СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ДВИГАТЕЛЯ
ENGINE OPERATING SYSTEM AND METHOD (VERSIONS)

Уровень техники
Ужесточающиеся стандарты выбросов двигателя требуют все более сложного управления двигателем. Одним из способов улучшения работы двигателя является установка в цилиндры двигателя датчиков давления. Датчики давления могут обеспечивать обратную связь, которая может указывать на положение сгорания топлива в двигателе, величину, качество сгорания, характеристики двигателя, устойчивость и выбросы двигателя для каждого из цилиндров, в котором установлен датчик, и для двигателя в целом. Датчик давления может быть установлен в каждом цилиндре двигателя, таким образом, чтобы контроллер мог оценивать параметры работы цилиндра. Например, если любое из положений сгорания массовой доли топлива для отдельного цилиндра запаздывает больше, чем требуется, момент впрыска топлива в двигатель может быть сдвинут вперед для сдвига вперед положения коленчатого вала, соответствующего положению сгорания определенной массовой доли топлива во время цикла двигателя для конкретного цилиндра. Таким образом, датчики давления в цилиндре могут обеспечивать важную и полезную обратную связь о сгорании и работе цилиндра. Тем не менее, установка датчика давления в каждый цилиндр двигателя может увеличить себестоимость двигателя и вычислительную мощность, которая может быть необходима контроллеру для обработки данных датчиков давления в цилиндрах. Таким образом, было бы желательно обеспечить возможность управления процессом сгорания в каждом цилиндре двигателя без необходимости покрытия расходов на установку датчика давления в каждый цилиндр двигателя.
Авторы настоящей заявки осознали вышеописанные недостатки и разработали способ управления работой двигателя, содержащий: оценку работы множества цилиндров двигателя для двух или более цилиндров двигателя посредством сравнения сигналов от коленчатого вала между цилиндрами с измерением и без измерения, но не полным множеством цилиндров двигателя, обеспечивающими наименьшие значения среднеквадратического отклонения на основе параметра; и установку датчиков давления в два или более цилиндров двигателя, но не в полное множество цилиндров двигателя, обеспечивающих наименьшие значения среднеквадратического отклонения, на основе упомянутого параметра.
Посредством выборочной установки датчиков давления только в часть цилиндров двигателя, обеспечивающих наименьшее значение среднеквадратического отклонения параметра двигателя на основе выходных данных датчиков давления цилиндров, может быть возможным обеспечение технического результата улучшения сгорания в двигателе без необходимости установки датчика давления в каждый цилиндр двигателя. Кроме того, посредством установки датчиков давления более чем в один цилиндр двигателя, но менее чем во все цилиндры двигателя, может быть возможным более существенное улучшение сгорания во всех цилиндрах во всем рабочем диапазоне, по сравнению с установкой в двигателе только одного датчика давления в цилиндре. Более конкретно, два датчика давления в цилиндре, расположенные в двух различных цилиндрах двигателя, обеспечивающие наименьшие значения среднеквадратического отклонения для параметра двигателя, могут быть основой для управления процессом сгорания во всех цилиндрах двигателя. Например, датчик давления, расположенный в цилиндре номер один двигателя, и датчик давления, расположенный в цилиндре номер восемь двигателя, могут обеспечить наименьшие значения среднеквадратического отклонения для определения значения крутящего момента двигателя при множестве значений скорости вращения двигателя и условий нагрузки. Датчики давления, расположенные в цилиндрах номер один и восемь, могут быть основой для изменения процесса сгорания во всех цилиндрах двигателя во всем рабочем диапазоне двигателя и для расширения рабочего диапазона.
Настоящее изобретение может обеспечить несколько преимуществ. Например, упомянутый подход может способствовать улучшению сгорания в одном или более цилиндрах двигателя. Кроме того, упомянутый подход может способствовать уменьшению затрат на улучшение сгорания в одном или более цилиндрах двигателя. Кроме того, упомянутый подход может способствовать улучшению оценочных данных о выбранных параметрах регулирования работы двигателя посредством определения значений параметров регулирования работы двигателя на основе данных датчиков давления с наибольшим отношением сигнала к шуму.
Описанные выше преимущества и другие преимущества и признаки настоящего изобретения станут очевидны из последующего подробного описания, рассматриваемого отдельно или совместно с прилагаемыми чертежами.
Следует понимать, что приведенное выше краткое описание представлено лишь для ознакомления в упрощенном виде с набором идей, более подробно раскрытых в подробном описании. Оно не предназначено для определения ключевых или обязательных признаков истребуемого объема изобретения, объем которого определен исключительно формулой изобретения, следующей за подробным описанием. Кроме того, истребуемый объем изобретения не ограничен вариантами осуществления, в которых устранены недостатки, указанные выше или в любой части настоящего документа.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлено схематическое изображение двигателя.
На фиг. 2 представлен пример двигателя существующего уровня техники, содержащего множество датчиков давления, установленных во множестве цилиндров двигателя.
На фиг. 3 представлен пример двигателя в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 4 и 5 представлены примеры гистограмм, описывающих способ выбора цилиндров двигателя, оснащаемых датчиками давления.
На фиг. 6 и 7 представлен пример таблиц значений скорости вращения/нагрузки двигателя, который показывает цилиндры двигателя с наименьшим значением среднеквадратического отклонения крутящего момента.
На фиг. 8 представлен пример таблицы, описывающей условия работы, при которых выходные данные одного или более датчиков давления в цилиндре являются основой для регулирования процесса сгорания во всех цилиндрах двигателя.
На фиг. 9 представлен способ управления работой двигателя.
Подробное описание
Настоящее описание относится к улучшению процесса сгорания внутри цилиндров двигателя внутреннего сгорания в ответ на обратную связь от датчиков давления, расположенных в цилиндрах, выбранных на основе значения среднеквадратического отклонения параметров двигателя. На фиг. 1 представлен пример цилиндра двигателя внутреннего сгорания. На фиг. 2 представлено расположение датчиков давления в цилиндре существующего уровня техники. На фиг. 3 представлен один из примеров расположения датчиков давления в цилиндре в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 4-8 представлены примеры подходов к выбору места расположения датчиков давления в цилиндре и размещению датчиков давления в цилиндрах двигателя. На фиг. 9 представлен пример способа управления двигателем, содержащим датчики давления.
