СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СВЕЧАМИ НАКАЛА В ДИЗЕЛЬНОМ ДВИГАТЕЛЕ, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ Российский патент 2013 года по МПК F02P19/02 F23Q7/00 

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для управления свечами накала в дизельном двигателе, в частности для транспортных средств, типы которых определены в ограничительных частях независимых пунктов 1 и 6 соответственно.

Свечами накала, обычно связанными с камерами сгорания цилиндров дизельных двигателей, управляют соответствующим электронным модулем управления, который выполнен с возможностью управления в реальном времени количеством энергии, переданным к каждой свече накала, так чтобы достигать и удерживать заданную рабочую температуру. Электронный модуль управления управляет электронными переключателями, обычно полевыми МОП транзисторами, посредством управляющих сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Энергия, переданная к свечам накала, является ключевой переменной, подлежащей управлению, и система управления свечами накала обычно проверяет как напряжение на каждой свече накала, так и ток, протекающий через каждую свечу накала.

Управление энергией, переданной к свечам накала, означает управление мощностью переданной туда же в течение каждого периода управляющих сигналов ШИМ, подаваемых к соответствующим электронным переключателям. Рабочим циклом управляющих сигналов ШИМ управляют в контуре с обратной связью для того, чтобы подавать требуемую энергию к каждой свечи накала.

С известными в настоящее время системами управления лучших показателей управления достигают через прямое определение среднеквадратических значений волновых форм сигналов напряжения и тока для каждого периода управляющих сигналов ШИМ. Такое решение содержит значительные трудности, в особенности из-за высокой чувствительности к внешним помехам, сложности схемы устройства и необходимой цифровой обработки.

Некоторые известные решения основаны на выборке напряжения и тока свечей накала посредством так называемой задачи высокой выборки для цифрового вычисления их среднеквадратических значений. Это решение требует дорогостоящих и очень быстрых преобразователей аналогового канала, и это противоречиво влияет на пропускную способность цифрового управления и полную стоимость системы управления свечами накала.

Чтобы избежать необходимости в задаче быстрой выборки, было предложено отбирать напряжение свечи накала и тока только один раз за период управляющих сигналов ШИМ, например в середине фазы «включено» упомянутых сигналов. Такое решение, действительно, решает вопрос быстрой выборки, но, в свою очередь, вносит значительную ошибку в вычисление среднеквадратических значений напряжения свечи накала и тока.

Задача настоящего изобретения заключается в создании улучшенных способа и устройства для управления свечами накала в дизельном двигателе, позволяющих преодолеть вышеуказанные неудобства систем предшествующего уровня техники.

Эту и другие задачи достигают согласно изобретению способом по п.1 и устройством по п.6.

Дополнительные отличия и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из подробного описания, приведенного исключительно в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 представляет собой электрическую схему, показывающую устройство для управления свечами накала в дизельном двигателе;

фиг.2 представляет собой электрическую схему, показывающую более подробно часть блока управления, показанного на фиг.1, для управления одной свечой накала дизельного двигателя; и

фиг.3 представляет собой серию из четырех графиков, показывающих как функцию времени волновые формы четырех сигналов в системе управления, показанной на фиг.1 и 2.

На фиг.1 ссылочной позицией 10, в целом, обозначена электронная система управления для управления свечами GP1, GP2, GP3 и GP4 накала, каждая из которых связана с соответствующей камерой сгорания цилиндра в четырехцилиндровом двигателе внутреннего сгорания.

Каждая из свечей GP1-GP4 накала подсоединена между соответствующим выводом 1-4 электронной системы 10 управления и выводом EGND заземления («заземление двигателя»).

На фиг.1 источник В питания постоянного тока, такой как батарея транспортных средств, имеет положительный вывод, подключенный к входу 5 питания электронной системы 10 управления, и отрицательный вывод, подключенный к выводу BGND заземления («заземление батареи»).

Вывод BGND заземления подключен к выводу EGND заземления проводником 6 и дополнительно подключен к выводу 7 электронной системы 10 управления через проводник 8. Вывод 7 электронной системы управления подключен к выводу IGND внутреннего заземления электронной системы 10 управления через проводник 9.

Электронная система 10 управления содержит четыре электронных переключателя М1-М4, каждый из которых имеет участок сток-исток, подключенный, по существу, последовательно к соответствующей свече накала между выводами источника В питания.

Электронные переключатели М1-М4 являются, например, полевыми МОП транзисторами и имеют свои затворы, подключенные к соответствующим выходам блока 20 управления.

