ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК F02D23/02 F02D41/26 F02B37/24 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области управления дополнительным впрыском топлива у двигателя, имеющего нагнетатель.

Уровень техники

Есть хорошо известное многостадийное управление впрыском топлива двигателя, при котором впрыск топлива выполняется множество раз в одном цикле. Согласно многостадийному управлению впрыском топлива сгорание может выполняться активно, с тем чтобы уменьшать шум в процессе сгорания и выброс продуктов сгорания с выхлопными газами. Управление дополнительным впрыском топлива, главным образом, выполняется с целью сжигания твердых частиц, накопленных в дизельном сажевом фильтре (ДСФ) или повышения энергии выхлопных газов с тем, чтобы улучшать разгон на низкой скорости и малых нагрузках. В публикации выложенной заявки на патент Японии № 2007-162585 раскрыта конструкция двигателя, в которой управление дополнительным впрыском топлива выполняется, с тем чтобы восстанавливать дизельный сажевый фильтр.

Однако управление дополнительным впрыском топлива вызывает заливание цилиндров, когда количество впрыска чрезмерно, в результате приводя к неосуществимому управлению впрыском топлива. Заливание цилиндров является явлением, при котором топливо сталкивается с поверхностью стенки цилиндра с тем, чтобы удалять слой масляной смазки, или топливо накапливается в поддоне картера. К тому же управление дополнительным впрыском топлива, выполняемое в широком диапазоне рабочей зоны для повышения энергии выхлопных газов, не было реализовано.

Проблемы, на решение которых направлено изобретение

Задачей настоящего изобретения является создание двигателя, который может выполнять управление дополнительным впрыском топлива с надлежащим количеством впрыска топлива в широком диапазоне рабочей зоны.

Средство решения проблем

Двигатель согласно изобретению содержит: корпус двигателя, оборудованный нагнетателем; средство определения частоты вращения двигателя, которое определяет частоту вращения двигателя; средство определения нагрузки на двигатель, которое определяет нагрузку на двигателе; средство определения давления нагнетателя, которое определяет давление нагнетателя; средство определения частоты вращения нагнетателя, которое определяет частоту вращения нагнетателя; и средство управления, которое выполняет управление дополнительным впрыском топлива, по меньшей мере, один раз за такт расширения или выпуска для повышения энергии выхлопных газов, при этом средство управления распознает частоту вращения двигателя, давление нагнетателя, нагрузку на двигателе и частоту вращения нагнетателя и выполняет управление дополнительным впрыском топлива для того, чтобы устанавливать частоту вращения нагнетателя равной целевой частоте вращения нагнетателя, рассчитанной средством управления.

В двигателе согласно настоящему изобретению, предпочтительно, средство управления делает вывод, что возникает аномалия впрыска топлива, когда частота вращения нагнетателя находится вне допустимого значения целевой частоты вращения нагнетателя.

В двигателе согласно настоящему изобретению, предпочтительно, средство управления рассчитывает коэффициент изменения частоты вращения двигателя на основании частоты вращения двигателя, рассчитывает коэффициент изменения давления нагнетателя на основании давления нагнетателя, рассчитывает коэффициент изменения частоты вращения нагнетателя на основании частоты вращения нагнетателя, рассчитывает целевой коэффициент изменения частоты вращения нагнетателя на основании коэффициента изменения частоты вращения двигателя, коэффициента изменения давления нагнетателя и коэффициента изменения частоты вращения нагнетателя и выполняет управление дополнительным впрыском топлива с тем, чтобы сделать коэффициент изменения частоты вращения нагнетателя равным целевому коэффициенту изменения частоты вращения нагнетателя.

В двигателе согласно настоящему изобретению, предпочтительно, средство управления делает вывод, что возникает аномалия впрыска топлива, когда коэффициент изменения частоты вращения нагнетателя находится вне допустимого значения целевого коэффициента изменения частоты вращения нагнетателя.

