СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ НАДДУВА ВОЗДУХА В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
AIR SUPERCHARGING CONTROL METHOD AND DEVICE IN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Настоящее изобретение относится к управлению автомобильными двигателями внутреннего сгорания.
В частности, изобретение относится к контролю наддува воздуха в таких двигателях.
Наиболее предпочтительным является применение изобретения для контроля наддува воздуха в двигателе дизельного типа, наддув воздуха в котором производится турбокомпрессором.
Управление двигателем состоит в регулировании характеристик двигателя внутреннего сгорания посредством управления совокупностью его датчиков и приводов.
Все законы управления и параметры управления двигателем содержатся в вычислительном устройстве, называемом электронным блоком управления (ЭБУ).
Двигатели с наддувом воздуха содержат турбокомпрессор, содержащий турбину, приводимую во вращение выхлопными газами, и компрессор, вращаемый турбиной и предназначенный для увеличения количества воздуха, поступающего в цилиндры.
Для этого турбину устанавливают на выходе выпускного коллектора, тогда как компрессор устанавливают на той же оси, что и турбина, на входе впускного коллектора.
Мощность, сообщаемую выхлопными газами турбине, можно регулировать, установив разгрузочный клапан или лопатки, влияющие на расход газа, проходящего через турбину, или на проходное сечение, через которое проходят эти газы.
Используют привод для управления открыванием и закрыванием клапана или лопаток при помощи командного сигнала, выдаваемого электронным блоком управления с целью автоматического регулирования давления наддува во впускном коллекторе по заданному значению давления, вычисляемому ЭБУ.
ЭБУ постоянно возобновляет вычисление заданного значения давления наддува в зависимости от режима двигателя и от расхода топлива или на основании заданного значения расхода воздуха и обогащения топливной смеси и управляет клапаном или лопатками таким образом, чтобы давление во впускном коллекторе совпадало с заданным значением давления.
При повышении мощности двигателей с наддувом воздуха уровень давления наддува повышается, поэтому турбокомпрессоры все больше подвергаются воздействию напряжений. В связи с этим необходимо управлять турбокомпрессорами максимально точно, чтобы избегать их разрушения и улучшить работу транспортного средства во время ускорений и, в частности, чтобы повысить динамику двигателя, то есть его способность к быстрому повышению режима.
Когда водитель нуждается в максимальной мощности двигателя, он нажимает на педаль акселератора. Это положение педали переводится ЭБУ в заданное значение расхода топлива. Это заданное значение расхода ограничено в переходном режиме пороговым значением, которое зависит от расхода свежего воздуха и от режима двигателя, чтобы ограничить выброс частиц (черный дым), присутствующих в выхлопных газах двигателя во время его работы в переходном режиме.
Поскольку экологические нормы становятся все более строгими, количество частиц, выбрасываемых двигателем, в частности дизельным двигателем, должно все более уменьшаться. По этой причине выпускной коллектор двигателя оборудуют фильтром-улавливателем частиц, который позволяет уменьшить количество частиц, выбрасываемых в окружающее пространство. Установка такого устройства приводит к повышению противодавления на выхлопе. Это противодавление тем выше, чем больше частиц находятся в фильтре. По отношению к турбокомпрессору оно выражается снижением степени расширения и соответствующим снижением мощности, сообщаемой выхлопными газами турбине, и снижением производительности двигателя. Чтобы получить одинаковый уровень производительности, необходимо поддерживать степень расширения путем повышения давления на входе турбины. Как правило, этого повышения добиваются путем закрывания разгрузочного клапана или путем воздействия на лопатки.
Регулирование давления во впускном коллекторе двигателя вокруг заданного значения давления классически осуществляют при помощи пропорционально-интегрально-дифференциальных регуляторов (ПИД-регуляторов) в соответствии с изменением разности между заданным значением давления и измеренным действительным давлением.
Вместе с тем, такую стратегию регулирования применять сложно, поскольку она должна обеспечивать автоматическое регулирование давления в коллекторе по заданному значению как в устойчивом режиме, так и в переходном режиме.
Задача достижения такого технического результата уже ставилась в известных технических решениях.
В документе US 2003/0010019 было предложено использовать каскад из двух регуляторов, а в документе FR 2829530 было предложено регулировать значение давления на входе турбины турбокомпрессора вокруг заданного значения давления, соответствующего максимально допустимому значению давления на входе турбины турбокомпрессора.