Обратимся теперь к фиг. 1, на которой управление двигателем 10 внутреннего сгорания, содержащим множество цилиндров, один из которых показан на фиг. 1, осуществляет электронный контроллер 12 двигателя. Двигатель 10 содержит камеру 30 сгорания и стенки 32 цилиндра с расположенным в их пределах поршнем 36, соединенным с коленчатым валом 40. Камера 30 сгорания показана в коммуникации с впускным коллектором 44 и выпускным коллектором 48, соответственно, через впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. Каждый впускной и выпускной клапан может иметь привод от кулачка 51 впускного клапана и кулачка 53 выпускного клапана. Положение кулачка 51 впускного клапана может быть определено посредством датчика 55 кулачка впускного клапана. Положение кулачка 53 выпускного клапана может быть определено посредством датчика 57 кулачка выпускного клапана.
Топливный инжектор 66 показан расположенным с возможностью непосредственного впрыска топлива в камеру 30 сгорания, что известно специалистам в уровне техники как непосредственный впрыск. Топливный инжектор 66 осуществляет подачу топлива пропорционально ширине импульсов от контроллера 12. Подача топлива к топливному инжектору 66 осуществляется топливной системой (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос, топливную рампу (не показаны). Регулирование давления топлива, обеспечиваемого топливной системой, может осуществляться посредством изменения положения клапана, регулирующего поток топлива к топливному насосу (не показан). Кроме того, дозирующий клапан может располагаться в топливной рампе или около нее для осуществления регулирования подачи топлива с обратной связью. Дозирующий клапан насоса также может регулировать поток топлива к топливному насосу, тем самым снижая количество топлива, нагнетаемого в топливный насос высокого давления.
Впускной коллектор 44 показан соединенным с необязательным электронным дросселем 62, который осуществляет регулирование положения дроссельной заслонки 64 с целью управления потоком воздуха от впускной нагнетательной камеры 46. Компрессор 162 засасывает воздух из впуска 42 воздуха для подачи в нагнетательную камеру 46. Отработавшие газы раскручивают турбину 164, соединенную с компрессором 162 посредством вала 161. Охладитель 115 нагнетаемого воздуха охлаждает воздух, сжимаемый компрессором 162. Регулирование частоты вращения компрессора может осуществляться посредством управления положением устройства 72 изменения геометрии лопаток или байпасного клапана 158 компрессора. В других примерах, перепускной клапан 74 может заменять устройство 72 регулирования геометрии лопаток или использоваться в дополнение к нему. Устройство 72 изменения геометрии лопаток регулирует положение лопаток турбины с изменяемой геометрией. При открытом положении лопаток отработавшие газы могут проходить через турбину 164 с передачей небольшого количества энергии турбине 164. При закрытом положении лопаток отработавшие газы могут проходить через турбину 164 с передачей повышенного усилия турбине 164. В качестве альтернативы, перепускной клапан 74 позволяет отработавшим газам обтекать турбину 164 так, чтобы способствовать снижению количества энергии, передаваемой турбине. Байпасный клапан 158 компрессора позволяет возвращать сжатый воздух на выходе из компрессора 162 обратно на вход в компрессор 162. Таким образом, эффективность компрессора 162 может быть снижена таким образом, чтобы воздействовать на поток воздуха в компрессор 162 и снизить давление во впускном коллекторе.
Сгорание инициируется в камере 30 сгорания, при воспламенении топлива от сжатия, когда поршень 36 приближается к верхней мертвой точке во время такта сжатия. В некоторых примерах, универсальный датчик 126 кислорода отработавших газов УКОГ (UEGO) может быть соединен с выпускным коллектором 48 перед устройством 70 контроля выбросов по ходу потока. В других примерах, датчик кислорода отработавших газов УКОГ (UEGO) может быть расположен по ходу потока после одного или нескольких устройств дополнительной обработки отработавших газов. Кроме того, в некоторых примерах, датчик кислорода отработавших газов УКОГ (UEGO) может быть заменен датчиком оксидов азота (Nox), содержащим элементы, чувствительные как к оксидам азота (NOx), так и к кислороду.
При более низких температурах двигателя свеча 68 подогрева может преобразовывать электрическую энергию в тепловую энергию для увеличения температуры в камере 30 сгорания. При увеличении температуры камеры 30 сгорания возможно более легкое воспламенение воздушно-топливной смеси цилиндра посредством сжатия. Ток и напряжение, подаваемые на свечу 68 подогрева, регулируются контроллером 12. Таким образом, контроллер 12 может регулировать количество электрической энергии, подаваемой на свечу 68 подогрева. Свеча 68 подогрева заходит внутрь цилиндра, и может дополнительно содержать датчик давления, интегрированный в свечу подогрева, для определения давления внутри камеры 30 сгорания.
В одном из примеров, устройство 70 снижения выбросов может содержать сажевый фильтр и каталитические блоки. В другом примере могут быть использованы несколько устройств снижения выбросов, каждое из которых содержит несколько блоков. В одном из примеров, устройство 70 снижения выбросов может содержать окислительный каталитический нейтрализатор. В других примерах, устройство снижения выбросов может содержать ловушку обедненных NOx или селективный каталитический восстановитель СКВ (SCR), и/или дизельный сажевый фильтр ДСФ (DPF).
Рециркуляция отработавших газов РОГ (EGR) может быть обеспечена в двигателе посредством клапана 80 РОГ (EGR). Клапан 80 РОГ (EGR) является трехходовым клапаном, закрывающим или открывающим доступ отработавших газов от места, расположенного после устройства 70 контроля выбросов по ходу потока, в место, расположенное во впускной системе для воздуха двигателя перед компрессором 162 по ходу потока. В других примерах, поток РОГ (EGR) может протекать от места, расположенного перед турбиной 164 по ходу потока, до впускного коллектора 44. РОГ (EGR) могут обходить охладитель 85 РОГ (EGR), или, в качестве альтернативы, РОГ (EGR) могут охлаждаться посредством прохождения через охладитель 85 РОГ (EGR). В других примерах, может быть предусмотрена система РОГ (EGR) высокого давления и низкого давления.
