СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ ПОТОКОМ В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ УКАЗАННОГО СПОСОБА, ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННОГО СПОСОБА, И ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, СОДЕРЖАЩИЙ ДАННОЕ УСТРОЙСТВО
METHOD TO CONTROL AIRFLOW IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES, DEVICE TO THIS END, INTERNAL COMBUSTION ENGINE OPERATED BY SAID METHOD AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE COMPRISING SAID DEVICE

Изобретение относится к способу управления воздушным потоком в двигателях внутреннего сгорания с непосредственным впрыском топлива согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения и к устройству для реализации указанного способа согласно ограничительной части п.18 формулы изобретения.
На современном уровне развития техники существующие варианты исполнения двигателей внутреннего сгорания с непосредственным впрыском топлива, в частности согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения, отличаются тем, что управление сжимаемым воздушным потоком в такте сжатия осуществляют путем снижения выходного давления во время такта всасывания (вариант исполнения I) или путем преждевременного закрытия одного или нескольких впускных клапанов в соответствии с требуемым диапазоном нагрузки также во время такта всасывания (вариант исполнения II).
В варианте исполнения I снижение выходного давления в камере сгорания в начале каждого такта сжатия обеспечивают путем дросселирования воздушного потока, подводимого к двигателю внутреннего сгорания, перед одним или несколькими впускными клапанами. Примерами реализации такого управления воздушным потоком, подводимым к двигателю внутреннего сгорания, являются дроссельные клапаны, шиберные регуляторы или распределительные золотники (см. DE 3720097 А1; DE 19734227 С2; DE 69704595 Т2, DE 19502669 С2, DE 19928523 А1, DE 19501150 С2 или DE 10058200 А1). При этом определение фактической нагрузки осуществляют путем измерения воздушного потока, подведенного к двигателю внутреннего сгорания, или путем измерения пониженного давления воздушного потока, подведенного к двигателю внутреннего сгорания, за соответствующим образом установленным дроссельным элементом.
Такой вариант реализации управления воздушного потока, подведенного к двигателю внутреннего сгорания, неизбежно приводит к потерям при дросселировании (см. Pöhls, Axel; Untersuchung eines Verfahrens zur gesteuerten Abgasrückführung bei Ottomotoren; VDI Verlag GmbH Düsseldorf; Dissertation 2001; ISBN 3-18-345812-8; S.1; или Homburg, Arno; Optische Untersuchungen zur Strahlausbreitung und Gemischbildung bei DI-Benzin-Brennverfahren; Fakultät für Maschinenbau und Elektrotechnik der TU Braunschweig; Dissertation 2002; S.12) в результате необходимого снижения давления для регулирования нагрузки каждого цилиндра во время такта всасывания, что вызывает снижение коэффициента полезного действия, особенно в области частичной нагрузки двигателя внутреннего сгорания (см. Weirich, Marko; NOx-Reduzierung mit Hilfe des SCR-Verfahrebs am Ottomotor mit Direkteinspritzung; Universität Keiserlautern, Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik; Dissertation 2001; S.3).
Примеры реализации варианта исполнения II с бездроссельным управлением воздушным потоком, подводимым к двигателю внутреннего сгорания, во время рабочего цикла приведены в описаниях изобретений к патентам DE 19810466 С2; DE 10111991 А1; DE 4341945 А1; DE 19706750 A1; DE 69720356 T2 или DE 3940752 А1, согласно которым подводимый воздушный поток регулируют путем изменения времени нахождения в открытом положении одного или нескольких впускных клапанов. Использование информационной шины CAN описывается в DE 19840484 A1 и в связи с трансмиссией в DE 19917513 B1 и DE 19963782 B4.
Задачей настоящего изобретения является создание способа управления воздушным потоком в двигателе внутреннего сгорания с непосредственным впрыском топлива, который, с одной стороны, не вызывает потерь при дросселировании, особенно в области частичной нагрузки, при этом в качестве основы принимается вариант исполнения I. С другой стороны, в отличие от варианта исполнения II, описанного для существующего уровня техники, при незначительном конструктивном усложнении предлагаемый способ управления должен обеспечить подведение к двигателю внутреннего сгорания воздушного потока, который в любом диапазоне скорости вращения и нагрузки должен оставаться приблизительно постоянным. Это улучшает также характеристику срабатывания при изменениях нагрузки при переходных режимах работы двигателя внутреннего сгорания, причем сложность управления динамическими параметрами, например долей рециркуляции отработавших газов или массой впрыскиваемого топлива, снижается. В результате этого процесс изменения нагрузки по отношению к воздушным потокам, перемещающимся во время рабочего цикла стремится быть квазистабильным. Такой процесс лучше поддается прогнозированию и управлению, что позволяет снизить выброс вредных газов и повысить комфортность движения. Задачей настоящего изобретения является также улучшение регулировки турбокомпрессора благодаря примерно постоянному воздушному потоку по сравнению с существующим состоянием техники и тем самым повышение эффективности работы двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, задачей настоящего изобретения является создание устройства для реализации указанного способа и двигателя внутреннего сгорания с улучшенными характеристиками срабатывания при изменениях нагрузки без существенного усложнения управления.
