СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ЗАПУСКА АВТОМОБИЛЯ
METHOD AND DEVICE FOR CONTROL OVER VEHICLE START-UP

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение касается метода и устройства контроля процесса запуска автомобиля, который приводится в движение двигателем внутреннего сгорания с турбонаддувом.
Уровень техники
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС), в частности дизельные двигатели и карбюраторные двигатели, все чаще оснащаются компрессорами для воздуха, подаваемого к двигателю. За счет сжатия воздуха, подаваемого в цилиндр ДВС, можно достичь значительного увеличения мощности. С другой стороны, заданная мощность может быть достигнута двигателем с турбонаддувом с относительно небольшим рабочим объемом двигателя, в результате чего может быть получена достаточно компактная и относительно легкая конструкция, делающая автомобиль более экономичным в плане расхода топлива.
Такие компрессоры могут быть выполнены, например, в виде турбокомпрессоров на выхлопных газах, или компрессоров, приводимых в действие от двигателя. Турбокомпрессоры на выхлопных газах приводятся в действие потоком выхлопных газов от ДВС. Для этой цели турбокомпрессор имеет турбину, которая расположена в потоке выхлопных газов и которая приводит в действие компрессор, выполняющий сжатие воздуха, подаваемого в цилиндр ДВС. Такой компрессор может также приводится в действие двигателем внутреннего сгорания посредством ременного привода или непосредственно от коленчатого вала.
Так как турбокомпрессор на выхлопных газах приводится в действие турбиной, расположенной в потоке выхлопных газов, то эффект сжатия и, следовательно, увеличение мощности ДВС зависят от интенсивности потока выхлопных газов; заметное увеличение крутящего момента, следовательно, происходит только при относительно большом числе оборотов ДВС. Компрессор, который работает от ДВС, может также обеспечить увеличение давления подачи воздуха даже при относительно малой частоте вращения двигателя; при этом такой компрессор требует значительной мощности, которая обеспечивается ДВС.
По этой причине также используют сочетание турбокомпрессора на выхлопных газах с компрессором (часто называемое "механический нагнетатель"), приводимым в действие двигателем внутреннего сгорания, причем оба компрессора работают параллельно друг другу или последовательно. Во избежание потребления мощности компрессором в момент, когда его функция не требуется, можно, например, предусмотреть наличие муфты, которая отсоединяет компрессор в режиме холостого хода ДВС.
При запуске автомобиля обычно наблюдается ситуация, при которой нажимая педаль газа водитель пытается увеличить крутящий момент двигателя для разгона автомобиля, но компрессор или компрессоры для подачи воздуха в цилиндры в результате холостого хода двигателя не находятся в рабочем режиме, при котором к двигателю может быть подан достаточный объем сжатого воздуха. Для этого необходимо, например, достигнуть достаточного числа оборотов турбокомпрессора на выхлопных газах и замкнуть муфту компрессора;
только после достижения соответствующим компрессором достаточного числа оборотов к ДВС может быть подано давление турбонаддува, которое обеспечивает необходимое увеличение крутящего момента или мощности. В случае использования двигателя по причинам экономичности относительно небольшого размера и, для достижения требуемой мощности, наличия в нем одного или нескольких компрессоров для принудительной подачи воздуха, в начале процесса запуска двигателя, следовательно, доступна лишь относительно низкая мощность.
В частности это относится к эксплуатации двигателя в неблагоприятных внешних условиях, при которых ДВС вырабатывает небольшой крутящий момент или пониженную мощность из-за термодинамических условий, таких, например, как снижение давления воздуха на большой высоте над уровнем моря или высокие внешние температуры. Эта проблема особенно ощутима, когда значительный крутящий момент требуется уже при запуске двигателя, если автомобиль находится на подъеме на гору или имеет большую массу, например, в результате наличия прицепа. В таких случаях доступный для запуска крутящий момент часто является недостаточным.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать способ и устройство для контроля запуска автомобиля с двигателем внутреннего сгорания с турбонаддувом, которые позволят устранить указанные выше недостатки.
