СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2010 года по МПК F02D41/18 G01M15/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу управления работой двигателя внутреннего сгорания (ДВС), при осуществлении которого наполнение воздухом камеры сгорания определяют с учетом давления во всасывающем канале. Помимо этого изобретение относится к компьютерной программе, к электрическому носителю информации для устройства управления и/или регулирования ДВС, а также к устройству управления и/или регулирования ДВС.

Уровень техники

Способ указанного в начале описания типа известен из уровня техники. Во многих ДВС давление во всасывающем канале измеряется датчиком давления. С использованием линейной функции на основе измеренного давления определяется или вычисляется наполнение воздухом камер сгорания ДВС. Важность знания наполнения воздухом камеры сгорания проявляется прежде всего при эксплуатации систем с впрыском топлива в поток воздуха для обеспечения точной дозировки топлива в камеры сгорания ДВС. Точность дозировки топлива в свою очередь оказывает влияние на уровень потребления топлива и объем вредных выбросов ДВС. В этом отношении заявка DE 19756919 А1 в полном объеме включена в настоящее описание в качестве ссылки.

Помимо этого известны четырехтактные ДВС с перекрытием клапанов (распределительных валов). В подобных ДВС около верхней мертвой точки между тактом выпуска ОГ и тактом впуска выпускные клапаны и впускные клапаны камеры сгорания в определенном угловом положении коленчатого вала могут быть открыты одновременно. Тем самым может быть реализована внутренняя рециркуляция ОГ при перекрытии клапанов, благодаря чему в том числе можно также гарантировать снижение объемов выбросов оксидов азота. Однако было установлено, что применительно к подобным применявшимся до настоящего времени системам со значительным перекрытием клапанов определение наполнения воздухом камеры сгорания было либо сложным, либо неточным.

Раскрытие изобретения

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача усовершенствовать способ указанного в начале описания типа таким образом, чтобы и при использовании систем со значительным перекрытием клапанов (распределительных валов) обеспечивалось максимально точное определение наполнения камер сгорания воздухом на основе давления во всасывающем канале.

Указанная задача решается в отношении способа указанного в начале описания типа благодаря тому, что наполнение воздухом камеры сгорания определяют с помощью модели, в которую в качестве входных величин вводят частоту вращения коленчатого вала и отношение давления во всасывающем канале к давлению окружающей среды. Эта задача решается соответствующим образом и в отношении компьютерной программы, электрического носителя информации и устройства управления и/или регулирования ДВС.

При создании изобретения было установлено, что в системах с высоким перекрытием клапанов между фактическим наполнением воздухом камеры сгорания и фактическим давлением воздуха во всасывающем канале существует нелинейная связь. Помимо этого было установлено, что эта нелинейная связь представляет собой по существу функцию соотношения между фактическим давлением воздуха во всасывающем канале и давлением окружающей среды. Поэтому при осуществлении предлагаемого в изобретении способа это соотношение дополнительно используется для определения фактического наполнения воздухом камеры сгорания. Благодаря этому данную величину можно определять с высокой точностью и в процессе работы систем с высоким перекрытием клапанов, что в свою очередь обеспечивает получение точного состава требуемой смеси топлива и воздуха в камере сгорания, особенно в ДВС с впрыском топлива в поток воздуха. В конечном итоге предлагаемые в изобретения решения обеспечивают как оптимальное потребление топлива, так и снижение объема вредных выбросов ДВС.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемый в изобретении способ отличается тем, что в используемую модель в качестве входной величины дополнительно вводят температуру воздуха в камере сгорания. Тем самым устраняются или по меньшей мере сокращаются ошибки, связанные с изменяющейся плотностью воздуха, и дополнительно повышается точность определения наполнения воздухом камеры сгорания.

Дополнительно можно принять условие, согласно которому температура воздуха в камере сгорания равна регистрируемой температуре воздуха во всасывающем канале. Тем самым уменьшается вычислительная нагрузка, или затраты машинного времени, без заметного снижения точности определения наполнения воздухом камеры сгорания.

В альтернативном варианте температуру воздуха в камере сгорания можно также определять с помощью модели, в которую в качестве входных величин вводят регистрируемую температуру воздуха во всасывающем канале и по меньшей мере еще одну регистрируемую температуру ДВС, в частности температуру охлаждающей воды, температуру отработавших газов (ОГ) и/или температуру головки блока цилиндров. Этот вариант осуществления способа обеспечивает повышение точности определения величины температуры в камере сгорания и не требует применения дополнительных датчиков.