Эти задачи решены с помощью способа управления воздушным потоком согласно признакам п.1 формулы изобретения, с помощью устройства согласно признакам п.18 формулы изобретения и с помощью двигателя внутреннего сгорания согласно признакам п.26 и/или п.27 формулы изобретения. Предпочтительные варианты реализации описаны в зависимых пунктах формулы изобретения. Далее приведено более подробное описание изобретения с помощью примеров реализации.
В частности, предложен способ управления воздушным потоком в двигателе внутреннего сгорания с непосредственным впрыском топлива и по меньшей мере с одним впускным и выпускным органом в каждом цилиндре с помощью по меньшей мере одного регулируемого отверстия для выхода газов в каждом цилиндре, которое сообщается с камерой сгорания цилиндра двигателя внутреннего сгорания, отличающийся тем, что он включает
- получение сигнала (γ) педали акселератора, значение которого зависит от позиции педали акселератора,
- получение сигнала (n) скорости вращения, значение которого зависит от числа оборотов двигателя внутреннего сгорания, и формирование спектра нагрузок из сигнала (γ) педали акселератора и сигнала (n) скорости вращения, при этом
Li
Li
- определяют зависимое от спектра нагрузок время (t) нахождения в открытом положении отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания во время такта сжатия и зависимое от спектра нагрузок количество впрыскиваемого топлива (~t) за один рабочий цикл в цилиндр, а также
- в зависимости от спектра нагрузок определяют угол опережения зажигания (ZW).
Li
В предпочтительном варианте реализации изобретения угол опережения зажигания (ZW) определяют в зависимости от сигнала (n) скорости вращения двигателя и сигнала, соответствующего количеству впрыскиваемого топлива (~t).
Li
В предпочтительном варианте реализации изобретения для разных цилиндров устанавливают различное время (t) нахождения в открытом положении отверстия для выхода газов в соответствующей камере сгорания, при этом ко всем обеспечиваемым топливом цилиндрам подводят рабочую среду (топливно-воздушную смесь) примерно в одинаковом количестве.
В предпочтительном варианте реализации изобретения при достижении критической области частичной нагрузки соответствующее отверстие для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра больше не открывают.
Li
При этом, в предпочтительном варианте реализации изобретения при поступлении сигнала частичной нагрузки время (t) нахождения в открытом положении отверстия для выхода газов в камере сгорания цилиндров, не снабжаемых топливом, изменяют таким образом, чтобы в определенных пределах обеспечить управление нагрузкой цилиндров, снабжаемых топливом.
z
В предпочтительном варианте реализации изобретения начало открытия (GÖ) отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания устанавливают таким образом, чтобы давление выхлопных газов было больше, чем давление (p) в цилиндре, чтобы обеспечить возможность циркуляции выхлопных газов.
В предпочтительном варианте реализации изобретения для управления рабочими параметрами двигателя внутреннего сгорания, например, углом опережения зажигания (ZW), количеством впрыскиваемого топлива, моментом впрыска, моментом закрытия отверстия для выхода газов и/или выпускного клапана, сигнал педали акселератора модифицируют с помощью прибора управления двигателем таким образом, чтобы обеспечить изменение фактического значения соответствующего управляемого рабочего параметра в направлении заданного значения этого рабочего параметра.
В предпочтительном варианте реализации изобретения управляют детонационной характеристикой каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания и задают время
Li
(t) нахождения в открытом положении отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания таким образом, чтобы исключить детонацию.
В предпочтительном варианте реализации изобретения функцию выпуска газов для регулирования количества воздуха, находящегося в каждом цилиндре во время такта сжатия, реализуют при помощи одного или нескольких выпускных клапанов.
Li
В предпочтительном варианте реализации изобретения для управления нагрузкой двигателя в области частичной нагрузки прекращают снабжение топливом отдельных цилиндров, а время (t) нахождения в открытом положении отверстия для выхода газов устанавливают равным нулю.
Ab
В предпочтительном варианте реализации изобретения количество воздуха в цилиндре определяют по величине давления (р) выхлопных газов за отверстием для выхода газов или выпускным клапаном во время такта сжатия.
Li
Ab
В предпочтительном варианте реализации изобретения время (t) нахождения отверстия в открытом положении и/или ход открытия отверстия для выхода газов или выпускных клапанов во время такта сжатия устанавливают в соответствии с сигналом давления (р) выхлопных газов, а также в зависимости от числа оборотов двигателя (n) и позиции педали акселератора (γ).
