения с учетом фактической частоты N вращения на основании сигнала, полученного на выходе блока 560 коррекции степени наполнения цилиндра, что позволяет учесть динамические эффекты, проявляющиеся при наполнении цилиндра. Из полученного таким образом количества газа в расчете на длину хода и частоту N вращения в умножителе 570 вычисляется количество ML22 поступающего в ДВС воздуха предпочтительно с помощью умножения обеих величин и/или умножения на различные константы.

Сигнал количества ML31 воздуха, соответствующий количеству ОГ (в потоке), получается в сумматоре 595 путем сложения количества ML22 воздуха, поступающего в ДВС, и количества топлива. Расход топлива вычисляется в умножителе 530 путем логического объединения умножения количества ME впрыскиваемого топлива и частоты N вращения. Для этого оба сигнала перемножаются и умножаются на различные константы.

В блоке 500 вычисления нагрева вычисляются величины, характеризующие нагрев наполнения цилиндра в зависимости от количества ME впрыскиваемого топлива и количества газа в цилиндре. Чем больше топлива впрыскивается и чем меньше газа в цилиндре, тем больше нагрев. Индивидуальная для каждого двигателя связь расхода ME впрыскиваемого топлива и теплоты, сообщаемой газу, учитывается на основе характеристики двигателя. В этом случае температура Т3 ОГ получается в сумматоре 550 путем сложения выходного сигнала блока 500 вычисления нагрева и сигнала температуры Т2 наддувочного воздуха.

Общее количество газа в цилиндре получают сложением количества впрыскиваемого топлива и количества газа в расчете на один рабочий ход, которое с умножителя 590 поступает на сумматор 510.

На основании содержания МO22 кислорода в подаваемом в цилиндр количестве воздуха и общем количестве газа, соответствующем выходному сигналу умножителя 590, в умножителе 580 рассчитывается количество кислорода в цилиндре до сгорания. В первом приближении израсходованное количество кислорода в наполнении цилиндра пропорционально количеству (расходу) ME впрыскиваемого топлива. Таким образом, величина, характеризующая количество кислорода после сгорания, получается в сумматоре 520 в результате вычитания этого зависящего от расхода топлива количества кислорода из количества кислорода в цилиндре до сгорания. Результатом вычисления в сумматоре 520 является количество кислорода, оставшегося после сгорания. В результате вычисления отношения этого количества кислорода к общему количеству газа, которое соответствует выходному сигналу сумматора 510, в умножителе 585 получается содержание МO31 кислорода после сгорания.

Согласно изобретению температура Т3 ОГ вычисляется на основании впрыскиваемого ME количества топлива и температуры Т22 смеси. Температура смеси соответствует температуре газа, поступающего в ДВС. Температура ОГ соответствует температуре газа, выпускаемого из ДВС. Затем на основании температуры Т22 смеси и давления Р2 наддува поступающего в ДВС газа, частоты N вращения вала ДВС и расхода ME впрыскиваемого топлива вычисляются величины, характеризующие количества ML22 и ML31 воздуха, поступающего в ДВС и отходящего из ДВС. Это вычисление становится возможным по существу благодаря тому, что на основании температуры, давления, количества топлива, частоты вращения и известных констант вычисляются различные величины, которые затем соответствующим образом логически объединяются.

На фиг.6 более подробно показана модель 212 турбины. В показанной на чертеже модели отражена турбина с изменяемыми геометрическими параметрами. В качестве входных величин предпочтительно применять различные сигналы, которые характеризуют следующие рабочие параметры. К ним относятся количество ML32 воздуха, проходящего через турбину, давление Р4 в выпускном трубопроводе 114, сигнал, характеризующий давление за турбиной, температура Т3 ОГ, характеризующая температуру газа на входе в турбину, ход исполнительного органа управления компрессором, характеризующий положение направляющих лопаток, а также снимаемая с вала 111 производительность PL, характеризующая сообщаемую компрессору механическую мощность.

С помощью приемлемой операции объединения этих величин и с учетом различных физических, а также специфичных для системы констант получают различные выходные величины. К ним относятся давление Р3 ОГ, которое характеризует давление на входе в турбину, температура Т4 в выпускном трубопроводе, т.е. на выходе из турбины, и частота NL вращения вала компрессора.

