Способ регулирования двигателя внутреннего сгорания с рециркуляцией отработавших газов Советский патент 1986 года по МПК F02D33/00 

Изобретение относится к регулированию двигателей внутреннего сгорания, в частности к регулированию двигателей легкого топлива, в том числе с форкамерно-факельным зажиганием.

По основному авт. св. № 1196523 известен способ регулирования двигателя внут- -реннего сгорания с рециркуляцией отработавших газов путем измерения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, выработки управляющего сигнала, анализа состава отработавших газов, сравнения его по результатам анализа с составом, соответствующим стехиометрической смеси, выработки по результатам сравнения командного сигнала на восстановление стехиометрической смеси, которым в совокупности с управляющим сигналом воздействуют на топливо- подачу и рециркуляцию отработавших газов, причем командным сигналом воздействуют на орган управления топливоподачей, а управляющим - на орган управления рециркуляцией отработавших газов, согласно которому с целью повышения экономичности на неустановившихся режимах определяют по измеренным нагрузке и частоте вращения опорные значения количества рециркулируе- мых отработавших газов, соответствующие минимальному расходу топлива при стехио- метрическом составе смеси, и по полученному опорному значению вырабатывают сигнал на изменение количества рециркулируемых отработавших газов 1.

Указанный способ обеспечивает повышение экономичности на неустановившихся скоростных режимах, но не обеспечивает достаточной точности регулирования на установившихся скоростных режимах.

Целью изобретения является уменьшение расхода топлива путем распространения процесса регулирования на установившиеся скоростные режимы двигателя.

С этой целью дополнительно измеряют каждый период вращения коленчатого вала, вычисляют текущее значение нестабильности как разность двух соседних периодов, определяют по частоте вращения и нагрузке опорный уровень нестабильности, соответствующий минимальному расходу топлива при стехиометрическом составе смеси, задают для выявления скоростных режимов двигателя положительный и отрицательный пороги разности между текущим значением и опорным уровнем нестабильности, сравнивают с ними эту разность, и если она в течение не менее трех последовательных периодов сохраняет знак и выходит за область, ограниченную порогами, то скоростной режим принимают за неустановившийся и управляющий сигнал формируют по упомянутым опорным значениям количества рециркулируемых отработавших газов, а если не выполняется любое из этих условий, то

скоростной режим принимают за установив шийся и формируют по разности между текущим значением и опорным уровнем нестабильности другой управляющий сигнал на устранение этой разности.

На фиг. 1 изображены зависимости удельного расхода топлива ge от коэффициента избытка оС при отсутствии (кривая а) ч наличии (кривая б) рециркуляции отработавших газов; на фиг. 2 - семейство экспериментальных зависимостей количества рециркулируемых отработавших газов от нагрузки GR % (Р), изменение нагрузки Р и частоты вращения п по времени, а также определение опорных значений количества рецир- кулируемых отработавших газов; на фиг. 3 - семейство экспериментальных зависимостей нестабильности от нагрузки А Т(Р) (график а), изменения нагрузки Р к частоты вращения п во времени (график б) опорный уровень нестабильности дТоп , разность между текущим значением и опорным уровнем нестабильности A7t и пороги этой раз- ности (график в), изменение во времени количества рециркулируемых отработавших газов GR % (график г); на фиг. 4 - функ- циональная схема системы для реализации способа.

На фиг. 1-4 и в тексте приняты следующие обозначения:

- коэффициент избытка воздуха; « - удельный расход топлива; genuffli -минимальный удельный расход топлива на пределе эффективного обеднения смеси при отсутствии рециркуляции; gef°C J)-удельный расход топлива при 7t. 1 при отсутствии рециркуляции;

ёектг, -минимальный удельный расход топлива при наличии рециркуляции;

Р - нагрузка двигателя;

л - частота вращения вала двигателя без учета нестабильности; Т - период вращения вала двигателя без учета нестабильности; ДТ - нестабильность периода враще- ния вала двигателя;

Л Ti - текущая нестабильность периода вращения вала двигателя; дТоп - опорный уровень нестабильности периода вращения вала двигателя;

. - количество рециркулируемых

отработавших газов в процентах от общего количества от- работавщих газов.