Раскрытие изобретения
Данная цель достигается за счет применения способа и устройства, которые раскрыты в независимых пунктах формулы изобретения.
В случае автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, подача воздуха к которому осуществляется по меньшей мере одним компрессором, определяют начало процесса запуска двигателя. Это может происходить уже на самом раннем этапе, в частности, до того как водитель сделает запрос на увеличение крутящего момента, например, нажатием педали газа на соответствующую величину.
В соответствии с изобретением считывают по меньшей мере один рабочий параметр и/или по меньшей мере один параметр окружающей среды. Для этого могут быть предусмотрены соответствующие датчики, сигналы от которых считывают и анализируют.По меньшей мере один компрессор включается в заданном режиме в случае отклонения по меньшей мере одного рабочего параметра и/или параметра окружающей среды от заданных значений. Для активации компрессора можно, например, замкнуть муфту, посредством которой компрессор приводится в действие двигателем, или же активировать электрический привод компрессора для приведения его в действие и создания давления наддува. В автомобилях с турбокомпрессором на выхлопных газах и дополнительным компрессором наддувочного воздуха это, в частности, относится к дополнительному компрессору наддувочного воздуха. Диапазон параметров указывает на то, при каких параметрах окружающей среды или рабочих параметрах можно ожидать возможного момента генерации крутящего момента, достаточного для процесса запуска двигателя даже без включения компрессора; если значения параметров выходят за пределы заданного диапазона, возможно будет необходим компрессор для выработки достаточного крутящего момента увеличением давления наддува. Диапазон заданных параметров может быть определен заранее, в частности для автомобиля или для двигателя внутреннего сгорания, или рассчитан с учетом дополнительных параметров для соответствующего процесса запуска. Таким образом, компрессор активируется с упреждением в зависимости от по меньшей мере одного рабочего параметра и/или параметра окружающей среды.
Так как по меньшей мере один компрессор уже активирован на самой ранней стадии, в частности, даже до момента поступления запроса на увеличение крутящего момента, давление наддува, которое требуется для создания увеличенного крутящего момента, доступно в момент времени, когда увеличенный крутящий момент действительно запрошен. Интервал времени между определением начала процесса запуска и запросом крутящего момента, необходимого для запуска, путем соответствующего нажатия педали газа, следовательно, используется для активации компрессора и наращивания давления наддува с целью генерации крутящего момента. В результате этого не происходит заметной задержки между нажатием педали газа и полным откликом двигателя. Так как необходимость компрессора для осуществления процесса запуска определяют до активации по меньшей мере одного компрессора, можно обеспечить активацию компрессора только тогда, когда это должно быть необходимо; в случае процесса запуска, для которого указанный по меньшей мере один компрессор не требуется, компрессор не активируется. Это позволяет избежать ненужного расхода топлива, который имеет место в результате силы торможения компрессора, соединенного с двигателем внутреннего сгорания. Кроме того, при возможности регулирования мощности компрессора, например, с помощью трансмиссии или с помощью электрического привода компрессора, можно обеспечить функционирование компрессора в таком режиме, когда по запросу доступно точно такое давление наддува, которое необходимо, возможно с учетом резерва.
Преимущество описываемого в изобретении способа особенно ощутимо в полуавтоматической трансмиссии или в трансмиссии с двойным выключением сцепления, когда интервалы пробуксовки сцепления могут быть уменьшены, приводя к увеличению срока службы двигателя.
В автомобиле с ручной активацией сцепления, начало процесса запуска двигателя может быть определено по активации сцепления; такая активация происходит, как правило, в тот момент, когда водитель хочет использовать сцепление для начала езды и, следовательно, является подходящим для определения намерения водителя тронуться с места. Если передача уже включена, а педаль сцепления нажата, намерение водителя начать движение может быть тем не менее также определено по началу движения педали сцепления к точке зацепления. Для того чтобы считывать активацию педали сцепления, на ней может быть установлен соответствующий датчик. Начало процесса езды может быть также определено через включение передачи, которое, как правило, имеет место непосредственно перед запуском, после работы автомобиля в холостом режиме или после запуска двигателя.