Можно также сослаться на документ WO 2004/009984, в котором предложено контролировать наддув воздуха, используя заданное значение положения, которое зависит от режима двигателя, или на документ WO 2004/027238, в котором предложено периодически регулировать либо давление наддува, либо положение привода регулирования мощности выхлопных газов.
Однако решения, предложенные в известных источниках информации, не позволяют применять автоматическое регулирование давления наддува для точного контроля давления во впускном коллекторе двигателя как в устойчивом режиме, так и в переходном режиме, с одновременным ограничением давления на входе турбокомпрессора, чтобы предохранять двигатель и турбокомпрессор.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков посредством способа и устройства контроля наддува воздуха в двигателе внутреннего сгорания, позволяющих решить эту тройную задачу, а именно обеспечивающих контроль давления наддува в переходном режиме, контроль давления наддува в устойчивом режиме и ограничение давления на входе турбины.
В связи с этим первым объектом настоящего изобретения является способ контроля наддува воздуха в двигателе внутреннего сгорания автомобиля, оборудованном турбокомпрессором наддува, содержащим турбину, приводимую во вращение выхлопными газами двигателя, и компрессор наддува, вращаемый турбиной, при этом способ содержит регулирование давления во впускном коллекторе двигателя вокруг заданного значения давления наддува.
Этот способ дополнительно содержит регулирование давления на входе турбины для ограничения указанного давления на входе турбины, при этом регулирование осуществляют, как только давление на входе турбины превышает заранее определенное пороговое значение.
Кроме того, регулирование давления во впускном коллекторе выполняют медленное и быстрое.
Регулирование давления на входе турбины деактивируется, как только давление в коллекторе превышает заданное значение давления наддува.
Предпочтительным является то, что медленное регулирование содержит фазу выработки заданного значения давления наддува и регулирование давления в коллекторе вокруг заданного значения.
Например, заданное значение получают из картографии. Его рассчитывают в зависимости от режима двигателя и от расхода топлива.
Кроме того, заданное значение можно корректировать в зависимости от параметров окружающей среды, таких как температура и атмосферное давление.
В варианте выполнения регулирование давления в коллекторе осуществляют при помощи нечеткой логики или при помощи ПИД-регулятора.
Кроме того, предпочтительно можно предварительно позиционировать орган регулирования мощности выхлопных газов по заранее определенному положению, полученному из картографии на основании значения рабочих параметров двигателя.
Эти рабочие параметры могут представлять собой режим двигателя и расход топлива.
Предпочтительным является то, что предусмотрено переключение медленного регулирования на открытый контур во время работы двигателя в переходном режиме.
Вторым объектом настоящего изобретения является устройство контроля наддува воздуха в двигателе внутреннего сгорания автомобиля, оборудованном турбокомпрессором наддува, содержащим турбину, приводимую во вращение выхлопными газами двигателя, и компрессор наддува, вращаемый турбиной, при этом устройство содержит электронный блок управления, содержащий средства для регулирования давления во впускном коллекторе двигателя вокруг заданного значения давления наддува, причем средства для регулирования давления в коллекторе содержат контур медленного регулирования и контур быстрого регулирования, а электронный блок управления дополнительно содержит средства регулирования, выполненные с возможностью ограничения значения давления на входе турбины, при этом указанное регулирование осуществляют, как только давление на входе турбины превышает пороговое значение.
Согласно другому отличительному признаку этого устройства контур медленного регулирования содержит средства для выработки заданного значения давления наддува на основании рабочих параметров двигателя и средства для автоматического регулирования давления в коллекторе вокруг порогового значения.
Например, указанные средства автоматического регулирования давления в коллекторе вокруг порогового значения содержат элемент нечеткой логики или ПИД-регулятор.
Предпочтительным является использование картографии, в которой хранятся значения предварительного позиционирования органа регулирования мощности выхлопных газов в зависимости от рабочих параметров двигателя, и средства для предварительного позиционирования указанного органа на основании значения, извлеченного из картографии.
Устройство дополнительно содержит средства селективного управления работой контура медленного регулирования в закрытом контуре или в открытом контуре в зависимости от переходного или устойчивого режима двигателя.
Другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематичный вид конструкции автомобильного двигателя внутреннего сгорания дизельного типа, оборудованного устройством контроля наддува в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 - кривые, иллюстрирующие регулирование давления во впускном коллекторе двигателя и давления на входе турбины в зависимости от измеренных или оценочных значений давления на входе турбины и во впускном коллекторе;
фиг.3 - схема медленного контура регулятора давления во впускном коллекторе;
фиг.4 - общая схема устройства контроля наддува в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.5 - схема регулятора с нечеткой логикой, встроенного в регулятор давления наддува в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.1 схематично показана общая конструкция автомобильного двигателя 10 внутреннего сгорания дизельного типа, а также его впускной коллектор для свежего воздуха и выпускной коллектор для выхлопных газов.
Как показано на фиг.1, система впуска свежего воздуха в двигатель 10 в основном содержит воздушный фильтр 12 для воздуха, подаваемого во впускной коллектор 18 двигателя 10 при помощи турбокомпрессора 14 и соответствующих трубопроводов 16.
Что касается выпускного коллектора 20, он отбирает выхлопные газы, образующиеся в результате горения, и удаляет их наружу через турбокомпрессор 14 и фильтр-улавливатель 22 частиц, предназначенный для уменьшения количества частиц, в частности частиц сажи, выбрасываемых в окружающее пространство.
Теплообменник 24, которым оборудован трубопровод 16 питания свежим воздухом впускного коллектора 18, установлен с возможностью теплообмена с выхлопными газами таким образом, чтобы отбирать часть тепла, которое они переносят.
Турбокомпрессор 14 в основном содержит турбину 26, приводимую в действие выхлопными газами, и компрессор 28, установленный на той же оси, что и турбина, и обеспечивающий сжатие воздуха, поступающего из воздушного фильтра 12, с целью увеличения количества воздуха, входящего в цилиндры двигателя.
Кроме того, двигатель 10 связан также с контуром 30 рециркуляции выхлопных газов, предназначенным для подачи выхлопных газов во впускной коллектор 18, чтобы, в частности, ограничить количество выходящего оксида азота и одновременно избегать образования дыма в выхлопных газах.
Этот контур 30, как известно, в основном содержит задвижку 32 с электроприводом, который позволяет контролировать расход рециркулируемых выхлопных газов.
coll
avt
Кроме того, ЭБУ, обозначенный позицией 34, принимает сигналы P и P измерения давления соответственно во впускном коллекторе и на входе турбины 26 турбокомпрессора, выдаваемые соответствующими измерительными датчиками, предусмотренными для этой цели (не показаны). Он воздействует на орган регулирования мощности выхлопных газов, например разгрузочный клапан, или на лопатки турбины 26 таким образом, чтобы регулировать значение давления во впускном коллекторе 14 вокруг соответствующих заданных значений.
ЭБУ обеспечивает также контроль работы двигателя, что само по себе известно. В частности, он воздействует на задвижку 32 с электроприводом для регулирования количества рециркулируемых газов и регулирует рабочую точку двигателя.
Настоящее изобретение, в основном, касается регулирования давления наддува. Поэтому нижеследующее описание ЭБУ будет напрямую относиться только к основным средствам, позволяющим осуществлять это регулирование.
Как показано на фиг.1, ЭБУ 34 в основном содержит средства регулирования, позволяющие регулировать давление наддува, то есть давление во впускном коллекторе 18 вокруг порогового значения.
Эти средства регулирования в основном содержат первую ступень 36 регулирования и вторую ступень 38 регулирования, работающие совместно с целью регулирования давления наддува.
avt
ЭБУ содержит также третью ступень 40, обеспечивающую ограничение давления P на входе турбины.
avt
Как показано на фиг.2, ограничение давления на входе турбины, обеспечиваемое третьей ступенью 40 регулирования, активируется, только когда давление P на входе турбины превышает первое пороговое значение CONS1. В этом случае регулирование давления наддува, осуществляемое первой и второй ступенями 36 и 38 ЭБУ 34, деактивируется. Как будет подробнее описано ниже, эти первая и вторая ступени 36 и 38 в этом случае работают в открытом контуре, при этом турбокомпрессор 14 управляется третьей ступенью 40 для ограничения давления на входе турбины.
coll
Регулирование давления на входе турбины, осуществляемое третьей ступенью 40, наоборот, деактивируется, если давление в коллекторе P превышает или равно второму заданному значению CONS2.
avt
coll
Как будет показано ниже, эти варианты регулирования применяются в зависимости от командного сигнала 5, генерируемого ЭБУ в зависимости от измеренных значений P и P и от заданных значений CONS1 и CONS2.