Эффекты изобретения

Согласно двигателю в соответствии с настоящим изобретением, управление дополнительным впрыском топлива выполняется на основании частоты вращения нагнетателя, так что управление дополнительным впрыском топлива может выполняться с надлежащим количеством впрыска топлива в широком диапазоне рабочей зоны.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематичный чертеж двигателя согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - график временных характеристик дополнительным впрыском топлива.

Фиг.3 - блок-схема последовательности операций способа управления дополнительным впрыском топлива, которое является первым вариантом осуществления изобретения.

Фиг.4 - блок-схема последовательности операций способа управления дополнительным впрыском топлива, которое является вторым вариантом осуществления изобретения.

Наилучший способ осуществления изобретения

Описание изобретения будет приведено со ссылкой на двигатель 1, который является вариантом осуществления настоящего изобретения и который показан на фиг.1. Двигатель 1 включает в себя корпус 10 двигателя, датчик 21 частоты вращения двигателя в качестве средства определения частоты вращения двигателя, которое определяет частоту вращения двигателя, датчик 24 степени открывания дроссельной заслонки в качестве средства определения нагрузки на двигатель, которое определяет нагрузку на двигатель, датчик 23 давления наддува в качестве средства определения давления нагнетателя, которое определяет давление нагнетания (давление наддува), датчик 22 турбины в качестве средства определения частоты вращения нагнетателя, которое определяет частоту вращения нагнетателя (частоту вращения турбины), и блок 100 управления двигателем (далее - БУД) в качестве средства управления.

Корпус 10 двигателя является шестицилиндровым двигателем, имеющим турбонагнетатель 7 в качестве нагнетателя. Корпус 10 двигателя имеет головку 15 блока цилиндров и блок 16 цилиндров. В головке 15 блока цилиндров, впускная труба 8 присоединена к впускному коллектору, а выпускная труба 9 присоединена к выпускному коллектору. Коленчатый вал 3 с возможностью поворота поддерживается в блоке 16 цилиндров.

Турбонагнетатель 7 имеет турбину 5 переменной геометрии (далее - ТПГ) в качестве средства изменения емкости, расположенную в выпускной трубе 9, и компрессор 6, расположенный во впускной трубе 8.

ТПГ 5 является турбиной, которая изменяет площадь раскрыва лопатки турбины выпускной турбины, отслеживая частоту вращения двигателя с тем, чтобы изменять величину расхода выхлопного газа. Вариант осуществления не ограничен турбонагнетателем 7, и, в качестве альтернативы, может быть предусмотрен механизм, который активно регулирует давление наддува, такой как активный перепускной клапан.

Педаль управления дроссельной заслонкой (не показана) предусмотрена вблизи корпуса 10 двигателя или рабочей части машины, на которой смонтирован корпус 10 двигателя, такой как судно. Вариант осуществления не ограничен педалью управления дроссельной заслонкой, и, в качестве альтернативы, может быть предусмотрена рукоятка дроссельной заслонки.

Оборудование впрыска топлива имеет общую магистраль 13, инжекторы 11 и электромагнитные клапаны 12. Общая магистраль 13 является баллоном высокого давления, в который топливо, подаваемое топливным насосом высокого давления (не показан), накапливается под давлением. Каждый из инжекторов 11 впрыскивает топливо, накопленное в общей магистрали 13, в соответствующий один из цилиндров. Каждый из электромагнитных клапанов 12 открывает и закрывает топливный канал соответствующего одного из инжекторов 11.

БУД 100 присоединен к датчику 21 частоты вращения двигателя, датчику 22 турбины, датчику 23 давления наддува, датчику 24 степени открывания дроссельной заслонки, электромагнитным клапанам 12 и ТПГ 5.

Датчик 21 частоты вращения двигателя установлен вблизи коленчатого вала 3 и определяет частоту Ne вращения двигателя. Датчик 22 турбины предусмотрен на стороне компрессора 6 в турбонагнетателе 7, формирует поворотный импульс, соответствующий количеству лопаток компрессора 6, и определяет частоту Nc вращения нагнетателя (частоту вращения турбины). В качестве датчика 22 турбины, например, может использоваться датчик вихревых токов или датчик Холла. Частота Nc вращения турбины может делиться с заданным отношением с тем, чтобы уменьшать рабочую нагрузку БУД 100. Датчик 23 давления наддува предусмотрен во впускной трубе 8 и определяет давление Pb нагнетания (давление наддува). Датчик 24 степени открывания дроссельной заслонки предусмотрен в поворотной основной части дроссельной заслонки и определяет степень Ac открывания дроссельной заслонки.

