СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ВОЗДУШНОГО ФИЛЬТРА, В ЧАСТНОСТИ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ВОЗДУШНОГО ФИЛЬТРА, МАШИНОЧИТАЕМЫЙ НОСИТЕЛЬ, ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, НАЗЕМНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО
SYSTEM FOR DETERMINING THE STATE OF AN AIR FILTER, PARTICULARLY FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES, A METHOD OF DETERMINING THE STATE OF AN AIR FILTER, A COMPUTER-READABLE MEDIUM, AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE, A GROUND VEHICLE

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к области системы мониторинга компонента транспортного средства и, в частности, к системе для определения состояния воздушного фильтра.
ОПИСАНИЕ ПРОТОТИПА
Известны программные функции для определения забитого воздушного фильтра.
Обычно определение осуществляют путем сравнения перепада давления на фильтре с определенной, максимально допустимой пороговой величиной. Если измеренный перепад давления постоянно превышает этот порог, определяется ошибка и управляющее устройство принимает контрмеры, например, зажигает индикатор, снижает мощность двигателя и пр.
Иногда такая стратегия определения неприменима. Известны ситуации, в зависимости от компоновки двигателя и расхода воздуха, когда изменение перепада давления не приводит к значимому переходу от оптимального состояния к состоянию забитого фильтра. Например, перепад давления на воздушном фильтре может быть равен 10-15 мбар для нового фильтрующего картриджа и достигает 50 мбар для сильно забитого состояния.
Кроме того, из-за большой изменчивости давления окружающей среды от низкого давления в несколько сотен на большой высоте до высокого давления прибл. 1100 мбар на уровне моря, такие датчики должны иметь высокую точность для больших изменений давления.
Автомобильные датчики давления типично имеют точность 2% от полного диапазона измерений, т.е., 20 мбар х 2 датчика, т.е., 40 мбар в худшем случае. Таким образом, величина ошибки сравнима с величиной изменения перепада давления. Поэтому такой известный подход не позволяет надежно обнаружить забитый фильтр.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следовательно, главной целью настоящего изобретения является создание системы для определения состояния воздушного фильтра, в частности, для двигателей внутреннего сгорания, работоспособной даже в тех ситуациях, когда изменение перепада давления между двумя крайними состояниями, т.е., между состоянием нового фильтра и состоянием забитого фильтра, действительно ограничено.
Главный принцип настоящего изобретения заключается в том, что оценка состояния основана на расчете линейной регрессии величин перепада давления относительно квадрата объемного расхода воздуха, проходящего через воздушный фильтр. Таким образом, угловой коэффициент линейной регрессии или функции, построенной на нем, сравнивают с одним или более порогом для распознавания этого рабочего состояния воздушного фильтра.
Понятно, что угловой коэффициент или его функция представлены одной числовой величиной.
Согласно предпочтительному варианту изобретения, для расчета перепада давления при заранее определенном наивысшем теоретическом объемном расходе через воздушный фильтр применяют угловой коэффициент и сравнивают этот соответствующий перепад давления с пороговым перепадом давления для определения рабочего состояния фильтра. Следовательно, этот перепад давления, рассчитанный по угловому коэффициенту, является числовой величиной, полученной как функция заранее рассчитанной величины этого углового коэффициента.
Первым объектом настоящего изобретения является способ определения состояния воздушного фильтра, в частности для двигателей внутреннего сгорания.
Такой способ позволяет получить достоверную картину состояния забитости воздушного фильтра двигателя.
Согласно варианту настоящего изобретения способ также позволяет распознать ошибочное извлечение воздушного фильтра или повреждение воздушного фильтра или, альтернативно, утечку из впускного коллектора двигателя.
Другим объектом настоящего изобретения является система, реализующая вышеописанный способ.
Другим объектом настоящего изобретения является двигатель внутреннего сгорания, содержащий такую систему.
Еще одним объектом настоящего изобретения является наземное транспортное средство, содержащее такой двигатель.
Эти и другие объекты описаны в приложенной формуле, в которой приведен предпочтительный вариант изобретения, и которая является неотъемлемой частью настоящего описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее следует более подробное описание не ограничивающего иллюстративного примера изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:
Фиг. 1 - блок-схема предпочтительного варианта способа по настоящему изобретению.
