СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F02D41/00 

Изобретение относится к управлению двигателем внутреннего сгорания, а именно к способам регулирования подачи горючей смеси и ее компонентов.

Из уровня техники известен способ регулирования количества воздуха и топлива для многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания [1], по которому производится только управление подачей воздуха в горючую смесь. Известна электронная система управления впрыском топлива в двигателе внутреннего сгорания [2], сложное устройство с большим количеством датчиков, использующее способ контроля параметров выхлопных газов с помощью лямда-зонда. Известен способ регулирования топливоподачи в двигателях внутреннего сгорания с впрыском топлива [3], при котором используется вероятностный метод расчета. Известны способ и устройство для дозирования топлива к топливовоздушной смеси при запуске двигателя внутреннего сгорания [4]. По данному способу не оценивается конкретная мгновенная ситуация состояния топливной смеси в двигателе. В устройстве для контроля сгорания топлива в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания [5] применена оптическая система контроля, которая будет засоряться в процессе работы, и как следствие - низкая надежность. Известна бесконтактная система замещения [6], в которой применен способ дублирования, повторного зажигания, но отсутствует контроль и управление системой зажигания. Наиболее близким аналогом по технической сущности (прототипом) является система, устанавливаемая на автомобилях семейства ВА3-2110 [7], где используется четырехтактовый, четырехцилиндровый двигатель с распределенным фазированным впрыском топлива.

Все вышеприведенные аналоги с инжекторным впрыскиванием топлива используют для определения необходимых параметров работы двигателя внутреннего сгорания датчики температуры двигателя, расходомер воздуха, лямда-зонд, ряд других датчиков, обладающих большой инертностью. Это приводит к тому, что параметры работы двигателя (топливоподача) изменяются с запаздыванием, поэтому двигатель работает в неоптимальном режиме.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является оптимизация работы двигателя внутреннего сгорания, что способствует продлению работоспособности двигателя, более полному сгоранию топлива, а также, уменьшает расход топлива и выделение выхлопных газов.

Поставленная задача решается за счет того, что при способе оптимизации работы двигателя внутреннего сгорания с электронно-управляемым исполнительным органом подачи топливной смеси используют функциональную зависимость электропроводимости горящей топливо-воздушной смеси в зазоре между электродами свечи зажигания и эффективности сгорания горючей смеси (коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания). При этом измеряют электропроводимость горящей топливо-воздушной смеси в зазоре между электродами свечи зажигания, передают полученные данные в контроллер-инжектор, который по результатам сравнения с имеющимися оптимальными данными корректирует параметры зажигания и топливной смеси.

Реальные параметры зажигания и топливной смеси корректируются до оптимальных параметров, что способствует достижению максимально полного сгорания топлива и повышению мощности двигателя.

Практическая реализация предлагаемого способа возможна разными вариантами в зависимости от имеющегося на данном транспортном средстве технического оборудования.

Одна из возможных схем замера электропроводимости топливной смеси в зазоре между электродами свечи зажигания для четырехцилиндрового двигателя представлена на чертеже, где условно обозначены:

1 - контроллер-инжектор, 2 - первый формирователь измерительного импульса и напряжения зажигания топливной смеси, 3 - первый измеритель проводимости горящей смеси, 4 - первая свеча зажигания, 5 - второй формирователь измерительного импульса и напряжения зажигания топливной смеси, 6 - второй измеритель проводимости горящей смеси, 7 - вторая свеча зажигания, 8 - третий формирователь измерительного импульса и напряжения зажигания топливной смеси, 9 - третий измеритель проводимости горящей смеси, 10 - третья свеча зажигания, 11 - четвертый формирователь измерительного импульса и напряжения зажигания топливной смеси, 12 - четвертый измеритель проводимости горящей смеси, 13 - четвертая свеча зажигания. Первый выход контроллера-инжектора 1 последовательно соединен с первым формирователем измерительного импульса и напряжения зажигания топливной смеси 2, первым измерителем проводимости горящей смеси 3 и первой свечой зажигания 4. Второй выход контроллера-инжектора 1 последовательно соединен со вторым формирователем измерительного импульса и напряжения зажигания топливной смеси 5, вторым измерителем проводимости горящей смеси 6 и второй свечой зажигания 7. Третий выход контроллера-инжектора 1 последовательно соединен с третьим формирователем измерительного импульса и напряжения зажигания топливной смеси 8, третьим измерителем проводимости горящей смеси 9 и третьей свечой зажигания 10. Четвертый выход контроллера-инжектора 1 последовательно соединен с четвертым формирователем измерительного импульса и напряжения зажигания топливной смеси 11, четвертым измерителем проводимости горящей смеси 12 и четвертой свечой зажигания 13. Выходы данных первого 3, второго 6, третьего 9 и четвертого 12 измерителей проводимости горящей смеси соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами контроллера-инжектора 1.

