УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ СООТНОШЕНИЯ ВОЗДУХ/ТОПЛИВО ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2010 года по МПК F02D41/14 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение касается устройства регулирования соотношения воздух/топливо для двигателя внутреннего сгорания. В частности, изобретение касается устройства регулирования соотношения воздух/топливо для сглаживания изменения соотношения воздух/топливо среди множества цилиндров.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Вследствие износа деталей впускной системы и системы клапанного механизма двигателя внутреннего сгорания с течением времени возникает отклонение количества воздуха, всасываемого во множество цилиндров, от целевого значения. Погрешности от такого отклонения определяются механическими элементами и варьируются от цилиндра к цилиндру. Унифицированность управления цилиндрами, позволяющая получать одинаковое соотношение воздух/топливо для всех цилиндров, обеспечивает неизменность количества топлива, впрыскиваемого в цилиндры. Следовательно, несмотря на получение одного и того же целевого значения для каждого цилиндра возникает изменение соотношения воздух/топливо между цилиндрами.

В особенности влияние погрешности на количество всасываемого воздуха усиливается при условии низкой нагрузки, такой как при работе на холостом ходу. В результате происходит усиление изменения соотношения воздух/топливо между цилиндрами и снижение скорости очистки отработавших газов катализатором, приводящее к ухудшению характеристики выбросов. При чрезмерном изменении соотношения воздух/топливо в цилиндре с чрезмерно "бедным" или "богатым" соотношением воздух/топливо могут возникать и пропуски зажигания. Или, так как вращающий момент в значительной степени варьируется от цилиндра к цилиндру, возникает ухудшение дорожных качеств автомобиля типа вибрации и пульсаций на холостом ходу. Поэтому существует необходимость в технике регулирования, позволяющей обнаруживать изменение количества всасываемого воздуха между цилиндрами и компенсировать это изменение в течение короткого времени.

В патенте Японии №2689368 раскрывается техника регулирования с помощью блока наблюдения для компенсации изменения количества всасываемого воздуха на основе выходного сигнала LAF-датчика (датчика соотношения воздух/топливо), установленного в выпускной системе. Однако эта техника характеризуется низкой устойчивостью по отношению к ошибке моделирования и потери времени и трудностью применения в случае изменения отклика LAF-датчика или большого износа механизма с течением времени. Существуют трудности и при использовании этой техники применительно к выпускной системе двигателя с большой выходной мощностью/большим вращающим моментом (к общей выпускной системе 4-2-1), в которой возникает большая потеря времени при измерении соотношения воздух/топливо.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Следовательно, существует необходимость в технике регулирования соотношения воздух/топливо, имеющей высокую устойчивость и высокую адаптируемость по отношению к типам выпускной системы, изменению характеристик датчика и износу механизма с течением времени.

В настоящем изобретении предлагается устройство регулирования соотношения воздух/топливо для сглаживания изменения соотношения воздух/топливо среди множества цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Это устройство включает в себя датчик для измерения выходного сигнала двигателя внутреннего сгорания. Устройство включает в себя средство для вычисления функции корреляции для каждого цилиндра с учетом взаимной корреляции опорного сигнала для каждого цилиндра и значения, измеренного датчиком. Устройство также включает в себя средство для вычисления сглаживающего целевого значения, являющегося общим для всех цилиндров. Кроме того, устройство включает в себя контроллеры цилиндров, каждый из которых выделен для определенного цилиндра, предназначенные для вырабатывания входного сигнала управления для соответствующих цилиндров, обеспечивающего сходимость функции корреляции каждого цилиндра к общему сглаживающему целевому значению.

В результате такой компоновки даже при наличии ошибки моделирования и потери времени обеспечивается возможность устойчивой и быстрой оценки соотношения воздух/топливо для каждого цилиндра, а также устойчивой и быстрой сходимости соотношения воздух/топливо к целевому значению.

В одном примере осуществления настоящего изобретения опорный сигнал представляет собой периодическую функцию, а взаимная корреляция вычисляется на отрезке времени, кратном периоду опорного сигнала. Это позволяет исключить колебания функции корреляции, которая показывает состояние соотношения воздух/топливо, и предотвратить переход системы управления в резонансное состояние и появление неустойчивости системы управления.

В одном примере осуществления изобретения сглаживающее целевое значение является средним значением функции корреляции.

В одном примере осуществления изобретения входной сигнал управления вырабатывается с использованием алгоритма управления с назначением отклика с двумя степенями свободы. Этот алгоритм обеспечивает сходимость соотношения воздух/топливо к целевому значению без перерегулирования и, таким образом, без появления нежелательных колебаний выходного сигнала.

В одном примере осуществления изобретения устройство дополнительно содержит общее средство управления для вырабатывания входного сигнала управления, общего для цилиндров, обеспечивающего сходимость среднего значения датчика к определенному выходному целевому значению. В результате этого сходимость осуществляется без постоянного отклонения по отношению к выходному целевому значению.

В одном примере осуществления изобретения общий входной сигнал управления вырабатывается с использованием алгоритма управления с назначением отклика с двумя степенями свободы, а отклик на целевое значение в общем средстве управления задается выше, чем в контроллере цилиндров. В результате этого, поскольку общее средство управления обеспечивает более быструю сходимость, чем контроллер цилиндров, то осуществляется быстрая и точная компенсация постоянного отклонения по отношению к выходному целевому значению.

