СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ И МОМЕНТОМ НАЧАЛА ФАКТИЧЕСКОГО СЖАТИЯ (ВАРИАНТЫ)
CONTROL METHOD OF MECHANICAL COMPRESSION DEGREE AND STARTING MOMENT OF ACTUAL COMPRESSION (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу управления механической степенью сжатия и моментом начала фактического действия сжатия.
Уровень техники
В уровне техники известен двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, оснащенный механизмом, обеспечивающим изменяемую степень сжатия, выполненным с возможностью изменения механической степени сжатия, и механизмом, обеспечивающим изменяемую синхронизацию клапана, выполненным с возможностью управления моментом времени закрытия впускного клапана, осуществляющий действие наддува посредством нагнетателя во время работы двигателя при средней нагрузке и работы двигателя при высокой нагрузке, а также увеличение механической степени сжатия и запаздывание момента времени закрытия впускного клапана, когда нагрузка двигателя становится меньше во время работы двигателя при средней нагрузке и работы двигателя при высокой нагрузке в состоянии, в котором фактическая степень сжатия поддерживается, по существу, постоянной (см., например, патентную публикацию Японии (А) №2004-218522).
Однако в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием состояние газа в камере сгорания в конце такта сжатия непосредственно перед сжатием, например, давление в камере сгорания или температура газа оказывают большое влияние на сгорание. То есть, вообще говоря, чем выше давление в камере сгорания или температура газа в конце такта сжатия, тем проще обеспечить сгорание, но чем выше давление в камере сгорания или температура газа, тем больше вероятность наступления детонации. Поэтому давление в камере сгорания или температура газа предпочтительно поддерживаются на уровне оптимального значения, то есть как можно большего значения в диапазоне, где детонация не наступает.
С другой стороны, если фактическая степень сжатия поддерживается постоянной, как в вышеуказанном известном двигателе внутреннего сгорания, всасываемый газ, подаваемый в камеру сгорания, все время сжимается в постоянной степени. Вместе с тем, в этом случае давление в камере сгорания или температура газа в конце такта сжатия изменяется в зависимости от давления в камере сгорания или температуры газа в момент начала сжатия, то есть давления или температуры всасываемого газа, подаваемого в камеру сгорания. Если давление или температура всасываемого газа, подаваемого в камеру сгорания, становится выше, то давление в камере сгорания или температура газа в конце такта сжатия при этом также становится выше. Следовательно, существует проблема, заключающаяся в том, что, даже если поддерживать фактическую степень сжатия постоянной, как в вышеуказанном известном двигателе внутреннего сгорания, давление в камере сгорания или температуру газа в конце такта сжатия не удается поддерживать на уровне оптимального значения.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать способ управления механической степенью сжатия и моментом времени начала фактического сжатия для поддержания состояния газа в камере сгорания в конце такта сжатия в оптимальном состоянии и получения таким образом надлежащего сгорания без наступления детонации.
В соответствии с настоящим изобретением предложен способ управления механической степенью сжатия посредством механизма, обеспечивающего изменяемое сжатие, и управления моментом времени закрытия впускного клапана посредством механизма, обеспечивающего изменяемую синхронизацию клапана, в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием, причем управление моментом времени закрытия впускного клапана осуществляют так, что в камеру сгорания подается количество всасываемого воздуха, соответствующее требуемой нагрузке, отличающийся тем, что управление механической степенью сжатия осуществляют так, что давление в камере сгорания в конце такта сжатия становится, по существу, постоянным при одной и той же скорости двигателя независимо от нагрузки двигателя.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением предложен способ управления механической степенью сжатия посредством механизма, обеспечивающего изменяемое сжатие, и управления моментом закрытия впускного клапана посредством механизма, обеспечивающего изменяемую синхронизацию, в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием, причем управление моментом времени закрытия впускного клапана осуществляют так, что в камеру сгорания подается количество всасываемого воздуха, соответствующее требуемой нагрузке, отличающийся тем, что управление механической степенью сжатия осуществляют так, что температура газа в камере сгорания в конце такта сжатия становится, по существу, постоянной при одной и той же скорости двигателя независимо от нагрузки двигателя.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением предложен способ управления механической степенью сжатия посредством механизма, обеспечивающего изменяемое сжатие, и управления моментом закрытия впускного клапана посредством механизма, обеспечивающего изменяемую синхронизацию, в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием, причем управление моментом времени закрытия впускного клапана осуществляют так, что в камеру сгорания подается количество всасываемого воздуха, соответствующее требуемой нагрузке, отличающийся тем, что заданные значения давления в камере сгорания и температуры газа в конце такта сжатия запоминают заранее, а управление механической степенью сжатия осуществляют так, что давление в камере сгорания и температура газа в конце такта сжатия становятся запомненными заданными значениями.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением предложен способ управления механической степенью сжатия посредством механизма, обеспечивающего изменяемое сжатие, и управления моментом закрытия впускного клапана посредством механизма, обеспечивающего изменяемую синхронизацию, в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием, причем управление моментом времени закрытия впускного клапана осуществляют так, что в камеру сгорания подается количество всасываемого воздуха, соответствующее требуемой нагрузке, отличающийся тем, что управление механической степенью сжатия осуществляют так, что плотность газа в камере сгорания в конце такта сжатия становится, по существу, постоянной при одной и той же скорости двигателя независимо от нагрузки двигателя.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен общий вид двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием.