В автомобиле с автоматической коробкой передач начало движения может быть определено, например, по активации педали газа. Так как автомобиль с автоматической коробкой передач очень часто удерживают в неподвижном состоянии активацией педали тормоза, а педаль газа не активируют до непосредственно начала езды, то это позволяет точно определить начало процесса езды автомобиля. Для того чтобы определить положение педали газа, может быть использован датчик, который в любом случае устанавливается при наличии электронной системы управления двигателем, или может быть использовано полученное измеренное значение. Однако для определения начала процесса езды может быть также использовано отпускание педали тормоза, а так же, например, перевод автоматической коробки передач в режим движения (обычно обозначаемой буквой "D") из нейтрального положения или положения парковки ("N" или "Р"). Для этой цели могут быть установлены соответствующие датчики. В машинах с ручной коробкой передач также может быть целесообразно использовать положение педали газа в дополнение к считыванию данных о включении сцепления или переключении скоростей для определения начала процесса движения автомобиля.
Так как автомобиль в любом случае приводится в движение не сразу после отпускания педали сцепления и/или после включения передачи, то может быть предусмотрен определенный период времени, по истечении которого компрессор снова отключается, если нет дополнительной активации педали сцепления для включения сцепления или если не было активации педали газа. В результате этого может быть достигнуто сокращение потребления энергии, связанного с работой компрессора.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом воплощения изобретения, первый заданный крутящий момент, который может быть выработан без активации по меньшей мере одного компрессора, определяется на основании раннего определения намерения водителя начать движение автомобиля из неподвижного состояния. Первый заданный крутящий момент может быть определен, в частности, заранее, т.е. в период времени, когда указанный крутящий момент еще не был запрошен соответствующим положением педали газа, и когда крутящий момент еще вообще не создан. Далее определяется второй заданный крутящий момент, который необходим для осуществления процесса движения. Второй заданный крутящий момент так же определяется, в частности, в период времени, когда он еще не запрошен, и еще не может быть обеспечен двигателем внутреннего сгорания. По меньшей мере один компрессор активируется в заданном режиме в том случае, если первый заданный крутящий момент меньше, чем второй заданный крутящий момент, т.е. в случае, когда второй заданный крутящий момент не может быть создан без включения компрессора.
В качестве основания для активации компрессора и/или определения первого заданного крутящего момента и второго заданного крутящего момента могут быть оценены различные типы данных, которые могут содержать, в частности, постоянно заданные параметры, которые определены конструкцией двигателя внутреннего сгорания, компрессора и, при необходимости, другими вспомогательными узлами двигателя и дополнительными параметрами, считываемыми с помощью датчиков.
Параметрами окружающей среды, которые могут быть успешно считаны и приняты во внимание, в частности, при определении первого заданного крутящего момента, являются, в частности, давление и/или температура окружающего воздуха. Так как мощность двигателя внутреннего сгорания зависит от сгорания топлива с помощью кислорода, содержащегося в подаваемом в двигатель воздухе, то крутящий момент, создаваемый двигателем внутреннего сгорания, и вырабатываемая им мощность зависят от давления и температуры воздуха, подаваемого в двигатель внутреннего сгорания. Это, в частности, относится и к двигателям внутреннего сгорания с турбонаддувом. Поэтому, принимая во внимание давление воздуха и температуру окружающей среды, можно определить в любых условиях окружающей среды, какой крутящий момент может быть создан двигателем внутреннего сгорания без активирования компрессора и, следовательно, компрессор может быть активирован таким образом, который адаптирован к соответствующим условиям окружающей среды. В частности, это имеет значение в случае, когда автомобиль находится на большой высоте над уровнем моря при существенно пониженном давлении воздуха. Для считывания параметров давления воздуха и температуры воздуха могут быть установлены соответствующие датчики.