В одном примере осуществления изобретения двигатель внутреннего сгорания представляет собой бензиновый двигатель, входной сигнал управления для каждого из цилиндров является параметром для коррекции количества впрыскиваемого топлива, а датчик - датчиком отработавших газов (LAF-датчиком), размещенным в выпускной системе. В этом случае момент зажигания корректируется в соответствии с параметром, а величина коррекции момента зажигания является пропорциональной величине нагрузки двигателя. В результате этого обеспечивается компенсация изменения соотношения воздух/топливо между цилиндрами, и вследствие уменьшения колебаний скорости вращения улучшаются дорожные качества автомобиля.

В одном примере осуществления изобретения двигатель внутреннего сгорания представляет собой дизельный двигатель, входной сигнал управления для каждого из цилиндров является параметром для коррекции количество впрыскиваемого топлива, а датчик - датчиком угловой скорости, размещенным на коленчатом вале. В результате этого обеспечивается компенсация изменения вращающего момента между цилиндрами, и вследствие уменьшения колебаний скорости вращения улучшаются дорожные качества автомобиля.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - блок-схема устройства регулирования соотношения воздух/топливо для двигателя внутреннего сгорания согласно первому примеру осуществления настоящего изобретения;

Фиг.2 - блок-схема управления устройством регулирования соотношения воздух/топливо, представленным на фиг.1;

Фиг.3 - схематичный график выходного сигнала КАСТ LAF-датчика;

Фиг.4 - схематичный график опорного сигнала;

Фиг.5 иллюстрирует результат моделирования устройства регулирования соотношения воздух/топливо согласно первому примеру осуществления изобретения;

Фиг.6 иллюстрирует результат моделирования устройства регулирования соотношения воздух/топливо согласно первому примеру осуществления изобретения;

Фиг.7 иллюстрирует результат моделирования устройства регулирования соотношения воздух/топливо согласно первому примеру осуществления изобретения;

Фиг.8 иллюстрирует результат моделирования устройства регулирования соотношения воздух/топливо согласно первому примеру осуществления изобретения;

Фиг.9 - схема последовательности процесса регулирования количества впрыскиваемого топлива, включающая в себя регулирование соотношения воздух/топливо согласно первому примеру осуществления изобретения;

Фиг.10 включает в себя схему последовательности процесса регулирования запаздывания зажигания в цилиндрах, которое может выполняться вместе с регулированием количества впрыскиваемого топлива; и

Фиг.11 - блок-схема управления устройством регулирования соотношения воздух/топливо согласно второму примеру осуществления изобретения, объектом управления в котором является дизельный двигатель.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже приводится описание примеров осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежи. На фиг.1 представлена блок-схема устройства регулирования соотношения воздух/топливо для двигателя внутреннего сгорания (именуемого ниже "двигателем") согласно первому примеру осуществления изобретения. Как показано на фиг.1, устройство 1 регулирования соотношения воздух/топливо включает в себя электронный блок 2 управления, который посылает управляющую команду на инжектор 4 для усреднения соотношения воздух/топливо в цилиндрах двигателя 3.

Как показано на фиг.1, двигатель 3 представляет собой четырехтактный однорядный четырехцилиндровый бензиновый двигатель, имеющий четыре цилиндра #1-#4. На коленчатом валу (не показанном) двигателя установлен датчик 8 угла поворота кривошипа. В процессе вращения коленчатого вала датчик 8 угла поворота кривошипа вырабатывает импульсные сигналы CRK и импульсные сигналы TDC, поступающие в электронный блок 2 управления. При каждом повороте кривошипа на определенный угол (например, на 30°) вырабатывается один импульс сигнала CRK. В соответствии с этим сигналом CRK электронный блок 2 управления вычисляет количество оборотов (об/мин) NE двигателя 3. Сигнал TDC представляет собой сигнал, который указывает, что поршень (не показанный) в каждом цилиндре находится при определенном угловом положении кривошипа, немного не достигающем положения TDC (верхней мертвой точки) хода впуска. В случае четырехцилиндрового двигателя сигнал TDC вырабатывается при каждом повороте кривошипа на угол 180°.

Впускная труба 5 соединена с каждым из четырех цилиндров #1-#4 двигателя 3 через четыре ответвления 5b впускного коллектора 5а. В каждом из ответвлений 5b установлен инжектор 4. В процессе работы двигателя 3 количество впрыскиваемого топлива, определяемое временем открытия клапана, и момент впрыска топлива через каждый инжектор 4 регулируются сигналом возбуждения из электронного блока 2 управления. Впрыск топлива в четыре цилиндра #1-#4 осуществляется в последовательности #1, #3, #4 и #2. Выше по потоку от впускного коллектора во впускной трубе 5 установлен датчик 9 расхода воздуха. Датчик 9 расхода воздуха посылает в электронный блок 2 управления электрический сигнал, пропорциональный количеству воздуха, всасываемого во впускную трубу 5.

Выпускная труба 6 соединена с четырьмя цилиндрами двигателя 3 через четыре ответвления 6b выпускного коллектора 6а. Вблизи места соединения четырех ответвлений 6b в выпускной трубе 6 установлен LAF-датчик (датчик соотношения воздух/топливо) 7. LAF-датчик 7 измеряет концентрацию кислорода в отработавшем газе в широком диапазоне значений от области обогащения до области обеднения и посылает в электронный блок 2 управления выходной сигнал КАСТ, пропорциональный измеряемой концентрации кислорода. Выходной сигнал КАСТ представляет собой соотношение воздух/топливо в отработавшем газе вблизи места соединения выпускного коллектора 6а в виде эквивалентного соотношения.