Li
Li
Li
В предпочтительном варианте реализации изобретения время (t) нахождения отверстия в открытом положении и/или ход открытия отверстия для выхода газов или выпускных клапанов во время такта сжатия устанавливают в соответствии с границами детонации двигателя внутреннего сгорания таким образом, чтобы обеспечить ступенчатое возрастание времени (t) нахождения отверстия в открытом положении и/или хода открытия отверстия до появления детонации, а максимально допустимыми значениями времени (t) нахождения отверстия в открытом положении и/или хода открытия отверстия являются такие, которые на одну ступень не доходят до детонации топлива.
Ab
Ab
Li
Ab
Li
В предпочтительном варианте реализации изобретения для управления постоянной температурой (Т) выхлопных газов во время регенерации сажевого и/или пылевого фильтра, установленного в выхлопном канале, нагрузку двигателя и температуру (Т) выхлопных газов можно повышать таким образом, чтобы путем увеличения времени (t) нахождения отверстия в открытом положении и/или хода открытия отверстия для выхода газов или выпускного клапана каждого цилиндра во время такта выпуска увеличивать температуру (Т) выхлопных газов и нагрузку двигателя, и до окончания процесса регенерации регулировать время (t) нахождения отверстия в открытом положении и/или ход открытия отверстия в зависимости от температуры
Ab
(Т) выхлопных газов.
В предпочтительном варианте реализации изобретения для управления воздушным потоком двигателя внутреннего сгорания управляющие сигналы на исполнительные устройства для управления отверстиями для выхода газов и/или выпускными клапанами, а также на клапаны впрыска подают от контроллера, встроенного в систему управления двигателем, через электронное устройство сопряжения, выполненное в форме информационной шины CAN или последовательного интерфейса.
В предпочтительном варианте реализации изобретения сбои в управлении воздушным потоком определяют диагностическим функциональным модулем, а зарегистрированные сбои архивируют в читаемой форме в базе данных в блоке управления двигателем.
Li
Li
В предпочтительном варианте реализации изобретения для управления тормозным моментом двигателя внутреннего сгорания в режиме принудительного холостого хода время (t) нахождения отверстия в открытом положении и/или ход открытия отверстия для выхода газов или выпускные клапаны каждого цилиндра во время такта выпуска устанавливают таким образом, чтобы обеспечить зависимое от тормозного момента сжатие горючей смеси за счет уменьшения времени (t) нахождения отверстия в открытом положении и/или хода открытия отверстия.
Также предложено устройство для управления воздушным потоком двигателей внутреннего сгорания с впрыском топлива, регулируемым селективно для каждого цилиндра и индивидуально для рабочего цикла, и по меньшей мере с одним отверстием для выхода газов или по меньшей мере с одним настраиваемым в широких пределах выпускным органом управления, отличающееся тем, что оно содержит
- датчик скорости вращения, который определяет число оборотов (n) коленчатого вала,
Ab
- датчик давления, который определяет давление (р) за отверстием для выхода газов и/или за выпускными клапанами каждого цилиндра, а также
- датчик, который определяет позицию педали акселератора (γ) и
- прибор управления двигателем, в который передаются параметры (n), (р) и (γ), который содержит встроенный управляющий блок с алгоритмами определения воздушного потока и который на их основе генерирует управляющие сигналы, регулирующие время нахождения отверстия в открытом положении и/или ход клапана открытия отверстия для выхода газов или выпускных клапанов каждого цилиндра.
Ab
В предпочтительном варианте реализации изобретения это устройство содержит также исполнительные механизмы для открытия отверстий для выхода газов или выпускного органа управления, при этом управление временем нахождения в открытом положении отверстий для выхода газов или выпускным органом управления цилиндра осуществляется посредством подачи сигнала с прибора управления двигателем на исполнительные механизмы для открытия отверстий для выхода газа или на выпускные органы управления в зависимости от сигнала температуры (Т) температурного датчика в выхлопной системе с учетом того, что между заданной и фактической температурой выхлопных газов образуется некоторая разность, и в зависимости от этой разности время нахождения отверстий в открытом положении и/или хода каждого выпускного клапана регулируется по сигналу прибора управления двигателем, поступающему на исполнительные механизмы выпускных клапанов, таким образом, чтобы откорректировать установленное время нахождения отверстий в открытом положении и/или хода каждого выпускного клапана в соответствии с определенной разностью температур и обеспечить в процессе регенерации сажевого или пылевого фильтра постоянную установку заданной температуры.
k
В предпочтительном варианте реализации изобретения это устройство содержит также датчик детонации топлива, при этом для настройки степени сжатия в двигателе внутреннего сгорания прибор управления двигателем выдает сигналы на исполнительные механизмы для открытия отверстий для выхода газов и/или выпускные органы управления каждого цилиндра во время такта сжатия, а настройка степени сжатия осуществляется прибором управления двигателем в зависимости от сигнала (S) датчика детонации топлива.