Блок 20 имеет первый ряд из четырех входов, каждый из которых подключен к соответствующему одному из выводов 1-4 для передачи в блок аналогового сигнала, представляющего напряжение на соответствующих свечах GP1-GP4 накала.

Блок 20 имеет второй ряд из четырех входов, каждый из которых подключен к соответствующему измерительному средству S1-S4 для тока, такому как шунтирующее сопротивление, для передачи в блок 20 сигналов, представляющих прохождение тока в период действия через каждую свечу накала.

В конструкции, показанной на фиг.1 датчики S1-S4 тока расположены между электронными переключателями М1-М4 и свечами GP1-GP4 накала. В, по существу, эквивалентной конструкции датчики могут быть расположены между электронными переключателями М1-М4 и положительным выводом источника В питания.

Со ссылкой на фиг.2 ниже будет описана работа электронного блока 20 по отношению к управлению одной свечой накала, например свечой GP1 накала. Другими свечами GP2-GP4 накала управляют таким же образом.

В варианте осуществления, показанном на фиг.2, шунтирующее сопротивление S1 измерения тока показано как подключенное между стоком полевого МОП транзистора М1 и положительным выводом источника В питания. Концы шунтирующего сопротивления S1 подключены к входам схемы 11 согласования, которая может обычно включать в себя структуру токового зеркала. Схема 11 согласования фильтрует напряжение на шунтирующем сопротивлении S1 и затем перемасштабирует напряжение шунта в типичный предел напряжения 0-5 В, используемый в настоящее время для автомобильных аналоговых сигналов.

Сигнал на выходе схемы 11 согласования обращен к входу аналогового интегратора 12, имеющего вход 12а сброса. Интегратор 12 обеспечивает на своем выходе сигнал AS1 считывания, представляющий интеграл по времени тока I1, измеренного посредством шунтирующего сопротивления S1.

Выход интегратора 12 соединен с инвертирующим входом аналогового компаратора 13, который постоянно сравнивает упомянутый сигнал AS1 считывания с аналоговым опорным сигналом R1, обеспеченным выходом цифроуправляемого аналогового генератора DAC1 напряжения, обычно цифроаналогового преобразователя.

Вход 12а сброса интегратора 12, выход компаратора 13 и вход генератора DAC1 подключены к соответствующим выводам микроконтроллера 30.

Генератор DAC1 обеспечивает на своем выходе опорный сигнал R1, имеющий аналоговое значение, которое соответствует цифровому значению в первом цифровом управляющем слове W1, обеспеченном на своем входе микроконтроллером 30.

Микроконтроллер 30 выполняет управление с обратной связью, так чтобы минимизировать разницу между аналоговыми значениями сигнала AS1 интегратора и опорным сигналом R1.

Всякий раз, когда выход компаратора 13 (например) «низкий», это значит, что сигнал AS1 интегратора больше, чем опорный сигнал R1, обеспеченный генератором DAC1, и микроконтроллер 30, поэтому увеличит цифровое значение, связанное с управляющим словом W1, обеспеченным на входе DAC1. С другой стороны, если выход компаратора 13 «высокий», это значит, что сигнал AS1 интегратора ниже, чем опорное значение R1, и микроконтроллер 30 в этом случае уменьшит цифровое значение управляющего слова W1.

По-прежнему со ссылкой на фиг.2, блок 20 управления содержит дополнительно вторую схему 14 согласования, имеющую свой вход, подключенный к выводу 1, то есть к соответствующей свече накала GP1.

Схема 14 согласования напряжения фильтрует напряжение V1 свечи накала и перемасштабирует его в типичный предел напряжения 0-5 В, используемый для автомобильных аналоговых сигналов. В показанном варианте схема 14 согласования включает в себя операционный усилитель. В других вариантах такая схема согласования может включать в себя простой делитель напряжения.

Напряжение на выходе схемы 14 согласования, прикладывается к входу интегратора 15, имеющего вход 15а сброса, соединенный с соответствующим выводом микроконтроллера 30.

Аналоговый интегратор 15 обеспечивает на своем выходе аналоговый сигнал AS2 считывания, представляющий интеграл по времени измеренного напряжения V1 свечи накала.

Выход интегратора 15 подключен к инвертирующему входу компаратора 16, который имеет не инвертирующий вход, соединенный с выходом цифроуправляемого генератора DAC2 напряжения, подобного DAC1.