Контроллер 12 показан на фиг. 1 в виде обычного микрокомпьютера, содержащего: микропроцессорное устройство (МПУ) 102, порты 104 ввода/вывода, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 106, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 108, энергонезависимое запоминающее устройство (ЭЗУ) 110 и шину данных известного типа. Показанный контроллер 12 может получать различные сигналы от датчиков, соединенных с двигателем 10, в дополнение к вышеописанным сигналам, включающим: температуру охлаждающей жидкости двигателя ТОЖД (ЕСТ) от датчика 112 температуры, соединенного с охлаждающим рукавом 114; датчик 134 положения, соединенный с педалью 130 акселератора, для определения положения педали акселератора, регулируемого водителем 132; измеренное значение давления воздуха в коллекторе ДВК (MAP) двигателя от датчика 121 давления, соединенного с впускным коллектором 44; давление наддува от датчика 122 давления; концентрацию кислорода в отработавших газах отдатчика 126 кислорода; сигнал положения двигателя от датчика 118 Холла, определяющего положение коленчатого вала; измеренное значение массы воздуха, поступающего в двигатель, от датчика 120 (например, термоанемометра); и измеренное значение положения дроссельной заслонки от датчика 58. Также может осуществляться измерение барометрического давления (датчик не показан) для обработки контроллером 12. В предпочтительном аспекте настоящего изобретения, датчик 118 положения двигателя вырабатывает за каждый оборот коленчатого вала заранее определенное количество импульсов с равным интервалом, из которого может быть определена скорость вращения двигателя (число оборотов в минуту).
Во время работы каждый из цилиндров двигателя 10 обычно проходит цикл из четырех тактов: этот цикл содержит такт впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выпуска. Во время такта впуска выпускной клапан 54 обычно закрывается, и открывается впускной клапан 52. Через впускной коллектор 44 в камеру 30 сгорания поступает воздух, и поршень 36 движется в сторону нижней части цилиндра с увеличением объема камеры 30 сгорания. Положение, в котором поршень 36 находится рядом с нижней точкой цилиндра и в конце своего хода (то есть, при наибольшем объеме камеры 30 сгорания), специалистам в уровне техники обычно известен как нижняя мертвая точка НМТ (BDC). При такте сжатия впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 закрыты. Поршень 36 движется в сторону головки цилиндра со сжатием воздуха в камере 30 сгорания. Положение, в котором поршень 36 находится в конце своего хода, ближайшем к головке цилиндра (например, при наименьшем объеме камеры 30 сгорания), специалистам в уровне техники обычно известен как верхняя мертвая точка ВМТ (TDC). В процессе, который в дальнейшем упоминается как сжатие, в камеру сгорания поступает топливо. В некоторых примерах, впрыск топлива в цилиндр может осуществляться множество раз за время одного цикла двигателя. В процессе, упоминаемом в дальнейшем как воспламенение, впрыснутое топливо воспламеняется посредством воспламенения от сжатия, в результате чего происходит сгорание. Во время такта расширения расширяющиеся газы толкают поршень 36 обратно в НМТ (BDC). Коленчатый вал 40 преобразует движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, во время такта выпуска выпускной клапан 54 открывается для высвобождения сгоревшей воздушно-топливной смеси в выпускной коллектор 48, и поршень возвращается в ВМТ (ТОС). Следует отметить, что выше приведен лишь пример, и что моменты открытия и/или закрытия впускного и выпускного клапана могут быть изменены, например, для обеспечения положительного или отрицательного перекрытия клапанов, позднего закрытия впускного клапана, или различных других примеров. Кроме того, в некоторых примерах вместо четырехтактного цикла может использоваться двухтактный.
Система на фиг. 1 является предложенной системой двигателя, содержащей: двигатель, содержащий множество камер сгорания; первый датчик давления, заходящий в первую из множества камер сгорания; второй датчик давления, заходящий во вторую из множества камер сгорания; и контроллер, содержащий команды, сохраненные в долговременной памяти, для регулирования процесса сгорания во всех цилиндрах двигателя на основе выходных данных первого датчика давления, но не выходных данных второго датчика, при первых заранее установленных значениях скорости вращения и нагрузки двигателя.
В некоторых примерах, в упомянутой системе двигателя первая из множества камер сгорания может быть камерой сгорания с наименьшим значением среднеквадратического отклонения крутящего момента двигателя, определяемым по выходным данным датчика давления в цилиндре, расположенного в первой из множества камер сгорания, при первых заранее установленных значениях скорости вращения и нагрузки двигателя. Упомянутая система двигателя дополнительно содержит дополнительные команды контроллера для регулирования процесса сгорания во всех цилиндрах двигателя на основе выходных данных второго датчика давления, но не первого датчика давления, при вторых заранее установленных значениях скорости вращения и нагрузки двигателя. В упомянутой системе двигателя вторая из множества камер сгорания может быть камерой сгорания с наименьшим значением среднеквадратического отклонения крутящего момента двигателя, определяемым по выходным данным датчика давления в цилиндре, расположенного во второй из множества камер сгорания, при вторых заранее установленных значениях скорости вращения и нагрузки двигателя. В упомянутой системе двигателя с помощью команд могут регулироваться момент впрыска топлива и количество топлива для одиночных впрысков. Упомянутая система двигателя дополнительно содержит дополнительные команды контроллера для регулирования процесса сгорания в каждом из всех цилиндров двигателя на основе выходных данных либо первого датчика давления, либо второго датчика давления, при третьих заранее установленных значениях скорости вращения и нагрузки двигателя.
Обратимся теперь к фиг. 2, на которой представлен пример существующего уровня техники, демонстрирующий расположения датчиков давления в цилиндре для управления процессом сгорания в двигателе 10. В этом примере, двигатель 10 содержит восемь цилиндров, содержащих камеры 30 сгорания, пронумерованные последовательно от 1 до 8. Каждый цилиндр показан содержащим датчик 68 давления. Каждый датчик давления обеспечивает входные данные для контроллера 202. Сгорание в каждом из цилиндров регулируют на основе обратной связи по давлению от датчика давления в регулируемом цилиндре. Например, цилиндр номер один двигателя 10 содержит датчик 68 давления. Количество топлива, впрыскиваемого в цилиндр номер один, регулируют на основе выходных данных датчика 68, установленного в цилиндре номер один. Аналогичным образом регулируют процесс сгорания в других цилиндрах двигателя.