Рабочим параметром, который может быть успешно считан и использован, в частности, для определения второго заданного крутящего момента является, например, значение положительного градиента, которое указывает на положительный градиент крутизны склона, на котором должен начинать движение автомобиль. Для считывания положительного градиента можно установить датчик угла наклона, полученное значение от которого может быть, в случае необходимости, скорректировано путем считывания распределения нагрузки между передними и задними осями. Так как необходимый для начала движения крутящий момент зависит от положительного градиента, то активация компрессора в зависимости от значения положительного градиента позволяет также осуществлять удобный и быстрый запуск двигателя на положительных градиентах. При запуске двигателя на участке дороги с отрицательным градиентом или даже на ровной дороге, при определенных условиях можно даже полностью отказаться от использования компрессора.
Другим рабочим параметром, который может быть использован, в частности, для определения второго заданного крутящего момента, является масса автомобиля или масса автомобиля, увеличенная за счет полезного груза. Последняя может быть считана, например, датчиками, которые в большинстве случаев уже имеются в схеме электронных систем управления, например в контроллере динамических параметров движения автомобиля. Так как крутящий момент, который необходим для данного ускорения во время начала движения, зависит от массы автомобиля, то активация компрессора в зависимости от массы автомобиля всегда позволяет выполнять удобный и быстрый запуск.
Еще в одном предпочтительном варианте может быть считана масса прицепа, которую можно использовать для определения второго заданного крутящего момента, поскольку крутящий момент, необходимый для начала движения, может существенно измениться. В данном контексте в большинстве случаев может быть вполне достаточно определить наличие прицепа для инициирования включения компрессора, который является необходимым для данной ситуации.
Еще в одном предпочтительном варианте считывают значение положительного градиента и массу автомобиля, в частности наличие прицепа и нагруженность прицепа. В результате этого, в особо проблемных случаях, когда автомобиль должен трогаться на склоне при наличии загруженного прицепа, необходимая активация компрессора может находиться под контролем и, таким образом, будет обеспечен надежный и быстрый запуск двигателя.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом воплощения изобретения, на основании детектирования начала процесса запуска двигателя активируется пусковой контроллер. Первый заданный крутящий момент может быть определен с учетом пускового контроллера. Пусковой контроллер может в данном случае содержать упреждающий контроллер, с помощью которого, например, при выявлении запланированного начала движения автомобиля, увеличивается число оборотов холостого хода за счет, например, дополнительного открывания дроссельной заслонки или увеличения объема впрыскиваемого топлива. В результате этого может быть обеспечен определенный резерв крутящего момента или дополнительная мощность. Предпочтительно, упреждающий контроллер может быть активирован до включения компрессора. Однако также возможно использовать упреждающий контроллер после активации компрессора или в другой момент времени. Кроме того, пусковой контроллер может содержать, например, антипробуксовочную систему. В частности, в сочетании с таким пусковым контроллером, описываемый в формуле изобретения метод значительно улучшает режим запуска автомобиля из стационарного состояния.
Так как мощность двигателя внутреннего сгорания, которая доступна для начала движения, и/или доступный крутящий момент снижается в результате дополнительных нагрузок, например, таких как компрессор системы кондиционирования воздуха, то может быть целесообразно предусмотреть активацию по меньшей мере одного компрессора для наддува двигателя внутреннего сгорания в зависимости от дополнительных нагрузок на двигатель. В частности, одна или несколько таких дополнительных нагрузок могут быть приняты во внимание при определении второго заданного крутящего момента. В результате этого можно более качественно обеспечить наличие крутящего момента, необходимого для запуска двигателя.
Кроме того или в дополнение к этому, можно обеспечить условия, при которых одна или несколько дополнительных нагрузок двигателя отключают на время процесса запуска двигателя. Благодаря этому двигатель освобождается от нагрузки на время запуска, и в результате этого обеспечивается достаточно высокий крутящий момент для запуска.
