ДВИГАТЕЛЬ С НАГНЕТАТЕЛЕМ (ВАРИАНТЫ)
ENGINE WITH SUPERCHARGER (VERSIONS)

Настоящее изобретение относится к технологии распознавания изменения угловой скорости нагнетателя и управления двигателем так, чтобы предотвратить вход нагнетателя в область помпажа в электронно управляемом двигателе с впрыском топлива, снабженном нагнетателем.
В двигателе, по мере увеличения массы всасываемого воздуха, качество сгорающего топлива может улучшаться для повышения мощности. Нагнетатель представляет собой устройство, которое сжимает окружающий воздух для увеличения его плотности и подает его в цилиндр. Например, турбонагнетатель хорошо известен как нагнетатель, который вращает турбину энергией нагнетаемого воздуха и нагнетает его компрессором.
В двигателе, снабженном нагнетателем, давление наддува ограничивается областью помпажа вне зависимости от того, является ли нагнетатель обычным нагнетателем или турбонагнетателем с изменяемой геометрией (VGT). Помпаж - это явление, которое вызывает вибрацию, а также колебания объема воздуха, давления ветра и скорости вращения и, что хуже, вызывает невозможность перемещения, когда нагнетатель эксплуатируется в состоянии подключения центробежного/осевого вентилятора или компрессора и подобных устройств к кабелепроводу для уплотнения объема воздуха сжатием.
Область помпажа присутствует в области высокоскоростного вращения/низкой производительности по воздуху, когда она представлена кривой давления с давлением и объемом воздуха в качестве характеристик нагнетателя. Эта граница области помпажа именуется пределом помпажа. Предел помпажа зависит от уровня давления, конструкции лопастного колеса или моделей нагнетателей и подобных устройств.
Когда нагнетатель эксплуатируется за пределом помпажа, возникает нетипичный звук, вызванный колебанием давления наддува или вибрацией волны давления, что, таким образом, в результате приводит к повреждениям из-за вибрации компрессора. В общем, поскольку двигатели имеют разброс производительности как изделия, количество впрыска двигателя регулируется так, что нагнетатель эксплуатируется в области от предела помпажа до смещения (норма). Из-за необходимости смещения для двигателя движение при малооборотном крутящем моменте было существенно ограничено.
Традиционно существует хорошо известный способ ограничения количества впрыска с использованием датчика давления наддува и подобных устройств, когда нагнетатель вовлечен в состояние помпажа. Однако этот способ может ограничивать количество впрыска, только когда помпаж действительно присутствует. Иными словами, факт должен оставаться фактом, помпаж действительно должен присутствовать, и должен издаваться резкий всасывающий звук и развиваться вибрация нагнетателя. В этом способе присутствует проблема достоверности.
Например, в JP 2003-240788 описано средство для измерения колебания давления нагнетателя и числа оборотов турбины датчиком числа оборотов турбины для управления нагнетателем. Однако средство согласно JP 2003-240788, которое распознает только число оборотов турбины, может снижать на основе числа оборотов смещение, вызываемое помпажом, но не может полностью устранять его. Кроме того, когда во время переходных периодов, например, во время блокировки EGR (система рециркуляции выхлопного газа) или ускорения и замедления, развивается избыточное вращение, число оборотов турбины определяется с ошибками или количество впрыска быстро увеличивается или уменьшается. Таким образом, по-прежнему остается проблема с практической точки зрения.
Дополнительно к этому, датчик числа оборотов турбины, как описано в JP 2003-240788, который принимает сигнал от вала, может измерять только один сигнал на один оборот. При этом датчик не может распознавать помпаж турбины, вызывающий колебания вращения. Более того, в датчике числа оборотов турбины, как описано в JP 2003-240788, высокая пиковая мощность определяется как число оборотов выполнением частотного анализа с учетом возможности того, что сигнал включает помехи. Соответственно, датчик в результате выполняет фильтрование и не может распознавать мгновенное колебание вращения.
Иными словами, поскольку датчики предшествующего уровня техники и датчик числа оборотов турбины, как описано в JP 2003-240788, не могут распознавать точку предела помпажа турбины, двигатель и нагнетатель не могут эффективно эксплуатироваться из-за необходимости в смещении.
Таким образом, решаемая проблема состоит в определении предела помпажа для эффективной эксплуатации двигателя.
Задача, решаемая настоящим изобретением, упомянута выше. Далее описано средство решения задачи.
Согласно первому объекту настоящего изобретения создан двигатель, содержащий нагнетатель, состоящий из компрессора, имеющего множество лопастей на турбинном валу, и турбины, содержащий, по меньшей мере, одно средство пошагового перемещения, расположенное на турбинном валу или лопастях, средство распознавания, которое распознает вращение средства пошагового перемещения и вращение множества лопастей соответственно и которое соединено со средством управления, средство вычисления угловой скорости турбины, которое вычисляет угловую скорость, принимая множество импульсов на один оборот турбинного вала, средство распознавания помпажа нагнетателя, которое определяет, что нагнетатель приближается к области помпажа, когда амплитудная величина угловой скорости турбины переходит заданный порог, и средство предотвращения помпажа, которое осуществляет управление так, что, по меньшей мере, один выходной поток из количества впрыска топлива, давления впрыска топлива или времени впрыска топлива снижается, когда эксплуатация нагнетателя приближается к области помпажа.