Обратимся теперь к фиг. 3, на которой представлен пример двигателя, демонстрирующий расположение датчиков давления для управления процессом сгорания в двигателе 10 в соответствии с настоящим способом. В этом примере, двигатель 10 также содержит восемь цилиндров, содержащих камеры 30 сгорания, пронумерованные последовательно от 1 до 8. Как видно, только два датчика 68 давления установлены в цилиндры двигателя. В частности, цилиндр номер один и цилиндр номер восемь содержат по одному датчику 68 давления каждый. Каждый датчик давления передает обеспечивает входные данные для контроллера 12. Таким образом, количество соединений датчика давления с контроллером 12 значительно ниже, чем для контроллера 202, показанного на фиг. 2.
Обратная связь по давлению в цилиндре, обеспечиваемая датчиком 68 давления, расположенным в цилиндре номер один, может служить основой для регулирования момента впрыска топлива и количества топлива для цилиндров 1-8 при первых значениях скорости вращения и нагрузки двигателя. Обратная связь по давлению в цилиндре, обеспечиваемая датчиком 68 давления, расположенным в цилиндре номер восемь, может служить основой для регулирования момента впрыска топлива для цилиндров 1-8 при вторых значениях скорости вращения и нагрузки двигателя. Кроме того, обратная связь по давлению в цилиндре, обеспечиваемая датчиком 68 давления, расположенным в цилиндре номер один, может служить основой для регулирования процесса сгорания в первой группе цилиндров двигателя при третьих значениях скорости вращения и нагрузки двигателя, в то время как обратная связь по давлению в цилиндре, обеспечиваемая датчиком 68 давления, расположенным в цилиндре номер восемь, может служить основой для регулирования процесса сгорания во второй группе цилиндров, при третьих значениях скорости вращения и нагрузки двигателя, причем вторая группа цилиндров двигателя отличается от первой группы цилиндров двигателя. Например, обратная связь по давлению в цилиндре от цилиндра номер один может служить основой для регулирования момента впрыска топлива в цилиндрах 1, 2, 7, 5 и 4 во время цикла двигателя (то есть, двух оборотов для четырехтактного двигателя), в то время как обратная связь по давлению в цилиндре от цилиндра номер восемь может служить основой для регулирования момента впрыска топлива в цилиндрах 8, 3 и 6 во время того же цикла двигателя. Таким образом, процесс сгорания в менее чем всех цилиндрах двигателя регулируется на основе обратной связи по давлению в цилиндре, получаемой от одного датчика давления во время цикла цилиндра, в то время как, во время того же цикла двигателя, процесс сгорания в других цилиндрах двигателя регулируется на основе выходных данных еще одного, другого датчика давления.
Обратимся теперь к фиг. 4, гистограммы на которой демонстрируют предположительные данные для выбора цилиндра для установки датчика давления. Вертикальная ось показывает среднеквадратическое отклонение СКО (RMSE, root mean square error) для параметра двигателя, описываемого следующим уравнением:
где, в данном примере,  это крутящий момент двигателя, рассчитанный на основе значения давления в цилиндре, и Т это крутящий момент двигателя, измеренный на коленчатом валу. С другой стороны, если множество значений крутящего момента двигателя рассчитывается по значению давления в цилиндре, СКО (RMSE) может быть описано уравнением:
где, в данном примере, n это общее число выборки, t это номер данных выборки,  это крутящий момент двигателя, рассчитанный на основе данных о давлении в цилиндре, и Т это измеренный крутящий момент двигателя. В некоторых примерах вместо крутящего момента двигателя для определения значений СКО (RMSE) для выбора цилиндра для размещения датчика давления в цилиндре, может быть использовано индикаторное среднее эффективное давление в цилиндре ИСЭД (IMEP, indicated mean effective pressure), сгоревшая массовая доля (например, 0-100) СМД (MFB, mass fraction burned) или другой параметр двигателя. Горизонтальная ось показывает номер цилиндра, причем в данном примере цилиндров восемь. Высота каждого столбца показывает значение СКО (RMSE) для крутящего момента двигателя, определяемого на основе данных датчика давления в цилиндре, расположенного в соответствующих цилиндрах 1-8. Более высокие столбцы показывают более высокие значения СКО (RMSE).
В данном примере, при определенных значениях скорости вращения и нагрузки двигателя цилиндр номер один обеспечивает наименьшее значение СКО (RMSE) крутящего момента двигателя. Таким образом, крутящий момент двигателя, определяемый по данным датчика давления в цилиндре, расположенного в цилиндре номер один, имеет значение, наиболее близкое к значению крутящего момента двигателя, определяемому по эталонному стандарту крутящего момента двигателя (например, крутящего момента двигателя, определяемого динамометрически). Значение СКО (RMSE) показано линией 404. Цилиндр номер четыре обеспечивает второе наименьшее значение СКО (RMSE) при данных конкретных значении скорости вращения двигателя и условиях нагрузки. Таким образом, если расположение датчика давления в цилиндре было бы выбрано исключительно на основе гистограммы на фиг. 4, для оснащения датчиком давления должен быть выбран цилиндр номер один, поскольку он обеспечивает сигнал, обеспечивающий наилучшую оценку крутящего момента двигателя, по сравнению со стандартом. Посредством выбора цилиндра номер один может быть улучшено отношение сигнала к шуму для датчика давления в цилиндре.