Электронный блок 2 управления является компьютером, снабженным входным интерфейсом 2а для приема данных из различных частей транспортного средства, ЦП 2b, выполняющим вычисления для управления различными частями транспортного средства, и памятью 2с, имеющей постоянную память (ROM) и оперативную память (RAM). Электронный блок 2 управления также включает в свой состав выходной интерфейс 2d, посылающий управляющие сигналы в различные части транспортного средства. Компьютерная программа и данные для выполнения управления различными частями транспортного средства хранятся в ROM памяти 2с. Программа для выполнения регулирования соотношения воздух/топливо согласно настоящему изобретению, а также данные и таблицы, используемые при исполнении программы, хранятся в ROM. Постоянная память может быть перезаписываемой ROM типа EEPROM. RAM предоставляет рабочее пространство для работы ЦП 2b. В RAM временно хранятся данные, получаемые из различных частей транспортного средства, а также сигналы управления и данные, пересылаемые в различные части транспортного средства.

В рассматриваемом примере осуществления электронный блок 2 управления принимает в качестве входного сигнала управления соотношение воздух/топливо отработавшего газа из LAF-датчика 7 и вычисляет коэффициент коррекции соотношения воздух/топливо для каждого цилиндра на основе этого входного сигнала управления. Количество топлива, впрыскиваемого в каждый из цилиндров, вычисляется по коэффициенту коррекции соотношения воздух/топливо и значениям, измеренным датчиком 8 угла поворота кривошипа и датчиком 9 расхода воздуха. Управляющая команда пересылается на каждый инжектор 4 для обеспечения этого количества впрыскиваемого топлива и регулирования среднего соотношения воздух/топливо четырех цилиндров двигателя 3.

На фиг.2 представлена блок-схема устройства 1 регулирования соотношения воздух/топливо согласно первому примеру осуществления изобретения. Как показано на фиг.2, устройство 1 регулирования соотношения воздух/топливо содержит блок 11 вычисления функции корреляции, генератор 12 опорных сигналов, блок 13 вычисления сглаживающего целевого значения, контроллер 14 цилиндров и общий контроллер 15. Объектом регулирования является двигатель 3.

Вначале в LAF-датчике 7 измеряется выходной сигнал КАСТ, соответствующий соотношению воздух/топливо отработавшего газа. Синхронно с сигналом кривошипа CRK (через каждые 30° в этом примере осуществления) в генераторе 12 опорных сигналов вырабатываются опорные сигналы Fcr#1-#4, моделирующие режим выпуска отработавшего газа в цилиндрах.

Затем блок 11 вычисления функции корреляции вычисляет функцию корреляции Cr выходного сигнала КАСТ LAF-датчика и опорного сигнала Fcr на конечном отрезке времени с помощью следующего уравнения

Здесь i представляет собой номер цилиндра (в случае четырехцилиндрового двигателя i=1-4), а N - число импульсов сигнала CRK в одном цикле сгорания. Поскольку импульс сигнала CRK вырабатывается через каждые 30° угла поворота кривошипа, N=24. Кроме того, k представляет собой временной шаг.

Ниже приводится описание выходного сигнала КАСТ LAF-датчика и опорного сигнала Fcr#i со ссылками на фиг.3 и 4. Фиг.3 является схематичным графиком выходного сигнала КАСТ LAF-датчика. На фиг.3 КАСТ и KCMD представлены в виде эквивалентных отношений. Для теоретического соотношения воздух/топливо (например, 14,5), KCMD=1. В случае более "богатого" соотношение воздух/топливо, чем теоретическое соотношение воздух/топливо, KCMD становится больше 1, а в случае более "бедного" соотношение воздух/топливо, чем теоретическое соотношение воздух/топливо, KCMD становится меньше 1. Представленный на фиг.3 график выходного сигнала КАСТ LAF-датчика показывает, что цилиндр #3 находится в состоянии обогащения, а цилиндр #2 - в состоянии обеднения. Поскольку моментом впрыска топлива в каждый цилиндр определяется и момент выпуска, то в случае, когда некоторый цилиндр находится в состоянии обогащения или обеднения, происходит периодическое изменение выходного сигнала КАСТ LAF-датчика.

Опорный сигнал Fcr#i вырабатывается с учетом таких особенностей выходного сигнала КАСТ LAF-датчика. На фиг.4 представлен схематичный график опорного сигнала Fcr#i. Опорный сигнал Fcr#i вырабатывается для каждого из цилиндров в соответствии с режимом выпуска отработавшего газа из каждого цилиндра в одном цикле сгорания. Опорный сигнал для каждого цилиндра имеет форму синусоидальной волны только в ходе выпуска в рассматриваемом цилиндре. При использовании таких опорных сигналов функция корреляции Cr#i приобретает тем большее значение, чем более "богатым" становится соотношение воздух/топливо для соответствующего цилиндра i, и тем меньшее значение, чем более "бедным" становится соотношение воздух/топливо. Рассмотрение функции корреляции на основе выходного сигнала КАСТ LAF-датчика, представленного, например, на фиг.3, показывает, что функция корреляции Cr#3 с опорным сигналом Fcr#3 цилиндра #3 приобретает максимальное значение, а функция корреляции Cr#2 для цилиндра #2 с опорным сигналом Fcr#2 приобретает минимальное значение.

Здесь опорный сигнал Fcr представляет собой периодический сигнал, одним периодом которого является один цикл сгорания двигателя 3. Как правило, взаимная корреляция периодического сигнала характеризуется тем, что если взаимная корреляция периодического сигнала вычисляется на конечном отрезке времени, отличном от кратного периоду периодического сигнала, то она обладает периодичностью, а если взаимная корреляция вычисляется на конечном отрезке времени, кратном периоду периодического сигнала, то она имеет постоянное значение. Для предотвращения резонанса системы регулирования в предпочтительном варианте внутренняя переменная в системе регулирования не должна обладать периодичностью. Следовательно, для того чтобы функция корреляции Cr#i не обладала периодичностью, отрезок времени суммирования задается равным периоду опорного сигнала.

