УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДИЗЕЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 2011 года по МПК F02D41/10 F02D45/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству управления подачей топлива для управления дизельным двигателем, который оснащен системой рециркуляции отработавших газов (EGR), посредством которой часть выхлопного газа возвращается в качестве газа EGR в систему впуска воздуха дизельного двигателя.

Уровень техники

Способ рециркуляции отработавших газов (способ EGR) известен в качестве технологии, которая используется для снижения проблематичного NOx (оксида азота) в выхлопном газе, выходящем из дизельного двигателя. С другой стороны, когда применяется способ EGR, объем чистого воздуха (расход чистого всасываемого воздуха), засасываемого двигателем, относительно снижается, что предрасположено вызывать O₂-обедненную (обедненную кислородом) атмосферу в камере сгорания двигателя, когда двигатель быстро разгоняется, или быстро увеличивается открывание подачи топлива двигателя.

Для того чтобы устранить указанное затруднение, в качестве возможной контрмеры представляется увеличение объема чистого всасываемого воздуха посредством ограничения расхода газа EGR. Однако, поскольку скорость реакции на управляющее воздействие в отношении системы EGR является медленной, управления расходом газа EGR недостаточно, и, таким образом, требуется предусмотреть контрмеру в отношении управления системой впрыска топлива, которое обладает большей скоростью реакции на управляющее воздействие.

Однако следует принять во внимание то, что управление подачей топлива (открыванием дроссельной заслонки), независимое от управления нагрузкой двигателя или управления частотой вращения двигателя, может быть помехой стабильности частоты вращения двигателя. Другими словами, обеспечение совместимости между характеристиками выхлопного газа и характеристиками реакции частоты вращения двигателя является техническим предварительным условием.

Например, в публикации JP 1999-36962 раскрыт способ управления подачей топлива, посредством которого объем дыма выхлопного газа дизельного двигателя, вырабатываемого при разгоне, не превышает целевой плотности. В способе согласно JP 1999-36962 максимальная величина массы топлива по отношению к расходу чистого всасываемого воздуха и частоте вращения двигателя, в соответствии с которым не вырабатывается дым выхлопного газа, заранее устанавливается в качестве многомерной регулировочной характеристики двигателя, и с помощью определенного максимального массового количества топлива на основании определенного расхода чистого всасываемого воздуха и определенной частоты вращения двигателя регулируется выработка дыма выхлопного газа.

Кроме того, в публикации JP 1997-151761 раскрыто управление отжигом впрыска, при котором расход топлива постепенно увеличивается от постоянного приращения к постоянному приращению, наряду с тем что регулируется открывание клапана EGR, так что дым выхлопного газа, вследствие медленной реакции системы EGR, не вырабатывается во время разгона двигателя, а характеристики разгона двигателя сохраняются удовлетворительными.

Однако в технологии согласно JP 1999-36962 много трудозатрат в человеко-часах требуется при создании указанной многомерной регулировочной характеристики двигателя, которая предписывает максимальное массовое количество топлива; с другой стороны, в технологии управления согласно JP 1997-151761 нет анализа в отношении O₂ (кислорода) в газе EGR, который возвращается в камеру сгорания (или систему всасываемого воздуха двигателя) из системы выхлопа двигателя, хотя остаточный O₂ (или остаточный воздух, который не используется при сжигании топлива), который не был израсходован с предшествующем рабочем такте двигателя, имеет существенное влияние на дымовыделение в следующем рабочем такте.

Краткое описание изобретения

Ввиду вышеизложенных традиционных технологий и их ожидаемых решений настоящее изобретение направлено на создание устройства управления подачей топлива для управления дизельным двигателем, с которым обеспечение совместимости между характеристиками выхлопного газа (характеристиками неизбыточной температуры выхлопа, более низким дымовыделением, более низким выделением NOx и так далее) и характеристиками реакции частоты вращения двигателя достигается простым управлением с учетом остаточного кислорода в газе EGR.

Для того чтобы достичь упомянутых целей, согласно настоящему изобретению создано

устройство управления подачей топлива для управления дизельным двигателем, причем двигатель имеет систему EGR, которая возвращает часть выхлопного газа двигателя в систему всасываемого воздуха двигателя, при этом устройство управления подачей топлива содержит:

средство вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, которое является арифметической секцией для вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха по количеству топлива, впрыскиваемого клапаном впрыска топлива в цилиндр, расходу всасываемого воздуха, измеренному расходомером воздуха, и расходу остаточного кислорода в газе EGR, который втекает обратно в систему всасываемого воздуха; и

средство управления подачей топлива, которое регулирует расход топлива при быстром разгоне, на основании расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, который вычислен средством вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха.

Согласно настоящему изобретению средство вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха рассчитывает расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха посредством использования количества топлива, впрыскиваемого клапаном впрыска топлива в цилиндр, расхода всасываемого воздуха, измеренного расходомером воздуха, и расхода остаточного воздуха (неизрасходованного воздуха) в газе EGR, который возвращается обратно в систему всасываемого воздуха; таким образом, расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха рассчитывается, принимая во внимание остаточный кислород (кислород, который не использован для сгорания в цилиндре и возвращается назад в канал всасываемого воздуха), который имеет влияние на дымовыделение двигателя.