Помимо этого существует также возможность определять давление окружающей среды по разности между зарегистрированным и смоделированным давлением во всасывающем канале. Благодаря этому отпадает необходимость в отдельном датчике для определения давления окружающей среды, в результате чего обеспечивается дополнительное снижение расходов на датчики.

При этом точность определения давления окружающей среды повышается благодаря тому, что давление окружающей среды определяют только в том случае, когда степень открытия дроссельной заслонки или эквивалентная ей величина достигла порогового значения и/или превышает его. Это условие определяется тем, что давление окружающей среды изменяется довольно медленно, т.е. не требуется определять величину этого давления в непрерывном режиме. Однако если дроссельная заслонка повернута на сравнительно большой угол или открыта полностью, то давление окружающей среды можно определять со сравнительно высокой точностью путем интегрирования по указанной выше разности.

В дополнение к этому смоделированное давление во всасывающем канале можно также определять с помощью модели, в которую в качестве входной величины вводят разность массы воздуха, поступающего во всасывающий канал, и массы воздуха, поступающего из всасывающего канала в камеру сгорания. За счет простого определения баланса масс можно моделировать простым путем, а также с высокой точностью давление во всасывающем канале, благодаря чему при определенных условиях можно отказаться от применения соответствующего датчика давления.

При этом массу воздуха, поступающего из всасывающего канала в камеру сгорания, можно также определять с помощью модели, в которую в качестве входной величины вводят положение дроссельной заслонки. В случае обычных регулируемых дроссельных заслонок определение их положения и так уже предусмотрено, поэтому в данном случае определение положения дроссельной заслонки не сопряжено с дополнительными затратами.

С целью обеспечить учет влияния производственных допусков и/или проявлений износа дроссельной заслонки при определении поступающей в камеру сгорания массы воздуха предпочтительно дополнительно вводить в соответствующую модель величину коррекции характеристики дроссельной заслонки, определяемую на основе разности смоделированного и зарегистрированного давлений во всасывающем канале. Это решение обеспечивает также повышение точности определения массы воздуха, поступившего в камеру сгорания. При этом величину коррекции предпочтительно определять только в том случае, когда степень открытия дроссельной заслонки или эквивалентная ей величина находится ниже порогового значения и/или достигла его.

Благодаря использованию запоминающего устройства малой емкости, минимальным затратам на датчики и короткой продолжительности вычислений указанные выше варианты способа могут быть реализованы в том случае, когда по меньшей мере одна из моделей включает в себя однопараметровую и/или многопараметровую характеристику.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере особо предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематичный вид ДВС,

на фиг.2 - блок-схема процесса определения наполнения воздухом камеры сгорания,

на фиг.3 - блок-схема процесса определения давления окружающей среды и величины коррекции характеристики дроссельной заслонки,

на фиг.4 - блок-схема процесса определения смоделированного давления во всасывающем канале ДВС согласно фиг.1,

на фиг.5 - блок-схема процесса определения массы воздуха, поступающего из всасывающего канала в камеру сгорания, и

на фиг.6 - блок-схема, иллюстрирующая связь процессов, проиллюстрированных на фиг.2-5.

Описание вариантов осуществления изобретения

На фиг.1 схематично показан ДВС, обозначенный в целом позицией 10. В состав ДВС входят несколько цилиндров, из которых для сохранения наглядности чертежа на нем показан только один цилиндр, обозначенный позицией 12. Соответствующая камера сгорания обозначена позицией 14. Топливо подается в камеру 14 сгорания непосредственно через форсунку 16 для впрыскивания топлива, соединенную с топливной системой 18. Воздух поступает в камеру 14 сгорания через впускной клапан 20 и всасывающий канал 22, в котором расположена дроссельная заслонка 24. Степень открытия этой заслонки регулируется исполнительным двигателем 26, а для определения ее текущего положения используется датчик 28 положения дроссельной заслонки. Для определения фактического давления воздуха во всасывающем канале 22 предусмотрен датчик 30 давления, в комбинации с которым используется датчик 32, предназначенный для измерения соответствующей температуры. Датчик 30 давления располагается по ходу потока за дроссельной заслонкой 24 и измеряет давление перед впускным клапаном 20. Как более подробно описано ниже, в том случае, когда впускной клапан 20 закрывается, устанавливается равенство давлений во всасывающем канале 22 и камере 14 сгорания. Поэтому в данном случае по давлению во всасывающем канале 22 можно определять степень наполнения воздухом камеры 14 сгорания.

