СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ДЕТОНАЦИОННОГО СТУКА ПРИ СМЕНЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2014 года по МПК F02D19/06 F02P5/152 G01L23/22 F02D41/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к распознаванию детонационных стуков в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), прежде всего в ДВС, которые по выбору могут работать на разных видах топлива.

Уровень техники

Для распознавания детонационных стуков ДВС обычно оснащены датчиками корпусного шума, которые регистрируют корпусный шум блока цилиндров двигателя и выдают характеризующие такой корпусный шум и пропорциональные ему сигналы. Распознавание детонационных стуков основано при этом на интегрировании, соответственно усреднении подвергнутых фильтрации и выпрямленных характеризующих корпусный шум сигналов и на вычисленных на их основании опорных уровней. Интегрирование характеризующих корпусный шум сигналов обычно выполняется только в течение промежутка времени, на протяжении которого возможно появление детонации и длительность которого определяется одним или несколькими измерительными интервалами в пределах рабочего цикла ДВС. Для распознавания детонационного стука характеризующие корпусный шум сигналы и опорный уровень обрабатываются или анализируются в системе регулирования угла опережения зажигания по детонации.

Современные ДВС могут работать на нескольких видах топлива, при этом режим работы ДВС, т.е. управление им, согласуют с конкретным видом топлива, на котором работает двигатель. Переход на другой вид топлива в процессе работы ДВС сопровождается быстрым изменением его шумовой характеристики. Хотя при смене режимов работы ДВС обычно происходит резкое изменение измерительных интервалов, положение которых во времени существенно изменяется в связи с изменением моментов зажигания, опорный уровень, с которым для распознавания детонационных стуков соотносят фактический характеризующий корпусный шум сигнал, способен лишь с задержкой адаптироваться к быстро изменяющимся шумовым характеристикам, поскольку его определяют путем интегрирования, соответственно усреднения. По этим причинам при определенных обстоятельствах не исключена возможность ошибочного распознавания детонационных стуков при их фактическом отсутствии либо, наоборот, возможность нераспознавания детонационных стуков при их фактическом наличии.

Помимо этого непосредственно после смены режимов работы, например, при переходе с режима работы на (сжиженном) природном газе на режим работы на бензине, склонность двигателя к детонации может значительно возрастать. При мгновенной смене режимов работы предполагается, что склонность двигателя к детонации непосредственно после перехода с режима работы на природном газе на режим работы на бензине не отличается от склонности двигателя к детонации при его работе исключительно на бензине. Фактически, однако, вскоре после смены режимов работы появляется сильная детонация, которую требуется предотвращать.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ и устройство, которые позволяли бы избежать нераспознавания или ошибочного распознавания детонационных стуков при смене режимов работы ДВС.

Краткое описание сущности изобретения

Указанная задача решается с помощью способа, заявленного в п.1 формулы изобретения, а также с помощью устройства, заявленного в соответствующем независимом пункте формулы изобретения.

Одним из объектов изобретения является способ распознавания детонационного стука при смене режимов работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Такой способ заключается в том, что регистрируют характеристику сигнала, характеризующего корпусный шум ДВС, в зависимости от характеристики характеризующего корпусный шум сигнала определяют его опорный уровень, соответствующий параметрам создаваемого двигателем фонового шума, и в зависимости от опорного уровня устанавливают факт появления детонационного стука. Опорный уровень характеризующего корпусный шум сигнала определяют в зависимости от процесса смены режимов работы ДВС, т.е., например, в зависимости от того, происходит ли в данный момент смена режимов работы ДВС или нет.

Для распознавания детонационных стуков на основании сигнала, характеризующего корпусный шум блока цилиндров ДВС, определяют опорный уровень, отражающий параметры создаваемого двигателем фонового шума. С этим опорным уровнем соотносят характеризующий корпусный шум сигнал, мгновенно зарегистрированный датчиком корпусного шума, и на основании результатов такого соотнесения распознают наличие детонационного стука. При смене режимов работы ДВС часто происходит быстрое изменение создаваемого им фонового шума, что требует соответствующего согласования опорного уровня.