Обратимся теперь к фиг. 5, гистограммы на которой демонстрируют предположительные данные для выбора цилиндров двигателя для установки датчика давления. Вертикальная ось показывает среднеквадратическое отклонение СКО (RMSE) для крутящего момента двигателя и сгоревшей массовой доли 50 (то есть, СМД50 - положение коленчатого вала, при котором сгорает 50 процентов массы вещества в цилиндре). Горизонтальная ось показывает номер цилиндра, причем в данном примере цилиндров восемь. Высота каждого столбца показывает значение СКО (RMSE) крутящего момента двигателя и СМД50 (MFB50), определяемые на основе данных датчика давления в цилиндре, расположенного в соответствующих цилиндрах 1-8. Значение СКО (RMSE) увеличивается с увеличением высоты столбца. Столбцы, обозначенные как столбец 502, представляют СКО (RMSE) крутящего момента двигателя. Столбцы, обозначенные как столбец 504, показывают СКО (RMSE) СМД50 (MFB50) цилиндра, указанного под столбцом.
В данном примере, как значение СКО (RMSE) крутящего момента двигателя, так и значение СКО (RMSE) СМД50 (MFB50) для цилиндра номер восемь ниже, чем для всех других цилиндров двигателя при данном конкретном значении скорости вращения двигателя и условия нагрузки. Таким образом, на основе данных этих гистограмм, целесообразно выбрать цилиндр двигателя номер восемь в качестве цилиндра двигателя, оснащаемого датчиком давления в цилиндре.
Матрица условий работы двигателя при различных значениях скорости вращения и нагрузки двигателя может быть основой для тестирования положений датчика давления в цилиндре и значений параметров двигателя, зависящих от различных положений датчика давления. Например, корреляция между измеряемым и не измеряемым значением и значения СКО (RMSE) для крутящего момента, СМД50 (MFB50) и других параметров двигателя могут быть определены в диапазоне скоростей вращения двигателя от 500 оборотов в минуту до 6000 оборотов в минуту с шагом 500 оборотов в минуту. Кроме того, те же параметры могут быть определены при нагрузках двигателя в диапазоне от 3 бар до 15 бар, с шагом в 3 бара. Таким образом, могут быть определены наилучшие цилиндры для оснащения датчиками давления.
Обратимся теперь к фиг. 6, на которой показана предположительная таблица, показывающая, какие цилиндры двигателя обеспечивают наименьшее СКО (RMSE) крутящего момента, положения СДМ50 (MFB50) или другого параметра двигателя при заранее определенных условиях работы двигателя (например, скорости вращения двигателя и условиях нагрузки), когда предусмотрен только один датчик давления, расположенный в одном цилиндре двигателя. Таким образом, для восьмицилиндрового двигателя, один датчик давления в цилиндре может быть расположен в одном из восьми возможных цилиндров. Горизонтальные ячейки показывают различные значения скорости вращения двигателя, указанные вверху таблицы. Вертикальные ячейки показывают различные значения нагрузок двигателя (в барах), указанные вдоль вертикальной оси таблицы. Например, ячейка 602 показывает условия работы двигателя при скорости вращения 1600 оборотов в минуту и нагрузке в 15 бар. Значения в каждой из ячеек показывают номера цилиндров, обеспечивающих наименьшее значение СКО (RMSE) и наилучшую корреляцию для выбранного параметра двигателя (например, крутящего момента). Ячейка 602 и другие ячейки содержат слово "ВСЕ" вместо номера, и слово "ВСЕ" показывает, что все цилиндры двигателя обеспечивают низкие значения СКО (RMSE). В одном из альтернативных примеров, для оснащения датчиками давления в цилиндре могут быть выбраны цилиндры двигателя со значениями СКО (RMSE) параметров двигателя, определяемыми датчиком давления в цилиндре, ниже порогового значения. Ячейка 608 содержит номера 2, 5 и 6 для указания того, что цилиндры номер 2, 5 и 6 обеспечивают низкое значение СКО (RMSE) для выбранного параметра двигателя. Знак "-" показывает, что ни один цилиндр двигателя не обеспечивает приемлемое значение СКО (RMSE) для выбранного параметра двигателя. В данном примере, ячейки таблицы, наподобие тех, которые ограничены жирной границей 602, представляют собой условия работы двигателя, при которых ни один или только несколько цилиндров двигателя обеспечивают приемлемые значения СКО (RMSE) (то есть, ниже порогового значения) для упомянутого параметра двигателя. Кроме того, пустые ячейки таблицы могут соответствовать скорости вращения/условиям нагрузки, при которых значение давления в цилиндре не используется для изменения процесса сгорания в двигателе.
Таким образом, таблица, показанная на фиг. 6, указывает, что если основой для регулирования процесса сгорания во всех цилиндрах двигателя является единственный датчик давления, этот единственный датчик давления может не обеспечивать требуемые данные для некоторых условий работы. Соответственно, если впрыск топлива регулируется на основе выходных данных единственного датчика давления в областях значений, ограниченных жирной границей, процесс сгорания в цилиндрах двигателя не может быть улучшен, как это требуется.
Обратимся теперь к фиг. 7, на которой показана предположительная таблица, показывающая, какие цилиндры двигателя обеспечивают наименьшее СКО (RMSE) крутящего момента, положения СДМ50 (MFB50) или другого параметра двигателя при заранее определенных условиях работы двигателя (например, скорости вращения двигателя и условиях нагрузки), когда предусмотрены только два датчика давления, расположенные в двух цилиндрах двигателя. Таким образом, для восьмицилиндрового двигателя, два датчика давления в цилиндре могут быть расположены в любых двух из восьми возможных цилиндров. Горизонтальные ячейки показывают различные значения скорости вращения двигателя, указанные вверху таблицы. Вертикальные ячейки показывают различные значения нагрузок двигателя (в барах), указанные вдоль вертикальной оси таблицы. Значения в каждой из ячеек показывают номера цилиндров, обеспечивающих наименьшее значение СКО (RMSE) для выбранного параметра двигателя (например, крутящего момента). Ячейки, содержащие слово "ВСЕ" вместо номеров, показывают, что все цилиндры двигателя обеспечивают допустимые значения СКО (RMSE). Знак "-" показывает, что ни один цилиндр двигателя не обеспечивает низкое значение СКО (RMSE) для выбранного параметра двигателя. Поскольку двигатель содержит восемь цилиндров с двумя датчиками давления в разных цилиндрах, существует 28 разных возможных перестановок датчиков.