В блоке 13 вычисления сглаживающего целевого значения вычисляется сглаживающее целевое значение Cr_cmd для сглаживания соотношения воздух/топливо в четырех цилиндрах. При этом рассмотрение взаимосвязи, например, между функцией корреляции Cr#i и соотношением воздух/топливо для каждого цилиндра показывает, что совпадение соотношений воздух/топливо каждого из цилиндров одного с другим означает, что функции корреляции Cr#i для этих цилиндров совпадают одна с другой. Следовательно, в этом примере осуществления сглаживающее целевое значение Cr_cmd для сходимости функции корреляции Cr#i цилиндров является средним значением функций корреляции, как показано в следующем уравнении

Здесь m представляет собой число цилиндров, которое в этом примере осуществления равно 4. В контроллере 14 цилиндров определяется коэффициент сглаживания Kcr#i для каждого цилиндра, используемый для регулировки количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр, обеспечивающей сходимость функции корреляции Cr#i для каждого цилиндра к сглаживающему целевому значению Cr_cmd. Для вырабатывания коэффициента сглаживания для каждого цилиндра используется управление с назначением отклика с двумя степенями свободы. Преимущество использования этой техники регулирования состоит в возможности устойчивой коррекции изменения соотношения воздух/топливо между цилиндрами и предотвращения ухудшения характеристики выбросов и дорожных качеств автомобиля без возникновения перерегулирования и вибрации при резком изменении сглаживающего целевого значения Cr_cmd или значительного отклонения функции корреляции Cr#i от сглаживающего целевого значения Cr_cmd.

В контроллере 14 цилиндров сглаживающее целевое значение Cr_cmd сначала подвергается низкочастотной фильтрации с использованием параметра назначения отклика на целевое значение Rcr, как показано в уравнении (3). В результате этой обработки форма волны целевого значения, изменяющегося ступенчатым образом, сглаживается, и эта волна преобразуется в кривую, постепенно сходящуюся к целевому значению

Здесь Cr_cmd_f представляет собой целевое значение после фильтрации, a k - временной шаг. Параметр назначения отклика задается в диапазоне -1<Rcr<0.

Как показано в уравнении (3), ход изменения целевого значения Cr_cmd_i после фильтрации определяется параметром назначения отклика на целевое значение Rcr. Скорость слежения функции корреляции Cr#i за целевым значением Cr_cmd может назначаться путем задания хода изменения целевого значения. Контроллер 14 цилиндров вычисляет коэффициент сглаживания Kcr#i для каждого цилиндра так, что функция корреляции Cr#i сходится к целевому значению Cr_cmd_f, заданному таким образом. Затем, как показано в уравнении (4), определяется отклонение Ecr#i между функцией корреляции Cr#i и целевым значением Cr_cmd_f

Затем, как показано в уравнении (5), определяется функция переключения σcr#i. Функция переключения σcr#i определяет сходимость отклонения Ecr#i. Здесь Scr представляет собой параметр назначения отклика на подавление возмущения и определяет скорость сходимости отклонения Ecr#i при возникновении возмущения. Параметр назначения отклика на подавление возмущения Scr задается таким, что удовлетворяет соотношению -1<Scr<0

В заключение, как показано в уравнении (6), вычисляется коэффициент сглаживания Kcr#i для каждого цилиндра. Здесь Krch_Cr и Kadp_cr представляют собой коэффициенты обратной связи. Первый член правой части уравнения (6) представляет собой пропорцию, а второй член - сумму. Таким образом, уравнение (6) эквивалентно вычислению величины обратной связи при ПИ регулировании с использованием функции переключения σcr#i в качестве входного сигнала

Коэффициент сглаживания Kcr#i для каждого цилиндра, рассчитанный таким образом, представляет собой входной сигнал коррекции для обеспечения совпадения функции корреляции Cr#i со сглаживающим целевым значением Cr_cmd. Коэффициент Kcr#i не является управляющей величиной для регулирования выходного сигнала КАСТ LAF-датчика и доведения этого сигнала до целевого соотношения воздух/топливо KCMD. За исключением случая совпадения сглаживающего целевого значения Cr_cmd с целевым соотношением воздух/топливо KCMD, этот коэффициент вызывает появление постоянного отклонения между выходным сигналом КАСТ LAF-датчика и целевым соотношением воздух/топливо KCMD.

Поэтому, в этом примере осуществления, в дополнение к контроллеру 14 цилиндров используется общий контроллер 15, предназначенный для обеспечения сходимости выходного сигнала КАСТ LAF-датчика к целевому соотношению воздух/топливо KCMD. Алгоритм общего контроллера 15 может быть также реализован с помощью ПИД регулирования, адаптивного или оптимизирующего управления. В этом примере осуществления, как и в контроллере 14 цилиндров, используется управление с назначением отклика с двумя степенями свободы.

Скорости отклика на целевое значение и назначения возможности подавления возмущения в общем контроллере 15 задаются выше, чем в контроллере цилиндров, и в результате обеспечивается возможность быстрой и точной компенсации постоянного отклонения.

Как показывает уравнение (7), в общем контроллере 15 целевое соотношение воздух/топливо KCMD сначала подвергается низкочастотной фильтрации с использованием параметра назначения отклика на целевое значение R. В результате этой обработки форма волны целевого значения, изменяющегося ступенчатым образом, сглаживается, и эта волна преобразуется в кривую, постепенно сходящуюся к целевому значению

Здесь KCMD_f представляет собой целевое значение после фильтрации, a k -временной шаг. Параметр назначения отклика задается в диапазоне -1<Rcr<R<0, чтобы повысить быстродействие по сравнению с контроллером 14 цилиндров.