В соответствии с изобретением, устройство для контроля процесса запуска автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, наддув которого осуществляется по меньшей мере одним компрессором, содержит средства детектирования для определения начала процесса пуска двигателя, в частности, даже до поступления запроса на увеличение крутящего момента от водителя, а так же средства управления для активирования по меньшей мере одного компрессора. В соответствии с изобретением, устройство содержит дополнительные средства детектирования для считывания по меньшей мере одного рабочего параметра автомобиля и/или по меньшей мере одного параметра окружающей среды; средства управления выполнены таким образом, что в случае отклонения от заданного диапазона хотя бы одного рабочего параметра и/или параметра окружающей среды происходит активация по меньшей мере одного компрессора.
Детектирующие средства для определения процесса запуска двигателя могут включать в себя, например, датчики положения педали газа и/или педали сцепления, и/или рычага переключения скоростей, или рычага управления в автоматической коробке передач. Детектирующие средства могут представлять собой датчики, которые могут также относиться к другим разомкнутым и замкнутым системам управления автомобиля.
Дополнительные детектирующие средства предназначены, в частности, для считывания по меньшей мере одного рабочего параметра автомобиля, такого как, например, масса автомобиля, текущий положительный градиент, при котором находится автомобиль и при котором он должен быть запущен, и/или наличие прицепа и его нагруженности. В дополнение к этому или вместо этого, дополнительные детектирующие средства предназначены для считывания по меньшей мере одного параметра окружающей среды, например давления и/или температуры наружного воздуха.
Средства управления могут, в частности, включать в себя микропроцессор, предназначенный для анализа измеренных параметров, полученных от датчиков и включения компрессора. В частности, средства управления могут входить в состав цифрового контроллера двигателя.
Средства управления могут быть выполнены, например, таким образом, чтобы с учетом данных от дополнительных детектирующих средств можно было заранее определить первый заданный крутящий момент, который может генерироваться без активации по меньшей мере одного компрессора и второго заданного крутящего момента, необходимого для начала движения автомобиля в том случае, если первый заданный крутящий момент меньше, чем второй заданный крутящий момент. Компрессор активируется средствами управления только в случае необходимости создания крутящего момента, требуемого для начала процесса движения автомобиля. Если компрессор не требуется, то он не активируется. В случае необходимости, компрессор может быть активирован таким образом, чтобы генерировать только давление наддува, которое может потребоваться, возможно, с учетом резерва.
В результате этого можно, с одной стороны, свести к минимуму потребление энергии компрессором и, с другой стороны, обеспечить условия, при которых на время запроса увеличения крутящего момента для начала движения, такой крутящий момент может также создаваться двигателем внутреннего сгорания.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет более детально описано на приведенном ниже примере со ссылкой на фигуры, на которых в каждом случае в виде блок-схем показано:
Фиг.1 - последовательность осуществления этапов способа в соответствии с вариантом воплощения изобретения в автомобиле с ручной коробкой передач, и
Фиг.2 - последовательность осуществления этапов способа в соответствии с вариантом воплощения изобретения в автомобиле с автоматической коробкой передач.
Осуществление изобретения
Как показано на примере согласно Фиг.1, процесс запуска автомобиля инициируется водителем с использованием ручной коробки передач, например, путем нажатия на педаль сцепления или включением передачи. Для этой цели на педали сцепления или на рычаге переключения передач установлен датчик, на основании сигнала от которого определяют начало процесса запуска автомобиля. На следующей стадии определяют, находится ли двигатель в режиме холостого хода или нет. Если двигатель еще не работает, то он запускается автоматически.
Соответствующие датчики непрерывно считывают, например через каждые 100 мс, значения давления и температуры окружающего воздуха и текущего положительного градиента и, при необходимости, массы и/или веса автомобиля. Измеренные значения передаются на устройство управления. Устройство управления определяет соответствие или не соответствие измеренных значений соответствующему заданному диапазону значений, который находится в памяти устройства управления. Заданный диапазон представляет собой заранее установленный диапазон соответствующего измеряемого переменного значения, по которому можно предположить, исходя из предшествующих результатов измерений или исходя из модели двигателя автомобиля, что достаточный крутящий момент уже может быть выработан для процесса запуска автомобиля без включения компрессора. Заданный диапазон может быть определен, в частности, по заданным значениям, которые характеризуют условия, при которых достаточный крутящий момент может быть создан даже без включения компрессора, но, при необходимости, с использованием пускового контроллера, например упреждающего контроллера.