БУД 100 рассчитывает количество QM основного впрыска с помощью многомерной регулировочной характеристики f3q (Ne, Ac, QM) количества впрыска топлива на основании частоты Ne вращения двигателя и степени Ac открывания дроссельной заслонки. Многомерная регулировочная характеристика f3q (Ne, Ac, QM) количества впрыска топлива является трехмерной регулировочной характеристикой, предварительно сохраненной в запоминающем устройстве БУД 100.

Пояснение по управлению дополнительным впрыском топлива будет дано со ссылкой на фиг.2. БУД 100 выполняет управление дополнительным впрыском топлива с оптимальными временными характеристиками и промежутками времени от такта расширения до такта выпуска каждого из цилиндров. Фиг.2 иллюстрирует график сигналов команд впрыска временного ряда на некотором цилиндре. Поскольку двигатель 1 является шестицилиндровым четырехтактным двигателем, основной впрыск m выполняется один раз в одном цикле (720°). Управление p дополнительным впрыском топлива выполняется дважды в такте расширения и выпуска от верхней мертвой точки (ВМТ) сжатия до верхней мертвой точки выпуска согласно основному впрыску m.

Пояснение по последовательности операций управления дополнительным впрыском топлива, которое является вариантом 1 осуществления, будет дано со ссылкой на фиг.3. БУД 100 выполняет управление дополнительным впрыском топлива с тем, чтобы устанавливать частоту Nc вращения турбины равной целевой частоте Ncm вращения турбины, которая является подходящей для режима работы двигателя 1.

Будет дано пояснение по целевой многомерной регулировочной характеристике f4c (Ne, Pb, QM, Ncm) частоты вращения турбины. БУД 100 рассчитывает целевую частоту Ncm вращения турбины с помощью целевой многомерной регулировочной характеристики f4c (Ne, Pb, QM, Ncm) частоты вращения турбины. Целевая многомерная регулировочная характеристика f4c (Ne, Pb, QM, Ncm) частоты вращения турбины является четырехмерной регулировочной характеристикой, которая показывает взаимозависимость частоты Ne вращения двигателя, давления Pb наддува, количества QM основного впрыска и частоты Nc вращения турбины, и предварительно сохранена в запоминающем устройстве БУД 100.

Поскольку целевая многомерная регулировочная характеристика f4c (Ne, Pb, QM, Ncm) частоты вращения турбины предварительно задана в БУД 100, многомерная регулировочная характеристика может задаваться наряду с выбором целевой частоты Ncm вращения турбины, которая является оптимальной для уменьшения выбросов продуктов сгорания с выхлопными газами. В частности, когда дым, CO и HC в выхлопных газах соответственно указываются ссылкой как X (FSN), Y (промилле) и Z (промилле), указывается общая величина S выброса продуктов сгорания с выхлопными газами так, что S=X2+Y2+Z2. В этом случае, каждая целевая частота Ncm вращения турбины в целевой многомерной регулировочной характеристике f4c (Ne, Pb, QM, Ncm) частоты вращения турбины устанавливается с тем, чтобы минимизировать общую величину S выброса продуктов сгорания с выхлопными газами.

Соответственно, предварительно задается целевая частота Ncm вращения турбины, которая минимизирует токсичный газ, в силу чего может уменьшаться выброс продуктов сгорания с выхлопными газами.

На этапе S111 БУД 100 получает необходимые физические величины. БУД 100 получает частоту Ne вращения двигателя, частоту Nc вращения турбины, давление Pb наддува и степень Ac открывания дроссельной заслонки. БУД 100 рассчитывает количество QM основного впрыска на основании частоты Ne вращения двигателя и степени Ac открывания дроссельной заслонки с помощью многомерной регулировочной характеристики f3q (Ne, Ac, QM) количества впрыска топлива.