В предпочтительном варианте реализации изобретения прибор управления двигателем содержит встроенный блок управления, который включает средство для определения требуемого соотношения между топливом и воздухом на основании текущих условий работы двигателя, описываемых сигналами датчиков.
В предпочтительном варианте реализации изобретения указанное средство связано с исполнительными механизмами и устройством подачи топлива и передает управляющий сигнал на исполнительные механизмы открытия отверстий для выхода газов или на выпускные управляющие органы цилиндров, а также на устройство подачи топлива, чтобы установить соотношение между топливом и воздухом в соответствии требуемой величиной перед проведением измерений давления в выхлопной системе при помощи датчика давления.
В предпочтительном варианте реализации изобретения в памяти указанного встроенного блока управления сохраняются зависимые от рабочих характеристик оптимальные соотношения избытка воздуха для различных условий работы двигателя, при этом каждый вариант сохраненного соотношения избытка воздуха соответствует некоторому набору условий работы двигателя.
В предпочтительном варианте реализации изобретения отверстие для выхода газов в каждом цилиндре содержит выпускной клапан, а встроенный блок управления с помощью исполнительных механизмов может регулировать время открытия и закрытия и/или величину открытия выпускных клапанов таким образом, чтобы обеспечить необходимое соотношение количества воздуха для каждого конкретного режима работы двигателя.
Ab
В предпочтительном варианте реализации изобретения прибор управления двигателем определяет нагрузку двигателя на основании скорости вращения (n) коленчатого вала, измеренной датчиком числа оборотов, и давления (р), измеренного датчиком давления после отверстия для выхода газов и/или выпускного клапана каждого цилиндра, и/или при помощи исполнительных механизмов устанавливает количество сжигаемого воздуха путем регулирования времени открытия и закрытия и/или величины открытия выпускных клапанов во время такта сжатия.
Кроме того, предложен двигатель внутреннего сгорания, эксплуатируемый с использованием предложенного способа.
Кроме того, предложен двигатель внутреннего сгорания, содержащий предложенное устройство.
z
Основой изобретения является процесс Селинджера согласно фиг.1, где в рамках диаграммы p-V область низкого давления во время такта всасывания специально показана серым цветом (относится к вариантам исполнения I и II), а также область подъема давления как следствие уменьшения объема во время такта сжатия (относится к представлению настоящего изобретения). В отличие от существующих механизмов управления воздушным потоком, подводимым к двигателю внутреннего сгорания, согласно настоящему изобретению не происходит подобного управления давлением p в цилиндре путем дросселирования (вариант исполнения I при существующем состоянии техники) или преждевременного закрытия одного или нескольких впускных клапанов (вариант исполнения II при существующем состоянии техники) во время такта всасывания рабочего цикла в соответствии с устанавливаемыми рабочими точками между полной нагрузкой и частичной нагрузкой на основе спектров нагрузок. Спектры нагрузок в этой связи определяют на основании сигнала (γ) педали акселератора, значение которого зависит от позиции педали акселератора, и сигнала n скорости вращения, величина которого зависит от числа оборотов двигателя внутреннего сгорания.
zr
Amin
Amах
Аmах
Amin
Аmах
Способ согласно изобретению обеспечивает зависимое от нагрузки управление воздушным потоком, подведенным к двигателю внутреннего сгорания, в процессе рабочего цикла путем открытия отверстия для выхода газов в каждом цилиндре двигателя внутреннего сгорания во время такта сжатия, при этом устанавливается постоянный уровень давления p от момента открытия до момента закрытия отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Показанная серым цветом область на диаграмме p-V (цикл газообмена) на фиг.1 между давлениями в цилиндре p и р выпадает, поскольку согласно изобретению во всех диапазонах нагрузки (в том числе при частичной нагрузке) двигателя внутреннего сгорания действует исключительно Р, поэтому для всех спектров нагрузок p=р. В результате, согласно изобретению управление воздушным потоком, подведенным к двигателю внутреннего сгорания, снижает долю работы газообмена в области низкого давления процесса Селинжера в соответствии с фиг.1.
Amах
Уровень давления воздушного потока, подведенного к двигателю внутреннего сгорания, во время такта всасывания из-за отсутствия дросселирования и постоянного интервала открытия одного или нескольких впускных клапанов остается практически постоянным и равным р. То же самое относится к воздушному потоку, подведенному к двигателю внутреннего сгорания во время рабочего цикла, поскольку в отличие от вариантов исполнения I и II способ управления согласно изобретению не создает никаких ограничений этого параметра во время такта всасывания.
Под термином "отверстие для выхода газов в камере сгорания" следует понимать устройство, которое позволяет отводить газообразные вещества, например воздушную смесь для сжигания, из камеры сгорания цилиндра, например, в выхлопной трубопровод. Отверстие для выхода газов содержит средства его регулируемого закрытия. Такие средства могут представлять собой, например, клапанное устройство, приводящее в действие приводной элемент или исполнительный механизм. В особом варианте реализации отверстие для выхода газов согласно изобретению может представлять собой выпускной канал цилиндра, который закрывается управляемым выпускным клапаном.