Согласно второму объекту настоящего изобретения создан двигатель, содержащий нагнетатель, состоящий из компрессора, имеющего множество лопастей на турбинном валу, и турбины, содержащий, по меньшей мере, одно средство пошагового перемещения, расположенное на турбинном валу или лопастях, средство распознавания, которое распознает вращение средства пошагового перемещения и вращение множества лопастей соответственно и которое соединено со средством управления, средство вычисления угловой скорости турбины, которое вычисляет угловую скорость, принимая множество импульсов на один оборот турбинного вала, средство распознавания помпажа нагнетателя, которое определяет, что нагнетатель приближается к области помпажа, когда амплитудная величина угловой скорости турбины переходит заданный порог, средство распознавания нагрузки двигателя для распознавания нагрузки двигателя, средство распознавания числа оборотов двигателя для распознавания числа оборотов двигателя, карту требуемых амплитудных величин угловой скорости, которая запоминает в запоминающем устройстве заданный порог угловой скорости турбины на основе нагрузки двигателя и числа оборотов двигателя, средство управления, которое определяет, что эксплуатация нагнетателя приближается к области помпажа, когда угловая скорость турбины выходит за пределы требуемой амплитудной величины угловой скорости, и средство предотвращения помпажа, которое осуществляет управление так, что, по меньшей мере, один выходной поток из количества впрыска топлива, давления впрыска топлива или времени впрыска топлива снижается, когда эксплуатация нагнетателя приближается к области помпажа.
Согласно третьему объекту настоящего изобретения создан двигатель, содержащий нагнетатель, состоящий из компрессора, имеющего множество лопастей на турбинном валу, и турбины, содержащий, по меньшей мере, одно средство пошагового перемещения, расположенное на турбинном валу или лопастях, средство распознавания, которое распознает вращение средства пошагового перемещения и вращение множества лопастей соответственно и которое соединено со средством управления, средство вычисления угловой скорости турбины, которое вычисляет угловую скорость, принимая множество импульсов на один оборот турбинного вала, средство распознавания нагрузки двигателя для распознавания нагрузки двигателя, средство распознавания числа оборотов двигателя для распознавания числа оборотов двигателя, требуемую предварительную установку требуемого порога числа оборотов турбины с использованием нагрузки двигателя и числа оборотов двигателя и средство распознавания неисправностей нагнетателя, которое определяет, что нагнетатель неисправен, когда число оборотов турбины, определяемое средством распознавания угловой скорости турбины, находится за пределами требуемого порога числа оборотов турбины в состоянии двигателя, основанном на нагрузке двигателя, определяемой средством распознавания нагрузки двигателя, и на числе оборотов двигателя, определяемом средством распознавания числа оборотов двигателя.
Согласно четвертому объекту настоящего изобретения создан двигатель, содержащий нагнетатель, состоящий из компрессора, имеющего множество лопастей на турбинном валу, и турбины, содержащий, по меньшей мере, одно средство пошагового перемещения, расположенное на турбинном валу или лопастях, средство распознавания, которое распознает вращение средства пошагового перемещения и вращение множества лопастей соответственно и которое соединено со средством управления, средство вычисления угловой скорости турбины, которое вычисляет угловую скорость, принимая множество импульсов на один оборот турбинного вала, средство распознавания нагрузки двигателя для распознавания нагрузки двигателя, средство распознавания числа оборотов двигателя для распознавания числа оборотов двигателя, требуемую предварительную установку требуемого порога числа оборотов турбины с использованием нагрузки двигателя и числа оборотов двигателя и средство распознавания неисправностей нагнетателя, которое определяет, что нагнетатель неисправен, когда число оборотов турбины, определяемое средством распознавания угловой скорости турбины, находится за пределами требуемого порога числа оборотов турбины в состоянии двигателя, основанном на нагрузке двигателя, определяемой средством распознавания нагрузки двигателя, и на числе оборотов двигателя, определяемом средством распознавания числа оборотов двигателя, при этом величина импульса, получаемая средством распознавания, вычисляется как угловая скорость турбины средством распознавания угловой скорости турбины, а число оборотов турбины (средняя угловая скорость турбины) вычисляется, когда угловая скорость турбины постоянна.
Согласно пятому объекту настоящего изобретения создан двигатель, содержащий нагнетатель, состоящий из компрессора, имеющего множество лопастей на турбинном валу, и турбины, содержащий, по меньшей мере, одно средство пошагового перемещения, расположенное на турбинном валу или лопастях, средство распознавания, которое распознает вращение средства пошагового перемещения и вращение множества лопастей соответственно и которое соединено со средством управления, средство вычисления угловой скорости турбины, которое вычисляет угловую скорость, принимая множество импульсов на один оборот турбинного вала, средство управления, при этом угловая скорость турбины определяется как абсолютная величина угловой скорости турбины или как относительная величина к средней угловой скорости турбины, средство распознавания нагрузки двигателя для распознавания нагрузки двигателя, средство распознавания числа оборотов двигателя для распознавания числа оборотов двигателя, требуемую предварительную установку требуемого порога числа оборотов турбины с использованием нагрузки двигателя и числа оборотов двигателя и средство распознавания неисправностей нагнетателя, которое определяет, что нагнетатель неисправен, когда число оборотов турбины, определяемое средством распознавания угловой скорости турбины, находится за пределами требуемого порога числа оборотов турбины в состоянии двигателя, основанном на нагрузке двигателя, определяемой средством распознавания нагрузки двигателя, и на числе оборотов двигателя, определяемом средством распознавания числа оборотов двигателя. Настоящее изобретение обеспечивает следующие результаты. В настоящем изобретении может быть легко определено изменение угловой скорости за один оборот нагнетателя. Угловая скорость турбины может быть требуемым образом распознана с использованием средства распознавания со снабжением лопастей средством пошагового перемещения, что снижает стоимость.
В настоящем изобретении средство распознавания угловой скорости турбины и традиционное средство распознавания угловой скорости турбины могут быть задублированы. Другими словами, повышается многофункциональность указанного средства и, следовательно, уменьшается стоимость.