На этапе S111 БУД 100 рассчитывает целевую частоту Ncm вращения турбины на основании частоты Ne вращения двигателя, давления Pb наддува и количества QM основного впрыска с помощью целевой многомерной регулировочной характеристики f4c (Ne, Pb, QM, Ncm) частоты вращения турбины. Более того, БУД 100 рассчитывает допустимое пороговое значение ±∆Nc целевой частоты Ncm вращения турбины. Пороговое значение ±∆Nc определяется для каждой целевой частоты Ncm вращения турбины и изменяется касательно частоты Ne вращения двигателя, давления Pb наддува и количества QM основного впрыска.

На этапе S112 БУД 100 делает вывод, является или нет абсолютное значение разности между частотой Nc вращения турбины и целевой частотой RNcm вращения турбины меньшим, чем пороговое значение ∆Nc. Когда абсолютное значение является меньшим, чем пороговое значение ∆Nc, на этапе S112, БУД 100 переключается на этап S118, с тем чтобы заканчивать управление дополнительным впрыском топлива и выполнять нормальную работу.

На этапе S113 БУД 100 регулирует свойство QP (QPm, QPt) дополнительного впрыска топлива, когда абсолютное значение не является меньшим, чем пороговое значение ∆Nc, QPm является количеством раз впрыска при управлении дополнительным впрыском топлива. QPm - количество впрыска при управлении дополнительным впрыском топлива. Конкретное регулирование свойства QP (QPm, QPt) дополнительного впрыска топлива не ограничено. БУД 100 регулирует свойство QP (QPm, QPt) дополнительного впрыска топлива, с тем чтобы сделать абсолютное значение разности между частотой Nc вращения турбины и целевой частотой Ncm вращения турбины меньшим, чем пороговое значение ∆Nc.

На этапе S114 БУД 100 регулирует степень Fv открывания ТПГ. Конкретное регулирование степени Fv открывания ТПГ не ограничено. БУД 100 регулирует степень Fv открывания ТПГ с тем, чтобы сделать абсолютное значение разности между частотой Nc вращения турбины и целевой частотой Ncm вращения турбины меньшим, чем пороговое значение ∆Nc.

На этапе S115 БУД 100 увеличивает значение N счетчика на +1. Значение N счетчика является номером регулировки свойства QP (QPm, QPt) дополнительного впрыска топлива.

На этапе S116 БУД 100 делает вывод, является или нет значение N счетчика большим, чем 5.

На этапе S117, когда N является большим, чем 5, на этапе S116, БУД 100 включает флажковый признак аномалии впрыска топлива. С другой стороны, когда N является не большим, чем 5, на этапе 116, БУД 100 возвращается на этап S111.

Соответственно, управление дополнительным впрыском топлива выполняется с тем, чтобы сделать частоту Nc вращения турбины равной целевой частоте Ncm вращения турбины, которая является подходящей для режима двигателя 1, в силу чего управление дополнительным впрыском топлива может выполняться для широкого диапазона с необходимым минимальным количеством впрыска топлива. Одновременно может предотвращаться заливание цилиндра.

При этом управлении, даже если нагнетатель является ТПГ 5, управление дополнительным впрыском топлива может выполняться с частотой Nc вращения турбины. А именно управление дополнительным впрыском топлива может выполняться независимо от типа нагнетателя.

Более того, управление дополнительным впрыском топлива может выполняться независимо от деградации инжекторов 11 и электромагнитных клапанов 12 или изменения с прохождением времени двигателя 1, оборудования впрыска топлива и турбонагнетателя 7.

Более того, согласно этапам с S115 по S117, аномалия турбонагнетателя или оборудования впрыска топлива, такого как общая магистраль 13, инжекторы 11 и электромагнитные клапаны 12, могут точно обнаруживаться.