Работает схема следующим образом. После поджига топливной смеси соответственно первой 4, второй 7, третьей 10 и четвертой 13 свечами зажигания на них первым 2, вторым 5, третьим 8 и четвертым 12 формирователями измерительного импульса и напряжения зажигания топливной смеси подается измерительное напряжение, которое позволит определить проводимость горящей топливной смеси. Данные о проводимости передаются в контроллер-инжектор 1, который принимает решение об оптимальности горения топливной смеси и в случае необходимости производит коррекцию впрыска топлива.

Данная схема может быть реализована при использовании штатного оборудования автомобиля ВАЗ 2110 [7] или автомобилей BMW 528i, Volvo 740 Turbo с комбинированными системами управления впрыском топлива и зажигания Motronic [8], что подтверждает промышленную применимость изобретения. Работа контроллера - инжектора основана на сборе и обработке данных замера электропроводимости топливной смеси в зазоре между электродами свечи зажигания. Через время t после подачи на свечи импульса поджига топливной смеси с амплитудой напряжения Uo, на свечи подается пробный импульс с формирователя напряжения зажигания с амплитудой напряжения U1, причем U1<<Uo. Амплитуда напряжения U1 подбирается таким образом, чтобы в искровом промежутке свечи не возникло разряда. Во время пробного импульса измеряется проводимость горящей топливной смеси в цепи свечи зажигания. Разный состав топливной смеси имеет разную температуру, скорость горения и проводимость. На основе полученных данных делается вывод о полноте сгорания топлива. Режим работы двигателя корректируется исполнительным устройством контролера-инжектора так, чтобы достичь более полного сгорания топлива без снижения частоты вращения двигателя. При этом может изменяться процентное содержание кислорода в топливной смеси, количество топливной смеси, подаваемое в камеру сгорания за цикл работы, угол опережения зажигания и другие параметры работы двигателя.

Предлагаемый способ позволяет оценивать ситуацию полноты сгорания топлива в момент ее горения, схема замера электропроводимости не инерционна, в отличие от замера параметра лямда-зонд. Частоту подачи пробных импульсов можно регулировать по необходимости - в каждом рабочем цикле или через определенное количество тактов работы двигателя подачей сигнала с контроллера-инжектора на формирователь измерительного напряжения. Режим работы двигателя корректируется по конкретному замеру в каждый момент времени. Далее, аппаратно-программные средства контроллера-инжектора позволяют накапливать информацию о работе конкретного двигателя и, применив вероятностные методы обработки информации, прогнозировать корректировку работы двигателя с некоторым опережением.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает оптимальную работу двигателя внутреннего сгорания, способствует продлению его работоспособности, более полному сгоранию топлива, уменьшает выделение выхлопных газов, что является немаловажным фактором для экологической обстановки, а также упрощает (удешевляет) электронное оборудование системы впрыска топлива и повышает ее надежность.

Вопросы контроля качества сжигания топлива на основании проводимости освещены в технической литературе. В более раннем источнике информации [9] описаны исследования зависимости электропроводимости и температуры горения твердого топлива. Здесь показано (стр. 87), что в результате изменения соотношения воздух-топливо в зоне циркуляции, обусловленного дискретным поступлением топлива, происходят низкочастотные колебания электропроводимости зоны горения с частотой примерно от 2 до 20 Гц.

При сжигании топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания происходят процессы, аналогичные пламени горелки, которые описаны в статье [9]. Здесь приведены зависимости проводимости и температуры пламени от коэффициента расхода воздуха в топливной смеси.