В настоящем изобретении вычисленная величина угловой скорости турбины может быть легко применена к другому органу управления, что повышает многофункциональность.
В настоящем изобретении может быть определено, что нагнетатель приближается к пределу помпажа благодаря колебанию угловой скорости турбины. Другими словами, смещение для области помпажа не требуется, или граничный допустимый диапазон области помпажа может быть сведен к минимуму, что обеспечивает эффективную эксплуатацию двигателя.
В настоящем изобретении может быть наглядно определено, приближается ли нагнетатель к области помпажа более, чем когда-либо прежде, и тем самым выполняется предотвращение помпажа в соответствии с состоянием двигателя, т.е. улучшение эксплуатационных качеств двигателя.
В настоящем изобретении, когда эксплуатация турбины приближается к границе помпажа, эксплуатацию в области помпажа можно предотвратить, немедленно выполнив управление впрыска топлива. Другими словами, можно предотвратить вход эксплуатации в область помпажа, тем самым повысив надежность двигателя.
В настоящем изобретении легко может быть определена неисправность двигателя, что повышает надежность эксплуатации турбины.
В настоящем изобретении число оборотов турбины пропорционально (или обратно пропорционально, в зависимости от системы) количеству EGR, что улучшает эксплуатационные качества двигателя. Отклик на количество EGR более благоприятен для распознавания числа оборотов, пропорционального количеству EGR, по сравнению с температурным датчиком или датчиком давления, что улучшает управляемость двигателя.
В настоящем изобретении возможна эксплуатация на основе числа оборотов и нагрузки во время эксплуатации со снижением номинальных характеристик с заменой числа оборотов турбины на нагрузку. Соответственно, эксплуатация со снижением номинальных характеристик может выполняться с учетом нагрузки, что повышает безопасность двигателя.
В настоящем изобретении управление впрыском топлива на основе нагрузки во время передвижения с отключенными цилиндрами может выполняться заменой числа оборотов двигателя на нагрузку. Соответственно, безопасность двигателя может быть повышена.
Далее, настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схема системной конфигурации четырехцилиндрового дизельного двигателя, снабженного нагнетателем, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 - схема конструкции в разрезе компрессора нагнетателя согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.3 - схема, показывающая конструкцию устройства распознавания угловой скорости турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4 - график, показывающий изменение в импульсном интервале на импульс;
Фиг.5 - график, показывающий другое изменение в импульсном интервале на импульс;
Фиг.6 - график, показывающий область помпажа в корреляции между объемом воздуха и давлением;
Фиг.7 - картограмма, показывающая требуемую угловую скорость турбины на основе числа оборотов двигателя и нагрузки двигателя;
Фиг.8 - блок-схема управления предотвращением помпажа;
Фиг.9 - картограмма, показывающая требуемое количество впрыска топлива на основе числа оборотов двигателя и нагрузки двигателя;
Фиг.10 - картограмма, показывающая требуемую область числа оборотов двигателя на основе числа оборотов двигателя и нагрузки двигателя;
Фиг.11 - блок-схема распознавания неисправностей нагнетателя;
Фиг.12 - график, показывающий корреляцию между числом оборотов двигателя и количеством EGR;
Фиг.13 - схема конструкции системы LPL как системы EGR;
Фиг.14 - график, показывающий корреляцию между числом оборотов двигателя и количеством EGR в системе LPL;
Фиг.15 - график, показывающий корреляцию между числом оборотов двигателя, а также числом оборотов турбины и временем в средстве снижения номинальных характеристик;
Фиг.16 - график, показывающий корреляцию между числом оборотов двигателя, а также числом оборотов турбины и ускорением в средстве снижения номинальных характеристик; и
Фиг.17 - схема системной конфигурации четырехцилиндрового дизельного двигателя во время передвижения с отключенными цилиндрами.
На чертежах ссылочной позицией 1 обозначен двигатель, 40 - нагнетатель, 41 - компрессор, 42 - турбина, 44 - средство пошагового перемещения, 60 - БУД (блок управления двигателем) и 62 - датчик угловой скорости турбины.
Далее описаны варианты осуществления настоящего изобретения.
Фиг.1 представляет собой схему системной конфигурации четырехцилиндрового дизельного двигателя, снабженного нагнетателем, согласно варианту осуществления настоящего изобретения; Фиг.2 - схему конструкции в разрезе компрессора нагнетателя согласно варианту осуществления настоящего изобретения; а Фиг.3 - схему, показывающую конструкцию устройства распознавания угловой скорости турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 иллюстрирует график, показывающий изменение в импульсном интервале на импульс; Фиг.5 - график, показывающий другое изменение в импульсном интервале на импульс; а Фиг.6 - график, показывающий область помпажа в корреляции между объемом воздуха и давлением.
Фиг.7 является картограммой, показывающей требуемую угловую скорость турбины на основе числа оборотов двигателя и нагрузки двигателя; Фиг.8 - блок-схемой управления предотвращением помпажа; а Фиг.9 - картограммой, показывающей требуемое количество впрыска топлива на основе числа оборотов двигателя и нагрузки двигателя.
Фиг.10 представляет собой картограмму, показывающую требуемую область числа оборотов двигателя на основе числа оборотов двигателя и нагрузки двигателя.
Фиг.11 является блок-схемой распознавания неисправностей нагнетателя; а Фиг.12 - графиком, показывающим корреляцию между числом оборотов двигателя и количеством EGR.