Фиг. 2 - линейная регрессия, рассчитанная по способу по фиг. 1, для двух разных стендовых двигателей внутреннего сгорания.
На разных чертежах одинаковые или функционально эквивалентные части обозначены одними и теми же позициями.
Согласно настоящему изобретению термин "второй элемент" не подразумевает наличие "первого элемента" и числительные первый, второй и т.д. применяются только для лучшего понимания описания и не должны толковаться в ограничительном смысле.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ
Согласно настоящему изобретению учитывается изменение перепада Δр давления на воздушном фильтре относительно изменения средней скорости газа через тот же фильтр. Для данной геометрии фильтра скорость газа можно выразить через объемный расход ˙V. Хотя V означает объем, точка над этим символом указывает на производную по времени от объема воздуха, или просто расход воздуха ˙V.
2
Согласно настоящему изобретению, было обнаружено, что зависимость перепада давления Δр на воздушном фильтре от квадрата расхода ˙V является линейной, и эти две величины взаимосвязаны через коэффициент k:
2
Коэффициент k соответствует угловому коэффициенту линейной регрессии, рассчитанной по этим взаимосвязанным величинам Δр, V. Он содержит всю информацию, относящуюся к степени потерь на трение при ограничении расхода; в данном случае он либо отражает степень забитости фильтра из-за загрязнения, либо указывает на неправильно работающий фильтр, если имеет величину, которая меньше ожидаемой для чистого фильтрующего картриджа.
Если k или f(k) превышает заранее определенный верхний порог ThU, а именно, когда k или f(k)>ThU=ДА, значит, имеется подтверждения того, что фильтр забит и предпочтительно, после некоторого устранения дребезга, устанавливается внутренний диагностический код неисправности (DFC) блока управления двигателем. Если, в противном случае, k или f(k) меньше заранее определенного нижнего порога ThL, устанавливается DFC для возможно неправильного или неправильно установленного или снятого или поврежденного фильтрующего картриджа, или DFC для утечки в системе подачи воздуха. Также и в этом случае DFC предпочтительно устанавливается после некоторого устранения дребезга.
Задавая Thl<Th1<...<Thn < ThU, где n≥2, можно определить произвольное количество разных промежуточных порогов, которые позволят определить состояние воздушного фильтра с боле высоким разрешением. Например, при трех разных пороговых величинах ThL, Th1 и ThU, благодаря этому способу можно различать следующие состояния:
- Th1<k<ThU: фильтр забит, но не в опасной степени, предпочтительно на приборную панель транспортного средства выводится индикация ошибки, означающая "при первой возможности заменить воздушный фильтр";
- ThU<k: фильтр опасно забит и должен быть заменен немедленно (давление выше порогового): предпочтительно электронный блок управления переводит двигатель в режим восстановления с ограниченными мощностью/крутящим моментом/оборотами;
- k<ThL: коэффициент k или функция, основанная на коэффициенте k слишком малы даже для нового фильтра, т.е., когда k или f(k)<ThL=ДА, это значит, что что-то неправильно, отсутствует картридж, неправильный картридж, утечка и т.п. Двигатель, возможно, засасывает неотфильтрованный воздух; предпочтительно электронный блок управления переводит двигатель в режим восстановления с ограниченными мощностью/крутящим моментом/оборотами;
Дополнительно, изменение k или f(k) в небольшом интервале времени можно использовать для получения дополнительной информации. Если, обращаясь к предыдущему примеру, коэффициент k внезапно переходит из одного из состояний Th1<k<ThU или ThU<k в состояние k<ThL, такое событие интерпретируется как приближение повреждения: фильтр был снят, чтобы сбросить предыдущие ошибки. Поэтому, электронный блок управления переводит двигатель в режим восстановления с ограниченными мощностью/крутящим моментом/оборотами.
В альтернативном подходе k может также служить непосредственным показателем состояния или степени забитости фильтра. Фактическая величина k представляет процентное отношение между заранее определенным минимумом kMin и заранее определенным максимумом kMax:
При таком подходе функцию k сравнивают с порогами kMin и kMax.