Генератор DAC2 выполнен с возможностью обеспечения на своем выходе аналогового опорного сигнала R2, имеющего значение, соответствующее цифровому значению второго цифрового управляющего слова W2, обеспеченного на своем входе микроконтроллером 30.

Микроконтроллер 30 выполнен с возможностью осуществления управления с обратной связью управляющего слова W2, подаваемого к генератору DAC2, так чтобы минимизировать разницу между аналоговым значением сигнала AS2 считывания, способом, похожим на тот, который описан выше, в связи с участком считывания тока системы.

Со ссылкой на фиг.1 и 2, блок 20 управления выполнен с возможностью вычисления средних значений измеренного напряжения и измеренного тока, соответственно, через каждый период управляющих сигналов ШИМ, поданных к затворам переключателей М1-М4.

Это осуществляют, по существу, следующим образом.

Для каждого упомянутого периода времени блок 20 управления рассчитывает среднее значение измеренного тока, например тока I1 (фиг.2), через свечу GP1 накала вычислением отношения разницы между значениями первого цифрового слова W1 в начале и конце положения «включено» или времени проводимости соответствующего электронного переключателя (М1) к продолжительности указанного периода времени (периода управляющих сигналов ШИМ).

Аналогично, блок 20 управления выполнен с возможностью вычисления среднего значения измеренного напряжения на каждой свече накала, например напряжения V1 на свече GP1 накала (фиг.2), вычислением отношения разницы между значениями второго цифрового слова W2 в начале и в конце положения «включено» или времени проводимости соответствующего электронного переключателя (М1) к продолжительности указанного периода времени.

Имея, таким образом, вычисленные средние значения измеренного напряжения и измеренного тока для каждой свечи накала блок 20 управления может легко вычислить соответствующие среднеквадратические значения одним из различных известных способов.

Фиг.3 показывает образцовые волновые формы напряжения V1, измеренного на свече GP1 накала и соответствующего тока I1 протекающего через нее, а также соответствующие волновые формы интегрированного сигнала AS1 и взаимодействующего опорного сигнала R1.

Система, описанная выше, имеет ряд преимуществ.

Во-первых, система, описанная выше, не требует никаких схем выборки и запоминания с выгодной экономией в цене.

Кроме того, система, описанная выше, значительно уменьшает время выборки генераторов DAC1 и DAC2, потому что соответствующие аналоговые интеграторы 12 и 15 могут быть рассмотрены как фильтры очень низких частот.

В заключение, раскрытая система имеет достаточно низкую чувствительность к помехам, потому что, как уже упомянуто выше, аналоговые интеграторы могут быть рассмотрены как фильтры очень низких частот.

Очевидно, при условии, что принцип изобретения сохранен, формы варианта и детали изделия могут значительно отличаться от того, что описано и показано только в качестве не ограничивающего примера, не выходя за рамки объема изобретения, определенного в приложенной формуле изобретения.

Изобретение может быть использовано для управления нагревом свечей накаливания в дизеле. Способ управления включает этапы: измерения напряжения и тока, подаваемого на свечу в положении «включено» электронного переключателя (M); генерирования аналоговых сигналов (AS1, AS2) считывания, представляющих интеграл по времени напряжения и тока; генерирования аналоговых опорных сигналов (R1, R2); сравнения сигналов (AS1, AS2) считывания с соответственными опорными сигналами (R1, R2) и изменения соответствующих управляющих слов (W1, W2) для того, чтобы минимизировать разницу между сигналами (AS1, AS2) считывания и опорными сигналами (R1, R2); приведения в положение включено-выключено через период времени электронного переключателя (M) последовательно с соответствующей свечой (GP) накала между выводами источника (B) питания постоянного тока и вычисления средних значений измеренного напряжения (V) и тока (I) на основании значений указанных управляющих слов (W1, W2) в начале и в конце положения «включено» электронного переключателя (M). Раскрыто устройство для реализации способа. Технический результат заключается в управлении количеством энергии, передаваемой на свечу накаливания. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления свечой (GP) накала, связанной с камерой сгорания цилиндра дизельного двигателя, включающий этапы, на которых:
приводят в положение включено-выключено через период времени электронный переключатель (M), соединенный, по существу, последовательно со свечой (GP) накала между выводами источника (B) питания постоянного тока;
измеряют напряжение (V) на свече (GP) накала и ток (I), протекающий через свечу (GP) накала; отличающийся тем, что
генерируют первый и второй аналоговый сигнал (AS1, AS2) считывания, представляющий интеграл по времени измеренного тока (I) и измеренного напряжения (V), соответственно;
генерируют первый и второй опорный сигнал (R1, R2), имеющий соответственные аналоговые значения, соответствующие значениям первого и второго цифрового управляющего слова (W1, W2), соответственно;
сравнивают первый и второй аналоговый сигнал (AS1, AS2) считывания с первым и вторым опорным сигналом (R1, R2), соответственно, при электронном переключателе (M) в положении «включено», и изменяют цифровое значение указанных цифровых слов (W1, W2) для того, чтобы минимизировать разницу между сигналами (AS1, AS2) считывания и соответствующими опорными сигналами (R1, R2); и
вычисляют средние значения измеренного тока (I) и измеренного напряжения (V), соответственно, за указанный период времени как функцию разниц между значениями указанного первого и второго цифрового слова (W1, W2), соответственно, в начале и в конце положения «включено» или времени проводимости электронного переключателя (M).