Ячейка 708 содержит номера 25/28. Число 28 показывает число разных возможных перестановок датчиков, и число 25 показывает число положений датчика, обеспечивающих низкое значение СКО (RMSE) или значение СКО (RMSE) ниже порогового значения. Таким образом, 25 из 28 возможных перестановок датчиков давления в цилиндре обеспечивают низкое значение СКО (RMSE) для параметра цилиндра. Числа 2, 5 и 6 указывают, что цилиндры номер 2, 5 и 6 обеспечивают низкие значения СКО (RMSE) для выбранного параметра двигателя. В данном примере, есть только две области таблицы, ограниченные жирной границей 702, показывающие, что ни один или только несколько цилиндров двигателя обеспечивают низкие значения СКО (RMSE) для параметра двигателя. Кроме того, увеличивается количество возможных альтернативных цилиндров, в которых датчики давления обеспечивают низкие значения СКО (RMSE).
Таким образом, таблица, показанная на фиг. 7, указывает, что если основой для регулирования процесса сгорания во всех цилиндрах двигателя являются только два датчика давления, упомянутые два датчика давления могут обеспечить больше возможностей для обеспечения требуемых значений параметра на основе данных датчика давления. Следовательно, если впрыск топлива регулируется на основе выходных данных двух датчиков давления, которые являются основой для определения низкого значения СКО (RMSE) параметров двигателя, вероятность расчета нежелательных значений параметра двигателя может быть снижена.
Обратимся теперь к фиг. 8, на которой показана предположительная таблица, указывающая, какой из двух датчиков давления в цилиндре является основой для регулирования процесса сгорания в цилиндрах двигателя. Горизонтальные ячейки соответствуют различным значениям скорости вращения двигателя, указанным вверху таблицы. Вертикальные ячейки показывают различные значения нагрузок двигателя (в барах), указанные вдоль вертикальной оси таблицы. Каждое из значений скорости вращения двигателя и условий нагрузки представлено ячейкой, как показано в жирно обведенной ячейке 802. Каждая ячейка разделена на две ячейки, аналогичные ячейкам 804 и 806. Ячейки, не имеющие затемненного фона, как, например, ячейка 804, показывают состояние работы, при котором первый датчик давления находится в первом цилиндре, выбранном на основе данных в таблице, аналогичной таблице, показанной на фиг. 7. Ячейки, имеющие затемненный фон, как, например, ячейка 806, показывают состояние работы, при котором второй датчик давления находится во втором цилиндре, выбранном на основе данных в таблице, аналогичной таблице, показанной на фиг. 7.
Символ "X" в ячейке показывает, что соответствующий датчик активен и корректирование процесса сгорания для цилиндров двигателя зависит от данных от датчика, обозначенного символом "X". Символ "F" в ячейке показывает, что выходные данные соответствующего датчика могут использоваться для таких функций, как определение ИСЭД (IMEP) для цилиндра, в котором установлен датчик давления. Таким образом, в соответствии с ячейкой 802, при скорости вращения 2600 оборотов в минуту и нагрузке в 3 бара, корректировки процесса сгорания для всех цилиндров двигателя зависят от выходных данных первого датчика давления, причем первый датчик давления расположен в первом цилиндре. Выходные данные второго датчика давления могут быть использованы для различных функций.
Для ячеек таблицы, обозначенных цифрой 810, первый датчик давления в первом цилиндре (например, в цилиндре номер 3) и второй датчик давления во втором цилиндре (например, в цилиндре номер пять) являются основой для корректировок процесса сгорания во всех цилиндрах двигателя на основе выходных данных первого и второго датчиков давления. Корректировки процесса сгорания ячейки 810 соответствуют скорости вращения 2000 оборотов в минуту и нагрузке 9 бар. Корректировки процесса сгорания могут способствовать повышению или снижению давления в цилиндре и/или ускорению или запаздыванию СМД50 и/или СМД10. Кроме того, корректировки процесса сгорания могут способствовать увеличению или уменьшению содержания отдельных компонентов отработавших газов (например, уменьшать содержание углеводородов в продуктах сгорания цилиндра).
Обратимся теперь к фиг. 9, на которой представлен способ управления работой двигателя. По меньшей мере, части способа на фиг. 9 могут быть сохранены в виде команд в долговременной памяти контроллера. Кроме того, другие части способа на фиг. 9 могут быть осуществлены в виде действий, исполняемых человеком и/или контроллером в реальном мире.
На этапе 902 двигатель оснащают датчиками давления. В каждом цилиндре двигателя может быть размещен один датчик давления, или, в качестве альтернативы, один датчик давления может циклически расположен в различных цилиндрах двигателя при циклической работе двигателя во множестве условий работы. Датчики давления обеспечивают электрический выходной сигнал (например, напряжение), пропорциональный значению давления в цилиндре. После установки датчиков в двигатель, способ 900 переходит к этапу 904.
На этапе 904 двигатель работает во множестве условий работы. Данные о давлении в цилиндре и параметры работы двигателя собирают в памяти контроллера. Контроллер может определять значения параметров двигателя, такие, как крутящий момент двигателя и СМД50, на основе выходного сигнала датчика давления в цилиндре при различных условиях работы для каждого цилиндра. Кроме того, также могут быть определены параметры двигателя, не зависящие от датчиков давления в цилиндре. Например, крутящий момент двигателя может быть определен с помощью динамометрического датчика нагрузки. Способ 900 дополнительно содержит определение значений СКО (RMSE) для каждого цилиндра двигателя на основе выходного сигнала датчика давления в цилиндре. Значения СКО (RMSE) могут быть определены так, как было раскрыто со ссылкой на фиг. 4. После сохранения данных о давлении в цилиндре и значений параметров двигателя в памяти контроллера или базе данных, способ 900 продолжается на этапе 906.