Кроме того, поскольку открывание дроссельной заслонки (подачи топлива) регулируется на основании расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, управление может выполняться так, что кислородное соотношение в воздухе или газе цилиндра может отражаться на управлении. Таким образом, даже когда энергичный разгон (быстрое увеличение в отношении открывания дроссельной заслонки) выполняется во время работы системы EGR, могут сдерживаться дымовыделение, выделение NOx и ухудшение реакции частоты вращения двигателя, обусловленные нехваткой кислорода в камере сгорания.

Более того, предпочтительно, чтобы средство управления подачей топлива согласно настоящему изобретению было оснащено средством управления открыванием дроссельной заслонки, посредством которого скорость изменения открывания дроссельной заслонки ограничивается меньшей чем или равной заданному значению, когда расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха, вычисленный средством вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, является меньшим чем или равным предписанному уровню.

Согласно вышеприведенному изобретению когда расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха выходит в диапазон, меньший чем или равный постоянному значению, средство управления открыванием дроссельной заслонки ограничивает скорость изменения открывания дроссельной заслонки, так что скорость изменения не превышает уровень ограничения; таким образом, даже когда энергичный разгон (быстрое увеличение в отношении открывания дроссельной заслонки) выполняется во время работы системы EGR, могут сдерживаться ухудшение дымовыделения, обусловленное нехваткой кислорода в камере сгорания, ухудшение выделения NOx и ухудшение реакции частоты вращения двигателя.

Согласно предпочтительному примеру вышеприведенного аспекта средство управления открыванием дроссельной заслонки использует заданную таблицу, которая предписывает отношение между расчетным коэффициентом λ_s избытка воздуха и максимальной скоростью изменения открывания дроссельной заслонки.

Согласно вышеприведенному примеру допустимый верхний предел в отношении скорости изменения открывания дроссельной заслонки может легко настраиваться посредством компоновки заданной таблицы отношений, которая предписывает отношение между расчетным коэффициентом λ_s избытка воздуха и максимально допустимым открыванием дроссельной заслонки. Поэтому компромиссное отношение между дымовыделением и реакцией частоты вращения двигателя может легко настраиваться.

Согласно предпочтительному аспекту настоящего изобретения средство управления подачей топлива оснащено средством управления открыванием дроссельной заслонки, посредством которого открывание дроссельной заслонки регулируется так, что расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха, вычисленный средством вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, отслеживает целевой коэффициент λ_m избытка воздуха, который предварительно запрограммирован или предписан.

Согласно вышеприведенному аспекту устройство управления оснащено средством управления открыванием дроссельной заслонки, в силу чего открывание дроссельной заслонки корректируется (изменяется в системе обратной связи), так что предписанный целевой коэффициент λ_m избытка воздуха отслеживается расчетным коэффициентом λ_s избытка воздуха, который рассчитан средством вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха; таким образом, более точная регулировка в отношении скорости изменения открывания дроссельной заслонки выполняется во втором варианте осуществления, чем в первом варианте осуществления; этим способом расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха точно регулируется, так что принимается во внимание содержание воздуха или кислорода в газе EGR, в силу чего содержание воздуха или кислорода имеет прямое влияние на уровень дымовыделения. Как результат, дымовыделение двигателя может сдерживаться.

Более того, в переходном состоянии во время разгона клапан EGR закрыт с целью снижения дымовыделения или улучшения реакции; при закрывании клапана состояние воздуха или газа во впускном коллекторе меняется, так что температура сгорания и уровень выделения NOx возрастают. Это затруднение может быть решено вышеприведенным изобретением, поскольку расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха может точно регулироваться, клапан EGR может умеренно (не быстро) закрываться, и расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха может регулироваться благодаря быстрой реакции управления впрыском топлива (управления подачей топлива). Поэтому может достигаться сдерживание дыма вместе с понижением NOx.

Согласно предпочтительному аспекту настоящего изобретения расход топлива регулируется при условии, что скорость изменения открывания дроссельной заслонки превышает предписанный уровень при быстром разгоне, а также при условии, что скорость изменения открывания дроссельной заслонки является не меньшей, чем другой предписанный уровень.

Согласно вышеприведенному аспекту двигатель может быть свободен от всестороннего ограничения топлива (неразборчивого ограничения) во время работы на высокой нагрузке, где низок коэффициент избытка воздуха.

Согласно предпочтительному аспекту настоящего изобретения устройство управления подачей топлива содержит:

в качестве замены средства вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха измеритель концентрации кислорода, который определяет концентрацию кислорода канала всасываемого воздуха на стороне ниже по потоку от положения, где канал EGR присоединяется к каналу всасываемого воздуха, и

расход топлива при быстром разгоне регулируется на основании концентрации кислорода, определенной измерителем концентрации кислорода.

Согласно вышеприведенному аспекту концентрация кислорода в газе, включающем в себя всасываемый воздух и газ EGR, определяется непосредственно посредством измерителя концентрации кислорода, которое установлено во впускном коллекторе, который является воздушным или газовым каналом на стороне ниже по потоку от места слияния в отношении канала EGR и канала всасываемого воздуха; управление впрыском топлива (управление подачей топлива) выполняется так, что определенная концентрация кислорода отражается на управлении; таким образом, управление впрыском топлива может быть упрощено по сравнению с описанным ранее образом, при котором давление и температура всасываемого газа детектируются, так что расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха рассчитывается благодаря заданным формулам.