Необходимость совместного регулирования топливоподачи и рециркуляции для выполнения поставленной цели иллюстрируется фиг. I. При отсутствии рециркуляции (кри

вая а) минимальный расход топлива соответствует не стехиометрическому составу (- 1), а обедненному составу смеси, причем в режиме эффективного обеднения смеси он равен gejuiHi. т.е. прио 1 экономич- иость снижается. Это снижение равно приблизительно 6%.

Если применить рециркуляцию отработавших газов, т.е. разбавление рабочей смеси этими газами, то (кривая б) при определенной интенсивности рециркуляции можно добиться частичной компенсации ухудшения экономичности, обеспечив минимальную при 1 величину удельного расхода топлива ёелниг- Это соответствует режиму эффективного разбавления смеси отработавшими газами, а указанная компенсация равна приблизительно 3%.

Предлагаемый способ сочетает два способа, реализуемые при помощи совместного применения двух систем регулирования, свя занных между собой опорными значениями регулируемого параметра, т.е. количеством рециркулируемых отработавших газов и опорным уровнем нестабильности периода вращения вала двигателя.

Одна из систем поддерживает состояние объекта регулирования на линии А (система поддержания оС 1), другая - на линии В (система регулирования рециркуляции). При совместном регулировании двумя системами состояние объекта регулирования отражается точкой С (фиг. 1).

На неустановившихся режимах определя ют по измеренным нагрузке Р и частоте вращения п опорные значения количества рециркулируемых отработавших газов, соответствующие минимальному расходу топлива при стехиометрической смеси (фиг. 2). Семейство экспериментальных зависимостей GU % (Р) получено для разных фиксированных значений частоты вращения п п Пг; п Пз при одновременном соблюдении условий оС 1 и ge gejMuji. Эти зави- симости так же, как и приведенные на фиг. 2 зависимости частоты вращения и нагрузки от времени для упрощения и определенности приняты возрастающими и линейными.

Точками 1, 2 и 3 отмечены моменты времени, когда действительные значения частоты вращения равны соответственно значениям п, п J и п, при которых получены экспериментальные зависимости семейства ).

В эти моменты времени отмечают точки на зависимости Р (t) и проектируют каждую из них на ту зависимость семейства GA°/O(P)) которая получена при значении п, равном действительному значению п в данный момент времени. Например, точка на зави симости P(i), полученная в момент времени, отмеченный точкой 1, проектируется на

5

0

5

0

5

0

5

верхнюю прямую семейства G °/о(Р). Полученные в результате этого точки обозначены Г, 2 и 3 соответственно. Из этих точек проводят вертикальные штриховые линии и отмечают на них в моменты времени, отмеченные на вертикальной оси t точками 1, 2 и 3, точки 1, 2 и 3 соответственно. Этими точками отмечены опорные значения количества отработавших рециркулируемых газов GS. %.

Количество рециркулируемых отработавших газов соответствует эффективному разбавлению стехиометрической смеси (при данной частоте вращения и нагрузке двигателя) только в этих точках. Поэтому идеальная непрерывная кривая Gx%(t), показанная штриховой линией, могла бы быть получена лишь при наличии бесконечного множества экспериментальных зависимостей в составе семейства (P), что соответствует непрерывному регулированию. На самом же деле только по полученному опорному значению вырабатывают сигнал на изменение количества рециркулируемых отработавших газов, а в промежутке времени между этими значениями продолжается воздействие предыдущего сигнала.

На установившихся скоростных режимах работы двигателя осуществляют регулирование рециркуляции отработавших газов по нестабильности.

Для этого измеряют каждый период вращения коленчатого вала Т, вычисляют текущее значение нестабильности ATt как разность двух соседних периодов, определяют по частоте п и нагрузке Р опорный уровень нестабильности лГоц, соответствующий минимальному расходу топлива ge ge.nuai при стехиометрическом составе смеси (оС 1), и формируют по разности между текущим значением и опорным уровнем Л7 -и Тоа управляющий сигнал на устранение этой разности.