Отклонение Е между выходным сигналом КАСТ LAF-датчика и целевым значением KCMD_f выражается уравнением (8)

Функция переключения σ определяется уравнением (9). Здесь S представляет собой параметр назначения отклика на подавление возмущения и определяет скорость сходимости отклонения Е при возникновении возмущения. Параметр назначения отклика на подавление возмущения S задается таким, что удовлетворяет соотношению -1<Scr<S<0, чтобы повысить быстродействие по сравнению с контроллером 14 цилиндров

В заключение, как показано в уравнении (10), вычисляется коэффициент коррекции соотношения воздух/топливо KAF. Здесь Krch и Kadp представляют собой коэффициенты обратной связи

По сравнению с уравнением (6) в уравнении (10), к первому члену в правой стороне прибавлено число "1". Сделано это для того, чтобы предотвратить равенство 0 коэффициента коррекции и количества впрыскиваемого топлива, так как начальные значения второго и третьего членов в правой стороне в начале регулирования равняются 0. Можно также задать начальное значение третьего члена, представляющего собой сумму, равным 1 и не использовать число "1" в первом члене.

Устройство 1 регулирования соотношения воздух/топливо в заключение прибавляет коэффициент коррекции соотношения воздух/топливо KAF к коэффициенту сглаживания Kcr#i для каждого цилиндра и вычисляет коэффициент коррекции соотношения воздух/топливо KAF#i для каждого цилиндра

С помощью этого коэффициента коррекции соотношения воздух/топливо KAF#i для каждого цилиндра осуществляется регулировка количества топлива, впрыскиваемого через инжектор 4, и соотношение воздух/топливо для каждого цилиндра сглаживается.

Фиг.5, (а), (b) и (с) и фиг.8, (а), (b) и (с) иллюстрируют результаты моделирования устройства регулирования соотношения воздух/топливо согласно первому примеру осуществления. На фиг.5 и 8 графики (а) иллюстрируют выходной сигнал КАСТ LAF-датчика, графики (b) - коэффициент сглаживания Kcr#i для каждого цилиндра и выходные сигналы KAF' общего контроллера 15 (второй и третий члены в правой части уравнения (10)), а графики (с) - функцию корреляции Cr#i.

Фиг.5 и 6 иллюстрируют результаты моделирования по отношению к выходному сигналу КАСТ LAF-датчика в случае, когда цилиндр #1 находится в состоянии обогащения, составляющего 20%, а цилиндр #3 находится в состоянии обеднения, которое также составляет 20%. Фиг.5 иллюстрирует результат без общего контроллера 15, а фиг.6 иллюстрирует результат с использованием общего контроллера 15.

Как показано на фиг.5, непосредственно после начала регулирования (время А) коэффициент корреляции Cr#1 для цилиндра #1, находящегося в состоянии обогащения, превышает коэффициенты корреляции Cr#2 и Cr#4 для цилиндров #2 и #4, находящихся в нормальном состоянии. Коэффициент корреляции Cr#3 цилиндра #3, находящегося в состоянии обеднения, меньше, чем коэффициенты корреляции Cr#2 и Cr#4. По мере протекания процесса регулирования происходит увеличение коэффициента сглаживания Kcr#1 для цилиндра #1 в отрицательном направлении, чтобы устранить обогащение, и увеличение коэффициента сглаживания Kcr#3 для цилиндра #3 в положительном направлении, чтобы устранить обеднение. При этом коэффициенты корреляции Cr#1 и Cr#3 постепенно сходятся к Cr#2 и Cr#4 в нормальном состоянии. В то же самое время выходной сигнал КАСТ LAF-датчика стабилизируется на целевом соотношении воздух/топливо KCMD.

В случае фиг.5 ввиду отсутствия общего контроллера его выходной сигнал КАF' всегда равен 0, а коэффициент коррекции соотношения воздух/топливо КАF всегда равен 1. Однако даже в случае отсутствия какой-либо коррекции с помощью общего контроллера выходной сигнал КАСТ LAF-датчика сходится к целевому соотношению воздух/топливо KCMD. Это объясняется тем, что обогащение и обеднение соответственно в цилиндрах #1 и #3 составляет 20%, а скорость увеличения коэффициента корреляции Cr#1 и скорость уменьшения коэффициента корреляции Cr#3 также являются практически одинаковыми. Поэтому и сглаживающее целевое значение Cr_cmd, представляющее собой среднее значение, становится равным 0. Таким образом, коррекции с помощью общего контроллера 15 не требуется.

Фиг.6 демонстрирует результат моделирования с использованием общего контроллера 15 при тех же самых условиях, что и в случае фиг.5. Поведение параметров цилиндров #1 и #3 и выходного сигнала КАСТ LAF-датчика практически совпадает с представленным на фиг.5.

Фиг.7 и 8 демонстрируют результаты моделирования по отношению к выходному сигналу КАСТ LAF-датчика в случае, когда цилиндр #1 находится в состоянии обогащения, составляющего 20%. Фиг.7 демонстрирует результат без общего контроллера 15. Фиг.8 иллюстрирует результат с общим контроллером 15.