В другом варианте реализации изобретения отверстие для выхода газов может представлять собой дополнительный канал для выхода газов, расположенный рядом с выпускным каналом цилиндра, который закрывается настраиваемым клапанным устройством и имеет определенные открытую и закрытую позиции. Термин "отверстие для выхода газов в камере сгорания" в контексте настоящего изобретения означает также, что отверстие для выхода газов входит в камеру сгорания.
HLiGÖ
Ab
HLiS
Ab
ZR
ZR
Ab
Момент открытия отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания α зависит от момента закрытия имеющихся одного или нескольких впускных клапанов (ES), а также от противодавления выхлопных газов Р, приложенного к одному или нескольким выпускным клапанам. При этом принципиально важно, чтобы, во-первых, имеющиеся один или несколько впускных клапанов были закрыты. Момент открытия ES определяется из диаграммы управления рассматриваемым двигателем внутреннего сгорания в соответствии с углом α поворота кривошипа у ES. Во-вторых, величину давления p необходимо выбрать таким образом, чтобы оно незначительно превышало противодавление выхлопных газов р на одном или нескольких выпускных клапанах к моменту открытия отверстия для выхода газов в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания, при этом в данном случае не происходит внутренней рециркуляции выхлопных газов. Перепад давления p>р при
оказывает противодействие (Уравнение 1) возможному поступлению выхлопных газов в камеру сгорания во время такта сжатия в рамках управления воздушным потоком, подведенным к двигателю внутреннего сгорания, путем открытия отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания, которое соединяется с трубопроводом для отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания вблизи одного или нескольких выпускных клапанов.
Если требуется внутренняя рециркуляция выхлопных газов, то момент открытия отверстия для выхода газов в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания следует выбирать таким образом, чтобы обеспечить перепад давления, при котором
ZR
Ab
ZR
Ab
HLiGÖ
p<р. В этом случае момент открытия отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания в соответствии с существующим отношением давления следует выбирать более ранним, т.е. ближе к нижней мертвой точке относительно такта сжатия. При этом момент открытия отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания настраивают в соответствии с требуемой степенью внутренней рециркуляции выхлопных газов и определяется при помощи соответствующей индикаторной диаграммы конкретного двигателя внутреннего сгорания, при этом перепад давления (p:р) для настройки определяется в зависимости от спектра нагрузок как функция угла α поворота кривошипа.
Li
mSoll
Li
Li
mSoll
Время t нахождения в открытом состоянии и, следовательно, момент закрытия отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания аналогично позиции дросселирующих элементов или длительности нахождения в открытом состоянии впускных клапанов в известных вариантах (I или II) управления воздушным потоком, подведенным к двигателю внутреннего сгорания, зависит от требуемой области нагрузки p двигателя внутреннего сгорания, которая характеризуется спектром нагрузки. Для определения t следует учитывать, что t обратно пропорционально p, поэтому для обоих экстремумов нагрузки двигателя внутреннего сгорания действительны уравнения:
mSoll,V
mSoll,L
полной нагрузки (максимальное среднее давление p, уравнение 2) и частичной нагрузки (минимальное среднее давление p, уравнение 3).
Li
ZR
В соответствии с этими формализованными зависимостями время t нахождения в открытом положении отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания можно определить с помощью индикаторной диаграммы для соответствующего двигателя внутреннего сгорания в зависимости от спектра нагрузки давления p в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания и представить в зависимости от угла α поворота кривошипа.
LiS
LiS
ZR
ZI
ZR
ZI
HLi
ZR
ZI
HLi
LiS
HLiGÖ
HLiGS
HLi
HLiGS
Регулировка воздушного потока, подведенного к двигателю внутреннего сгорания, осуществляется по этой индикаторной диаграмме с целью получения выходных данных на основании существующего вида управления в соответствии с известными вариантами исполнения I или II. На основании этой индикаторной диаграммы можно определить обусловленные спектром нагрузок и конкретным двигателем внутреннего сгорания моменты времени t для закрытия отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания как функцию угла α поворота кривошипа. При этом указанный момент времени t определяется точкой пересечения p с соответствующим результатом измерения давления p в цилиндре во время такта сжатия. Практически это выполняют следующим образом: на диаграмме p-V изображают обусловленную спектром нагрузок кривую давления в соответствии с фиг.1, а затем определяют параллельно оси ординат (давление в цилиндре) расстояние точки пересечения (p:p) до оси абсцисс (рабочий объем). Таким образом, можно определить обусловленный спектром нагрузок рабочий объем V, для которого p=p. На основании определенного таким образом рабочего объема V можно рассчитать момент времени t для закрытия отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Однако для этого необходимо предварительно определить соответствующие углы поворота кривошипа для открытия и закрытия отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Поскольку обусловленный спектром нагрузок момент времени α для открытия, соответствующий вышеуказанным вариантам исполнения, можно определить из диаграммы управления рассматриваемого двигателя внутреннего сгорания, далее описан расчет момента времени α для закрытия. Для пересчета обусловленного спектром нагрузок рабочего объема V в градусы угла α поворота кривошипа для момента времени закрытия отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания служит следующее соотношение (Уравнение 4):
при этом
из чего следует
с
HLiS
Hli
что позволяет рассчитать обусловленный спектром нагрузок угол α поворота кривошипа для момента времени закрытия отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания в функции от обусловленного спектром нагрузок расстояния h до центра верхней головки шатуна, как показано ниже (Уравнение 8).