Фиг.13 иллюстрирует схему конструкции системы LPL как системы EGR; Фиг.14 - график, показывающий корреляцию между числом оборотов двигателя и количеством EGR в системе LPL; a Фиг.15 - график, показывающий корреляцию между числом оборотов двигателя, а также числом оборотов турбины и временем в средстве снижения номинальных характеристик.
Фиг.16 иллюстрирует график, показывающий корреляцию между числом оборотов двигателя, а также числом оборотов турбины и ускорением в средстве снижения номинальных характеристик; а Фиг.17 - схему системной конфигурации четырехцилиндрового дизельного двигателя во время передвижения с отключенными цилиндрами.
Далее описан четырехцилиндровый дизельный двигатель 1, снабженный нагнетателем 40, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Как показано на Фиг.1, дизельный двигатель 1 (здесь и далее именуемый просто "двигатель") представляет собой четырехцилиндровый двигатель, снабженный четырьмя цилиндрами 91, 92, 93 и 94. Двигатель 1 включает в себя первый цилиндр 91, второй цилиндр 92, третий цилиндр 93 и четвертый цилиндр 94. В соответствующих цилиндрах 91-94 предусмотрены инжекторы 81, 82, 83 и 84 для впрыска топлива. Топливо подается из топливного насоса 2, соединенного с топливным баком (не показан), и скапливается в аккумуляторной топливной системе 3 для подачи на соответствующие инжекторы 81-84. Аккумуляторная топливная система 3 выполнена так, что давление топлива в аккумуляторной топливной системе 52 достигает расчетного давления впрыска топлива благодаря приспособлению ре циркулирующего топлива к клапану 4 регулирования давления или выпускной трубе (не показана).
Далее описана система впуска двигателя 1. С одной стороны двигателя 1 предусмотрен впускной трубопровод (заборный трубопровод) 10. Заборный трубопровод 10 соединен с дальней стороной заборного канала 11. Заборный канал 11 соединен с заборным трубопроводом 10 через воздушный фильтр 13, компрессор 41, предусмотренный в нагнетателе 40, и промежуточный теплообменник 12. Соответственно, окружающий воздух вводится в заборный канал 11 и подается на соответствующие цилиндры 91-94 заборным трубопроводом 10. С дальней стороны промежуточного теплообменника 12 в заборном канале 11 предусмотрен дроссельный регулятор 5.
Дополнительно описана выхлопная система двигателя 1. Трубопровод 20 нагнетаемого воздуха (выхлопной трубопровод) размещен с противоположной стороны заборного трубопровода 10 двигателя 1. Выхлопной трубопровод 20 соединен с ближней стороной выхлопного канала 21. Выхлопной канал 21 соединен с выхлопным трубопроводом 20 через выхлопной очистной фильтр 22 и турбину 42, предусмотренную в нагнетателе 40. На выхлопном очистном фильтре поддерживается катализатор 23. Соответственно, выхлопной газ вводится из соответствующих цилиндров 91-94 в выхлопной канал 21 через выхлопной трубопровод 20 и выводится наружу двигателя 1.
Далее описана система 50 рециркуляции выхлопного газа (здесь и далее именуемая просто "система EGR"), предусмотренная в двигателе 1. Система 50 EGR представляет собой устройство, которое подает часть выхлопного газа обратно в систему впуска для восстановления оксидов азота (Nox). Система 50 EGR соединена с заборным каналом 11 и выхлопным каналом 21. Канал 51 EGR соединяет выхлопной трубопровод 20 с заборным каналом 11 дальше по ходу от дроссельного регулятора 5. Канал 51 EGR включает теплообменник 52 для EGR, который охлаждает газ EGR (выхлопной газ) из выхлопного трубопровода 20 и клапана 53 EGR, который регулирует объемы рециркуляции газа EGR.
Далее описан блок управления двигателем (БУД) 60 как средство управления, которое полностью управляет двигателем 1. БУД 60 включает в себя ЦП (центральный процессор), ОЗУ и ПЗУ или подобные устройства и программы, и карты, которые предварительно сохранены в нем. БУД 60 является устройством управления, которое выполняет различные операции арифметической обработки на основе сигналов от датчиков или подобных устройств и которое передает управляющий сигнал на соответствующие приводы. БУД 60 дублируется как средство коррекции для предварительно сохраненной программы.
Как показано на Фиг.1, в настоящем варианте осуществления датчик 61 давления аккумуляторной топливной системы, датчик 62 угловой скорости турбины, датчик 63 степени открытия акселератора и датчик 64 числа оборотов двигателя соединены с БУД 60 как датчики для распознавания состояния двигателя 1. Датчик 61 давления аккумуляторной топливной системы распознает давление аккумуляторной топливной системы 3. Датчик 62 угловой скорости турбины распознает число оборотов турбины и угловую скорость турбины компрессора 41 нагнетателя 40. Датчик 63 степени открытия акселератора распознает нагрузку двигателя и подобные параметры. Датчик 64 числа оборотов двигателя распознает число оборотов двигателя. Соответствующие инжекторы (соленоиды) 81-84, топливный насос 2, клапан 4 регулирования давления (соленоид) и клапан 53 EGR (соленоид) соединены с БУД 60 как приводы, управляющие двигателем 1.
Далее подробно описана конфигурация датчика 62 угловой скорости турбины согласно настоящему изобретению. Как показано на Фиг.1, нагнетатель 40 включает выхлопную турбину 42, имеющую множество лопастей на турбинном валу, и компрессор 41, имеющий множество лопастей. Нагнетатель 40 с возможностью вращения встроен в шасси и сконструирован так, что турбина 42, предусмотренная в выхлопном канале 21, и компрессор 41, предусмотренный в заборном канале 11, способны вращаться как неотъемлемые части в одном направлении. Благодаря упомянутой выше конструкции, турбина 42, приводимая в действие выхлопным газом, приводит в действие компрессор 41, таким образом, подавая сжатый воздух для повышения количества кислорода.