Система подачи топлива может быть отрегулирована для подачи смеси различного весового соотношения между топливом и воздухом. Так как от состава смеси зависит ее теплотворная способность и скорость сгорания, то необходимо контролировать качество приготовленной смеси. Отношение весового количества воздуха, приходящегося на одну весовую часть горючего в данной смеси, к теоретически необходимому количеству воздуха называется коэффициентом расхода воздуха.

Так, например, если в смеси на 1 кг бензина (для полного сгорания которого теоретически необходимо 15 кг воздуха) приходится 12 кг воздуха, то коэффициент расхода воздуха равен 12/15=0,8, а для смеси, содержащей 17 кг воздуха на 1 кг бензина, коэффициент расхода воздуха равен 17/15=1,13, что не является оптимальным.

Смесь, в которой содержание воздуха равно теоретически необходимому количеству, называется оптимальной, и коэффициент расхода воздуха такой смеси равен 15/15=1.

Использованная литература

1. Патент РФ №2027051 F02D 43/00, 41/04, опубликован Бюл. №2/95. Способ регулирования количеств воздуха и топлива для многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания.

2. Патент РФ №202705 F02D 43/00, 41/34, опубликован Бюл. №2/95. Электронная система управления впрыском топлива в двигателе внутреннего сгорания.

3. Патент РФ №2117798 F02D 3/04, 9/02, 41/18, опубликован Бюл. №23/98. Способ регулирования топливоподачи в двигателе внутреннего сгорания с впрыском топлива

4. Патент РФ №2130557 F02D 43/06, F02M 7/00, опубликован Бюл. №14/99. Способ и устройство для дозирования топлива к топливовоздушной смеси при запуске двигателя внутреннего сгорания.

5. Свидетельство на полезную модель РФ №4559 F02D 41/14, опубликовано Бюл. №7/97. Устройство для контроля сгорания топлива в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания.

6. Свидетельство на полезную модель РФ №10789 F02P 15/04, опубликовано Бюл. №8/99. Бесконтактная система зажигания.

7. Волгин С.Н., Игнатов А.П., Косарев С.Н., Новокшонов К.В., Пятков К.В. Яметов В.А. Руководство по ремонту, эксплуатации и техническому обслуживанию автомобилей ВА3-2110, ВА3-2111, ВА3-2112, М., Третий Рим, 1998.

8. Спинов А.Р. Системы впрыска бензиновых двигателей. М., Машиностроение, 1995.

9. Плицын В.Т., Фиалков Б.С., Магун Я.И. Об электропроводимости при горении кокса в потоке воздуха. Физика горения и взрыва. 1968, №1, стр. 84 - 90.

10. Булычев В.В., Сухой М.П., Куманев С.А., Смирнов М. А. Исследования проводимости факела. Вопросы химии и химической технологии. 2008, №6, стр. 156-157.

Изобретение относится к управлению двигателем внутреннего сгорания, а именно к способам регулирования подачи топливной смеси и ее компонентов. Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является оптимизация работы двигателя внутреннего сгорания, что способствует продлению работоспособности двигателя, более полному сгоранию топлива, уменьшению расхода топлива и выделения выхлопных газов. Поставленная задача решается за счет того, что в способе оптимизации работы двигателя внутреннего сгорания используется функциональная зависимость электропроводимости топливной смеси в зазоре между электродами свечи зажигания и эффективности сгорания топливной смеси. 1ил.

Способ оптимизации работы двигателя внутреннего сгорания с электронно-управляемым исполнительным органом подачи топливной смеси, отличающийся тем, что полноту сгорания топливной смеси определяют по величине электропроводимости горящей топливной смеси в зазоре между электродами свечи зажигания, при этом измеряют электропроводимость горящей топливной смеси в зазоре между электродами свечи зажигания путем подачи пробного импульса в момент горения топливной смеси, амплитуда пробного импульса подбирается таким образом, чтобы в искровом промежутке свечи не возникло разряда, далее передают полученные данные в контроллер-инжектор, который по результатам сравнения с имеющимися оптимальными данными корректирует параметры зажигания и топливной смеси.