Сигналы, характеризующие ход LH исполнительного органа компрессора, количество ML32 воздуха, проходящего через турбину, давление Р4 в выпускном трубопроводе и температуру ОГ, подаются на вход блока 600 вычисления давления. На выходе блока 600 вычисления давления формируется сигнал давления Р3 ОГ. Сигналы, характеризующие давление на входе в турбину, соответствующее давлению Р3 ОГ, и давление за турбиной, соответствующее давлению Р4, а также температуру Т3 ОГ, подаются на вход блока 610 вычисления перепада энтальпий. Его выходной сигнал подается на вход блока 620 вычисления частоты вращения вала компрессора; в котором дополнительно учитываются количество ML32 проходящего через турбину воздуха и производительность PL компрессора. На выходе блока 620 получают сигнал частоты NL вращения вала компрессора. Сигнал температуры Т3 ОГ и сигнал на выходе блока 610 вычисления перепада энтальпий подаются на вход блока 630 вычисления температуры, который на выходе формирует сигнал температуры Т4 в выпускном трубопроводе.

На основании хода LH исполнительного органа компрессора, характеризующего положение направляющих лопаток турбины, с помощью рабочей характеристики положение направляющих лопаток предпочтительно пересчитывают в эффективную площадь проходного сечения компрессора. При этом открытое положение направляющих лопаток соответствует большой площади. При известном значении эффективной площади проходного сечения на основании количества ML32 воздуха, давления Р4 за турбиной, температуры Т3 на входе в турбину, а также различных физических констант в блоке 600 вычисления давления вычисляется давление Р3 на входе в турбину. Эти вычисления выполняются в блоке 600 вычисления давления с помощью формулы.

Увеличение расхода воздуха, повышение температуры Т3 на входе в турбину и давления Р4 за турбиной приводят соответственно к повышению давления Р3 на входе в турбину. С другой стороны, увеличение эффективной площади проходного сечения приводит к падению давления Р3 на входе в турбину.

На основании давления Р3 на входе в турбину, давления Р4 за турбиной, температуры Т3 на входе в турбину, а также различных физических констант, в блоке 610 вычисления перепада энтальпий вычисляется разность энтальпий газа на входе в турбину и на выходе из нее, т.е. в этом блоке вычисляется разность энергий в пересчете на количество газа. Перепад энтальпий увеличивается с повышением отношения давления на входе в турбину к давлению за турбиной и с повышением температуры на входе в турбину.

Мгновенная мощность, развиваемая турбиной, вычисляется как произведение перепада энтальпий, кпд турбины и количества ML32 воздуха, проходящего через турбину. Разность мощности турбины и мощности компрессора приводит к изменению энергии вращения вала 111, т.е. к повышению или снижению угловой скорости и в результате частоты NL вращения вала компрессора. С помощью соответствующего коэффициента это изменение пересчитывается в число оборотов в минуту, соответственно в частоту вращения вала компрессора. На основании этой величины блок 620 вычисления частоты вращения вала компрессора вычисляет частоту NL вращения вала компрессора. При этом кпд турбины компрессора предпочтительно принимать за постоянную величину или кпд можно сохранить в базе рабочих характеристик.

В блоке вычисления температуры на основании перепада энтальпий и кпд турбины вычисляется отдаваемая газом (срабатываемая на турбине) энергия. Посредством физических констант эта отдаваемая энергия напрямую прямо пропорционально связана с разностью температур на входе в турбину и за турбиной. На основании температуры Т3 на входе в турбину и этой разности температур в блоке 630 вычисления степени охлаждения газа вычисляется температура Т4 в выпускном трубопроводе (за турбиной).

Согласно изобретению давление Р3 ОГ вычисляется на основании хода LH исполнительного органа компрессора, количества ML32 воздуха, проходящего через турбину, давления Р4 за турбиной и температуры Т3 ОГ. На основании перепада давления на в турбине, вычисляемого как разность давления Р3 ОГ и давления Р4 за турбиной, и температуры ОГ вычисляется перепад энтальпий в/на турбине. На основании перепада энтальпий и температуры Т3 ОГ вычисляется температура Т4 в выпускном трубопроводе. На основании перепада энтальпий, производительности PL компрессора и количества ML32 воздуха, проходящего через турбину, вычисляется частота вращения вала компрессора.

На фиг.7 представлена модель выпускного трубопровода, т.е. выпускного трубопровода 114 ОГ низкого давления. На основании количества ML32 воздуха, проходящего через турбину, давления Р1 окружающей среды и температуры Т4 в выпускном трубопроводе, т.е. за турбиной, с помощью этой модели вычисляется давление Р4 за турбиной.