Далее со ссылками на фиг.3, 4 и 5 следует описание частного варианта выполнения устройства регулирования давления наддува в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.3 показана общая структура первой ступени 36 регулирования, тогда как на фиг.4 показан пример выполнения первой, второй и третьей ступеней 36, 38 и 40. В представленном варианте выполнения третья ступень 40 регулирования встроена в первую ступень 36. Однако можно предусмотреть выполнение этих ступеней в виде двух отдельных модулей регулирования.
Первая и вторая ступени 36 и 38 представляют собой соответственно контур медленного регулирования и контур быстрого регулирования.
Первая ступень 36 регулирования является относительно медленным регулятором, выполненным на основе ПИД-регулятора или регулятора с нечеткой логикой, который позволяет автоматически регулировать давление наддува по заранее определенному заданному значению. Вторая ступень 38 регулирования является относительно быстрым ПИД-регулятором или цифровым регулятором типа RST, который позволяет убедиться, что положение для турбины 26, управляемой первой ступенью 36 регулирования, действительно достигнуто. Например, частота вычисления средств регулирования, применяемая для обеспечения этой задачи, является более быстрой, чем частота вычисления, используемая средствами регулирования для обеспечения остальной части регулирования давления наддува.
avt
coll
Показанный на фиг.3 регулятор с медленным контуром позволяет выработать командный сигнал S', предназначенный для турбины 26 либо с целью обеспечения регулирования наддува, либо с целью обеспечения ограничения давления на входе турбины в зависимости от результата сравнения, с одной стороны, между измерением давления P на входе турбины и первым заданным значением С1 давления на входе турбины и, с другой стороны, измерением давления P наддува и вторым заданным значением CONS2 давления в коллекторе, или, другими словами, в зависимости от командного сигнала S ограничения давления на входе коллектора.
avt
avt
coll
Иначе говоря, как было указано выше, если значение измерения P давления на входе турбины превышает первое пороговое значение CONS1, регулирование давления наддува деактивируется, а регулирование давления на входе турбины активируется, чтобы ограничить это давление P. Если же значение давления P в коллекторе превышает или равно второму пороговому значению CONS2, регулирование давления на входе турбины деактивируется, а регулирование давления наддува активируется.
В примере выполнения, показанном на фиг.3, регулятор является ПИД-регулятором. Как будет показано со ссылками на фиг.4, можно также использовать регулятор типа регулятора с нечеткой логикой.
avt
coll
Показанный на фиг.3 регулятор содержит компаратор 42, который обеспечивает сравнение между заданным значением CONS1 давления на входе турбины и измерением давления P на входе турбины или сравнение между заданным значением CONS2 давления коллектора и измерением давления P коллектора в зависимости от значения командного сигнала S ограничения давления.
Как известно, регулирование осуществляют при помощи интегратора 44 и дифференциатора 46 для выработки командного сигнала S', предназначенного для турбины 26 для автоматического регулирования давления коллектора по соответствующему заданному значению CONS2 или давления на входе турбины по соответствующему заданному значению CONS1.
Кроме того, чтобы сократить время реагирования этого контура регулирования, в ПИД-регулятор дополнительно вводят значение предварительного позиционирования клапана или лопаток турбины. Это значение предварительного позиционирования извлекают из картографии 48 в зависимости от режима R двигателя или от расхода Q топлива. Можно также вводить корректировки в зависимости от атмосферного давления, от температуры воздуха впуска и т.д.
Эта картография предварительного позиционирования турбины 26 введена в ЭБУ и позволяет получить первое оценочное значение регулировок турбокомпрессора в зависимости от режима и от расхода и облегчить, таким образом, регулирование. Кроме того, корректируя значение, извлеченное из картографии, в частности, в зависимости от атмосферного давления и от температуры, можно уточнять значение предварительного позиционирования турбины в зависимости, например, от высоты или от окружающей температуры. Следует отметить, что это значение предварительного позиционирования турбины 26 позволяет позиционировать турбокомпрессор в первоначальное состояние, действующее во время стабильных режимов, которое позволяет перейти к переходным режимам с хорошей исходной регулировкой.