Hli
HLiS
HLi
HLi
Из этого следует, что с помощью полученного зависимого от спектра нагрузок рабочего объема V можно однозначно рассчитать соответствующий угол α поворота кривошипа, который определяет угол поворота кривошипа в момент времени закрытия отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Как следствие этого можно рассчитать время t нахождения в открытом положении отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Для этого сначала определяют зависимую от спектра нагрузок область углов α поворота кривошипа, которая соответствует открытому отверстию для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания. С этой целью находят разность между соответствующими зависимыми от спектра нагрузок углами поворота кривошипа для открытия и закрытия отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания (Уравнение 9).
HLi
На основании этого промежуточного результата (Уравнение 9) можно следующим образом рассчитать время t нахождения в открытом положении отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания (Уравнение 10).
HLiS
EHLi
i
HLiS
mS
Для того чтобы именно в нижней области частичной нагрузки двигателя внутреннего сгорания (см. уравнение 2) оставалось достаточное время для впрыска топлива в камеру сгорания в конце такта сжатия, после достижения критического отношения угла α поворота кривошипа для закрытия отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания по отношению к началу впрыска t в отдельные цилиндры прекращают подачу топлива. Такое отключение производят с учетом спектра нагрузок и конкретных цилиндров путем снижения количества впрыскиваемого топлива ~t до нуля, оставляя в исключительном случае подачу топлива только в один цилиндр двигателя внутреннего сгорания. Вследствие этого повышается область нагрузки одного или нескольких снабжаемых топливом цилиндров двигателя внутреннего сгорания, и момент времени α закрытия отверстия для выхода газов в камере сгорания снабжаемых топливом цилиндров двигателя внутреннего сгорания смещается в направлении нижней мертвой точки. При этом можно настроить мощность P прокручивания цилиндров, не снабжаемых топливом, за счет изменения зависимой от спектра нагрузок длительности нахождения в открытом положении отверстий для выхода газов в камере сгорания этих цилиндров двигателя внутреннего сгорания в зависимости от параметров двигателя внутреннего сгорания, т.е. повысить указанную мощность (Уравнение 11)
или понизить ее
EHLi
HLiS
Для этого можно произвести регулируемое повышение уровня нагрузки одного или нескольких снабжаемых топливом цилиндров двигателей внутреннего сгорания. В результате такого регулирования возможному выходу впрыскиваемого топлива перед началом впрыска t оказывается противодействие перед моментом закрытия α отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания без соответствующего изменения воздушного потока, подведенного к двигателю внутреннего сгорания.
Способ согласно изобретению позволяет совместно определять количество воздуха и топлива, подаваемых к двигателю внутреннего сгорания, в расчете на один цилиндр и рабочий цикл на основании спектров нагрузок, благодаря чему многочисленные режимы управления можно более предпочтительно модифицировать с целью оптимизации спектра нагрузок. При этом величина соответствующего регулируемого параметра смещается в направлении значения, зависимого от спектра нагрузок. Это создает преимущества для настройки в режиме, близком к реальному времени, например для регулирования холостого хода, угла опережения зажигания в зависимости от детонации при сгорании топлива, противобуксовочной системы, тягового момента, развиваемого двигателем, скорости движения, ограничения числа оборотов и скорости или для достижения мягкого перехода при смене передач в случае автоматического или полуавтоматического переключения.
Для более наглядного пояснения изобретения используются следующие чертежи, на которых представлены:
Фиг.1 - схематическое изображение процесса Сейлиджера;
Фиг.2 - схематическое изображение кривошипно-шатунного механизма;
Фиг.3 - блок-схема устройства управления для наглядного представления способа управлением воздушным потоком двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению.