Как показано на Фиг.2, датчик 62 угловой скорости турбины представляет собой средство вычисления угловой скорости турбины, которое вычисляет угловую скорость, принимая множество импульсов на один оборот турбинного вала. Датчик 62 угловой скорости турбины предусмотрен на наружном выступе 43 со стороны компрессора 41 в нагнетателе 40. Датчик 62 угловой скорости турбины представляет собой высокочувствительный датчик зазора и реагирует с алюминиевыми материалами. Каждая из лопастей 45а, 45b, 45с, 45h компрессора 41 имеет средство 44 пошагового перемещения, выполненное из алюминия, соответственно. В настоящем варианте осуществления восемь лопастей 45 имеют средство 44 пошагового перемещения. Благодаря упомянутой выше конструкции, датчик 62 угловой скорости турбины распознает средство 44 пошагового перемещения каждый раз, когда лопасти 45 компрессора 41 проходят через него, таким образом, распознавая проход (число оборотов) лопастей 45.
Далее подробно описано распознавание датчика 62 угловой скорости турбины. Как показано на Фиг.3, усилитель 65 преобразования TTL (транзисторно-транзисторная логика) является средством преобразования, встроенным в БУД 60. Преобразование TTL преобразует информацию, например, 1 или 0, в физический объект, например, электрический импульс. Более конкретно, преобразование TTL преобразует бинарное число 1 в напряжение +5 В или 3,3 В и преобразует бинарное число 0 в напряжение 0 В. Таким образом, преобразование TTL передает электрический сигнал в соответствии с уровнем напряжения. Электрический сигнал, включающий восемь импульсов сигналов на один оборот, передается в БУД 70, поскольку компрессор 41 настоящего варианта осуществления включает восемь лопастей 45. Соответственно, средство 44 пошагового перемещения, распознаваемое датчиком 62 угловой скорости турбины, преобразуется в импульсный сигнал усилителем 65 преобразования TTL и передается в БУД 70.
Далее описано вычисление угловой скорости турбины и числа оборотов турбины. БУД 70 преобразует импульсный интервал, который распознается датчиком 62 угловой скорости турбины и преобразуется преобразованием TTL в угловую скорость или среднее число оборотов. Как показано на Фиг.4 и 5, БУД 60 вычисляет изменения угловой скорости турбины, когда количество импульсов отображено на горизонтальной шкале, а импульсный интервал отображен на вертикальной шкале. Иными словами, БУД 60 вычисляет угловую скорость в безразмерном виде.
Как показано на Фиг.4, БУД 60 вычисляет амплитудную величину ωс, когда угловая скорость турбины ω колеблется (как описано здесь и ниже, когда эксплуатация нагнетателя 40 приближается к области помпажа). БУД 60 может вычислять амплитудную величину ωс как относительную величину к упоминаемой далее средней угловой скорости ωm (см. Фиг.4) или может напрямую вычислять ее как абсолютную величину ωс.
Как дополнительно показано на Фиг.5, когда угловая скорость турбины ω постоянна, т.е. если компрессор 41 не имеет колебания вращения, амплитудная величина ωс постоянна. В этом случае БУД 60 вычисляет величину интеграла ωс как среднюю угловую скорость ωm, т.е. число оборотов турбины Nt.
Соответственно, вычисление угловой скорости турбины ω в безразмерном виде приводит к следующим преимуществам по сравнению со средством для вычисления угловой скорости турбины для нормального времени. Иными словами, традиционно, например, среднее число оборотов турбины необходимо было вычислять с использованием формулы "число оборотов N = частота импульсов F/количество лопастей Z". Таким образом, каждый раз, когда количество лопастей компрессора меняется, необходима установка вычисления. Поскольку датчик 62 угловой скорости турбины настоящего изобретения вычисляет угловую скорость турбины в безразмерном виде, угловая скорость может вычисляться вне зависимости от количества лопастей. Угловая скорость ω может вычисляться только по интервалу импульсов к количеству импульсов, что улучшает скорость вычисления по сравнению с традиционными средствами.
Далее описано возникновение помпажа во время эксплуатации нагнетателя 40. Помпаж представляет собой явление, которое порождает вибрацию, а также колебания объема воздуха, давления ветра и скорости вращения и, что хуже, вызывает невозможность передвижения, когда нагнетатель эксплуатируется в состоянии подключения вентилятора или подобных устройств к кабелепроводу для уплотнения объема воздуха сжатием.
Как показано на Фиг.6, в нагнетателе 40 область помпажа, где развивается помпаж, присутствует в области высокоскоростного вращения/низкой производительности по воздуху, когда характеристики нагнетателя 40 представлены кривой давления с давлением и объемом воздуха (область α на Фиг.6). Эта граница области помпажа именуется пределом помпажа (сплошная линия на Фиг.6). Предел помпажа зависит от уровня давления, конструкции лопастного колеса или моделей нагнетателей и подобных устройств.
Когда нагнетатель 40 эксплуатируется за пределами помпажа, возникает нетипичный звук, вызванный колебанием давления наддува или вибрацией волны давления, что, таким образом, в результате приводит к повреждениям из-за вибрации компрессора. В общем, поскольку двигатели имеют разброс производительности как изделия, количество впрыска двигателя регулируется так, что нагнетатель эксплуатируется в области от предела помпажа до смещения (норма) (например, пунктирная линия В на Фиг.6). Другими словами, в двигателе 1, снабженном нагнетателем 40, давление наддува ограничивается областью помпажа и смещением границы помпажа. Нагнетатель, давление наддува которого ограничивается областью помпажа, может относиться к традиционному обычному типу или быть турбонагнетателем с изменяемой геометрией (VGT).