В дополнение, снижение концентрации кислорода оценивается непосредственно, в силу чего снижение вызывает дымовыделение двигателя; таким образом, управление впрыском топлива, которое отражает снижение концентрации кислорода, может надежно сдерживать дымовыделение.

Как описано выше, согласно настоящему изобретению создано устройство управления подачей топлива для управления дизельным двигателем, посредством которого управление является простым; даже остаточный кислород в газе EGR принимается во внимание; характеристики выхлопного газа совместимы с характеристиками реакции частоты вращения двигателя.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схема конфигурации, показывающая полную конфигурацию устройства управления подачей топлива для дизельного двигателя согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.2 - блок-схема последовательности операций способа управления устройства управления согласно первому варианту осуществления;

Фиг.3 - схема, показывающая подлежащую ограничению максимальную скорость изменения открывания дроссельной заслонки относительно пороговых значений в отношении расчетного коэффициента избытка воздуха;

Фиг.4(a)-4(e) - характеристические кривые, концептуально показывающие поток управления согласно первому варианту осуществления;

Фиг.5 - схема конфигурации, показывающая конфигурацию согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.6 - структурная схема, которая показывает конфигурацию устройства управления согласно второму варианту осуществления;

Фиг.7 - блок-схема последовательности операций способа управления для устройства управления согласно второму варианту осуществления;

Фиг.8(a)-8(d) - пояснительные схемы, разъясняющие результат проверочного испытания в отношении первого варианта осуществления; и

Фиг.9 - схема конфигурации, показывающая конфигурацию согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Далее, настоящее изобретение будет подробно описано на основе его вариантов осуществления, показанных на чертежах. Однако размеры, материалы, форма, относительное расположение и т.д. у компонентов, описанных в этих вариантах осуществления, не должны интерпретироваться в качестве ограничивающих объем изобретения, если это особо не оговорено.

Фиг.1 представляет собой схему конфигурации, показывающую полную конфигурацию устройства управления подачей топлива для дизельного двигателя согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Как изображено на фиг.1, дизельный двигатель 1 четырехтактного цикла оснащен поршнем 5, который выполняет возвратно-поступательное движение в цилиндре 3, так что внешняя периферия поршня 5 скользит по внутренней стенке цилиндра 3, и коленчатым валом (не показан), присоединенным к поршню 5 через шатун 7, благодаря которому возвратно-поступательное движение поршня 5 преобразуется во вращательное движение.

В двигателе 1 камера 9 сгорания сформирована над верхней поверхностью поршня 5 и в пределах внутренней поверхности цилиндра 3; канал 13 всасываемого воздуха присоединен к камере 9 сгорания через порт всасываемого воздуха, который открывается и закрывается впускным клапаном 15. Кроме того, канал 19 выхлопного газа присоединен к камере 9 сгорания через порт выхлопного газа, который открывается и закрывается выпускным клапаном 21.

На частичной направляющей канала 19 выхлопного газа ответвляется канал 23 EGR (рециркуляции отработавших газов), с тем чтобы соединяться с каналом 13 всасываемого воздуха на стороне ниже по потоку от дроссельного клапана 29 всасываемого воздуха. В канале 23 EGR предусмотрен охладитель 25 EGR, который охлаждает поток газа EGR в канале 23 EGR, а на стороне ниже по потоку от охладителя 25 EGR также предусмотрен клапан 27 EGR для регулирования расхода газа EGR.

Открывание дроссельного клапана 29 всасываемого воздуха регулируется для того, чтобы регулировать расход всасываемого воздуха, засасываемого в камеру 9 сгорания. В случае дизельных двигателей открывание дроссельного клапана 29 всасываемого воздуха приводится в действие в направлении, которое закрывает дроссельный клапан 29 всасываемого воздуха, когда выполняется управление EGR, но, обычно, дроссельный клапан 29 удерживается в своем полностью открытом состоянии, а коэффициент избытка воздуха регулируется расходом топлива.

Клапан 31 впрыска топлива установлен в каждом цилиндре двигателя 1 для впрыска топлива, удерживаемого под давлением насосом впрыска топлива (не показан), в камеру 9 сгорания, а количество топлива за длительность впрыска и привязка по времени впрыска регулируются устройством 33 управления (средством управления подачей топлива). Устройство 33 управления также управляет привязкой по времени впрыска топлива, так что топливо впрыскивается в заданный момент времени; вообще, привязка по времени впрыска может регулироваться переменным образом.

Расходомер 35 воздуха, который измеряет расход чистого всасываемого воздуха, который засасывается в камеру 9 сгорания, вставлен в частичную направляющую канала 13 всасываемого воздуха, выше по потоку от воздушного дроссельного клапана 29; из измерителя 35 расхода воздуха сигналы в отношении расхода чистого воздуха вводятся в устройство 33 управления. Подобным образом расходомер 37 газа EGR, который измеряет (объемный) расход газа EGR, который втекает в канал 13 всасываемого воздуха из канала 23 газа EGR, вставлен в частичную направляющую канала 23 газа EGR, выше по потоку от клапана 27 EGR; из расходомера 37 газа EGR, сигналы в отношении расхода газа EGR вводятся в устройство 33 управления.