Li
mSoll,v
Li
Для эксплуатации двигателя 1 внутреннего сгорания, представленного на фиг.3 в виде блок-схемы, подводимые потоки воздуха и топлива, а также моменты зажигания настраивают в зависимости от спектра нагрузок и отдельно для каждого цилиндра. В отличие от описанных выше вариантов исполнения I и II как в управляющем устройстве 3, так и в способе согласно изобретению используется зависимое от спектра нагрузок управление воздушным потоком, подведенным к цилиндрам двигателя внутреннего сгорания во время рабочего цикла. Управление воздушным потоком, подведенным к цилиндрам двигателя внутреннего сгорания во время рабочего цикла, осуществляется при помощи отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания. При этом предпочтительный вариант реализации такого отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания представляет собой объединенную клапанную конструкцию с индивидуально настроенными выпускными клапанами 2. Вместо того чтобы управлять потоком воздуха в каждом цилиндре во время такта всасывания, способ согласно изобретению обеспечивает управление за счет изменения времени нахождения в открытом положении отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания во время такта сжатия. Это осуществляется при помощи устройства 3 управления открытием отверстия для выхода газов, которое в примере реализации, показанном на фиг.3, подразделяется на управляющее устройство GÖ (открытие отверстия для выхода газов) 3.2 и управляющее устройство GS (закрытие отверстия для выхода газов) 3.1. Первое из них выдает индивидуальные для каждого цилиндра сигналы GÖ на исполнительное устройство 2 управления открытием отверстия для выхода газов каждого цилиндра, а последнее - индивидуальные для каждого цилиндра сигналы GS. Момент времени GÖ определяется отдельно для каждого цилиндра и каждого двигателя внутреннего сгорания в соответствии с описанными выше вариантами исполнения с учетом момента времени закрытия одного или нескольких впускных клапанов. Момент времени GS определяется в зависимости от спектра нагрузок, при этом система подачи сигнала 4 педали акселератора подает сигнал (γ) педали акселератора, а не показанный на фиг.3 тахометр двигателя внутреннего сгорания подает сигнал (n), соответствующий скорости вращения. В варианте исполнения I двигателей внутреннего сгорания для оценки нагрузки часто используют сигнал расходомера воздуха или измерителя давления во впускном коллекторе. Этим измерительным устройствам свойственны ошибки, которые частично обусловлены датчиками (клапаны - расходомер воздуха) или принципом измерения (реальное время - характер оценки сигнала нагрузки - "ошибка актуализации"), а также обусловлены конструкцией вследствие расположения датчика сигнала во впускном коллекторе ("ошибка фазы"). Изобретение позволяет исключить подобные измерительные устройства и датчики сигнала. Тот факт, что согласно изобретению давление в центре впускного коллектора является постоянным, упрощает управление воздушным потоком, подведенным к двигателю внутреннего сгорания, при этом в отличие от описанного варианта исполнения II можно также отказаться от применения впускных газопроводов с изменяемой включением заслонок длиной тракта или впускных коллекторов с бесступенчатым регулированием для динамической компенсации волны давления, как и от активных воздушных клапанов согласно DE 19500501.5. Благодаря обеспечиваемому таким образом приблизительно постоянному воздушному потоку для всех спектров нагрузок двигателя внутреннего сгорания можно с высокой точностью прогнозировать заполнение цилиндра воздухом в зависимости от спектра нагрузок с учетом соответствующей настроенной длительности нахождения в открытом положении отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Регулятор 5 подачи топлива также использует спектры нагрузок для управления регулируемым параметром. Таким образом, на основе спектров нагрузок осуществляется управление подачей топлива и воздуха во время рабочего цикла в каждый цилиндр. Если с помощью лямбда-регулирования устанавливается расхождение между обоими показателями, производится коррекция соответствующего управляемого параметра. Это можно выполнить при помощи изменения количества топлива (~t), количества воздуха или обоих регулируемых параметров, что показано на фиг.3 в виде лямбда-сигнала (λ), подаваемого на оба указанных управляющих устройства. Достоинство регулирования значения лямбда при помощи устройства 3, управляющего открытием отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания, заключается в том, что реакция на изменения значения лямбда может происходить в режиме реального времени. Однако регулирование значения лямбда посредством управления воздушного потока, подводимого к каждому цилиндру двигателя внутреннего сгорания во время рабочего цикла, возможно только в области частичной нагрузки, поскольку эти рабочие точки еще не представляют максимального заполнения. Регулирование значения лямбда при полной нагрузке (p) осуществляется путем изменения количества топлива (~t), впрыскиваемого в цилиндр во время рабочего цикла при закрытом отверстии для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания (см. уравнение 2).
i
Li
В качестве входного параметра для отражения фактического состояния нагрузки двигателя внутреннего сгорания служит выходной сигнал устройства 5 для регулирования подачи топлива, поскольку этот параметр удобно корректировать различными способами (например, с помощью температуры топлива, двигателя внутреннего сгорания или всасываемого воздуха). Кроме того, количество впрыскиваемого топлива является ключевым параметром для определения вращающего момента двигателя внутреннего сгорания и как следствие - для угла опережения зажигания (ZW). По этой причине устройство 6 для регулирования угла опережения зажигания получает сигнал о начале впрыска (t) и количестве впрыскиваемого топлива (~t) в качестве сигнала нагрузки и направляет соответствующий сигнал угла опережения зажигания (ZW) для каждого цилиндра и каждого рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания.