Топливовоздушная смесь, находящаяся в камере 14 сгорания, воспламеняется от искры свечи 34 зажигания, соединенной с системой 36 зажигания. Горячие отработавшие газы выпускаются из камеры 14 сгорания через выпускной клапан 38 и выпускную трубу 40.

ДВС 10, показанный на фиг.1, установлен на непоказанном транспортном средстве. Необходимая водителю мощность ДВС транспортного средства регулируется путем установления в требуемое положение педали 42 акселератора. Для определения частоты вращения коленчатого вала 44 ДВС 10 используется датчик 46 частоты вращения. Для управления работой ДВС 10, соответственно ее регулирования используется соответствующее устройство или блок 48 управления. Это устройство получает входные сигналы от датчиков 28, 30, 32, 42 и 46 и управляет работой, в том числе, исполнительного механизма 26, форсунки 16, а также системы 36 зажигания.

ДВС 10, показанный на фиг.1, работает по четырехтактному рабочему циклу. При этом может иметь место перекрытие впускного 20 и выпускного 38 клапанов. Это означает, что вблизи верхней мертвой точки между тактами выпуска ОГ и всасывания оба клапана 20 и 38 могут одновременно находиться в открытом положении. Тем самым может быть реализована внутренняя рециркуляция ОГ при перекрытии клапанов. Для надлежащего управления работой ДВС 10 важно иметь возможность максимально точного определения наполнения воздухом камеры 14 сгорания. Для решения этой задачи в запоминающем устройстве устройства 48 управления и регулирования записана компьютерная программа, предназначенная для управления осуществлением способа и более подробно описанная ниже со ссылкой на фиг.2-6.

На фиг.2 показано, каким образом определяется текущее наполнение воздухом камеры 14 сгорания ДВС 10 при осуществлении процесса А (с применением модели А). В соответствии с этим способом в многопараметровую характеристику 50 вводятся выдаваемое датчиком 46 частоты вращения значение частоты вращения nmot, а также отношение fp давлений. Отношение fp давлений получают путем деления в блоке 52 регистрируемого датчиком 30 давления значения давления ps во всасывающем канале 22 на значение давления pu окружающей среды. Ниже получение значения ри давления окружающей среды описано более подробно. Многопараметровая характеристика 50 дает значение r1′. В процессе коррекции по плотности значение r1′ умножают в блоке 54 на коэффициент fpu, который получают путем деления в блоке 56 значения давления ри окружающей среды на нормальное давление, равное 1013 гПа.

По аналогии с этим процессом вычисления в блоке 58 выполняется умножение на коэффициент ftb, который получают в блоке 60 путем деления температуры Tbr на стандартную температуру, равную 273 К. Под температурой Tbr следует понимать температуру газа в камере 14 сгорания в момент закрытия впускного клапана 20. В простейшем случае температура Tbr просто приравнивается к температуре, регистрируемой датчиком 32 температуры. Однако в альтернативном варианте температура Tbr может также определяться с учетом другой регистрируемой температуры, такой, например, как температура охлаждающей воды, температура ОГ и/или температура головки блока цилиндров.

В рассматриваемом варианте давление рu окружающей среды, используемое на фиг.2 как входная величина, не измеряется, а моделируется (см. фиг.3, процесс В). Как показано на фиг.3, сначала в блоке 62 вычисляется разность зарегистрированного датчиком 30 давления ps во всасывающем канале 22 и смоделированного давления psmod. Процесс получения смоделированного значения давления psmod более подробно рассматривается ниже. Вычисленная в блоке 62 разность dp давлений может быть передана через первый пороговый выключатель (пороговый элемент) 64 в первый интегратор 66, который определяет значение давления рu окружающей среды. Вычисленная разность dp давлений может быть передана через второй пороговый выключатель (пороговый элемент) 68 во второй интегратор 70, который может определить величину ofmsndk коррекции. Установки обоих пороговых выключателей 64 и 68 зависят от массы msdk потока воздуха, который проходит через дроссельную заслонку 24 и величина которого в свою очередь зависит от положения дроссельной заслонки 24. Если значение msdk меньше предельного значения или порогового значения S или равно ему, то разность dp давлений передается во второй интегратор 70, если же значение msdk больше порогового значения S, то разность dp давлений передается в первый интегратор 66.