Поскольку опорный уровень нестабильности ЛГоц является положительной величиной, то и текущее значение нестабильности тоже должно быть положительным. Поэтому его получают вычитанием меньшего периода Т из большего.

Для того, чтобы обеспечить выполнение требования ge ge мниг ри 5 в процессе эксплуатации двигателя, добиваются его выполнения в процессе эксперимента и при этом получают, например, семейство зависимостей А Т(Р) при разных фиксированных значениях частоты вращения п const при ge gejBun HoC3 1 (график а, фиг. 3).

Это семейство зависимостей реализуют в соответствующем постоянном запоминающем устройстве и по ним определяют для текущих значений п к Р (график, б, фиг. 3) опорный уровень нестабильности, соответ

СТВуЮЩИЙ выполнению условия ge geHHH2

приоС 1 (график в, фиг. 3).

Вычисляют текущее значение нестабильности вращения и разность между текущим значением и онорным уровнем нестабиль- ности A7i-дГол (график в, фиг. 3), формируют по этой разности управляющий сигнал на ее устранение.

При этом текущее значение нестабильности стремится к опорному уровню ДГоп , а количество рещ1ркулируемых отработавших газов GR°/O стремится к величине, соответствующей этому уровню (график г, фиг. 3), чем обеспечивается выполнение требования

ge geMan.a ПрИ оС 1.

Определение по результатам измерения нагрузки Р и частоты вращения п опорного уровня нестабильности ЛГоп, соответствующего выполнению условия ge gejum.inpH d, 1, поясняется на фиг. 3 следующим образом.

Моменты времени отмечены точками 4- 10. Нагрузка Р между точками 4 и 5 убывает, между точками 5-9 сохраняется постоянной и после этого возрастает.

Частота вращения между точками 4-6 сохраняется постоянной и равной п п, между точками б и 7 она уменьшается до величины п Hj, между точками 7 и 8 частота вращения сохраняется постоянной и равной п Пе, между точками 8 и 9 возрастает, между точками 9 и 10 сохраняется постоянной и равной п п.

Определение опорного уровня иллюстрируется следующими построениями (штриховые линии). В момент, отмеченный точкой 4, значение нагрузки Р проецируется на зависимость семейства Д Т(Р), полученную при п П5, т.е. в точку 4 (см. графики б и а). Из точки 4 опускается перпендикуляр на горизонтальную ось А Г на графике а и полученная точка на этой оси переносится на вертикальную ось Д Г на графике в. Из этой точки проводится горизонтальная, а из точки 4 графика б - вертикальная линии и на их пересечении отмечается точка 4, которая является значением опорного уровня Л Топ в рассматриваемый момент времени.

Аналогичные построения осуществляют- ся в другие моменты времени. При этом используются соответствующие зависимости семейства АТ(Р), полученные при п п Пз ИЛИ п nj, а опорный уровень ДГвд на графике в отмечен соответствующими точками 4 -10.

Для выявления скоростных режимов двигателя задают положительный и отрицательный пороги разности между текущим значением и опорным уровнем нестабильности (график в, фиг. 1), сравнивают с ними эту разность, и если она в течение не менее трех последовательных периодов сохраняет знак и выходит за область, ограниченную поро5

0

о

5

5 50

55

гами (см. участки III и V, фиг. 3), то скоростной режим принимают за неустановившийся и управляющий сигнал формируют по упомянутым опорным значениям количества рециркулируемых отработавших газов (на фиг. 3 области III и V заштрихованы, формирование опорных значений отражено на фиг. 2), а если не выполняется любое из этих условий (см. участки I, И, IV, VI, фиг. 3) то скоростной режим принимают за установившийся и формируют по разности между текущим значением и опорным уровнем нестабильности и T-i -дГрд другой управляющий сигнал на устранение этой разности.

Выявление скоростных режимов основано на том, что на установившихся режимах разность между текущим значением и опорным уровнем нестабильности Д Tt -л йд мала по величине, а знак ее равновероятен.