При использовании обычных способов определения опорного уровня он при смене режимов работы ДВС обычно изменяется лишь медленно и поэтому лишь постепенно адаптируется к изменившейся шумовой характеристике двигателя. В подобном случае в процессе смены режимов работы фактический характеризующий корпусный шум сигнал в большей степени отличается от опорного уровня, и поэтому не исключена возможность ошибочного распознавания детонационного стука при его фактическом отсутствии, соответственно возможность нераспознавания детонационного стука при его фактическом наличии. По этой причине предлагается при смене режимов работы двигателя быстрее согласовывать опорный уровень с мгновенными параметрами создаваемого двигателем фонового шума, чем при работе ДВС в одном из режимов.

Помимо этого факт появления детонационного стука можно устанавливать в зависимости от порогового значения, которое согласуют в процессе смены режимов работы. Таким путем при смене режимов работы, с которой связано прежде всего изменение шумовой характеристики ДВС, можно повышать или снижать чувствительность распознавания детонационных стуков.

Опорный уровень можно определять в течение промежутка времени, в который происходит смена режимов работы, прежде всего в зависимости от характеристики характеризующего корпусный шум сигнала в течение второго периода, который короче первого периода, при этом вне промежутка времени, в который происходит смена режимов работы, опорный уровень определяют в зависимости от характеристики характеризующего корпусный шум сигнала в течение первого периода. Сказанное означает, что до или после процесса смены режимов работы опорный уровень определяют, например, путем усреднения на протяжении первого периода, тогда как в процессе смены режимов работы опорный уровень определяют путем усреднения на протяжении второго периода, который по своей продолжительности короче первого периода.

В еще одном варианте опорный уровень можно определять усреднением уровней характеризующего корпусный шум сигнала в пределах соответствующего периода или интегрированием характеристики зарегистрированного характеризующего корпусный шум сигнала в пределах соответствующего периода.

Для определения опорного уровня характеризующего корпусный шум сигнала его можно подвергать фильтрации в фильтре нижних частот с использованием коэффициента фильтрации нижних частот, который выбирают на промежуток времени, в который происходит смена режимов работы, меньшей величины, чем вне него.

Каждый из режимов работы ДВС может соответствовать его работе на топливе одного из разных видов, при этом начало промежутка времени, в который происходит смена режимов работы, соответствует моменту, который зависит от окончания первого режима работы. Работа ДВС на разных видах топлива обычно требует перенастройки системы управления двигателем, в связи с чем одновременно с началом процесса смены режимов работы либо вскоре после его начала происходит изменение создаваемого двигателем фонового шума.

Процесс смены режимов работы прежде всего может предусматривать работу в смешанном режиме, в котором ДВС работает на топливе обоих видов, при этом начало промежутка времени, в который происходит смена режимов работы, соответствует моменту окончания первого режима работы, или моменту, в который доля, приходящаяся на первый режим работы в общем режиме работы ДВС, достигает заданного значения.

Длительность промежутка времени, в который происходит смена режимов работы, может быть задана постоянной или может зависеть от момента окончательного перехода на второй режим работы.

В процессе смены режимов работы можно задавать упреждение угла опережения зажигания для изменения фактического, заданного для работы ДВС момента зажигания в сторону более позднего, при этом по истечении определенного промежутка времени величину такого упреждения угла опережения зажигания плавно или ступенчато уменьшают. Изменение угла опережения зажигания в сторону более позднего позволяет значительно снизить вероятность появления детонационных стуков в процессе смены режимов работы и вскоре после него.

Помимо этого величину упреждения угла опережения зажигания можно задавать в зависимости от температуры охлаждающей жидкости ДВС и/или температуры впускаемого воздуха.

С целью ограничить проверку на наличие детонационных стуков только теми периодами времени, в течение которых возможно появление детонации, можно предусмотреть регистрацию характеристики характеризующего корпусный шум сигнала только в те временные интервалы, в течение которых в ДВС возможно появление детонационных стуков.