Кроме того, двигатель оснащен датчиком 39 давления впускного коллектора, который определяет давление во впускном коллекторе двигателя, и датчиком 41 температуры впускного коллектора, который определяет температуру во впускном коллекторе; из датчиков 39 и 41 сигналы давления и сигналы температуры вводятся в устройство 33 управления.

Кроме того, сигналы с датчика 43 частоты вращения двигателя, который определяет частоту вращения двигателя, и датчика 45 положения педали акселератора, который определяет величину нажатия на педаль акселератора или величину действия маховиков педали акселератора, и т.д., вводятся в устройство 33 управления.

В дальнейшем, пояснено устройство 33 управления. Устройство 33 управления согласно первому варианту осуществления содержит средство 47 вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, которое является арифметической секцией для вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха в цилиндре 3 по количеству топлива, впрыскиваемого клапаном 31 впрыска топлива в цилиндр 3, расходу всасываемого воздуха, измеренному расходомером 35 воздуха, и расходу остаточного кислорода в газе EGR, который втекает обратно в канал 13 всасываемого воздуха.

Кроме того, устройство 33 управления содержит средство 49 оценки расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, которое является арифметической секцией для оценки, является или нет расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха, который вычислен средством 47 вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, меньшим чем или равным пороговому значению, и, когда средство 49 оценки расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха оценивает, что расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха является меньшим чем или равным пороговому значению, средство 50 управления открыванием дроссельной заслонки, предусмотренное в устройстве 33 управления, ограничивает скорость изменения открывания дроссельной заслонки ниже заданного значения.

Со ссылкой на блок-схему последовательности операций способа на фиг.2 далее пояснена процедура управления в отношении открывания дроссельной заслонки в устройстве 33 управления.

После того как последовательность операций ограничения открывания дроссельной заслонки начата на этапе S1, сигнал открывания дроссельной заслонки считывается в устройство 33 на этапе S2. Сигнал открывания дроссельной заслонки изменяется на основе момент за моментом, как изображено в части (a) фиг.4, в силу чего сигнал открывания дроссельной заслонки начинается с начального постоянного открывания, с тем чтобы возрастать с наклоном. На следующем этапе S3 пороговые значения H1 и H2 в отношении скоростей изменения открывания дроссельной заслонки считываются, для того чтобы определять, должно или нет ограничиваться открывание дроссельной заслонки. Если скорость изменения открывания дроссельной заслонки является большей чем или равной значению H1, то ограничение удерживается в состоянии включения (ВКЛ) (ограничение включено), а если скорость изменения равна или меньше, чем H2, ограничение удерживается в состоянии выключения (ВЫКЛ) (ограничение выключено). При этом задано условие H1>H2, так что может предотвращаться нестабильное поведение в отношении открывания дроссельной заслонки или его скорости изменения. Нестабильное поведение, таким образом, означает явление нерегулярного колебания около порогового значения.

На этапе S4 скорость изменения открывания дроссельной заслонки рассчитывается на основании сигналов открывания дроссельной заслонки, которые были считаны на этапе S2. Скорость изменения открывания дроссельной заслонки соответствует наклону (углу наклона) кривой (линии) открывания дроссельной заслонки, как изображено в части (a) фиг.4; причем эта скорость изменения получена в качестве кривой, такой как изображенная в части (b) фиг.4. Однако часть (b) не является примером в качестве дифференциала функции части (a); а именно части (a) и (b) являются только примерам для разъяснения выражений.

На этапе S5, на основании пороговых значений H1 и H2, устройство 33 управления определяет, должно или нет ограничиваться открывание дроссельной заслонки. Более точно, когда скорость изменения открывания дроссельной заслонки является большей чем или равной значению H1, устройство 33 управления определяет, что ограничение должно быть действующим, с другой стороны, когда скорость изменения открывания дроссельной заслонки становится меньшей чем или равной значению H2, то устройство 33 управления определяет, что ограничение должно быть недействующим; соответственно, устанавливается признак действующего или признак недействующего. В части (c) фиг.4, показан пример признака действующего в виде прямоугольной ступенчатой выступающей части.

Этим способом ограничение открывания дроссельной заслонки выполняется только когда скорость изменения открывании дроссельной заслонки является большей чем или равной постоянному значению. Поэтому двигатель может быть свободен от всестороннего ограничения топлива (неразборчивого ограничения) даже во время работы на высокой нагрузке, когда коэффициент избытка воздуха является низким.

На этапе S6 расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха рассчитывается средством 47 вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха посредством использования следующих формул (1) и (2):

(1)

(2)

где:

G_a - массовый расход всасываемого воздуха;

G_egr - массовый расход газа EGR;

G_egra - массовый расход воздуха в расходе газа EGR;

G_f - массовое количество топлива, впрыскиваемое за длительность впрыска;

L_th - теоретическое соотношение компонентов топливовоздушной смеси; и

(n-1) - индекс, который указывает ссылкой на предшествующий этап расчета в отношении предшествующего цикла выборки данных.

Массовый расход G_a всасываемого воздуха в формуле (1) рассчитывается посредством использования определенного сигнала из измерителя 35 расхода воздуха; массовый расход G_egr газа EGR рассчитывается через численные расчеты на основании расхода газа EGR, определенного расходомером 37 газа EGR, или измерения в отношении падения давления газа EGR вследствие охладителя 25 EGR. При этом следует отметить, что устройство в отношении измерения падения давления не показано на прилагаемых чертежах.