На фиг.4 показано, каким образом получают смоделированное значение давления psmod во всасывающем канале 22 (процесс С), необходимое для вычисления разности dp давлений согласно проиллюстрированному на фиг.3 варианту: В блоке 72 вычисляется разность значений массы rldkroh воздуха, поступающего во всасывающий канал 22, и массы rldk воздуха, поступающего из всасывающего канала 22 в камеру 14 сгорания. Процесс определения массы rldkroh воздуха более подробно рассматривается ниже. Величина ridk определяется уже описанным выше со ссылкой на фиг.2 методом, согласно которому вместо полученного давления ps в делитель 52 передается давление psmod, смоделированное на выполняемом раньше этапе. Полученная в блоке 72 разность drl умножается в блоке 74 на рабочий объем Vh цилиндра 12 и на нормальную плотность ρ0 воздуха. Таким путем на основе относительного значения drl получают абсолютную массу, прибавляемую в блоке 76. Полученный результат умножается в блоке 78 на газовую постоянную R и на уже указанную выше температуру Tbr и делится на объем Vs всасывающего канала 22. Полученный результат представляет собой смоделированное давление psmod во всасывающем канале 22.

Ниже рассматривается процесс определения значения rldkroh, необходимого для адресации блока 72 определения разности (см. фиг.5, процесс D) согласно фиг.4. В многопараметровую характеристику 80 вводится, во-первых, угол wdkba, определяемый датчиком 28 положения дроссельной заслонки. Во-вторых, в эту многопараметровую характеристику 80 вводится коэффициент rpmod, вычисляемый делителем 82, в который, в свою очередь, вводится смоделированное давление psmod во всасывающем канале 22 и давление рu окружающей среды. Положение wdkba дроссельной заслонки является открываемым дроссельной заслонкой проходным сечением, а отношение rpmod давлений является мерой скорости потока.

Выходная величина многопараметровой характеристики 80 объединяется в блоке 84 со смещением ofmsndk положения дроссельной заслонки 24, определенным по уже рассмотренному со ссылкой на фиг.3 процессу В. Однако полученная таким путем выходная величина действительна только для нормальной плотности воздуха. Приток rlrohdk воздуха при фактической его плотности получают путем умножения в блоках 86 и 88 на уже известный из показанного на фиг.2 процесса коэффициент fpu, а также коэффициент ftu. Последний из указанных коэффициентов вычисляют как корень из частного от деления нормальной температуры 273 К на температуру Tvdk. Под последней из указанных температур, в свою очередь, следует понимать температуру, которая регистрируется выше по ходу потока от дроссельной заслонки 24 и которая для упрощения вычисления может быть приравнена к температуре, регистрируемой датчиком 32 температуры.

Связь рассмотренных со ссылкой на фиг.2-5 отдельных процессов A-D еще раз проиллюстрирована в целом на фиг.6. Как показано на фиг.6, фактическое наполнения rl воздухом камеры 14 сгорания получают в конечном итоге только на основе входных величин nmot (от датчика 46 частоты вращения), ps (от датчика 30 давления), wdkba (от датчика 28 положения дроссельной заслонки) и Tvdk (от датчика 32 температуры). При этом надежное определение наполнения r1 воздухом камеры сгорания становится возможным и в системах со значительным перекрытием распределительных валов или клапанов, прежде всего благодаря учету соотношения между фактическим давлением ps во всасывающем канале 22 и давлением рu окружающей среды в процессе А.

Физическая основа этого заключается в том, что при перекрытии клапанов отработавшие газы движутся из выпускной трубы 40 через камеру 14 сгорания во всасывающий канал 22. Скорость этого обратного потока зависит от соотношения между давлением во всасывающем канале 22 и давлением в выпускной трубе 40 и от продолжительности перекрытия клапанов. Эта зависимость учитывается многопараметровой характеристикой 50 в процессе А.

В его основу положено предположение о том, что давление в выпускной трубе 40 может быть приблизительно равно давлению окружающей среды. Продолжительность перекрытия клапанов зависит, в свою очередь, от частоты вращения nmot и давления ps.