Еще одним объектом изобретения является устройство для распознавания детонационного стука при смене режимов работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Такое устройство имеет блок регистрации корпусного шума, предназначенный для регистрации характеристики сигнала, характеризующего корпусный шум в ДВС, и блок распознавания детонационных стуков, предназначенный для регистрации характеристики характеризующего корпусный шум сигнала, для определения его опорного уровня, который соответствует параметрам создаваемого двигателем фонового шума, в зависимости от характеристики этого характеризующего корпусный шум сигнала и для установления факта появления детонационного стука в зависимости от опорного уровня, и отличается тем, что блок распознавания детонационных стуков для определения опорного уровня характеризующего корпусный шум сигнала выполнен с возможностью подвергать его фильтрации в фильтре нижних частот с использованием коэффициента фильтрации нижних частот, который выбирается на промежуток времени, в который происходит смена режимов работы, меньшей величины, чем вне него.

Еще одним объектом изобретения является моторная система, имеющая двигатель внутреннего сгорания и указанное выше устройство.

Еще одним объектом изобретения является компьютерный программный продукт, содержащий программный код, который при его исполнении процессором данных обеспечивает осуществление описанного выше способа.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематичный вид моторной системы с функцией распознавания детонационных стуков,

на фиг.2 - детальный вид блока распознавания детонационных стуков в составе моторной системы, изображенной на фиг.1, и

на фиг.3а-3в - временные характеристики сигналов, отражающие характер изменения упреждения угла опережения зажигания, изменения опорного уровня для распознавания детонационных стуков, соответственно изменения характеризующих режимы работы сигналов.

Описание вариантов осуществления изобретения

На фиг.1 показана моторная система 1 с ДВС 2, работой которого управляет блок 3 управления. Блок 3 управления является, например, компонентом обычного общего электронного блока управления двигателем и может управлять всеми или некоторыми необходимыми для работы ДВС 2 функциями.

ДВС 2 выполнен с возможностью работы на разных видах топлива, таких, например, как природный газ (сжатый природный газ) или бензин, при этом тот или иной режим работы двигателя может задаваться через блок 3 управления автоматически либо вручную, т.е. водителем. Блок 3 управления управляет работой ДВС 2 путем подачи на него управляющих им сигналов MS, которыми может задаваться, например, положение дроссельной заслонки, количество впрыскиваемого топлива (например, путем регулирования моментов открытия и закрытия топливных форсунок), моменты зажигания и иные параметры.

Помимо этого предусмотрен блок 4 распознавания детонационных стуков, в который от расположенного на ДВС 2, например, на его блоке цилиндров, датчика 5 корпусного шума поступают характеризующие корпусный шум сигналы SS, которые выдаются, например, в виде электрической величины, и который на основании таких сигналов может определять, происходит ли в ДВС 2 детонационное сгорание или нет. При обнаружении детонационного стука в блок 3 управления выдается указывающий на появление детонационного стука сигнал KS.

При смене режимов работы ДВС, что определяется блоком 3 управления либо определяется на основании внешнего сигнала, блок 3 управления выдает в блок 4 распознавания детонационных стуков свидетельствующий о смене режимов работы сигнал US, по которому блок 4 распознавания детонационных стуков может определять момент смены режимов работы ДВС.

Распознавание детонационных стуков предназначенным для этого блоком 4 основано по существу на соотнесении им характеризующих корпусный шум сигналов, зарегистрированных датчиком 5 корпусного шума, с опорным уровнем rkr. Опорный уровень rkr должен отражать фоновый шум, создаваемый ДВС 2 в текущем режиме его работы.

Опорный уровень rkr определяется путем усреднения или интегрирования характеризующих корпусный шум сигналов за определенный период времени, при этом при измерениях учитываются только те временные интервалы (измерительные временные интервалы), в которые следует ожидать появления детонационного стука, т.е. характеризующие корпусный шум сигналы обрабатываются только в те временные интервалы, в которые в цилиндрах находится топливовоздушная смесь, самопроизвольное воспламенение которой может привести к появлению детонационного стука (взрыву). Усреднение, соответственно интегрирование, как правило, выполняется по нескольким подобным временным интервалам, обычно на протяжении одного или нескольких рабочих циклов ДВС 2.