Массовый расход G_egra воздуха в расходе газа EGR оценивается посредством использования результата расчета, полученного на предшествующем этапе в отношении предшествующих выборок данных, с использованием формулы (2). Здесь результат расчета означает результат расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха.

На этапе S7 средством 49 оценки расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха производят оценку в отношении того, является или нет рассчитанный расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха меньшим чем или равным пороговому значению K, в отношении расчетного коэффициента избытка воздуха. В случае, когда расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха является меньшим чем или равным пороговому значению K, выполняется этап 8, на котором должная ограничиваться максимальная скорость изменения открывания дроссельной заслонки рассчитывается в ответ на расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха. При этом следует отметить, что пороговое значение K является переменной, соответствующей скорее расчетному коэффициенту λ_s избытка воздуха, чем постоянному значению; таким образом, должная ограничиваться максимальная скорость изменения открывания дроссельной заслонки, рассчитанная на этапе S8, задана в качестве функции расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха или функции переменной K. На следующем этапе S9 должная ограничиваться максимальная скорость изменения открывания дроссельной заслонки, рассчитанная на этапе S8, ограничивается в пределах (функции) предельного значения P, как показано на фиг.3. Кроме того, на этапе S10 допустимые верхние предельные значения в ответ на коэффициент λ_s или переменные K запоминаются, так что допустимые верхние предельные значения используются в качестве управляющих (командных) сигналов. Затем цепочка этапов в последовательности операций ограничения открывания дроссельной заслонки заканчивается на этапе 11.

Последовательность операций ограничения максимальной скорости изменения открывания дроссельной заслонки на этапах S9 и S10 выполняется средством 50 управления открыванием дроссельной заслонки устройства 33 управления.

Как показано в части (d) фиг.4, поскольку уровень подачи топлива становится избыточным и двигатель склонен выделять дым, когда расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха становится меньшим или равным пороговому значению K, максимальная скорость изменения открывания дроссельной заслонки уменьшается, чтобы быть в рамках предельного значения P, как показано в части (e) фиг.4.

В дополнение, переменная K порогового значения в отношении расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха и предельное значение (функция) P в отношении максимальной скорости изменения открывания дроссельной заслонки заданы в виде таблицы, которая может быть изображена на чертеже, таком как фиг.3.

Как изображено в табличной функции по фиг.3, так как переменная K порогового значения в отношении расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха уменьшается с 1,7 до 1,5 (а именно, так как объем топлива возрастает по сравнению с расходом всасываемого воздуха), предельное значение P в качестве допустимого предела в отношении максимальной скорости изменения открывания дроссельной заслонки строго ограничивается более низким уровнем P; кроме того, когда переменная K порогового значения становится меньшей чем или равной 1,5, предельное значение P устанавливается в постоянное значение, например 10% максимально допустимого значения (100%).

Как описано выше, упомянутое пороговое значение K в отношении расчетного коэффициента избытка воздуха является переменной, соответствующей расчетному коэффициенту λ_s избытка воздуха, и переменная является зависящей от предельного значения P в отношении скорости изменения открывания дроссельной заслонки; таким образом, предельное значение P легко настраивается по отношению к пороговому значению K в отношении расчетного коэффициента избытка воздуха посредством настройки таблицы. Поэтому компромиссное отношение между дымовыделением и реакцией частоты вращения двигателя может легко настраиваться.

Поскольку уровень дымовыделения двигателя может регулироваться только одним параметром, а именно расчетным коэффициентом λ_s избытка воздуха, логика управления становится более упрощенной, и настройка управления может быть упрощена по сравнению со случаем, где введено множество параметров управления.

Как описано выше, согласно первому варианту осуществления средство 47 вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха рассчитывает расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха в цилиндре 3 посредством использования следующих величин: количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр 3, расхода всасываемого воздуха, подаваемого в цилиндр 3 через канал 13 всасываемого воздуха, и расхода остаточного воздуха в газе EGR, возвращаемом в канал 13 всасываемого воздуха; таким образом, расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха рассчитывается, принимая во внимание остаточный кислород (кислород, который не использован для сгорания в цилиндре и возвращается в канал всасываемого воздуха), который обладает влиянием на дымовыделение двигателя.

Кроме того, поскольку открывание дроссельной заслонки (подачи топлива) регулируется на основании расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, управление может выполняться так, что кислородное соотношение в воздухе или газе цилиндра может отражаться на управлении. Более того, когда расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха выходит в диапазон, меньший чем или равный постоянному значению, средство 50 управления открыванием дроссельной заслонки ограничивает скорость изменения открывания дроссельной заслонки, так что скорость изменения не превышает уровень ограничения; таким образом, даже когда энергичный разгон (быстрое увеличение в отношении открывания дроссельной заслонки) выполняется во время работы системы EGR, дымовыделение, выделение NOx и ухудшение реакции частоты вращения двигателя, обусловленные нехваткой кислорода в камере 9 сгорания, могут сдерживаться.

Пунктирная линия R в части (a) фиг.4 показывает траекторию открывания дроссельной заслонки после того, как выполнено ограничение. Когда установлен действующий флажковый индикатор (находится во включенном состоянии), скорость изменения открывании дроссельной заслонки ограничивается так, что скорость изменения не превышает предельное значение P, поэтому скорость изменения становится плавной, и выделяемый дым, обусловленный недостатком кислорода в камере 9 сгорания, может сдерживаться, может снижаться выделяемый NOx, и может сдерживаться ухудшение реакции частоты вращения двигателя.