В каждом из описанных вариантов реализации в двигателях внутреннего сгорания дополнительно предусмотрены датчики детонационного сгорания (не показанных на фиг.3). Они определяют детонационные характеристики цилиндров. Если оказывается, что в одном из цилиндров происходит горение с детонацией, длительность нахождения в открытом положении отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания соответственно изменяется, чтобы снизить детонацию. В результате можно исключить традиционно применяемые для устранения детонации устройства для регулирования угла опережения зажигания, повышающие расход топлива.
При этом следует указать, что блок-схема на фиг.3 служит исключительно для обеспечения наглядности вышеописанного способа регулирования воздушного потока двигателя внутреннего сгорания без потерь при дросселировании. Описанная в этой связи последовательность операций реализуется на практике при помощи микропроцессоров, а не схемных компонентов, которые соответствовали бы функциональным блокам на фиг.3.
Список ссылочных обозначений
Символ
Обозначение
~t<sub>Li</sub>
Количество впрыскиваемого топлива, зависимое от спектра нагрузок
D
Диаметр отверстия цилиндра
h
Перемещение поршня
H
Ход поршня
H<sub>HLi</sub>
Ход поршня, зависимый от спектра нагрузок, относительно момента закрытия отверстия для выхода газов из одного цилиндра
l
Длина шатуна
n
Сигнал скорости вращения, соответствующий числу оборотов двигателя внутреннего сгорания
p
Давление
р<sub>Ab</sub>
Давление выхлопных газов у выпускного клапана
P<sub>Amax</sub>
Верхний уровень давления в цилиндре двигателя внутреннего сгорания в начале такта сжатия
P<sub>Amin</sub>
Нижний уровень давления в цилиндре двигателя внутреннего сгорания в начале такта сжатия
P<sub>mS</sub>
Мощность на прокручивание не снабжаемого топливом цилиндра двигателя внутреннего сгорания
P<sub>mSoll</sub>
Требуемая область нагрузки двигателя внутреннего сгорания
P<sub>mSoll</sub>,<sub>L</sub>
Минимально возможная область нагрузки двигателя внутреннего сгорания согласно протоколу приемочных испытаний
P<sub>mSoll,v</sub>
Максимально возможная область нагрузки двигателя внутреннего сгорания согласно протоколу приемочных испытаний
Pz
Давление в цилиндре двигателя внутреннего сгорания
P<sub>Zl</sub>
Зависимое от спектра нагрузок давление в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, измеренное для данного угла поворота кривошипа
p<sub>ZR</sub>
Установленный уровень давления в цилиндре двигателя внутреннего сгорания во время такта сжатия
r
Расстояние между осью симметрии коренного подшипника коленчатого вала и осью симметрии шатунного подшипника коленчатого вала
t<sub>EHLi</sub>
Начало впрыска, зависимое от спектра нагрузок и конкретного цилиндра
t<sub>i</sub>
Начало впрыска, зависимое от спектра нагрузок, для конкретного
цилиндра
t<sub>Li</sub>
Время нахождения в открытом положении отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания, мс
t<sub>LiS</sub>
Зависимый от спектра нагрузок момент закрытия отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания
V
Объем
V<sub>C</sub>
Объем камеры сгорания цилиндра двигателя внутреннего сгорания
V<sub>H</sub>
Рабочий объем цилиндра двигателя внутреннего сгорания
V<sub>HLi</sub>
Зависимый от спектра нагрузок рабочий объем цилиндра двигателя внутреннего сгорания
x
Расстояние между основанием поршня и центром верхней головки шатуна
α
Угол поворота кривошипа
α<sub>HLi</sub>
Зависимый от спектра нагрузок угол поворота кривошипа, при котором открыты отверстия для выхода газов в камере сгорания всех цилиндров двигателя внутреннего сгорания
α<sub>HLiGÖ</sub>
Зависимый от спектра нагрузок угол поворота кривошипа
α<sub>HLiGS</sub>
Зависимый от спектра нагрузок момент закрытия отверстия для выхода газов в камере сгорания каждого цилиндра двигателя внутреннего сгорания в градусах угла поворота кривошипа
α<sub>HLiÖ</sub>
Зависимый от спектра нагрузок угол поворота кривошипа в момент открытия ЕÖ
α<sub>HLiS</sub>
Зависимый от спектра нагрузок угол поворота кривошипа в момент закрытия ES
γ
Сигнал педали акселератора, зависимый от позиции педали акселератора
T<sub>Ab</sub>
Температура выхлопных газов
S<sub>k</sub>
Сигнал датчика детонации