Среднее значение характеризующих корпусный шум сигналов соответствует условному создаваемому двигателем фоновому шуму, который может изменяться в зависимости от режимов работы ДВС 2. Обычно при работе двигателя на одном виде топлива создаваемый двигателем фоновый шум изменяется лишь сравнительно медленно, и поэтому усреднение выполняется в тот период времени, в течение которого опорный уровень rkr можно согласовывать с возможными изменениями создаваемого двигателем фонового шума. Усреднение обычно выполняется интегратором или фильтром нижних частот, у которого его характеристику фильтрации нижних частот можно настраивать, например, с помощью коэффициента TPF фильтрации нижних частот. Опорный уровень rkr можно определять в вычислительном цикле дискретным путем на основании мгновенного характеризующего корпусный шум сигнала ikr следующим образом:

rkr (k+1)=ikr (k+1)·TPF+rkr(k)·(1-TPF),

где k обозначает номер цикла. Постоянная времени у фильтра нижних частот задается длительностью цикла и соответствует примерно частному от деления длительности цикла на коэффициент фильтрации нижних частот.

Указанные выше вычисления для определения опорного уровня rkr выполняются непрерывно, и поэтому опорный уровень rkr обычно согласуется с изменением характеризующего корпусный шум сигнала. Тем самым опорный уровень всегда отражает фактический создаваемый двигателем фоновый шум.

При смене режимов работы склонность ДВС к детонации может значительно возрастать. Подобное имеет место прежде всего при смене с режима работы на природном газе на режим работы на бензине. Помимо этого при смене одного режима работы на другой создаваемый двигателем фоновый шум изменяется сравнительно скачкообразно, и поэтому при взятии за основу вышеуказанного коэффициента фильтрации нижних частот, соответственно вышеуказанной характеристики фильтрации нижних частот опорный уровень лишь постепенно отражает изменение создаваемого двигателем фонового шума. Тем самым в переходной фазе при смене режимов работы двигателя не исключено возникновение ситуации, в которой опорный уровень rkr и фактический характеризующий корпусный шум сигнал SS будут значительно различаться между собой, из-за чего при определенных условиях не исключена возможность ошибочного распознавания детонационного стука как такового при его фактическом отсутствии либо возможность ошибочного нераспознавания детонационного стука при его фактическом наличии.

Поэтому при смене режимов работы блок 4 распознавания детонационных стуков изменяет используемый для расчета опорного уровня коэффициент TPF фильтрации нижних частот. Иными словами, в процессе смены режимов работы, на которую указывает соответствующий сигнал US, опорный уровень rkr быстро изменяют в соответствии с измененным характеризующим корпусный шум сигналом (создаваемым двигателем фоновым шумом). Для этого увеличивают коэффициент TPF фильтрации нижних частот, соответственно изменяют постоянную времени или выполняют иное аналогичное действие. Коэффициент TPF фильтрации нижних частот может изменяться в блоке 4 распознавания детонационных стуков на основании свидетельствующего о смене режимов работы сигнала US либо соответствующий коэффициент фильтрации нижних частот может выдаваться в блок 4 распознавания детонационных стуков блоком 3 управления.

На фиг.2 показана блок-схема, иллюстрирующая процесс распознавания детонационного стука в предназначенном для этого блоке 4. Описанное выше вычисление опорного уровня выполняется первым множительным элементом 13, суммирующим элементом 14 и вторым множительным элементом 11 в зависимости от коэффициента TPF фильтрации нижних частот. Для получения обновленного опорного уровня rkr величина характеризующего корпусный шум сигнала ikr умножается в первом множительном элементе 13 на коэффициент TPF фильтрации нижних частот, а затем полученный результат складывается в суммирующем элементе 14 с умноженной во втором множительном элементе 11 на (1-TPF) величиной последнего вычисленного опорного уровня rkr.

Вычисленный опорный уровень rkr и фактический характеризующий корпусный шум сигнал ikr подаются в блок 12 сравнения с пороговым значением (пороговый блок).