Выход регулятора и, в частотности, выходы дифференциатора 44 и картографии 48 суммируются при помощи сумматора 50, затем выводятся на вход ограничителя 52, чтобы зафиксировать интегральную часть, когда достигается насыщение.
coll
Следует отметить, что в описанном выше примере регулирования давления наддува производят измерение давления наддува P, которое автоматически регулируется по соответствующему заданному значению CONS2. В предпочтительном варианте можно также производить оценку давления наддува.
Далее со ссылками на фиг.4 следует описание общей структуры устройства регулирования давления наддува в соответствии с настоящим изобретением.
В варианте выполнения, показанном на фиг.4, медленный контур и регулятор ограничения давления на входе турбины выполнены на принципе использования регулятора с нечеткой логикой вместо ПИД-регулятора, используемого в варианте выполнения, описанного ранее со ссылками на фиг.3.
Этот первый медленный регулятор, который обеспечивает также ограничение давления на входе турбины, аналогичен регулятору, показанному на фиг.3.
Таким образом, как было указано выше, он позволяет либо автоматически регулировать давление наддува или давление коллектора по соответствующему заданному значению CONS2, либо автоматически регулировать давление на входе турбины по заданному значению CONS1 в зависимости от значения командного сигнала S (фиг.2).
Кроме того, в данном варианте выполнения эта первая ступень содержит классические средства 54 детектирования переходного режима, которые позволяют обнаружить появление переходных режимов на основании измерения и обработки рабочих параметров двигателя. В этом случае, как было указано выше, медленный контур деактивируется таким образом, чтобы турбина 26 управлялась только за счет быстрого контура. Вместе с тем, следует отметить возможность позиционирования турбины по значению предварительного позиционирования, извлеченному из картографии 48, в зависимости от режима двигателя и от расхода Q топлива.
Этот регулятор содержит также средства управления 56 по принципу открытый контур/закрытый контур, взаимодействующие со средствами 54 детектирования переходных режимов для управления работой медленного регулирования либо в открытом контуре, либо в закрытом контуре. Выбор работы открытый контур/закрытый контур для регулирования давления наддува может быть произведен в зависимости от многих критериев. Как было указано выше, можно перейти на работу в открытом контуре, если двигатель работает в переходном режиме, можно также использовать критерии нагрузки двигателя.
Вторая ступень 38 регулирования, которая образует контур быстрого регулирования, позволяет убедиться, что значение давления наддува, выдаваемое контуром регулирования, действительно достигнуто. Этот контур быстрого регулирования основан на использовании компаратора 58, который обеспечивает сравнение между ожидаемым положением привода турбины, выдаваемым медленным контуром, с соответствующим измерением POS привода. ПИД-регулятор 60 позволяет автоматически регулировать положение привода по заданному значению, выдаваемому медленным контуром. Он генерирует командный сигнал S' управления приводом турбины. Например, выработанный сигнал является сигналом, модулированным по ширине импульса. Он позволяет, например, управлять положением лопаток турбины при помощи привода 61 пневматического или электрического типа.
Что касается регулятора с нечеткой логикой (РНЛ), входящего в состав контура медленного регулирования, следует отметить, что такой регулятор представляет собой элемент классического типа, известный специалистам. Поэтому его подробное описание опускается. Однако следует отметить, что, как показано на фиг.5, он основан на использовании регулятора 62, который связан с дифференциатором 64 и с интегратором 66. Сигналы, поступающие от вычитателя 68, который обеспечивает вычисление между измеренным сигналом и заданным сигналом, направляются на вход регулятора 62. Регулятор 62 получает значение разности давления и ее временной производной. Если функция искомого автоматического регулирования содержит доминирующий пропорциональный член, то для дополнения автоматического регулирования предусматривают интегратор 66. Однако без этого интегратора можно и обойтись. Выходной сигнал регулятора 62 и выходной сигнал интегратора 66 суммируются при помощи сумматора 69, затем передаются на выходной регулятор 70 для выведения на вход быстрого контура.
В любом случае можно обратиться к документу ЕР-А-1365132, в котором подробно описана структура регулятора с нечеткой логикой.