Как показано на фиг.7(с), непосредственно после начала регулирования (время А) коэффициент корреляции Cr#1 для цилиндра #1, находящегося в состоянии обогащения, превышает коэффициенты корреляции Cr#2-Cr#4 для цилиндров #2-#4, находящихся в нормальном состоянии. Сглаживающее целевое значение Cr_cmd в этом случае представляет собой среднее значение коэффициентов корреляции. Таким образом, сглаживающее целевое значение Cr_cmd принимает значение между коэффициентом корреляции Cr#1 для цилиндра, находящегося в состоянии обогащения, и коэффициентами корреляции Cr#2-Cr#4 для цилиндров, находящихся в нормальном состоянии. Т.е. сглаживающее целевое значение Cr_cmd в этом случае соответствует состоянию некоторого обогащения. По мере протекания процесса регулирования происходит увеличение коэффициента сглаживания Kcr#1 для цилиндра #1 в отрицательном направлении, чтобы устранить обогащение. Коэффициенты сглаживания Kcr#2-Kcr#4 для цилиндров #2-#4 увеличиваются в положительном направлении, чтобы обеспечить сходимость коэффициента корреляции к сглаживающему целевому значению. В заключение все коэффициенты корреляции сходятся к сглаживающему целевому значению Cr_cmd, соответствующему состоянию некоторого обогащения. Поэтому выходной сигнал КАСТ LAF-датчика не сходится полностью к целевому соотношению воздух/топливо KCMD, и остается постоянное отклонение.

Фиг.8 демонстрирует результат моделирования с использованием общего контроллера 15. На фиг.7 в выходном сигнале КАСТ LAF-датчика остается постоянное отклонение со стороны, соответствующей состоянию обогащения. Так как с помощью общего контроллера 15 выходной сигнал KAF' принимает отрицательное значение, чтобы устранить состояние обогащения, то происходит коррекция выходного сигнала КАСТ LAF-датчика и обеспечивается сходимость к целевому соотношению воздух/топливо KCMD.

Как описано выше, устройство регулирования соотношения воздух/топливо согласно примеру осуществления данного изобретения характеризуется возможностью компенсировать как постоянное отклонения между выходным сигналом КАСТ LAF-датчика и целевым соотношением воздух/топливо KCMD, так и изменение соотношения воздух/топливо между цилиндрами.

На фиг.9 представлена схема последовательности процесса регулирования количества впрыскиваемого топлива, включающая в себя регулирование соотношения воздух/топливо согласно первому примеру осуществления изобретения. Этот процесс выполняется с помощью электронного блока 2 управления.

На этапе S101 вычисляется количество впускаемого в каждый цилиндр воздуха Gcyl. Вычисление осуществляется по уравнению (12) на основе выходного сигнала Gin_afm датчика 9 расхода воздуха и скорости вращения двигателя NE (об/мин), вычисленной с помощью сигнала CRK

На этапе S102 вычисляется коэффициент сглаживания Kcr#i для каждого цилиндра. Это осуществляется с помощью уравнений (1)-(6) в блоке 11 вычисления функции корреляции и контроллере 14 цилиндров.

На этапе S103 вычисляется коэффициент коррекции соотношения воздух/топливо KAF. Вычисление осуществляется с использованием уравнений (7)-(10) в общем контроллере 15.

На этапе S104 вычисляется коэффициент коррекции соотношения воздух/топливо KAF#i для каждого цилиндра. Это осуществляется с использованием уравнения (11).

На этапе S105 вычисляется количество впрыскиваемого в каждый цилиндр топлива Gfuel#i(k). Это осуществляется по уравнению (13) с использованием коэффициента преобразования Kgt, предназначенного для вычисления количества впрыскиваемого топлива по значениям количества впускаемого воздуха Gcyl(k) и Gcyl, и вычисленного коэффициента коррекции соотношения воздух/топливо для каждого цилиндра KAF#i

Количество впрыскиваемого топлива Gfuel#i(k) может быть получено и путем поиска по нелинейной таблице.

На фиг.10 представлена схема последовательности процесса регулирования запаздывания зажигания в цилиндрах, которое может выполняться вместе с регулированием количества впрыскиваемого топлива. В случае большой разности коэффициентов корреляции соотношения воздух/топливо между цилиндрами в процессе регулирования соотношения воздух/топливо существует вероятность появления разности и между выходными вращающими моментами, ведущей к ухудшению дорожных качеств автомобиля. Подавление изменения вращающего момента между цилиндрами может осуществляться путем обеспечения запаздывания момента зажигания в цилиндре, требующем большой коррекции.

На этапе S201 осуществляется выбор минимального значения из коэффициентов коррекции соотношения воздух/топливо KAF#i для каждого цилиндра, вычисленных в заключение с помощью устройства 1 регулирования соотношения воздух/топливо. Минимальное значение, именуемое KAL_min, становится опорным для регулирования запаздывания.

На этапе S202 вычисляется угол запаздывания Dig#i для каждого цилиндра. Сначала определяется разность между коэффициентом коррекции соотношения воздух/топливо KAF#i и KAF_min для каждого цилиндра. Угол запаздывания Dig#i определяется с использованием графиков, представленных на фиг.10В. Если коэффициент коррекции соотношения воздух/топливо в цилиндрах KAF#i больше, чем KAF_min, то это означает, что скорость увеличения количества впрыскиваемого топлива также является большой и вращающий момент также увеличивается. Поэтому в результате увеличения угла запаздывания момента зажигания в соответствии с величиной разности по отношению к KAF_min обеспечивается уменьшение разброса значений вращающего момента между цилиндрами. Кроме того, так как с увеличением количества впускаемого воздуха Gcyl происходит увеличение вращающего момента, то, как показано на фиг.10В, угол запаздывания увеличивается. Однако чрезмерное увеличение угла запаздывания приводит к повышению температуры отработавших газов и вызывает повреждение катализатора и выпускной системы. Поэтому угол запаздывания, превышающий определенное значение (например, 15°), является недопустимым.

Ниже следует описание второго примера осуществления настоящего изобретения для дизельного двигателя. Так как в дизельном двигателе топливо впрыскивается из инжектора под высоким давлением, то со временем происходит изнашивание отверстия для впрыска топлива в инжектор и увеличение реального количества впрыскиваемого топлива по отношению к значению команды времени открытия клапана инжектора. Степень этого увеличения варьируется от инжектора к инжектору.