На этапе 906 выбирают часть цилиндров двигателя, оснащаемых датчиками давления в цилиндре, на основе выходных сигналов датчиков давления в цилиндрах двигателя, обеспечивающих наименьшие значения СКО (RMSE) и наилучшую корреляцию для параметров двигателя. Значения СКО (RMSE) зависят от выходных сигналов датчика давления в цилиндре, и для оснащения датчиками давления в цилиндре выбирают не все цилиндры двигателя. В одном из примеров, на основании карт данных, схожих с таблицами, показанными на фиг. 6 и 7, выбирают два цилиндра двигателя, оснащаемых датчиками давления в цилиндре. Выбор цилиндров основан на выходных сигналов датчиков давления в цилиндрах двигателя, обеспечивающих наименьшие значения СКО (RMSE) для одного или более параметров двигателя (например, крутящего момента, СМД50, СМД10, времени обнаружения зубцов на маховике коленчатого вала или другого параметра двигателя) в рабочем диапазоне двигателя. Время обнаружения зубцов на маховике коленчатого вала обозначает количество времени между обнаружением первого зубца маховика коленчатого вала и обнаружением второго зубца маховика коленчатого вала. Могут быть определены значения СКО (RMSE) и наилучшее значение корреляции временем обнаружения зубцов на маховике коленчатого вала для цилиндров с измерением и без измерения для различных значений скорости вращения и нагрузок двигателя. Значения СКО (RMSE) и корреляции могут быть определены при различных значениях скорости вращения и нагрузок двигателя, поскольку упомянутые значения могут изменяться в различных условиях работы.
Наилучшая корреляция между оцениваемым значением переменной и измеренным значением переменной может быть определена с помощью коэффициента корреляции, определяемого по следующему уравнению:
ху
х
у
где ρ - это коэффициент корреляции, cov (х, y) - ковариация, σ - стандартное отклонение для х, и σ - это стандартное отклонение для y, причем х - это измеряемое значение переменной, и y - оцениваемое значение переменной. Коэффициенты корреляции, наиболее близкие к значению 1, являются корреляциями переменных, которые можно считать "наилучшими" значениями. Таким образом, для оснащения датчиками давления выбирают цилиндры, коэффициенты корреляции переменных которых имеют значения, наиболее близкие к одному (то есть, наибольшие значения в диапазоне от 0 до 1), и которые имеют наименьшие значения СКО (RMSE). После выбора цилиндров двигателя с наименьшими значениями СКО (RMSE) параметра двигателя в выбранном рабочем диапазоне двигателя, способ 900 продолжается на этапе 908.
На этапе 908 датчики давления в цилиндре устанавливают в цилиндры двигателя с наименьшими значениями СКО (RMSE) параметра двигателя в выбранном рабочем диапазоне двигателя. В одном из примеров, датчики давления в цилиндре устанавливают в свечу подогрева, обеспечивающую нагрев цилиндров двигателя. Например, как показано на фиг. 4 и 5, цилиндры номер один и восемь могут быть оснащены датчиками давления в цилиндре. Таким образом, более чем один цилиндр двигателя оборудован датчиком давления. Кроме того, не все цилиндры двигателя оборудованы датчиками давления. Например, если двигатель является восьмицилиндровым двигателем, не более семи датчиков давления в цилиндре могут быть размещены в семи цилиндрах двигателя. Кроме того, таблица или карта, заполненная данными, определяющими, какой датчик давления может быть применен для регулирования процесса сгорания в цилиндрах двигателя при различных условиях работы двигателя, сохранены в памяти контроллера (например, таблица, аналогичная таблице на фиг. 8). После установки датчиков давления в цилиндры двигателя, способ 900 продолжается на этапе 910.
На этапе 910 выбирают один или несколько датчиков давления, которые обеспечивают обратную связь от двигателя контроллеру. Контроллер выбирает датчик давления на основе условий работы. В одном из примеров, двигатель работает на сгорании смеси воздуха и топлива. Датчик или датчики выбирают из таблицы, описанной на этапе 908. Данные от датчика или датчиков давления накапливаются и являются основой для регулирования процесса сгорания. Например, если двигатель работает при скорости 2600 об/мин и нагрузке 3 бара (например, ячейка 802 на фиг. 8), данные о давлении в цилиндре собирают с первого датчика давления в цилиндре в первом цилиндре (не обязательно в цилиндре номер один), и упомянутые данные являются основой для корректировок процесса сгорания в остальных цилиндрах. На этапе 910 способ 900 может содержать определение крутящего момента двигателя, ИСЭД (IMEP), СМД50 (MFB50) или других параметров двигателя, определенных по давлению в цилиндре, в соответствии с общеизвестными методами. Данные о давлении в цилиндре могут быть собраны за один цикл цилиндра или множество циклов цилиндра. После сбора данных о цилиндре и определения параметров двигателя, способ 900 продолжается на этапе 912.
На этапе 912 осуществляют регулирование исполнительных механизмов двигателя для регулирования процесса сгорания в цилиндрах двигателя. Исполнительные механизмы двигателя регулируют на основе данных от датчиков давления в цилиндре, выбранных на этапе 910. В одном из примеров, исполнительными механизмами являются топливные инжекторы, и для повышения крутящего момента двигателя и/или регулирования момента максимального значения давления в цилиндре во время цикла цилиндра могут быть отрегулированы начало впрыска, окончание впрыска и/или количество впрыскиваемого топлива. Кроме того, в ответ на данные о давлении в цилиндре и значения параметров двигателя, определяемых по данным о давлении в цилиндре, также могут быть отрегулированы фазы газораспределения и положение дросселя. Если двигатель является двигателем с искровым зажиганием, момент зажигания также может быть отрегулирован в ответ на данные о давлении в цилиндре. Например, если значение крутящего момента двигателя, рассчитанное по данным о давлении в цилиндре, меньше требуемого значения, количество впрыскиваемого топлива может быть повышено, и также может быть увеличена степень открытия дросселя. Способ 900 заканчивается после регулирования исполнительными механизмами двигателя на основе данных о давлении в цилиндре от выбранных датчиков давления.
Представленный на фиг. 9 способ является предложенным способом работы двигателя, содержащим: оценку работы множества цилиндров двигателя на предмет двух или более цилиндров двигателя, но не всего множества цилиндров двигателя, обеспечивающих наименьшие значения среднеквадратического отклонения, на основе параметра; и установку датчиков давления в два или более цилиндров двигателя, но менее чем во все множество цилиндров двигателя, обеспечивающих наименьшие значения среднеквадратического отклонения, на основе упомянутого параметра. В упомянутом способе два или более цилиндров двигателя могут содержать только два цилиндра двигателя, обеспечивающих наименьшее значение среднеквадратического отклонения, на основе упомянутого параметра. В упомянутом способе оценка работы множества цилиндров двигателя может содержать сравнение оценочных данных о крутящем моменте двигателя на основе датчиков давления в каждом из множества цилиндров двигателя, с измеряемым значением крутящего момента двигателя, причем оценочные данные о крутящем момента двигателя могут содержать оценку значения крутящего момента двигателя для каждого из множества цилиндров двигателя, содержащих датчик давления.