В пороговый блок 12 поступает пороговое значение SW, которое может быть задано постоянным либо может быть переменным и задаваемым, например, блоком 3 управления в зависимости от режима работы ДВС 2. При слишком большой разности или слишком большом соотношении между фактическим характеризующим корпусный шум сигналом ikr (фактический шум) и опорным уровнем rkr (создаваемый двигателем фоновый шум), т.е. при превышении указанным выше результатом порогового значения SW, распознается наличие детонационного стука, что сопровождается выдачей свидетельствующего о его появлении сигнала KS. Вместо указанной разности или указанного соотношения можно также использовать иные взаимосвязи между опорным уровнем и фактическим характеризующим корпусный шум сигналом.

Пороговое значение SW можно согласовывать прежде всего в процессе смены рабочих режимов. Так, например, при смене первого режима работы, в котором ДВС работает тише, на второй режим работы, в котором ДВС 2 работает громче, пороговое значение SW можно повышать по сравнению с пороговым значением SW, принятым при работе ДВС в первом режиме, и наоборот.

Промежуток времени, в течение которого активизируется быстрое следящее изменение опорного уровня, может быть задан постоянным либо может зависеть от типа смены режимов работы, т.е. от его направления (переключение с работы на природном газе на работу на бензине или наоборот). Промежуток времени, в течение которого происходит смена режимов работы и в течение которого активизируется быстрое следящее изменение опорного уровня, можно прежде всего выбирать таким, чтобы опорный уровень, достигнутый по окончании процесса смены режимов работы, отражал измененный создаваемый двигателем фоновый шум. С этой целью можно, например, предусмотреть окончание промежутка времени, в течение которого происходит смена режимов работы, по истечении некоторого заданного промежутка времени, по истечении которого полностью завершается переход в режим работы на бензине (во второй режим работы).

Помимо этого быстрое следящее изменение опорного уровня можно инициировать сразу же по завершении режима работы на природном газе (первого режима работы) либо в тот момент, когда определяемая режимом работы на природном газе доля в общем режиме работы ДВС 2 станет ниже определенного порога.

Помимо этого в процессе смены режимов работы можно задавать упреждение угла опережения зажигания, которое предназначено для изменения угла опережения зажигания в сторону более позднего, благодаря чему удается предотвратить появление детонационных стуков при работе ДВС в смешанном режиме. Величина упреждения угла опережения зажигания соответствует величине смещения, приплюсовываемого к вычисленному углу опережения зажигания. Благодаря этому значительно снижается склонность ДВС к детонации. Таким путем можно дополнительно обеспечить бесперебойную смену режимов работы.

Дополнительно существует возможность инициализировать упреждение угла опережения зажигания в зависимости от температуры охлаждающей жидкости и температуры впускаемого воздуха.

На фиг.3а-3в показаны временные характеристики сигналов, отражающие характер изменения упреждения ZV угла опережения зажигания при смене режима работы на природном газе на режим работы на бензине.

При смене режимов работы сначала деактивизируют режим работы только на сжиженном природном газе, что указывается изменением уровня характеризующего данный режим работы сигнала B_cng с высокого на низкий. По завершении периода работы в смешанном режиме активизируется режим работы только на бензине, что указывается изменением уровня характеризующего данный режим работы сигнала B_bz аналогичным образом (см. фиг.3в).

В период работы в смешанном режиме MB, т.е. в период, в течение которого оба сигнала B_cng и B_bz имеют низкий уровень, смещением момента зажигания ZZP, выражаемого в ° (градусах) угла поворота коленчатого вала, настраивают упреждение ZV угла опережения зажигания и либо непосредственно по завершении работы в смешанном режиме (уровень сигнала B_bz изменяется на высокий), либо по истечении определенного времени t_del величину упреждения ZV угла опережения зажигания плавно или ступенчато изменяют в обратную сторону, в результате чего после обнуления величины упреждения угла опережения зажигания ДВС 2 работает с оптимальным для выбранного режима работы углом опережения зажигания. Возникающую в результате переходную кривую можно по крутизне ее подъема и ее длительности согласовывать с рабочими параметрами двигателя, т.е. с его режимами работы.

На приведенной на фиг.3б диаграмме показано следящее изменение опорного уровня rkr при работе двигателя в смешанном режиме. Форма кривой К1 свидетельствует, например, о быстром следящем изменении опорного уровня, тогда как форма кривой К2 отражает изменение опорного уровня, обычно происходящее без изменения характеристик фильтрации нижних частот.