Непрерывно определяемую степень забитости фильтра можно использовать для применения защитных контрмер, например, аналогичное снижение максимальной мощности или пороговую логику, описанную выше.
Далее следует описание применения настоящего изобретения к другой функции k.
max
max
Например, можно рассчитать максимальный перепад Δp на воздушном фильтре, который будет существовать при заранее определенном максимальном ожидаемом расходе ˙V через фильтр:
, где
max
- Δр теоретически максимальный перепад давления, соответствующий заранее определенной теоретически максимальной величине расхода воздуха;
- k - угловой коэффициент;
-  совпадает с заранее определенной теоретически максимальной величиной расхода воздуха.
max
И пороговый подход, и непрерывный подход, как в вышеописанных примерах, работает также для Δp=f(k).
Таким образом, этот вариант наиболее надежен по сравнению с другими подходами по настоящему изобретению.
Согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения перепад давления на воздушном фильтре непрерывно измеряют с частотой замеров, определяемой электронным контроллером, например, каждые 10 мс.
Перепад давления на воздушном фильтре измеряют, например, датчиком дифференциального давления на воздушном фильтре или датчиками абсолютного давления, установленными выше и ниже по потоку от воздушного фильтра. Во втором случае разница (перепад) давления рассчитывается вычитанием величины измеренного абсолютного давления после воздушного фильтра (до факультативного турбонагнетателя) из величины атмосферного давления, определенной другим датчиком на транспортном средстве, например, встроенным в электронный блок управления.
Объемный расход ˙V воздуха через воздушный фильтр измеряют либо непосредственно соответствующим измерительным устройством в воздушном тракте, либо рассчитывают электронным контроллером на основе других физических измерений, например, давления, температур, величин лямбда, и заранее определенных данных, например, геометрии двигателя.
min
max
min
max
2
2
2
Необработанные данные можно постоянно хранить в электронном блоке управления, например, для последующей оценки, если они находятся в полезном диапазоне объемного расхода. Согласно предпочтительному варианту изобретения, применимый диапазон [V, V] расходов воздуха или, альтернативно, квадратов [V, V] расхода воздуха подразделяется на заранее определенное количество смежных интервалов, например, 8 интервалов одинакового размера, помеченных индексами от 0 до 7. Затем, получают пары величин (Δр, V) и группируют их на основе соответствующего интервала 0-7, относящегося к величине расхода воздуха и связанного с соответствующим интервалом. Для удобства, такие пары далее именуются "парами данных".
Когда величина расхода воздуха лежит вне такого применимого диапазона расходов, а именно, когда она ниже или выше примененных минимальной/максимальной величины, соответственно, она предпочтительно игнорируется или используется для других целей, а именно, для распознавания ненормальных условий.
В контексте настоящего изобретения термин "применимый диапазон" означает диапазон расхода воздуха, определяемый типом двигателя внутреннего сгорания, учитываемым в пределах диапазона его работы в нормальных условиях.
Вышеупомянутая группировка пар данных может преимущественно регистрироваться в двух матрицах данных, имеющих размер (по меньшей мере) n х 8. Когда применимое минимальное количество пар данных будет обновлено, выполняют расчет линейной регрессии для вычисления коэффициента k:
, где
- n является количеством обновленных пар данных;
-  - величина расхода воздуха на воздушном фильтре;
- Δр - перепад давления на воздушном фильтре;
-  и  являются соответствующими средними величинами n раз учтенными величинами квадрата расхода воздуха и n величинами перепада давления.
Для того, чтобы сэкономить объем памяти, можно реализовать только две матрица 1Х8, сохраняя поэтапно только эти величины  и
Преимущественно, деление применимого диапазона расходов воздуха на предпочтительно 8 "дискретных интервалов" придает способу высокую надежность вычислений.
Однако, можно учитывать другое количество интервалов или использовать другую математическую матрицу, известную сама по себе, которая не требует такого деления диапазона.
Эти массивы памяти можно периодически сбрасывать, например, при любом выключении двигателя, а также после каждого расчета k согласно уравнению 4, или функции k как в уравнении 3. После этого данные считаются "использованными" и сбрасываются, т.е., поверх них записывается новый набор данных.