На неустановившихся режимах текущая нестабильность формально определяется регулярными изменениями частоты вращения. В этом случае разность между текущим значением и опорным уровнем -лТоа имеет значительную величину и знак ее в течение нескольких соседних периодов сохраняется одинаковым.

Система для реализации способа (фиг. 4) содержит датчик 11 состава отработавших газов, анализатор 12 стехиометрического сое тава отработавших газов, формирователь 13 командного сигнала, карбюратор 14, двигатель 15 внутреннего сгорания, маховик 16 двигателя, датчик 17 частоты и периода вращения коленчатого вала, датчик 18 нагрузки (разрежения), формирователь 19 управляющего сигнала по опорным значениям, исполнительный элемент 20 регулятора рециркуляции отработавших газов, клапан 21 рециркуляции, вычислитель 22 текущего значения нестабильности, формирователь 23- опорного уровня нестабильности, формирователь 24 управляющего сигнала по нестабильности, формирователи 25 положительного порога и 26 отрицательного порога, коммутатор 27 скоростных режимов.

Датчиком 11 состава отработавших газов (например кислородным, реагирующим на парциальное давление кислорода), вырабатывается сигнал, величина которого в анализаторе 12 стехиометрического состава отработавших газов сравнивается с заданной величиной, соответствующей стехиомет- рическому составу смеси. Таким образом, производят анализ состава отработавших газов, сравнение его по результатам анализа с составом, соответствующим стехиомет- рической смеси.

По результатам сравнения в формирователе 13 вырабатывают командный сигнал на восстановление стехиометрической смеси, которым при помощи карбюратора 14 воздействуют на топливоподачу. Это воздействие производится в совокупности с воздействием управляющего сигнала, формируе. мого в формирователе 24, на орган управления рециркуляции, т.е. на исполнительный элемент 20 и клапан 21 рециркуляции.

На неустановившихся режимах по измеренным нагрузке и частоте (датчиками 18 и 17 соответственно) определяют в формирователе 19 опорные значения количества рециркулируемых отработавших газов, соответствующие минимальному расходу топлива при стехиометрическом составе смеси, и по полученным опорным значениям вырабатывают сигнал на изменение количества рециркулируемых отработавших газов. Опорные значения определяют по реализованному в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) семейству экспериментальных зависимостей GfL°/o(P), полученных при одновременном соблюдении условии ge ge«HH.i и сС 1.

В вычислителе 22 измеряют каждый период вращения коленчатого вала и вычисляют текущее значение нестабильности как разность двух соседних периодов, причем из большего значения вычитают меньшее.

В формирователе 23 определяют по частоте и нагрузке опорный уровень нестабильности, соответствующий минимальному рас

ходу топлива при стехиометрическом составе смеси.

Опорный уровень Л Гол определяется по реализованному в ПЗУ семейству экспериментальных зависимостей ЛТ(Р), полученных при одновреме чом соблюдении условий ge geJWH.l И &- 1.

Для выявления скоростных режимов двигателя задают при помощи формирователей 25 и 26 положительный и отрицательный пороги разности между текущим значением и опорным уровнем нестабильности, сравнивают с ними эту разность, и если она в течение не менее трех последовательных перио. дон сохраняет знак и выходит за область,

ограничениую порогами, то скоростной режим принимают за неустановивщийся и коммутатором 27 переклк чают цепи так, что управляющий сигнал формируют по опорным значениям количества рециркулируемых отработавших газов.

Если не выполняется любое из указанных условий, то коммутатор 27 подключает к цепям управления рецнркуляцией формирователь 24, управляющий сигнал формируют по разности между текущим значением и

опорным уровнем нестабильности на устранение этой разности.

Применение способа обеспечит повышение экономичности двигателя и снижение токсичности отработавших газов.

Фиг. 2

Г

ШМШ

1I 4 -I-

I

,:Т-грЩ, ,

ы

S ж фиг.З

П-Пв

&

F17

iTMThr.l.M.b

IX

Полтит. порог г

Ж J JL

сриг. t