Изобретение может быть использовано при проектировании системы управления ДВС, работающего на нескольких видах топлива. Способ распознавания детонации при изменении вида топлива заключается в том, что регистрируют характеристику сигнала (ikr), характеризующего корпусный шум ДВС (2), определяют опорный уровень фонового шума (rkr) путем фильтрации в фильтре нижних частот (ФНЧ). Изменяют коэффициент (TPF) фильтрации ФНЧ на период времени перехода с одного топлива на другое, при этом значение коэффициента (TPF) фильтрации в этот момент устанавливают ниже. Факт появления детонации устанавливают в зависимости от порогового значения (SW), которое согласуют в процессе смены вида топлива. Устройство для реализации способа содержит блок (5) регистрации корпусного шума, предназначенный для регистрации характеристики сигнала (ikr), и блок (4) распознавания детонации, предназначенный для регистрации сигнала (ikr) и определения его опорного уровня (rkr). Регулирование осуществляют изменением положения дроссельной заслонки, количества подаваемого топлива или изменением угла опережения зажигания. Технический результат заключается в уменьшении вероятности ложного срабатывания системы управления. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ распознавания детонационного стука при смене режимов работы двигателя (2) внутреннего сгорания (ДВС) на первом и втором видах топлива, заключающийся в том, что регистрируют характеристику сигнала (ikr), характеризующего корпусный шум ДВС (2), в зависимости от характеристики характеризующего корпусный шум сигнала (ikr) определяют его опорный уровень (rkr), соответствующий параметрам создаваемого двигателем фонового шума, и в зависимости от опорного уровня (rkr) устанавливают факт появления детонационного стука, отличающийся тем, что для определения опорного уровня (rkr) характеризующего корпусный шум сигнала (rkr) его подвергают фильтрации в фильтре нижних частот с использованием коэффициента (TPF) фильтрации нижних частот, который выбирают на промежуток времени, в который происходит смена режимов работы, меньшей величины, чем вне него.

2. Способ по п.1, при осуществлении которого факт появления детонационного стука устанавливают в зависимости от порогового значения (SW), которое согласуют в процессе смены режимов работы ДВС на первом и втором видах топлива.

3. Способ по п.1, при осуществлении которого в процессе смены режимов работы задают упреждение угла опережения зажигания для изменения фактического, заданного для работы ДВС (2) момента зажигания в сторону более позднего, при этом по истечении определенного промежутка времени величину такого упреждения угла опережения зажигания плавно или ступенчато уменьшают.

4. Способ по п.3, при осуществлении которого величину упреждения угла опережения зажигания задают в зависимости от температуры охлаждающей жидкости ДВС (2) и/или температуры впускаемого воздуха.

5. Способ по одному из пп.1-4, при осуществлении которого характеристику характеризующего корпусный шум сигнала регистрируют только в те временные интервалы, в течение которых в ДВС (2) возможно появление детонационных стуков.

6. Устройство для распознавания детонационного стука при смене режимов работы двигателя (2) внутреннего сгорания (ДВС) на первом и втором видах топлива, имеющее блок (5) регистрации корпусного шума, предназначенный для регистрации характеристики сигнала (ikr), характеризующего корпусный шум в ДВС (2), и блок (4) распознавания детонационных стуков, предназначенный для регистрации характеристики характеризующего корпусный шум сигнала (ikr), для определения его опорного уровня (rkr), который соответствует параметрам создаваемого двигателем фонового шума, в зависимости от характеристики этого характеризующего корпусный шум сигнала (ikr) и для установления факта появления детонационного стука в зависимости от опорного уровня (rkr), отличающееся тем, что блок (4) распознавания детонационных стуков для определения опорного уровня (rkr) характеризующего корпусный шум сигнала (rkr) выполнен с возможностью подвергать его фильтрации в фильтре нижних частот с использованием коэффициента (TPF) фильтрации нижних частот, который выбирается на промежуток времени, в который происходит смена режимов работы, меньшей величины, чем вне него.

7. Моторная система, имеющая двигатель (2) внутреннего сгорания и устройство по п.6.