Модель 214 тракта ОГ используется для моделирования влияния тракта ОГ на давление за турбиной. Весь тракт ОГ моделируется как локализованная в пространстве диафрагма. С учетом величины эффективной поверхности диафрагмы с помощью модели 214 вычисляются давление Р4 за турбиной, которое соответствует давлению над диафрагмой, на основании количества ML32 воздуха, давления Р1 окружающей среды, которое соответствует давлению под диафрагмой, температуры Т4 над диафрагмой, а также двух констант, характеризующих физические свойства вещества.

При этом давление Р4 за турбиной повышается с увеличением количества ML32 воздуха, повышением давления Р1 атмосферы и температуры Т4 за турбиной. Увеличение эффективной площади проходного сечения приводит к падению давления за турбиной. Эффективную площадь проходного сечения диафрагмы предпочтительно считать постоянной величиной.

На фиг.8 более подробно показана модель 218 рециркуляции ОГ. Модель рециркуляции ОГ учитывает изменения системы впуска воздуха, если часть ОГ перепускается во впускной тракт (всасывания). В качестве входных сигналов в модели 218 рециркуляции ОГ учитываются следующие сигналы: давление Р3 ОГ, которое характеризует давление в выпускном трубопроводе ОГ высокого давления, температуру Т3 ОГ, давление Р2 наддува, температура Т2 наддувочного воздуха и ход АН исполнительного органа рециркуляции ОГ, который характеризует длину хода клапана 118 системы рециркуляции ОГ.

На основании этих величин с помощью соответствующих логических операций вычисляются выходные величины. К ним относятся прежде всего количество МА воздуха, проходящего через клапан 118 системы рециркуляции ОГ, температура ТА, характеризующая температуру ОГ непосредственно перед смешением со свежим воздухом.

Давление Р2 наддува и давление Р3 ОГ, которые характеризуют перепад давлений на клапане системы рециркуляции ОГ, подаются на вход переключателя 805.

Все сигналы за исключением сигнала температуры Т2 наддувочного воздуха подаются на вход первого блока 800 вычисления количества воздуха. Все сигналы за исключением сигнала температуры Т3 ОГ подаются на вход второго блока 810 вычисления количества воздуха.

Сигналы температуры Т3 ОГ и температуры Т2 наддувочного воздуха поступают, соответственно, на первый вход 831 и второй вход 832 второго переключателя 830.

Сигнал на выходе блока 800 вычисления количества воздуха поступает на первый вход 821, а сигнал на выходе блока 810 - после прохождения через знакоинвертор 815 - на второй вход 822 первого 820 переключателя.

На выходе 823 первого переключателя 820 формируется сигнал количества МА воздуха, проходящего через клапан системы рециркуляции ОГ. На выходе 833 второго переключателя 830 формируется сигнал температуры ТА в трубопроводе рециркуляции ОГ. Сигнал на выходе переключателя 805 переключения поступает в оба переключателя 820 и 830.

В блоке 800, соответственно 810 вычисления количества воздуха вычисляется количество МА воздуха, проходящего через клапан системы рециркуляции ОГ, предпочтительно с помощью уравнения дросселя. Количество МА воздуха, проходящего через клапан системы рециркуляции ОГ, по существу зависит от давления и температуры на входе в клапан системы рециркуляции ОГ, и давления на выходе из клапана системы рециркуляции ОГ, а также эффективной площади проходного сечения клапана рециркуляции ОГ.

При этом количество воздуха увеличивается с увеличением разности давлений и увеличением эффективной поверхности. Оно уменьшается с повышением температуры на входе в клапан.

Направление потока воздуха через клапан системы рециркуляции ОГ зависит от того, больше или меньше давление Р3 ОГ в выпускном трубопроводе ОГ высокого давления, чем давление Р2 наддува в трубопроводе подачи свежего воздуха высокого давления. Именно по этой причине предусмотрены два блока вычисления количества воздуха. Положение переключателя 820 определяет, результат которого из двух блоков задает количество воздуха. Положение переключателя 820 зависит от перепада давлений в клапане системы рециркуляции ОГ. От этого перепада давлений и, следовательно, также от направления потока зависит величина температуры ТА в трубопроводе рециркуляции ОГ.