Это, в частности, тот случай, когда измеренное давление воздуха р приблизительно соответствует нормальному давлению воздуха на уровне моря, автомобиль находится на ровной дороге (т.е. α=0°), температура Т не превышает заданного значения температуры, а масса автомобиля m не превышает заданного показателя массы. В данном случае для процесса запуска включение компрессора не требуется. Все, что требуется сделать - это включить упреждающий контроллер, который увеличивает число оборотов холостого хода за счет дополнительного открывания дроссельной заслонки или увеличения объема впрыскиваемого топлива, в результате чего обеспечивается резерв крутящего момента. В результате этого может быть создан крутящий момент, который необходим для начала движения автомобиля. При необходимости, для улучшения процесса запуска включается контроллер, предотвращающий пробуксовывание.
При этом отклонение по меньшей мере одного измеренного значения от заданного диапазона, например давление воздуха р значительно ниже давления на уровне моря, или если автомобиль находится под заметным положительным градиентом (α>0°), указывает на то, что крутящий момент, который может быть выработан без включения компрессора, может быть недостаточным для процесса запуска. В данном случае также включается упреждающий контроллер, в результате чего обеспечивается доступный резерв крутящего момента. Кроме того, определяют максимальный крутящий момент, который может вырабатываться без включения компрессора с учетом текущего давления воздуха и текущей температуры, а так же крутящий момент, который необходим для выполнения запуска автомобиля с учетом положительного градиента и массы автомобиля. Если вырабатываемый таким образом крутящий момент является достаточно большим, то включение компрессора необязательно. Однако в случае невозможности генерации необходимого крутящего момента без включения компрессора даже при использовании упреждающего регулирования, т.е. при необходимости увеличения давления подачи воздуха, компрессор включается. Для этой цели, например, может быть замкнута муфта, посредством которой компрессор приводится в действие двигателем. Таким образом, необходимый для запуска автомобиля крутящий момент может быть сгенерирован и при неблагоприятных условиях.
Процесс запуска контролируют на последующих стадиях с помощью системы управления двигателем в соответствии с положением педали газа, при необходимости включая систему предотвращения пробуксовывания. В данном случае, в зависимости от требуемого крутящего момента, возможно включение компрессора в более поздний момент даже при условии, когда компрессор не был включен на описанной ранней стадии благодаря параметрам окружающей среды и/или рабочим параметрам. В конечном итоге достаточный крутящий момент обеспечивается при любых условиях.
0
0
0
0
0
В соответствии со схемой на Фиг.2 начало процесса запуска в автомобиле с автоматической коробкой передач определяется по нажатию педали газа. Если угол наклона х педали газа не превышает заданного предельного значения х, то запуск выполняется без активации компрессора. Аналогичным образом запуск может быть выполнен без активации компрессора в том случае, если скорость нажатия педали газа не превышает предельно допустимого значения u и не включена пониженная передача (кикдаун). В случае несоблюдения одного из этих условий, т.е. если на педаль газа нажимают очень сильно или слишком быстро или включена пониженная передача, то определяют возможное отклонение от соответствующих заданных диапазонов рабочих параметров автомобиля и параметров окружающей среды, которые непрерывно считываются соответствующими датчиками (см. выше). Например, определяют, является ли атмосферное давление р ниже нормального атмосферного давления на уровне моря более, чем на заданную максимальную величину Δр, превышает ли положительный градиент α пороговое значение α и/или температура Т превышает заданную максимальную температуру Т. Если это имеет место, то есть если по меньшей мере одно измеряемое значение отклоняется от заданного диапазона значений, то компрессор активируется. В других случаях компрессор не активируется. Кроме того, может быть использована система упреждающего регулирования.
Процесс запуска контролируют в соответствии с положением педали газа, при необходимости используя дополнительные системы управления. В любом случае существует возможность включения компрессора на более поздней стадии в зависимости от требуемого крутящего момента. Таким образом, достаточный крутящий момент обеспечивается при любых условиях.