В дополнение, фиг.8, которая содержит четыре части с (a) по (d), поясняет результат проверочного испытания в отношении эффекта от первого варианта осуществления. В части (a) открывание дроссельной заслонки изменяется, с тем чтобы ограничиваться сплошной линией; как изображено сплошной линией в части (b), величина впрыска топлива за длительность впрыска (то есть расход топлива) ограничивается; однако, как изображено сплошной линией в части (c), расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха изменяется или слегка возрастает. Как результат, подтверждается, что дымовыделение может снижаться, как изображено сплошной линией в части (d).

Далее, со ссылкой на фиг.5-7, пояснен второй вариант осуществления. Конфигурация второго варианта осуществления подобна конфигурации первого варианта осуществления; таким образом, элементы второго варианта осуществления, эквивалентные элементам первого варианта осуществления, обозначены одинаковыми ссылочными позициями, и их повторное описание не приводится.

В первом варианте осуществления средство 49 оценки расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха производит оценку в отношении того, снижается или нет рассчитанный расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха, и средство 50 управления открыванием дроссельной заслонки выполняет ограничение управления относительно скорости изменения открывания дроссельной заслонки; с другой стороны, во втором варианте осуществления, средство 49 оценки расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха заменено средством 52 расчета целевого коэффициента λ_m избытка воздуха, а средство 50 управления открыванием дроссельной заслонки заменено средством 54 управления открыванием дроссельной заслонки. Другими словами, устройство 33 управления по первому варианту осуществления содержит средство 49 оценки расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха и средство 50 управления открыванием дроссельной заслонки, наряду с тем что устройство 51 управления по второму варианту осуществления содержит средство 52 расчета целевого коэффициента λ_m избытка воздуха и средство 54 управления открыванием дроссельной заслонки, как показано на фиг.5 и 6. За исключением различия в этом месте, конфигурация второго варианта осуществления является такой же, как у первого варианта осуществления.

На фиг.6 показана структурная схема устройства 51 управления во втором варианте осуществления; в средстве 52 расчета целевого коэффициента λ_m избытка воздуха предписана многомерная регулировочная характеристика целевого коэффициента λ_m избытка воздуха в качестве функции частоты вращения двигателя и величины впрыска топлива за длительность впрыска (то есть расхода топлива). При этом, при использовании этой многомерной регулировочной характеристики, аргумент частоты вращения двигателя и аргумент величины впрыска топлива устанавливаются на основании сигналов, определенных датчиком 43 частоты вращения двигателя и датчиком 45 дроссельной заслонки соответственно. В многомерную регулировочную характеристику целевого коэффициента λ_m избытка воздуха в качестве должной быть предписанной функции могут быть включены оптимальные результаты (такие как полученные заблаговременно посредством экспериментов); в соответствии с чем термин "оптимальный" относится к оптимальному состоянию относительно компромиссного соотношения между выделением NOx и дымовыделением во всевозможных эксплуатационных режимах двигателя.

В средстве 54 управления открыванием дроссельной заслонки (см. фиг.5) выполняется управление с обратной связью, так что расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха, который рассчитан средством 47 вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, отслеживает целевой коэффициент λ_m избытка воздуха; а именно, коэффициент λ_s отслеживает коэффициент λ_m, с тем чтобы совпадать с коэффициентом λ_m.

Далее, со ссылкой на блок-схему последовательности операций способа по фиг.7 пояснен механизм устройства 51 управления.

Во-первых, на этапе S21 начинается корректирующее действие в отношении открывания дроссельной заслонки; на этапе S22 сигнал в отношении открывания дроссельной заслонки считывается с датчика 45 дроссельной заслонки; на этапе S23 сигнал частоты вращения двигателя и сигнал открывания дроссельной заслонки считываются средством 52 расчета целевого коэффициента λ_m избытка воздуха; и на этапе S24 целевой коэффициент λ_m избытка воздуха рассчитывается посредством многомерной регулировочной характеристики целевого коэффициента λ_m избытка воздуха.

Во-вторых, на этапе S25 расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха рассчитывается средством 47 вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха. Расчет выполняется посредством использования формул (1) и (2), таким же образом, как в первом варианте осуществления. Из расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха целевой коэффициент λ_m избытка воздуха вычитается на сумматоре-вычитателе 56 на фиг.6, а результат арифметической операции вводится в пропорционально-интегральный (ПИ-) регулятор 58 с функцией противоподъемной компенсации; в ПИ-регуляторе 58, на этапе S26, выполняется вычисление ПИ-регулирования. После этапа S26 выполняется этап S27 (процедура A), на котором выбор минимального значения выполняется селектором 60 минимального значения, показанным на фиг.6, посредством сравнения открывания дроссельной заслонки и выходных данных вычисления ПИ-регулирования.