Эффективная площадь проходного сечения дросселя представляет собой функцию хода АН исполнительного органа клапана рециркуляции ОГ и предпочтительно учитывается в виде реализуемой рабочей характеристики. Если давление Р3 ОГ больше давления Р2 наддува, то сигнал на выходе первого блока вычисления количества воздуха используется как сигнал количества МА воздуха, а сигнал температуры Т3 ОГ - как сигнал температуры ТА. Эти условия соответствуют показанному на фиг.8 положению переключателя.

Если же давление Р2 наддува больше давления Р3 ОГ, то переключатели устанавливаются в другое, не показанное на чертеже положение, и сигнал на выходе второго блока 810 вычисления количества воздуха определяет количество МА воздуха и, соответственно, температура ТА соответствует температуре Т2 наддувочного воздуха.

Согласно изобретению количество МА воздуха, проходящего через клапан системы рециркуляции ОГ, вычисляется на основании перепада давлений в клапане системы рециркуляции ОГ, температуры воздуха, проходящего через клапан системы рециркуляции ОГ, и хода АН исполнительного органа системы рециркуляции ОГ. Перепад давлений рассчитывается по разности давления Р3 ОГ и давления Р2 наддува. В зависимости от этой разности давлений по выбору используют температуру Т2 наддувочного воздуха или температуру Т3 ОГ как температуру воздуха в трубопроводе системы рециркуляции ОГ.

Управление рециркуляцией ОГ можно существенно улучшить, если имеется сигнал, характеризующий количество воздуха, проходящего через клапан системы рециркуляции ОГ. Датчик, подающий такой сигнал, сложно изготовить, поскольку он подвергается воздействию очень высоких температур и сильного загрязнения вследствие своего положения в потоке ОГ.

В современных системах используют прием непрямого решения задачи. При этом снабженный пневматическим приводом клапан системы рециркуляции ОГ остается открытым или закрытым до тех пор, пока измеряемое датчиком количество ML21 воздуха не достигнет номинального значения. Рециркулируемое количество ОГ представляет собой разность количества ML22 воздуха, поступающего в ДВС, и количества ML21 воздуха, проходящего через компрессор.

Этот способ решения имеет два существенных недостатка. При небольших количествах рециркулируемых ОГ низкая точность датчика обуславливает определение расхода рециркулируемых ОГ с очень большими ошибками. Контур автоматического управления клапаном системы рециркуляции ОГ содержит много элементов, некоторые из которых имеют малое быстродействие, поэтому динамичность работы системы остается ограниченной. Оба фактора, т.е. низкая чувствительность и недостаточное быстродействие ведут к ухудшению качества ОГ.

При применении исполнительных элементов системы рециркуляции ОГ со встроенным датчиком можно очень быстро и точно регулировать положение клапана с помощью подчиненной системы автоматического регулирования.

В электромагнитном клапане системы рециркуляции ОГ необходимое усилие создается с помощью электромагнита. При применении подчиненной системы автоматического регулирования положения фактическое положение клапана измеряют с помощью датчика скорости и задают такую продолжительность изменения электрического тока, пока клапан не займет требуемое положение. В этом конечном положении электрический ток представляет собой меру необходимой удерживающей силы. Ее величина зависит в основном от разности давления на впуске в клапан и выпуске из клапана. Электрический ток, протекающий в катушке, представляет собой измеряемый сигнал, соответствующий разности давлений в клапане системы рециркуляции ОГ.

На основании известных геометрических характеристик клапана, хода рециркуляции ОГ и разности давлений рассчитывается нормированный по температуре расход через клапан. Геометрические характеристики клапана заданы его конструкцией. Длина хода определяется встроенным (интегрированным) датчиком скорости. Перепад давлений определяется по величине тока в катушке.

Возникающий в позиционно регулируемом электромагнитном клапане системы рециркуляции ОГ сигнал величины электрического тока используется для вычисления разности давлений в клапане системы рециркуляции ОГ.

На основании величин давления Р2 наддува, перепада давлений, хода АН исполнительного органа рециркуляции ОГ и геометрических характеристик клапана можно определить зависящее от температуры количество МА воздуха, проходящего через клапан системы рециркуляции ОГ.

Согласно изобретению эта величина используется как фактическая величина в подчиненной системе автоматического регулирования для количества МА воздуха. Благодаря этому можно быстро и точно настроить зависящее от температуры количество воздуха, проходящего через клапан системы рециркуляции ОГ.