Изобретение относится к регулированию двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет усовершенствовать способ, чтобы при использовании систем со значительным перекрытием клапанов (распределительных валов) обеспечивалось максимально точное определение наполнения камер сгорания воздухом на основе давления во всасывающем канале. Способ управления работой двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что наполнение воздухом камеры сгорания определяют с учетом давления во всасывающем канале. Наполнение воздухом камеры сгорания определяют с помощью модели, в которую в качестве входных величин вводят частоту вращения коленчатого вала, отношение давления во всасывающем канале к давлению окружающей среды и температуру воздуха в камере сгорания. Температуру воздуха в камере сгорания определяют с помощью модели, в которую в качестве входных величин вводят регистрируемую температуру воздуха во всасывающем канале и по меньшей мере еще одну регистрируемую температуру ДВС, в частности температуру охлаждающей воды, температуру отработавших газов и/или температуру головки блока цилиндров. Предлагаются электрический носитель информации для устройства управления и/или регулирования двигателя внутреннего сгорания, на котором записана компьютерная программа, при выполнении которой реализуется способ, а также устройство управления и/или регулирования двигателя внутреннего сгорания, запрограммированное для осуществления способа. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ управления работой двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (10), при осуществлении которого наполнение (г1) воздухом камеры (14) сгорания определяют с учетом давления (ps) во всасывающем канале (22), отличающийся тем, что наполнение (г1) воздухом камеры сгорания определяют с помощью модели (А), в которую в качестве входных величин вводят частоту вращения (nmot) коленчатого вала (44), отношение давления (ps) во всасывающем канале (22) к давлению (pu) окружающей среды и температуру (Tbr) воздуха в камере (14) сгорания, причем температуру воздуха в камере сгорания определяют с помощью модели, в которую в качестве входных величин вводят регистрируемую температуру воздуха во всасывающем канале и по меньшей мере еще одну регистрируемую температуру ДВС, в частности температуру охлаждающей воды, температуру отработавших газов (ОГ) и/или температуру головки блока цилиндров.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру (Tbr) воздуха в камере (14) сгорания принимают равной регистрируемой температуре воздуха во всасывающем канале (22).

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что давление (pu) окружающей среды определяют с помощью модели (В), в которую в качестве входной величины вводят разность (dp) зарегистрированного (ps) и смоделированного (psmod) давлений во всасывающем канале (22).

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что давление (pu) окружающей среды определяют только в том случае, когда степень открытия дроссельной заслонки или эквивалентная ей величина (msdk) достигла порогового значения (S) и/или превышает его.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что смоделированное давление (psmod) во всасывающем канале (22) определяют с помощью модели (С), в которую в качестве входной величины вводят разность (drl) массы (rldk) воздуха, поступающего во всасывающий канал (22), и массы (rldkroh) воздуха, поступающего из всасывающего канала (22) в камеру (14) сгорания.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что смоделированное давление (psmod) во всасывающем канале (22) определяют с помощью модели (С), в которую в качестве входной величины вводят разность (drl) массы (rldk) воздуха, поступающего во всасывающий канал (22), и массы (rldkroh) воздуха, поступающего из всасывающего канала (22) в камеру (14) сгорания.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что массу (rldkroh) воздуха, поступающего из всасывающего канала (22) в камеру (14) сгорания, определяют с помощью модели (D), в которую в качестве входной величины вводят положение (wdkba) дроссельной заслонки (24).

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что в модель (D) дополнительно вводят величину (ofmsndk) коррекции характеристики дроссельной заслонки, определяемую на основе разности (dp) смоделированного (psmod) и зарегистрированного (ps) давлений во всасывающем канале (22).

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что величину (ofmsndk) коррекции определяют только в том случае, когда степень открытия дроссельной заслонки или эквивалентная ей величина (msdk) находится ниже порогового значения (S) и/или достигла его.

10. Способ по п.6, отличающийся тем, что массу (rldkroh) воздуха, поступающего из всасывающего канала (22) в камеру (14) сгорания, определяют с помощью модели (D), в которую в качестве входной величины вводят положение (wdkba) дроссельной заслонки (24).

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что в модель (D) дополнительно вводят величину (ofmsndk) коррекции характеристики дроссельной заслонки, определяемую на основе разности (dp) смоделированного (psmod) и зарегистрированного (ps) давлений во всасывающем канале (22).

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что величину (ofmsndk) коррекции определяют только в том случае, когда степень открытия дроссельной заслонки или эквивалентная ей величина (msdk) находится ниже порогового значения (S) и/или достигла его.

13. Электрический носитель информации для устройства (48) управления и/или регулирования двигателя (10) внутреннего сгорания, отличающийся тем, что на нем записана компьютерная программа, при выполнении которой реализуется способ по одному из пп.1-12.

14. Устройство (48) управления и/или регулирования двигателя (10) внутреннего сгорания, отличающееся тем, что оно запрограммировано для осуществления способа по одному из пп.1-12.