В процедуре B, а именно на этапах S28-S30, оценивается, является или нет скорость изменения открывания дроссельной заслонки большей чем или равной заданному пороговому значению, как имеет место на этапах с S3 по S5 в первом варианте осуществления. Затем следуют этапы в отношении корректирующей последовательности операций (такие как этапы S32 и/или S33). На этапе S31, если скорость изменения открывания дроссельной заслонки является большей чем или равной заданному пороговому значению, и ограничение ввода топлива (ограничение открывания дроссельной заслонки) считается действующим, то этап S31 сопровождается этапом S32, на котором выходные данные последовательности A операций (этап S27) устанавливаются в качестве значения коррекции открывания дроссельной заслонки; а именно, выходной сигнал Mi из селектора 60 минимального значения на фиг.6 вводится в элемент 62 насыщения (элемент 62 с насыщением).

С другой стороны, на этапе S31, если ограничение ввода топлива (ограничение открывания дроссельной заслонки) считается недействующим, то этап S31 сопровождается этапом S33, на котором само открывание дроссельной заслонки устанавливается в качестве значения коррекции открывания дроссельной заслонки; а именно, сам сигнал в отношении открывания Ac дроссельной заслонки на фиг.6 вводится в элемент 62 насыщения, с тем чтобы устанавливаться в качестве значения коррекции открывания дроссельной заслонки.

На этапе S34, который сопровождает этап S32 или S33, сигнал, введенный в элемент 62 насыщения, благодаря которому входной сигнал подвергается насыщению; а именно, в элементе 62, входной сигнал преобразуется в сигнал, так что выходной сигнал не переступает через границы, даже когда входной сигнал увеличивается или уменьшается сверх определенных пределов. Таким образом, выходной сигнал в качестве значения коррекции открывания дроссельной заслонки попадает в диапазон от 0 до 100%. Кроме того, на этапе S35 корректированный сигнал в отношении открывания дроссельной заслонки запоминается, чтобы использоваться для управляющего (командного) сигнала. Таким образом, цепочка этапов на блок-схеме последовательности операций способа (фиг.7) заканчивается на этапе S36.

Согласно второму варианту осуществления, как описано выше, поскольку открывание дроссельной заслонки (подачи топлива) управляется на основании расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, может выполняться управление, при котором кислородное соотношение в воздухе или газе цилиндра точно отражается на управлении, как имеет место в первом варианте осуществления.

Кроме того, устройство управления оснащено средством 54 управления открыванием дроссельной заслонки, в силу чего открывание дроссельной заслонки корректируется, так что предписанный целевой коэффициент λ_m избытка воздуха отслеживается расчетным коэффициентом λ_s избытка воздуха, который рассчитан средством 47 вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха; таким образом, во втором варианте осуществления выполняется более точная регулировка в отношении скорости изменения открывания дроссельной заслонки, чем в первом варианте осуществления; этим способом расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха точно регулируется, так что принимается во внимание содержание воздуха или кислорода в газе EGR, в силу чего содержание воздуха или кислорода имеет прямое влияние на уровень дымовыделения. Как результат, дымовыделение двигателя может сдерживаться.

В переходном состоянии во время разгона клапан 27 EGR закрывается с целью уменьшения дыма или улучшения реакции. Однако посредством закрывания клапана 27 состояние воздуха или газа во впускном коллекторе меняется, заставляя быстро возрастать температуру сгорания и уровень выделения NOx. Это затруднение может быть решено вторым вариантом осуществления, поскольку расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха может точно регулироваться, клапан 27 EGR может умеренно (не быстро) закрываться, и расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха может регулироваться благодаря быстрой реакции управления впрыском топлива (управления подачей топлива). Поэтому может достигаться сдерживание дыма вместе с понижением NOx.

Далее со ссылкой на фиг.9 пояснен третий вариант осуществления. Конфигурация третьего варианта осуществления подобна конфигурации первого варианта осуществления, таким образом, элементы третьего варианта осуществления, эквивалентные элементам первого варианта осуществления, обозначены одинаковыми ссылочными позициями, и их повторное описание не приводится.

В первом варианте осуществления средство 49 оценки расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха производит оценку в отношении того, снижается или нет рассчитанный расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха, и средство 50 управления открыванием дроссельной заслонки выполняет ограничение управления относительно скорости изменения открывания дроссельной заслонки; с другой стороны, в третьем варианте осуществления средство 49 оценки расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха заменено средством 73 расчета целевого коэффициента λ_m избытка воздуха, а средство 50 управления открыванием дроссельной заслонки заменено средством 75 управления открыванием дроссельной заслонки. Другими словами, устройство 33 управления по первому варианту осуществления содержит средство 49 оценки расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха и средство 50 управления открыванием дроссельной заслонки, наряду с тем что устройство 71 управления по третьему варианту осуществления содержит средство 73 оценки концентрации кислорода и средство 75 управления открыванием дроссельной заслонки, как показано на фиг.9. За исключением различия в этом месте конфигурация третьего варианта осуществления является такой же, как у первого варианта осуществления.

Как показано на фиг.9, двигатель оснащен измерителем 77 концентрации кислорода в выпускном коллекторе, который является воздушным или газовым каналом на стороне ниже по потоку от места слияния в отношении канала 23 EGR и канала 13 всасываемого воздуха; на основании измерения концентрации кислорода средство 73 оценки концентрации кислорода производит оценку в отношении того, становится или нет определенное значение концентрации кислорода меньшим чем или равным пороговому значению, как имеет место в первом варианте осуществления, где средство 49 оценки расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха производит оценку в отношении того, уменьшается или нет рассчитанный расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха; в случае, когда определяемое значение концентрации кислорода становится меньшим чем или равным пороговому значению, средство 75 управления открыванием дроссельной заслонки задает командные сигналы в отношении открывания дроссельной заслонки, так что скорость изменения открывания дроссельной заслонки не превышает значения ограничения.