Особенно в этом последнем конкретном случае были проведены несколько испытаний, и было обнаружено, что уравнение 4 может дать недостоверные результаты с огромными ошибками, когда измерения расхода воздуха слишком близки друг к другу, что может случиться в конкретной ситуации, когда двигатель заставляют работать почти стационарно.
Таким образом, вышеописанное деление диапазона позволяет запретить вычисления по уравнению 4, когда полученные величины расхода воздуха недостаточно разнесены. Предпочтительно, способ содержит этап, на котором проверяют, чтобы по меньшей мере 4-5 из 8 групп, связанных с соответствующими интервалами, содержали по меньшей мере одну пару данных.
На фиг. 2 показаны графические примеры расчета коэффициента k по вышеописанной линейной регрессии по парам данных для двух разных двигателей.
На фиг. 1 показан предпочтительный вариант способа по настоящему изобретению в форме блок-схемы, содержащей следующие последовательные этапы, на которых:
- (v) предварительно собирают величины пар данных, каждая из которых содержит величину (ia) перепада давления на воздушном фильтре и квадрат величины (ib) расхода воздуха, проходящего через фильтр, соответствующий этой величине перепада давления,
min
max
min
max
2
2
- (iii) делят применимый диапазон [V, V] расходов воздуха или, альтернативно, квадратов [V, V] расхода воздуха на заранее определенное количество интервалов (0-7), затем
2
- (iv) группируют величины пар данных Δр, V на основе соответствующего интервала, относящегося к величине ˙V расхода воздуха и связанного с соответствующим интервалом,
- (vi) запрещают любой дальнейший расчета, пока по меньшей мере заранее определенное количество интервалов не будет ассоциировано с по меньшей мере одной парой данных,
- (ik) рассчитывают угловой коэффициент k линейной регрессии по этим парам данных;
- (iki) сравнивают этот угловой коэффициент или одну функцию такого углового коэффициента с по меньшей мере одной пороговой величиной, предпочтительно с тремя пороговыми величинами ThL, Th1, ThU, имеющими следующее соотношение:
ThL<Th1<ThU
И, соответственно,
- обнаруживают (ikii) одно из следующих состояний:
- Первое состояние: ThL<k<Th1: фильтр новый и/или в хорошем состоянии;
- Второе состояние: Th1<k<ThU: фильтр загрязнен, но еще не опасно забит;
- Третье состояние: ThU<k: фильтр опасно забит;
- Четвертое состояние: k<ThL: угловой коэффициент слишком мал даже для нового фильтра, следовательно имеется очень опасное состояние:
- отсутствует картридж фильтра;
- неправильный картридж фильтра;
- утечки на впуске.
- (ikiii) определяют пятое состояние, когда угловой коэффициент k внезапно переходит из второго или третьего состояния в четвертое состояние, что указывает на приближение повреждения.
- (ix) когда подтверждается второе состояние, на приборную панель транспортного средства выводится (ix) сообщение об ошибке, означающее, что "воздушный фильтр следует заменить при первой возможности" и/или
- (х) когда подтверждается третье, четвертое или пятое состояние, на приборную панель транспортного средства выводится (х) сообщение о серьезной ошибке и двигатель переводится в режим восстановления с ограничением мощности/крутящего момента/оборотов.
Настоящее изобретение может быть реализовано в форме компьютерной программы, содержащей средство программного кода для выполнения одного или более этапа такого способа, когда такая программа выполняется компьютером. Поэтому патент должен также охватывать такую компьютерную программу и машиночитаемый носитель, содержащий записанное сообщение, при этом такой машиночитаемый носитель содержит средство программного кода для выполнения одного или более этапа такого способа, когда такая программа выполняется компьютером.
Из вышеприведенного описания и чертежей предпочтительных вариантов изобретения специалистам понятны многочисленные изменения модификации, замены и другие варианты применения предлагаемого изобретения. Все такие изменения, модификации, замены и варианты применения, которые не выходят за пределы объема изобретения, считаются охваченными настоящим описанием.
Другие подробности реализации изобретения опускаются, поскольку специалисты могут воспроизвести изобретение, исходя из приведенного описания.