Путем прямого измерения количества МА воздуха можно обеспечить более высокую точность при регулировании скорости рециркуляции ОГ. С помощью вспомогательного регулирования нормированного количества МА воздуха можно обеспечить существенное улучшение быстродействия.

Вследствие разности давлений между выпускным трубопроводом ОГ высокого давления и трубопроводом подачи свежего воздуха высокого давления на клапан системы рециркуляции ОГ действует силой FP от давления газов. Чтобы удержать клапан на месте, эту силу нужно уравновесить силой электромагнита FM. Эта сила имеет прямую зависимость от силы электрического тока I_m, проходящего в обмотке электромагнита.

Таким образом получается уравнение, связывающее измеряемые величины с разностью давлений:

Р3-P2=ƒ₁ (FM)=ƒ₂(AH, I_m)

Нелинейная зависимость ƒ₂ определяется путем измерений на соответствующем испытательном оборудовании. На основании известной зависимости ƒ₂, длины хода АН и силы электрического тока I_m, протекающего в обмотке электромагнита, определяется фактическая разность давлений.

Нормированный по температуре расход через клапан вычисляется согласно уравнению расхода:

где МА_норм. - нормированный по температуре расход;

МА - количество среды, проходящей в единицу времени (массовый поток);

Р2 - давление наддува;

Р3 - давление ОГ;

Т3 - температура ОГ;

А(АН) - коэффициент дросселирования;

ψ - функция расхода.

Изменение коэффициента дросселирования как функции хода исполнительного органа, а также точная характеристика (форма кривой) функции расхода должны рассчитываться заранее путем измерений на соответствующем измерительном оборудовании.

С помощью приведенного выше уравнения вычисляется нормированное по температуре количество воздуха. На основании нормированного по температуре количества воздуха вместе с измеренной или оцененной величиной для температуры Т3 ОГ вычисляется количество МА воздуха, проходящего через клапан системы рециркуляции ОГ. Это вычисление осуществляется, например, блоками 800 и 810 вычисления количества воздуха.

Для этого решения другие субмодели не являются обязательно необходимыми. Так, давление наддува можно измерять непосредственно и вычислять давление Р3 ОГ на основании перепада давлений и давления Р2 наддува. При этом перепад давлений предпочтительно вычислять на основании хода АН клапана системы рециркуляции ОГ и количества воздуха, проходящего через клапан.

Вычисление хода исполнительного органа компрессора на основании скважности импульсов LTV, подаваемых на исполнительный орган компрессора, выполняется в блоке 213. Соответствующее преобразование управляющего сигнала ATV для клапана системы рециркуляции ОГ в ход АН клапана системы рециркуляции ОГ выполняется в блоке 219 (фиг.2).