В дизельном двигателе регулировка вращающего момента осуществляется не путем регулирования количества всасываемого воздуха с помощью клапана или дроссельной заслонки, а путем увеличения или уменьшения количества впрыскиваемого топлива. Таким образом, вращающий момент в каждом цилиндре определяется количеством впрыскиваемого топлива. Следовательно, в инжекторе каждого цилиндра в случае возникновения разброса характеристик количества впрыскиваемого топлива по отношению к значению команды времени открытия клапана возникает разброс вращающих моментов цилиндров, ухудшающий дорожные качества автомобиля вследствие пульсаций и т.п.

Поэтому требуется техника, обеспечивающая возможность компенсации разброса характеристик расхода топлива через инжектор. Устройство регулирования соотношения воздух/топливо согласно настоящему изобретению может использоваться для удовлетворения этой потребности.

И в случае дизельного двигателя изменение количества впрыскиваемого топлива проявляется как периодическое изменение выходного сигнала LAF-датчика, установленного в выпускной системе. Поэтому возможно использование LAF-датчика, размещенного в выпускной системе, и той же самой техники регулирования, как и в первом примере осуществления.

Однако случай дизельного двигателя отличается тем, что увеличение или уменьшение количества впрыскиваемого топлива непосредственно приводит к увеличению или уменьшению вращающего момента. С учетом этого отличия при увеличении количества впрыскиваемого топлива вращающий момент также увеличивается и вместе с ним увеличивается и угловая скорость кривошипа. При уменьшении количества впрыскиваемого топлива вращающий момент и угловая скорость кривошипа уменьшаются. Таким образом, изменение количества впрыскиваемого топлива между цилиндрами проявляется как периодическое изменение угловой скорости Wcrk кривошипа.

Поэтому в этом примере осуществления LAF-датчик не используется и коэффициент корреляции топлива вычисляется на основе угловой скорости Wcrk кривошипа.

На фиг.11 представлена блок-схема управления устройством регулирования соотношения воздух/топливо согласно второму примеру осуществления изобретения.

Как показано на фиг.11, в этом примере осуществления коэффициент коррекции топлива в цилиндрах KINJ#i вычисляется по угловой скорости Wcrk кривошипа. Функции блока 21 вычисления функции корреляции, генератора 22 опорных сигналов, блока 23 вычисления сглаживающего целевого значения и контроллера 24 цилиндров совпадают с функциями одноименных элементов в первом примере осуществления.

Сначала с помощью датчика угла поворота кривошипа, установленного на кривошипе двигателя 25, измеряется сигнал CRK и на основе этого сигнала блоком 26 вычисления угловой скорости вычисляется угловая скорость кривошипа Wcrk.

Затем в генераторе 22 опорных сигналов синхронно с сигналом CRK вырабатываются опорные сигналы Fcr#l-к#4, моделирующие поведение выходного вращающего момента каждого цилиндра.

В блоке 21 вычисления функции корреляции с использованием приводимого ниже уравнения вычисляется функция корреляции Cr' угловой скорости кривошипа Wcrk и опорного сигнала Fcr на конечном отрезке времени

Здесь i представляет собой номер цилиндра (в случае четырехцилиндрового двигателя i=1-4), а N - число импульсов сигнала CRK в одном цикле сгорания. Поскольку импульс сигнала CRK измеряется через каждые 30° угла поворота кривошипа, N=24. Кроме того, k представляет собой временной шаг.

Затем, в блоке 23 вычисления сглаживающего целевого значения вычисляется сглаживающее целевое значение Cr'_cmd для сглаживания количества впрыскиваемого топлива в каждом цилиндре. Сглаживающее целевое значение Cr'_cmd определяется средним значением функций корреляции, как показано в следующем ниже уравнении

Здесь m представляет собой число цилиндров и в этом примере осуществления равно 4.

Затем в контроллере 24 цилиндров определяется коэффициент коррекции топлива в цилиндрах KINJ#i для регулировки количества впрыскиваемого топлива в каждом цилиндре, обеспечивающей сходимость функции корреляции Cr#1 каждого цилиндра к целевому сглаживающему значению Cr'_cmd. Для вырабатывания коэффициента коррекции топлива в цилиндрах так же, как и в первом примере осуществления используется управление с назначением отклика с двумя степенями свободы.

В контроллере 24 цилиндров сглаживающее целевое значение Cr'_cmd сначала подвергается низкочастотной фильтрации с использованием параметра назначения отклика на целевое значение R", как показано в уравнении (16)

Здесь Cr'_cmd_f представляет собой целевое значение после фильтрации, a k -временной шаг. Параметр назначения отклика задается в диапазоне -1<R''<0.

Затем, как показано в уравнении (17), определяется отклонение E''#i между функцией корреляции Cr'#i и целевым значением Cr'_cmd_f

Затем, как показано в уравнении (18), определяется функция переключения σ''#i. Функция переключения σ''#1 определяет сходимость отклонения E''#i. Здесь S'' представляет собой параметр назначения отклика на подавление возмущения и определяет скорость сходимости отклонения E''#i при возникновении возмущения. Параметр назначения отклика на подавление возмущения S'' задается таким, что удовлетворяет соотношению -1<S''<0

В заключение, как показано в уравнении (19, вычисляется коэффициент коррекции топлива в цилиндрах KINJ#i. Здесь Krch'' и Kadp'' представляют собой коэффициенты обратной связи