Далее описано средство распознавания помпажа с использованием средства распознавания угловой скорости турбины. Средство распознавания помпажа представляет собой средство распознавания того, что эксплуатация нагнетателя приближается к области помпажа, с помощью датчика 62 угловой скорости турбины. Как показано на Фиг.7, БУД 60 предварительно передает в запоминающее устройство требуемую амплитудную величину угловой скорости ωа в соответствии с состоянием двигателя, состоящим из нагрузки двигателя и числа оборотов двигателя 1, в виде карт для каждой нагрузки двигателя и числа оборотов двигателя. Требуемая амплитудная величина угловой скорости ωа устанавливается так, чтобы иметь заданные потери рабочего времени больше, чем амплитудная величина угловой скорости на границе помпажа нагнетателя 40. Эта переданная в запоминающее устройство карта определяется как карта 71 требуемой амплитудной величины угловой скорости.
Благодаря упомянутой выше конструкции, БУД 60 может сравнивать текущую амплитудную величину угловой скорости ωL, распознаваемую датчиком 62 угловой скорости турбины нагнетателя 40, с требуемой амплитудной величиной угловой скорости ωа, получаемой по предварительно переданной в запоминающее устройство карте 71 требуемой амплитудной величиной угловой скорости на основе текущей нагрузки двигателя, определяемой датчиком 63 степени открытия акселератора и текущего числа оборотов двигателя, определяемого датчиком 64 числа оборотов двигателя.
В области помпажа нагнетатель 40 принимает колебание вращения с сильным колебанием давления и сильной вибрацией самого компрессора. Это колебание вращения возникает, когда нагнетатель 40 приближается к границе помпажа. Иными словами, когда амплитудная величина угловой скорости ωс присутствующего нагнетателя 40 составляет требуемую амплитудную величину угловой скорости ωа или более, БУД 60 может распознать, что нагнетатель 40 приближается к границе помпажа.
Соответственно, БУД 60 может распознать в последнюю минуту, что нагнетатель 40 приближается к области помпажа, постоянно распознавая амплитудную величину угловой скорости нагнетателя 40 и сравнивая ее с картой 71 требуемой амплитудной величины угловой скорости. Характеристикой средства распознавания помпажа является то, что оно может не учитывать традиционное смещение. Таким образом, нагнетатель 40 может эксплуатироваться, пока он не приблизится к границе помпажа, что улучшает эксплуатационные характеристики нагнетателя 40. Соответственно, может эффективно эксплуатироваться двигатель 1.
Далее описано средство предотвращения помпажа, которое предотвращает эксплуатацию нагнетателя 40 в области помпажа, когда средство распознавания помпажа распознает, что нагнетатель 40 приближается к границе помпажа. Когда нагнетатель 40 приближается к области помпажа, необходимо снижать энергию выхлопа сокращением количества впрыска топлива или ускорением времени впрыска.
Далее, со ссылкой на Фиг.8, конкретно описано управление 100 предотвращением помпажа, которое снижает количество впрыска топлива. БУД 60 распознает амплитудную величину угловой скорости ω с помощью датчика 62 угловой скорости турбины (S, этап 101). БУД 60 распознает число оборотов двигателя Ne с помощью датчика 64 числа оборотов двигателя и нагрузку двигателя Ас с помощью датчика 63 степени открытия акселератора. БУД 60 вычисляет требуемую амплитудную величину угловой скорости ωа с использованием числа оборотов двигателя Ne и нагрузки двигателя Ас (S, этап 102). Далее БУД 60 вычисляет сравнительную расчетную величину D (D=(ωc-ωa) и сравнивает амплитудную величину угловой скорости ωс с требуемой амплитудной величиной угловой скорости ωа (S, этап 103). Когда сравнительная расчетная величина D составляет 0 или более (S, этап 104), БУД 60 снижает количество впрыска топлива Q (S, этап 105). Когда сравнительная расчетная величина D составляет 0 или менее, БУД 60 выходит из управления 100 предотвращением помпажа (S, этап 106).
В управлении предотвращением помпажа настоящего варианта осуществления средство предотвращения помпажа определяется как средство для снижения количества впрыска топлива, хотя средство предотвращения помпажа не ограничивается настоящим вариантом осуществления. Например, средство предотвращения помпажа может быть средством для снижения энергии выхлопа, например, снижения давления впрыска топлива аккумуляторной топливной системы 3 или ускорения времени впрыска топлива. Когда средство предотвращения помпажа распознает, что нагнетатель 40 приближается к границе помпажа, с помощью датчика 62 угловой скорости турбины, и принимаются меры по снижению энергии выхлопа, может быть достигнут такой же эффект, как в настоящем варианте осуществления. Соответственно, благодаря использованию средства предотвращения помпажа может быть повышена надежность двигателя 1.
Далее описано средство коррекции управления впрыском топлива после предотвращения помпажа средством предотвращения помпажа. Средство коррекции управления впрыском топлива - это средство для коррекции одного измененного параметра из следующих: количества впрыска топлива, давления впрыска топлива и времени впрыска топлива. В общем, как показано на Фиг.9, БУД 60 предварительно передает в запоминающее устройство требуемое количество впрыска топлива Q в соответствии с состоянием двигателя, состоящим из нагрузки двигателя Ас и числа оборотов двигателя Ne, как карты для каждой нагрузки двигателя Ас и числа оборотов двигателя Ne. Эта переданная в запоминающее устройство карта определяется как карта 72 требуемого количества впрыска топлива.