Блоки 213 и 219 конструктивно выполнены примерно одинаково и отличаются друг от друга только способом выполнения пересчета. В блоке по существу предусмотрены характеристические параметры, соответственно порядок пересчета каждого значения скважности импульсов LTV, соответственно скважности ATV импульсов в длину хода исполнительного органа. На первой стадии скважность импульсов ограничивается имеющей физический смысл величиной в пределах от 0% до 100%. Динамика электропневматического преобразователя асимметрична, т.е. ход исполнительного элемента в одном направлении характеризуется заметно более высокой скоростью, чем в другом направлении. Такой процесс моделируется с помощью асимметричного звена РТ1 задержки, т.е. для возрастающих и убывающих выходных величин АН или LH активными являются различные постоянные времени. Выходная величина элемента звена РТ1 служит в качестве входной величины для применяемых характеристических параметров (характеристической кривой). В этом месте скважность импульсов пересчитывается в относительную длину хода, принимающую значения в пределах от 0 до 100%. В таком случае ход LH, соответственно ход АН служит в качестве входной величины, используемой в различных моделях.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам и устройствам управления двигателями внутреннего сгорания. Изобретение позволяет упростить устройство управления. В способе управления двигателем внутреннего сгорания (ДВС) с системой впуска воздуха на основании, по меньшей мере, одной управляющей величины и, по меньшей мере, одной измеряемой величины, характеризующей состояние окружающего воздуха, с помощью, по меньшей мере, одной модели определяют, по меньшей мере, одну величину, характеризующую параметры системы впуска воздуха. Модель состоит, по меньшей мере, из первой и второй субмоделей, при этом выходные величины определяют с помощью субмодели на основании входных величин. В качестве входных величин для первой субмодели помимо, по меньшей мере, одной выходной величины второй субмодели дополнительно учитывают управляющую величину и измеряемую величину. При этом в качестве управляющей величины учитывают, по меньшей мере, одну величину, характеризующую количество впрыскиваемого топлива. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ управления двигателем внутреннего сгорания (ДВС) с системой впуска воздуха, при этом на основании, по меньшей мере, одной управляющей величины и, по меньшей мере, одной измеряемой величины, характеризующей состояние окружающего воздуха, с помощью, по меньшей мере, одной модели определяют, по меньшей мере, одну величину, характеризующую параметры системы впуска воздуха, отличающийся тем, что модель состоит, по меньшей мере, из первой и второй субмоделей, при этом выходные величины определяют с помощью субмодели на основании входных величин, в качестве входных величин для первой субмодели помимо, по меньшей мере, одной выходной величины второй субмодели дополнительно учитывают управляющую величину и измеряемую величину, при этом в качестве управляющей величины учитывают, по меньшей мере, одну величину, характеризующую количество впрыскиваемого топлива.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве управляющей величины используют расход (ME) топлива, характеризующий количество впрыскиваемого топлива, скважность импульсов (ATV) для управления системой рециркуляции отработавших газов (ОГ), характеризующую управляющий сигнал, подаваемый на исполнительный орган для воздействия на процесс рециркуляции ОГ, и/или скважность импульсов (LTV) для управления компрессором, характеризующую управляющий сигнал, подаваемый на исполнительный орган для воздействия на рабочие характеристики компрессора.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве измеряемой величины используют, по меньшей мере, частоту вращения (N), характеризующую частоту вращения вала ДВС, температуру (Т1) окружающей среды, характеризующую температуру окружающего воздуха, и/или давление (Р1) окружающей среды, характеризующее давление окружающего воздуха.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что с помощью модели (206) компрессора на основании, по меньшей мере, частоты вращения (NL) вала компрессора, давления (Р1) окружающей среды, давления (Р2) наддува и температуры (Т1) окружающей среды определяют, по меньшей мере, количество (ML21) воздуха, проходящего через компрессор, производительность (PL) компрессора и температуру (Т2) наддувочного воздуха.5. Способ по п.4, отличающийся тем, что количество (ML21) воздуха определяют на основании плотности и объема воздуха, проходящего через компрессор, при этом плотность воздуха определяют на основании температуры (Т1) окружающей среды и давления (Р1) окружающей среды, а объем воздуха определяют на основании частоты вращения (NL) вала компрессора и перепада энтальпий, который, в свою очередь, определяют на основании давления (Р1) окружающей среды и давления (Р2) наддува.