Пояснение по последовательности операций управления дополнительным впрыском топлива, которое является вариантом 2 осуществления, будет дано со ссылкой на фиг.5. БУД 100 выполняет управление дополнительным впрыском топлива с тем, чтобы делать коэффициент RNc изменения частоты вращения турбины равным целевому коэффициенту RNcm изменения частоты вращения турбины, которая является подходящей для режима двигателя 1. Управление выполняется в переходном режиме работы, в котором режим работы двигателя ускоряется или замедляется.

БУД 100 рассчитывает целевой коэффициент RNcm изменения частоты вращения турбины с помощью целевой многомерной регулировочной характеристики f4Rc (RNe, RPb, QM, RNcm) коэффициента измерения частоты вращения турбины. Целевая многомерная регулировочная характеристика f4Rc (RNe, RPb, QM, RNcm) коэффициента изменения частоты вращения турбины является четырехмерной регулировочной характеристикой, которая показывает взаимозависимость коэффициента RNe изменения частоты вращения двигателя, коэффициента RPb изменения давления наддува, количества QM основного впрыска и коэффициента RNc изменения частоты вращения турбины и предварительно сохранена в запоминающем устройстве БУД 100.

На этапе S121 БУД 100 рассчитывает коэффициент RNe изменения частоты вращения двигателя, который является коэффициентом изменения частоты Ne вращения двигателя в заданное время. БУД 100 рассчитывает коэффициент RNc изменения частоты вращения турбины, который является коэффициентом изменения частоты Nc вращения турбины в заданное время. Более того, БУД 100 рассчитывает коэффициент RPb изменения давления наддува, который является коэффициентом изменения давления Pb наддува в заданное время. БУД 100 получает степень Ac открывания дроссельной заслонки с помощью датчика 24 степени открывания дроссельной заслонки.

На этапе S121 БУД 100 рассчитывает количество QM основного впрыска на основании коэффициента RNe изменения частоты вращения двигателя и степени Ac открывания дроссельной заслонки с помощью многомерной регулировочной характеристики f3q (Ne, Ac, QM) количества впрыска топлива. Многомерная регулировочная характеристика f3Rq (RNe, Ac, QM) количества впрыска топлива является многомерной регулировочной характеристикой, в которой частота Ne вращения двигателя многомерной регулировочной характеристики f3q (Ne, Ac, QM) количества впрыска топлива заменена коэффициентом RNe изменения частоты вращения двигателя.

Более того, на этапе S121 БУД 100 рассчитывает целевой коэффициент RNcm изменения частоты вращения турбины на основании коэффициента RNe изменения частоты вращения двигателя, количества QM основного впрыска и коэффициента RPb изменения давления наддува с помощью целевой многомерной регулировочной характеристики f4Rc (RNe, RPb, QM, RNcm) коэффициента изменения частоты вращения турбины. Более того, БУД 100 рассчитывает допустимое пороговое значение ±∆RNcm целевого коэффициента RNcm изменения частоты вращения турбины. Пороговое значение ±∆RNcm определяется для каждого целевого коэффициента RNcm изменения частоты вращения турбины и изменяется касательно коэффициента RNe изменения частоты вращения двигателя, коэффициента RPb изменения давления наддува и количества QM основного впрыска.

На этапе S122 БУД 100 делает вывод, является или нет абсолютное значение разности между коэффициентом RNc изменения частоты вращения турбины и целевым коэффициентом RNcm изменения частоты вращения турбины меньшим, чем пороговое значение ∆RNc. Когда абсолютное значение является меньшим, чем пороговое значение ∆RNc, на этапе S122 БУД 100 переключается на этап S118 с тем, чтобы заканчивать управление дополнительным впрыском топлива и выполнять нормальную работу.

Этапы с S123 по 127 соответственно подобны этапам с S113 по 117 последовательности операций управления дополнительным впрыском топлива варианта 1 осуществления, и поэтому их пояснение опущено. А именно БУД 100 регулирует свойство QP (QPm, QPt) дополнительного впрыска топлива и степень Fv открывания ТПГ с тем, чтобы сделать абсолютное значение разности между коэффициентом RNc изменения частоты вращения турбины и целевого коэффициента RNcm изменения частоты вращения турбины меньшим, чем пороговое значение ∆RNcm.