Когда количество впрыска топлива Q снижается с использованием средства предотвращения помпажа, БУД 60 корректирует карту 72 требуемого количества впрыска топлива. Средство коррекции может быть средством коррекции для непосредственной перезаписи сниженного количества впрыска топлива Q или средством коррекции для добавления потерь рабочего времени к сниженному количеству впрыска топлива Q для дальнейшей перезаписи сниженного количества. Диапазон коррекции может составлять коррекцию всей карты 72 требуемого количества впрыска топлива или только состояния двигателя, состоящего из нагрузки двигателя Ас и числа оборотов двигателя Ne, для которого было применено средство предотвращения помпажа.
Соответственно, поскольку средство предотвращения, выполняемое средством предотвращения помпажа, передается в запоминающее устройство, может быть повышена надежность двигателя 1. Попутно, в настоящем варианте осуществления корректируется карта 72 требуемого количества впрыска топлива, но поскольку средство предотвращения помпажа является средством для снижения давления впрыска топлива или для ускорения времени впрыска топлива, карты могут корректироваться в соответствии с их средствами предотвращения.
Далее описано средство распознавания неисправностей нагнетателя, использующее средство распознавания угловой скорости турбины. Средство распознавания неисправностей нагнетателя является средством для распознавания неисправностей нагнетателя 40 с помощью датчика 62 угловой скорости турбины. Как показано на Фиг.10, БУД 60 предварительно передает в запоминающее устройство требуемый диапазон числа оборотов турбины Nt в соответствии с состоянием двигателя, состоящим из нагрузки двигателя Ас и числа оборотов двигателя Ne двигателя 1, как карты для каждой нагрузки двигателя Ас и числа оборотов двигателя Ne. Эта переданная в запоминающее устройство карта определяется как карта 73 требуемого диапазона числа оборотов турбины.
Как показано на Фиг.11, далее конкретно описано управление распознаванием неисправностей нагнетателя (S, этап 200) как средство распознавания неисправностей нагнетателя с использованием карты 73 требуемого диапазона числа оборотов турбины. БУД 60 распознает число оборотов турбины Nt с помощью датчика 62 угловой скорости турбины (S, этап 201). БУД 60 распознает число оборотов двигателя Ne с помощью датчика 64 числа оборотов двигателя и нагрузку двигателя Ас с помощью датчика 63 степени открытия акселератора. БУД 60 вычисляет требуемые диапазоны числа оборотов турбины Na-Nb с использованием числа оборотов двигателя Ne и нагрузки двигателя Ac (S, этап 202). БУД 60 определяет, что число оборотов турбины Nt нормально, если оно находится в пределах требуемых диапазонов числа оборотов турбины Na-Nb (S, этап 203) и выходит из управления распознаванием неисправностей нагнетателя (S, этап 204). БУД 60 определяет, что число оборотов турбины Nt отклоняется от нормы, если оно не находится в пределах требуемых диапазонов числа оборотов турбины Na-Nb (S, этап 205).
БУД 60 может определять неисправности за исключением помпажа турбины, например, внедрение топлива в цилиндры, отклонение от нормы количества впрыска и заедание турбины, с помощью датчика 62 угловой скорости турбины. Когда возникают эти неисправности, например, когда возникает неисправность, связанная с введением топлива в цилиндры, число оборотов турбины увеличивается, причем число оборотов турбины увеличивается и уменьшается из-за отклонения от нормы количества впрыска, и число оборотов турбины уменьшается из-за заедания турбины, и неисправности распознаются с использованием той же блок-схемы, описанной ранее, передачей в запоминающее устройство соответствующих отклоняющихся от нормы диапазонов числа оборотов. Соответственно, может быть повышена надежность двигателя 1.
Далее описано средство управления количеством EGR с использованием средства распознавания угловой скорости турбины. Как показано на Фиг.1, в настоящем варианте осуществления двигатель 1 снабжен системой 50 EGR. Количество EGR является количеством выхлопного газа для направления оксидов азота (Nox) обратно на сторону системы впуска для их восстановления.
Как показано на Фиг.12, известно, что количество EGR пропорционально числу оборотов турбины. Средство управления количеством EGR является средством для управления количеством EGR предварительной передачей в запоминающее устройство корреляции (пропорции) между количеством EGR и числом оборотов турбины. Другими словами, число оборотов турбины, определяемое датчиком 62 угловой скорости турбины, заменяется на количество EGR. В настоящем варианте осуществления конкретное содержание управления специально не ограничивается. Например, могут выполняться такие операции управления, как пропускание в обратном направлении заданного количества EGR и подобные способы для восстановления оксидов азота (NOx).
Благодаря упомянутой выше конструкции могут быть достигнуты следующие преимущества по сравнению со средством распознавания количества EGR с использованием традиционного датчика λ или датчика воздушного потока. В этом отношении, поскольку датчик Х или датчик воздушного потока подвергается воздействию морской атмосферы в двигателях, установленных на судах и т.п., он обладает сниженной надежностью из-за повреждений от соленой воды. Датчик давления и подобные устройства, измеряющие выхлопной газ, обладают сниженной точностью управления. Поскольку средство управления количеством EGR настоящего изобретения может распознавать количество EGR только с помощью датчика 62 угловой скорости турбины, предусмотренного в нагнетателе, дополнительные датчики не нужны. Замена на количество EGR показаний датчика 62 угловой скорости турбины может обеспечивать более точное распознавание количества EGR, чем распознавание температуры и давления. Соответственно, улучшается управляемость двигателя 1.