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что с помощью модели трубопровода подачи свежего воздуха высокого давления на основании по меньшей мере количества (ML21, ML22 и МА) воздуха, поступающего в трубопровод подачи свежего воздуха высокого давления, содержания в этом воздухе кислорода, температуры (Т2) наддувочного воздуха и температуры (ТА) в линии рециркуляции ОГ определяют, по меньшей мере, давление (Р2) наддува, содержание (МO22) кислорода в воздухе, подаваемом в ДВС, и температуру (Т22) смеси.7. Способ по п.6, отличающийся тем, что содержание (МO22) кислорода, поступающего в ДВС, определяют на основании количества (ML21, ML22 и МА) воздуха, поступающего в трубопровод подачи свежего воздуха высокого давления, и содержания в нем кислорода, а также на основании, по меньшей мере, одной константы и/или давление (Р2) наддува определяют путем интегрирования величин изменения давления, задаваемых на основании количества входящего и/или выходящего воздуха и его температуры.8. Способ по п.1, отличающийся тем, что с помощью модели цилиндра на основании, по меньшей мере, расхода топлива (ME), частоты вращения (N) вала ДВС, давления (Р2) наддува, температуры (Т22) смеси и содержания кислорода (МO22) в воздухе, поступающем в ДВС, вычисляют, по меньшей мере, температуру (Т3) ОГ, количество (ML22) воздуха, поступающего в ДВС, и количество (ML31) воздуха, выходящего из ДВС, а также содержание (МO31) кислорода в этом воздухе.9. Способ по п.8, отличающийся тем, что температуру (Т3) ОГ определяют на основании расхода (ME) топлива и температуры (Т22) смеси и/или количество (ML22 и ML31) воздуха, поступающего в ДВС и выходящего из него, определяют на основании температуры (Т22) и давления (Р2) поступающего в ДВС газа, частоты вращения (N) вала двигателя и/или расхода (ME) топлива.10. Способ по п.1, отличающийся тем, что с помощью модели турбины на основании, по меньшей мере, значения хода исполнительного органа компрессора, температуры (Т3) ОГ, давления (Р4) за турбиной и количества (ML32) воздуха, проходящего через турбину, определяют, по меньшей мере, давление (Р3) ОГ, частоту вращения (NL) вала компрессора и температуру (Т4) в выпускном трубопроводе.11. Способ по п.10, отличающийся тем, что давление (Р3) ОГ определяют на основании значения хода (LH) исполнительного органа компрессора, количества (ML32) воздуха, проходящего через турбину, давления (Р4) за турбиной и температуры (Т3) ОГ и/или перепад энтальпий в турбине определяют на основании перепада давлений в турбине, вычисляемой как разность давления (Р3) ОГ и давления (Р4) за турбиной, и температуры ОГ, и/или температуру (Т4) в выпускном трубопроводе определяют на основании перепада энтальпий и температуры (Т3) ОГ, и/или частоту вращения вала компрессора определяют на основании перепада энтальпий, производительности (PL) компрессора и количества (ML32) воздуха, проходящего через турбину.12. Способ по п.1, отличающийся тем, что с помощью модели турбины на основании, по меньшей мере, значения хода (LH) исполнительного органа компрессора, количества (ML32) воздуха, проходящего через турбину, давления (Р4) за турбиной и температуры (Т3) ОГ определяют, по меньшей мере, давление (Р3) ОГ, частоту вращения (NL) вала компрессора и температуру (Т4) в выпускном трубопроводе.13. Способ по п.12, отличающийся тем, что давление (Р3) ОГ определяют на основании значения хода (LH) исполнительного органа компрессора, количества (ML32) воздуха, проходящего через турбину, давления (Р4) за турбиной и температуры (Т3) ОГ, и/или перепад энтальпий в турбине определяют на основании перепада давлений в турбине и температуры (Т3) ОГ, и/или температуру (Т4) в выпускном трубопроводе определяют на основании перепада энтальпий и температуры (Т3) ОГ, и/или частоту вращения вала компрессора определяют на основании перепада энтальпий, производительности (PL) компрессора и количества (ML32) воздуха, проходящего через турбину.14. Способ по п.1, отличающийся тем, что с помощью модели выпускного трубопровода на основании, по меньшей мере, количества (ML32) воздуха, проходящего через турбину, давления (Р1) окружающей среды и температуры (Т4) в выпускном трубопроводе определяют давление за турбиной.15. Способ по п.1, отличающийся тем, что с помощью модели рециркуляции ОГ на основании значения хода (АН) исполнительного органа системы рециркуляции ОГ, температуры (Т2, Т3) и давления (Р2, Р3) на входе и выходе клапана системы рециркуляции ОГ определяют температуру.16. Способ по п.15, отличающийся тем, что количество (МА) воздуха, проходящего через клапан системы рециркуляции ОГ, определяют на основании перепада давлений в этом клапане системы рециркуляции ОГ, температуры воздуха, проходящего через этот клапан системы рециркуляции ОГ, и значения хода (АН) исполнительного органа системы рециркуляции ОГ, при этом в качестве температуры воздуха в трубопроводе системы рециркуляции ОГ в зависимости от перепада давлений в клапане системы рециркуляции ОГ по выбору используют либо температуру (Т2) наддувочного воздуха, либо температуру (Т3) ОГ.17. Устройство управления двигателем внутреннего сгорания (ДВС) с системой впуска воздуха, при этом на основании, по меньшей мере, одной управляющей величины и, по меньшей мере, одной измеряемой величины, характеризующей состояние окружающего воздуха, с помощью, по меньшей мере, одной модели определяют, по меньшей мере, одну величину, характеризующую параметры системы впуска воздуха, отличающееся тем, что модель состоит, по меньшей мере, из первой и второй субмоделей, с помощью которых на основании входных величин определяются выходные величины, при этом в качестве входных величин для первой субмодели помимо, по меньшей мере, одной выходной величины второй субмодели дополнительно учитываются управляющая величина и измеряемая величина, причем в качестве управляющей величины учитывается, по меньшей мере, одна величина, характеризующая количество впрыскиваемого топлива.