Соответственно, при переходном режиме работы в работе двигателя управление дополнительным впрыском топлива выполняется с тем, чтобы сделать коэффициент RNc изменения частоты вращения турбины равным целевому коэффициенту RNcm изменения частоты вращения турбины, который является подходящим для режима двигателя 1, в силу чего управление дополнительным впрыском топлива может выполняться для широкого диапазона с необходимым минимальным количеством впрыска топлива. Одновременно может предотвращаться заливание цилиндра.

Каждое из вышеупомянутых двух типов управления дополнительным впрыском топлива выполняется до тех пор, пока работа не доходит от такта расширения до такта выпуска двигателя 1, то есть до тех пор, пока не закрывается выпускной клапан (не показан). Соответственно, предотвращается впрыск топлива внутрь выпускного коллектора.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение может быть использовано в двигателе, который выполняет управление дополнительным впрыском топлива.

Изобретение относится к области управления дополнительным впрыском топлива в двигателе, имеющем нагнетатель. Двигатель (1) содержит: корпус (10), нагнетатель (7), средства определения частоты вращения двигателя (21), определения нагрузки на двигатель (24), определения давления нагнетателя (23), определения частоты вращения нагнетателя (22) и средство управления (100). Средство управления (100) выполняет управление дополнительным впрыском топлива, по меньшей мере, один раз за такт расширения или выпуска. Дополнительный впрыск топлива производится для повышения энергии выхлопных газов. Средство управления (100) распознает частоту вращения двигателя, давление нагнетателя, нагрузку на двигателе и частоту вращения нагнетателя и выполняет управление дополнительным впрыском топлива. Дополнительный впрыск топлива предназначен для установки частоты вращения нагнетателя (3), равной целевой частоте вращения нагнетателя (7). Целевая частота вращения нагнетателя рассчитывается средством управления (100). Технический результат заключается в возможности управления дополнительным впрыском топлива в широком диапазоне рабочих режимов двигателя. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двигатель, содержащий:
корпус двигателя, оборудованный нагнетателем;
средство определения частоты вращения двигателя, которое определяет частоту вращения двигателя;
средство определения нагрузки на двигатель, которое определяет нагрузку на двигателе;
средство определения давления нагнетателя, которое определяет давление нагнетателя;
средство определения частоты вращения нагнетателя, которое определяет частоту вращения нагнетателя; и
средство управления, которое выполняет управление дополнительным впрыском топлива, по меньшей мере, один раз за такт расширения или выпуска для повышения энергии выхлопных газов,
при этом средство управления распознает частоту вращения двигателя, давление нагнетателя, нагрузку на двигателе и частоту вращения нагнетателя и выполняет управление дополнительным впрыском топлива для того, чтобы устанавливать частоту вращения нагнетателя равной целевой частоте вращения нагнетателя, рассчитанной средством управления.

2. Двигатель по п.1, в котором средство управления делает вывод, что возникает аномалия впрыска топлива, когда частота вращения нагнетателя находится вне допустимого значения целевой частоты вращения нагнетателя.

3. Двигатель по п.1, в котором средство управления рассчитывает коэффициент изменения частоты вращения двигателя на основании частоты вращения двигателя, рассчитывает коэффициент изменения давления нагнетателя на основании давления нагнетателя, рассчитывает коэффициент изменения частоты вращения нагнетателя на основании частоты вращения нагнетателя, рассчитывает целевой коэффициент изменения частоты вращения нагнетателя на основании коэффициента изменения частоты вращения двигателя, коэффициента изменения давления нагнетателя и коэффициента изменения частоты вращения нагнетателя и выполняет управление дополнительным впрыском топлива для того, чтобы установить коэффициент изменения частоты вращения нагнетателя равным целевому коэффициенту изменения частоты вращения нагнетателя.

4. Двигатель по п.3, в котором средство управления делает вывод, что возникает аномалия впрыска топлива, когда коэффициент изменения частоты вращения нагнетателя находится вне допустимого значения целевого коэффициента изменения частоты вращения нагнетателя.