Несмотря на то, что в описании рассматриваются конкретные примеры осуществления настоящего изобретения, изобретение не ограничивается этими примерами осуществления. Например, форма волны опорного сигнала Fcr#i не ограничивается представленной на фиг.4 и может быть, например, треугольной, прямоугольной или трапецеидальной.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам и способам регулирования двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет создать устройство регулирования соотношения воздух/топливо для сглаживания изменения соотношения воздух/топливо среди цилиндров двигателя внутреннего сгорания, причем независимо от ошибки моделирования и потери времени обеспечивается быстрая сходимость соотношения воздух/топливо к целевому значению. Устройство регулирования соотношения воздух/топливо для сглаживания изменения соотношения воздух/топливо среди множества цилиндров двигателя внутреннего сгорания содержит датчик для измерения выходного сигнала двигателя внутреннего сгорания, средство для вычисления функции корреляции каждого цилиндра с учетом взаимной корреляции значений, измеренных датчиком, и опорного сигнала для каждого цилиндра, средство для вычисления сглаживающего целевого значения, являющегося общим для всех цилиндров, и контроллеры цилиндров для вырабатывания входного сигнала управления для соответствующих цилиндров, обеспечивающего сходимость к сглаживающему целевому значению. Способ сглаживания изменения соотношения воздух/топливо содержит этап измерения выходного сигнала двигателя, этап вычисления функции корреляции каждого цилиндра с учетом взаимной корреляции измеренных значений и опорного сигнала для каждого цилиндра, этап вычисления сглаживающего целевого значения, являющегося общим для всех цилиндров, и этап вырабатывания входного сигнала управления для соответствующих цилиндров, обеспечивающего сходимость к сглаживающему целевому значению. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Устройство регулирования соотношения воздух/топливо для сглаживания изменения соотношения воздух/топливо среди множества цилиндров двигателя внутреннего сгорания, содержащее:
датчик для измерения выходного сигнала двигателя внутреннего сгорания, средство для вычисления функции корреляции каждого цилиндра с учетом взаимной корреляции значений, измеренных датчиком, и опорного сигнала для каждого цилиндра,
средство для вычисления сглаживающего целевого значения, являющегося общим для всех цилиндров, и
контроллеры цилиндров для вырабатывания входного сигнала управления для соответствующих цилиндров, обеспечивающего сходимость к сглаживающему целевому значению.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорный сигнал представляет собой периодическую функцию, а взаимная корреляция вычисляется на отрезке времени, кратном периоду опорного сигнала.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сглаживающее целевое значение является средним значением функции корреляции.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входной сигнал управления вырабатывается с использованием алгоритма управления с назначением отклика с двумя степенями свободы.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит общее средство управления для вырабатывания входного сигнала управления, являющегося общим для цилиндров, обеспечивающего сходимость значения, измеренного датчиком, к определенному выходному целевому значению.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что общий входной сигнал управления вырабатывается с использованием алгоритма управления с назначением отклика с двумя степенями свободы, а чувствительность к целевому значению общего средства управления задается выше, чем у контроллера цилиндров.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что двигатель внутреннего сгорания представляет собой бензиновый двигатель, входной сигнал управления для каждого из цилиндров является параметром для коррекции количества впрыскиваемого топлива, а датчик - датчиком отработавших газов, размещенным в выпускной системе.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что момент зажигания корректируется в соответствии с параметром.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что величина коррекции момента зажигания является пропорциональной величине нагрузки двигателя.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что двигатель внутреннего сгорания представляет собой дизельный двигатель, входной сигнал управления для каждого из цилиндров является параметром для коррекции количества впрыскиваемого топлива, а датчик - датчиком угловой скорости, установленным на коленчатом валу.

11. Способ сглаживания изменения соотношения воздух/топливо среди множества цилиндров двигателя внутреннего сгорания, содержащий:
этап измерения выходного сигнала двигателя,
этап вычисления функции корреляции каждого цилиндра с учетом взаимной корреляции измеренных значений и опорного сигнала для каждого цилиндра,
этап вычисления сглаживающего целевого значения, являющегося общим для всех цилиндров, и
этап вырабатывания входного сигнала управления для соответствующих цилиндров, обеспечивающего сходимость к сглаживающему целевому значению.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что опорный сигнал представляет собой периодическую функцию, а взаимная корреляция вычисляется на отрезке времени, кратном периоду опорного сигнала.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что сглаживающее целевое значение является средним значением функции корреляции.

14. Способ по п.11, отличающийся тем, что входной сигнал управления вырабатывается с использованием алгоритма управления с назначением отклика с двумя степенями свободы.

15. Способ по п.11, отличающийся тем, что дополнительно содержит этап вырабатывания входного сигнала управления, являющегося общим для цилиндров, обеспечивающего сходимость среднего значения измеренных значений к определенному выходному целевому значению.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что общий входной сигнал управления вырабатывается с использованием алгоритма управления с назначением отклика с двумя степенями свободы, а чувствительность общего средства управления задается выше, чем у каждого цилиндра.

17. Способ по п.11, отличающийся тем, что двигатель внутреннего сгорания представляет собой бензиновый двигатель, входной сигнал управления для каждого из цилиндров является параметром для коррекции количества впрыскиваемого топлива, а выходной сигнал двигателя измеряется с помощью датчика отработавших газов, размещенного в выпускной системе.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что момент зажигания корректируется в соответствии с параметром.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что величина коррекции момента зажигания является пропорциональной величине нагрузки двигателя.

20. Способ по п.11, отличающийся тем, что двигатель внутреннего сгорания представляет собой дизельный двигатель, входной сигнал управления для каждого из цилиндров является параметром для коррекции количества впрыскиваемого топлива, а выходной сигнал двигателя измеряется с помощью датчика угловой скорости, размещенного на коленчатом валу.