Согласно третьему варианту осуществления концентрация кислорода в газе, включающем в себя всасываемый воздух и газ EGR, определяется непосредственно посредством измерителя 77 концентрации кислорода. Выполняется управление впрыском топлива (управление подачей топлива), при котором определенная концентрация кислорода точно отражается на управлении. Соответственно, управление впрыском топлива может усиливаться по сравнению с описанным ранее образом, при котором детектируются давление и температура всасываемого газа, так что расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха рассчитывается через заданные формулы.

Более того, так как снижение концентрации кислорода, которое является причиной дымовыделения двигателя, непосредственно оценивается, а затем регулируется, управление впрыском топлива, которое отражает снижение концентрации кислорода, может надежно сдерживать дымовыделение.

В вышеприведенном пояснении с первого по третий варианты осуществления командный сигнал управления направлен на открывание дроссельной заслонки; однако очевидно, что командные сигналы могут быть любым другим командным сигналом, направленным на величину впрыска топлива (например, в некоторых случаях клапанов впрыска топлива, показатель подачи топлива может быть временем срабатывания впрыска).

Промышленная применимость

Согласно настоящему изобретению может быть создан двигатель четырехтактного цикла с устройством управления EGR, в котором пусковые характеристики двигателя, такие как характеристики быстрого старта, улучшаются за счет устранения значительного снижения частоты вращения в отношении частоты вращения двигателя во время работы на постоянной скорости.

Предложено устройство управления подачей топлива для управления дизельным двигателем, с помощью которого посредством простого управления, с учетом остаточного кислорода в отработанном газе (EGR), достигается обеспечение совместимости между характеристиками выхлопного газа и характеристиками частоты вращения двигателя. Устройство управления для управления дизельным двигателем содержит систему рециркуляции отработанных газов (EGR), которая возвращает часть выхлопного газа двигателя в систему всасываемого воздуха двигателя, при этом устройство управления включает в себя: средство (47) вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, которое является арифметической секцией для вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха по количеству топлива, впрыскиваемого клапаном (31) впрыска топлива в цилиндр (3), расходу всасываемого воздуха, измеренному расходомером (35) воздуха, и расходу остаточного кислорода в газе EGR, который возвращается в систему всасываемого воздуха; и средство (33) или (51) управления подачей топлива, которое регулирует расход топлива при энергичном разгоне, на основании расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, который вычислен средством вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха. Улучшение характеристики быстрого старта за счет устранения значительного снижения частоты вращения двигателя является техническим результатом изобретения. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство управления подачей топлива для управления дизельным двигателем, содержащим систему рециркуляции отработавших газов (EGR), которая возвращает часть выхлопного газа двигателя в систему всасываемого воздуха двигателя, причем устройство управления подачей топлива содержит:
средство вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, которое является арифметической секцией для вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха по количеству топлива, впрыскиваемого клапаном впрыска топлива в цилиндр, расходу всасываемого воздуха, измеренному расходомером воздуха, и расходу остаточного кислорода в газе EGR, который втекает обратно в систему всасываемого воздуха; и
средство управления подачей топлива, которое регулирует расход топлива при быстром разгоне, на основании расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, который вычислен средством вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, при этом средство управления подачей топлива содержит средство управления открыванием дроссельной заслонки, посредством которого скорость изменения открывания дроссельной заслонки ограничивается меньшей чем или равной заданному значению, когда расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха, вычисленный средством вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, является меньшим чем или равным предписанному уровню.

2. Устройство по п.1, в котором средство управления открыванием дроссельной заслонки использует заданную таблицу, которая предписывает отношение между расчетным коэффициентом λ_s избытка воздуха и максимальной скоростью изменения открывания дроссельной заслонки.

3. Устройство по п.1, в котором средство управления подачей топлива оснащено средством управления открыванием дроссельной заслонки, посредством которого открывание дроссельной заслонки регулируется так, что расчетный коэффициент λ_s избытка воздуха, вычисленный средством вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха, отслеживает целевой коэффициент λ_m избытка воздуха, который предварительно запрограммирован или предписан.

4. Устройство по п.3, в котором целевой коэффициент λ_m избытка воздуха предварительно запрограммирован или предписан относительно частоты вращения двигателя и целевого количества впрыска топлива в качестве функции частоты вращения двигателя, с тем чтобы сдерживать как дымовыделение, так и выделение NO_x.

5. Устройство по п.1, в котором расход топлива регулируется при условии, что скорость изменения открывания дроссельной заслонки превышает предписанный уровень при быстром разгоне, а также при условии, что скорость изменения открывания дроссельной заслонки является не меньшей, чем другой предписанный уровень.

6. Устройство по п.1, содержащее в качестве замены средства вычисления расчетного коэффициента λ_s избытка воздуха измеритель концентрации кислорода, который определяет концентрацию кислорода канала всасываемого воздуха на стороне ниже по потоку от положения, где канал рециркуляции отработавших газов присоединяется к каналу всасываемого воздуха, причем расход топлива при быстром разгоне регулируется на основании концентрации кислорода, определяемой измерителем концентрации кислорода.