2. Способ п.1, в котором среднее значение измеренного тока (I) за указанный период времени рассчитывают посредством вычисления отношения разницы между значениями указанного первого цифрового слова (W1) в начале и в конце положения «включено» или времени проводимости электронного переключателя (M) к продолжительности указанного периода времени.

3. Способ п.1 или 2, в котором среднее значение измеренного напряжения (V) за указанный период времени рассчитывают посредством вычисления отношения разницы между значениями указанного второго цифрового слова (W2) в начале и в конце положения «включено» или времени проводимости электронного переключателя (M) к продолжительности указанного периода времени.

4.Способ по п.1, в котором электронный переключатель (M) приводят в действие сигналом ШИМ.

5. Способ по п.1, в котором ток (I), протекающий через свечу (GP) накала, измеряют посредством шунтирующего сопротивления (S).

6. Устройство (10) для управления свечой (GP) накала, связанной с камерой сгорания цилиндра дизельного двигателя, содержащее:
электронный переключатель (M), соединенный, по существу, последовательно со свечой (GP) накала между выводами источника (B) питания постоянного тока;
измерительные средства (S) для обеспечения первого и второго аналогового сигнала (AS1, AS2) считывания, представляющих ток, протекающий через свечу (GP) накала, и напряжение на свече (GP) накала, соответственно; и
электронные средства (20; 30) управления, соединенные с входом управления электронного переключателя (M) и указанным измерительным средством (S), при этом электронные средства (20; 30) управления выполнены с возможностью:
приведения в положение включено-выключено указанного электронного переключателя (M);
отличающееся тем, что указанные электронные средства (20; 30) управления дополнительно выполнены с возможностью: генерирования первого и второго аналогового сигнала (AS1, AS2) считывания, представляющего интеграл по времени измеренного тока (I) и измеренного напряжения (V), соответственно;
генерирования первого и второго опорного сигнала (R1, R2), имеющего соответственные аналоговые значения, соответствующие значениям первого и второго цифрового управляющего слова (W1, W2), соответственно;
сравнения первого и второго сигнала (AS1, AS2) считывания с первым и вторым опорным сигналом (R1, R2), соответственно, при электронном переключателе (M) в положении «включено» и изменения цифрового значения указанных цифровых слов (W1, W2) для того, чтобы минимизировать разницу между сигналами (AS1, AS2) считывания и соответствующими опорными сигналами (R1, R2); и
вычисления средних значений измеренного тока (I) и измеренного напряжения (V), соответственно, за указанный период времени как функцию разниц между значениями указанного первого и второго цифровых слов (W1, W2), соответственно, в начале и в конце положения «включено» или времени проводимости электронного переключателя (M).

7. Устройство по п.6, в котором электронные средства (20; 30) управления выполнены с возможностью расчета среднего значения измеренного тока (I) за указанный период времени посредством вычисления отношения разницы между значениями указанного первого цифрового слова (W1) в начале и в конце положения «включено» или времени проводимости электронного переключателя (M) к продолжительности указанного периода времени.

8. Устройство по п.6 или 7, в котором электронные средства (20; 30) управления выполнены с возможностью расчета среднего значения измеренного напряжения (V) за указанный период времени посредством вычисления отношения разницы между значениями указанного второго цифрового слова (W2) в начале и в конце положения «включено» или времени проводимости электронного переключателя (M) к продолжительности указанного периода времени.

9. Устройство по п.6, в котором электронные средства (20; 30) управления выполнены с возможностью приведения в действие указанным электронным переключателем (M) посредством сигнала ШИМ,

10. Устройство по п.6, в котором указанные измерительные средства включают в себя шунтирующее сопротивление (S).