В некоторых примерах, упомянутый способ дополнительно содержит регулирование исполнительного механизма двигателя на основе выходных данных датчиков давления, установленных в двух или более цилиндрах двигателя. В упомянутом способе исполнительным механизмом двигателя может быть топливный инжектор, и способ дополнительно может содержать регулирование топливного инжектора по меньшей мере в одном цилиндре, не содержащем датчика давления, на основе данных от одного или более установленных датчиков давления. В упомянутом способе оценка работы множества цилиндров двигателя может содержать эксплуатацию двигателя, содержащего множество цилиндров двигателя, при множестве значений скорости вращения двигателя и условий нагрузки. В упомянутом способе упомянутым параметром может быть массовая доля сгоревшего топлива.
Кроме того, способ на фиг. 9 является предложенным способом управления работой двигателя, содержащим: установку датчиков в два или более цилиндра двигателя, но менее чем во все цилиндры двигателя, обеспечивающие наименьшие значения среднеквадратического отклонения, на основе параметра; получение в контроллере данных от датчиков; и регулирование работы всех цилиндров на основе только первого из датчиков при первых значениях скорости вращения и нагрузки двигателя. В упомянутом способе управление работой всех цилиндров может осуществляться посредством регулирования количества топлива, впрыскиваемого в каждый из цилиндров двигателя. Упомянутый способ может дополнительно содержать регулирование работы всех цилиндров на основе данных только второго из датчиков при вторых значениях скорости вращения и нагрузки двигателя.
В некоторых примерах, упомянутый способ дополнительно содержит регулирование работы всех цилиндров на основе данных только двух из датчиков при третьих значениях скорости вращения и нагрузки двигателя. В упомянутом способе регулирование работы всех цилиндров может осуществляться посредством регулирования момента впрыска топлива во все цилиндры двигателя. В упомянутом способе датчики могут быть датчиками давления. В упомянутом способе наименьшие значения среднеквадратического отклонения могут быть значениями отклонения крутящего момента двигателя.
Специалисту в уровне техники должно стать очевидно, что способ, раскрытый на фиг. 9, может представлять собой одну или несколько из любого количества стратегий вычислений, таких как основанная на событиях, основанная на прерываниях, многозадачная, многопоточная и тому подобные. Таким образом, различные представленные этапы или функции могут быть выполнены в представленной последовательности, параллельно, или, в некоторых случаях, могут быть опущены. Аналогично, такой порядок обработки не обязателен для достижения целей и преимуществ, раскрытых в настоящей заявке, но приведен для простоты графического представления и описания. Кроме того, способы, раскрытые в настоящей заявке, могут быть набором действий, предпринимаемых контроллером в реальном мире, и команд внутри контроллера. По меньшей мере, часть раскрытых в настоящей заявке способов и алгоритмов управления могут храниться в виде исполняемых команд в долговременной памяти, и могут исполняться системой управления, содержащей контроллер в сочетании с различными датчиками, исполнительными механизмами и другими компонентами двигателя. Несмотря на то, что это не было явно продемонстрировано, специалисту в уровне техники будет очевидно, что одно или несколько описанных действий, способов и/или функций могут быть выполнены повторно в зависимости от конкретной используемой стратегии.
В другом варианте представления, раскрыт способ управления работой двигателя, такого, как дизельный двигатель с впрыском топлива в общую топливную рампу. Упомянутый способ может содержать регулирование работы двигателя на основе измеренного давление в цилиндре. В одном из примеров, давление в цилиндре может быть измерено в некотором множестве отдельных цилиндров двигателя, причем двигатель содержит цилиндров больше, чем упомянутое множество, и при этом цилиндры отличаются от упомянутого множества цилиндров и не содержат датчиков давления в цилиндре. В одном из примеров, количество впрыскиваемого топлива и/или момент впрыска, и т.д., во всех цилиндрах двигателя могут регулироваться на основе данных о давлении в цилиндре от первого из цилиндров при первом режиме (а не на основе данных о давлении в цилиндре от второго из цилиндров), в то время, как при другом, втором режиме, количество впрыскиваемого топлива и/или момент впрыска, и т.д., во всех цилиндрах двигателя могут регулироваться на основе данных о давлении в цилиндре от второго из цилиндров. Кроме того, в третьем режиме, количество впрыскиваемого топлива и/или момент впрыска, и т.д., во всех цилиндрах двигателя могут регулироваться на основе данных о давлении в цилиндре как от первого, так и от второго цилиндра (например, посредством усреднения показаний давления, с учетом угла поворота коленчатого вала). Первый и второй режим могут быть расположены на карте скорости вращения-нагрузки в шахматном порядке, таким образом, что как первому, так и второму режиму, соответствуют множество прерывистых и отдельных не пересекающихся областей. Кроме того, может также быть четвертый режим работы, при котором количество впрыскиваемого топлива и/или моменты впрыска не регулируются на основе измеренных значений давления ни от первого, ни от второго цилиндра (то есть, данные от обоих датчиков игнорируются).
На этом описание закончено. При его чтении специалисту в уровне техники должны стать очевидны многие возможные изменения и модификации, которые могут могут быть осуществлены без отступления от духа и объема изобретения. Например, настоящее изобретение может обеспечить преимущества при его применении в двигателе с одним цилиндром, рядном двухцилиндровом, рядном трехцилиндровом, рядном четырехцилиндровом, рядном пятицилиндровом, V-образном шестицилиндровом, V-образном восьмицилиндровом, V-образном десятицилиндровом, V-образном двенадцатицилиндровом и V-образном шестнадцатицилиндровом двигателях, работающих на природном газе, бензине, дизеле или альтернативном виде топлива.