Далее описана система EGR, отличная от системы EGR, показанной на Фиг.1. Как показано на Фиг.13, система 9 LPL (контур низкого давления) включает систему 50 EGR, расположенную дальше от нагнетателя 40 в выхлопном канале 21. Система 9 LPL включает выхлопной очистной фильтр 22 и катализатор 23 между нагнетателем 40 и клапаном 53 EGR в выхлопном канале 21. Система 9 LPL также включает промежуточный теплообменник 12 с дальней стороны нагнетателя 40 в заборном канале 12.
Как показано на Фиг.14, в упомянутой выше конструкции системы EGR, известно, что количество EGR обратно пропорционально числу оборотов турбины. Средство управления количеством EGR предварительно передает в запоминающее устройство корреляцию (обратную пропорцию) между количеством EGR и числом оборотов турбины для управления количеством EGR. Таким образом, средство управления количеством EGR может производить тот же эффект, даже если система EGR системы 9 LPL имеет другую конфигурацию.
Далее описано средство снижения номинальных характеристик со средством распознавания угловой скорости турбины. В общем, средство снижения номинальных характеристик является средством для обеспечения безопасного допуска с целью снижения вероятности возникновения неисправностей из-за случайных излишних напряжений. Здесь средство снижения номинальных характеристик рассматривается как средство остановки, когда двигатель 1 останавливается в случае неисправности двигателя 1. Здесь и далее описано средство снижения номинальных характеристик в случае, когда двигатель 1 имеет какие-либо неисправности и должен быть остановлен. Как показано на Фиг.15, БУД 60 выполняет снижение нагрузки двигателя и снижение числа оборотов двигателя из-за изменения времени в качестве средства снижения номинальных характеристик. В это время снижение нагрузки двигателя заменяется на снижение числа оборотов турбины нагнетателя 40. Другими словами, БУД 60 замедляет нагрузку двигателя и число оборотов в течение заданного времени на основе показаний датчика 62 угловой скорости турбины и датчика 64 числа оборотов двигателя и останавливает двигатель 1.
Далее описано средство снижения номинальных характеристик с использованием другого средства распознавания угловой скорости турбины. Как показано на Фиг.16, например, если двигатель 1 установлен на судне, БУД 60 выполняет снижение нагрузки двигателя и снижение числа оборотов двигателя из-за изменения ускорения (замедления) судна в качестве средства снижения номинальных характеристик. При этом судно включает в себя датчик 66 G для распознавания замедления. В этом случае снижение нагрузки двигателя заменяется снижением числа оборотов турбины нагнетателя 40.
Другими словами, БУД 60 замедляет нагрузку двигателя и число оборотов двигателя при заданном замедлении на основе показаний датчика 62 угловой скорости турбины и датчика 64 числа оборотов двигателя и останавливает двигатель.
Благодаря упомянутой выше конструкции, двигатель может быть остановлен замедлением как нагрузки двигателя, так и числа оборотов двигателя. Средство снижения номинальных характеристик эффективно, например, когда БУД 60 определяет, что двигатель 1 неисправен, с помощью упомянутого выше средства распознавания неисправностей нагнетателя и останавливает двигатель 1. Соответственно, вероятность повреждения двигателя может быть сведена к минимуму, что повышает безопасность двигателя. Средство снижения номинальных характеристик особенно эффективно в двигателе, установленном на крупных судах или в больших автомобилях, поскольку оно может постепенно замедлять и останавливать двигатель, как описано выше, поскольку внезапная остановка (быстрое замедление) двигателя вызывает большие нагрузки на пассажиров.
Далее описано средство управления впрыском топлива во время передвижения с отключенными цилиндрами с использованием средства распознавания угловой скорости турбины. В многоцилиндровом двигателе движение с отключенными цилиндрами является средством эксплуатации для временного продолжения эксплуатации двигателя с остальными цилиндрами, даже если один из цилиндров имеет какую-либо неисправность. Движение с отключенными цилиндрами выполняется, например, когда возникает неисправность, при которой один из инжекторов прекращает впрыск.
Как показано на Фиг.17, когда инжектор 82 (точечная линия на Фиг.17) двигателя 1 имеет неисправность, БУД 60 эксплуатирует двигатель 1 с использованием остальных инжекторов 81, 83 и 84. В это время предпочтительно, чтобы подтверждался выход двигателя 1 на стороне выхлопной системы, поскольку существует разброс характеристик между инжекторами. БУД 60 осуществляет управление впрыском топлива на основе числа оборотов турбины, определяемого датчиком 62 угловой скорости турбины. Например, БУД 60 увеличивает количество впрыска топлива Q остальных цилиндров так, что число оборотов турбины, определяемое датчиком 62 угловой скорости турбины, равно числу оборотов перед движением с отключенными цилиндрами. Средство управления впрыском топлива во время передвижения с отключенными цилиндрами производит тот же эффект вне зависимости от давления впрыска топлива и времени впрыска топлива, поскольку оно управляется для компенсации выходного эквивалента с выходным эквивалентом отключенного цилиндра.
Благодаря упомянутой выше конструкции, управление впрыском топлива во время передвижения с отключенными цилиндрами может выполняться с использованием простого средства для достижения следующих преимуществ. Управление впрыском топлива во время передвижения с отключенными цилиндрами традиционно выполнялось на основе датчика давления наддува или датчика температуры выхлопного газа. Датчик давления наддува или датчик температуры выхлопного газа имели низкую точность отклика при обратной связи. Датчик давления наддува имел низкую надежность, поскольку атмосферное давление различно, особенно на высоте. Управление впрыском топлива во время передвижения с отключенными цилиндрами настоящего варианта осуществления несомненно может выполнять управление впрыском топлива во время передвижения с отключенными цилиндрами как более простое средство, чем эти датчики.
Настоящее изобретение может применяться в дизельном двигателе с аккумуляторной топливной системой.