На фиг.2 представлен механизм, обеспечивающий изменяемую степень сжатия, в разобранном состоянии.
На фиг.3 представлено сечение на виде сбоку двигателя внутреннего сгорания.
На фиг.4 представлен механизм, обеспечивающий изменяемую синхронизацию клапана.
На фиг.5 представлен вид, иллюстрирующий величины подъема впускного клапана и выпускного клапана.
На фиг.6 представлена схема для пояснения механической степени сжатия двигателя, фактической степени сжатия и степени расширения.
На фиг.7 представлен график, иллюстрирующий зависимость между теоретическим термическим кпд и степенью расширения.
На фиг.8 представлена схема для пояснения обычного цикла и цикла со сверхвысокой степенью расширения.
На фиг.9 представлен график, иллюстрирующий изменение в механической степени сжатия и т.д. в функции нагрузки на двигатель.
На фиг.10 представлен график, иллюстрирующий изменение давления и т.д.
На фиг.11 представлен алгоритм последовательности действий управления.
На фиг.12 представлен алгоритм последовательности действий управления.
На фиг.13 представлен график, иллюстрирующий механическую степень сжатия.
На фиг.14 представлен алгоритм последовательности действий управления.
На фиг.15 представлен график, иллюстрирующий температуру.
На фиг.16 представлен алгоритм последовательности действий управления.
На фиг.17 представлен алгоритм последовательности действий управления.
На фиг.18 представлен график, иллюстрирующий механическую степень сжатия.
На фиг.19 представлен алгоритм последовательности действий управления.
На фиг.20 представлен график, иллюстрирующий объем и т.д.
На фиг.21 представлен алгоритм последовательности действий управления.
На фиг.22 представлен график, иллюстрирующий плотность.
На фиг.23 представлен алгоритм последовательности действий управления.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлено сечение на виде сбоку двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием.
Позиция 1 обозначает картер двигателя, 2 - блок цилиндров, 3 - головку цилиндра, 4 - поршень, 5 - камеру сгорания, 6 - свечу зажигания, расположенную по центру и вверху камеры 5 сгорания, 7 - впускной клапан, 8 - впускной канал, 9 - выпускной клапан, 10 - выпускной канал. Впускной канал 8 соединен посредством впускного патрубка 11 с ресивером 12, при этом каждый впускной патрубок 11 снабжен форсункой 13 для впрыска топлива в направлении соответствующего впускного канала 8. Каждая форсунка 13 может быть расположена в каждой камере 5 сгорания, а не во впускном патрубке 11.
Ресивер 12 соединен посредством воздухозаборного канала 14 с выходным патрубком компрессора 15а турбонагнетателя 15, а входной патрубок компрессора 15а соединен с воздушным фильтром 17 через датчик 16 количества всасываемого воздуха, использующий, например, нить накаливания. Воздухозаборный канал 14 снабжен дроссельной заслонкой 19, привод которой осуществляет исполнительный механизм 18.
Выпускной канал 10 соединен посредством выпускного коллектора 20 с выходным патрубком турбины 15b турбонагнетателя 15, а выходной патрубок турбины 15b соединен посредством выпускной трубы 21, например, с каталитическим преобразователем 22, в котором заключен, например, трехкомпонентный нейтрализатор. Выхлопная труба 21 снабжена расположенным внутри нее датчиком 21а соотношения компонентов топливовоздушной смеси.
В варианте осуществления, показанном на фиг.1, картер 1 двигателя и блок 2 цилиндров снабжены механизмом А, обеспечивающим изменяемую степень сжатия, за счет изменения относительного положения картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров в осевом направлении цилиндров для изменения объема камеры 5 сгорания, а также снабжены механизмом В, обеспечивающим изменяемую синхронизацию клапана, для управления моментом времени закрытия впускного клапана 7 так, что при этом изменяется момент начала фактического сжатия.
Электронный управляющий блок 30 содержит компьютер, снабженный компонентами, соединенными друг с другом посредством двунаправленной шины 31, такими как постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 32, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 33, центральный процессор (ЦП) 34, порт 35 ввода и порт 36 вывода. Выходной сигнал датчика 16 количества всасываемого воздуха и выходной сигнал датчика 21а соотношения компонентов топливовоздушной смеси вводятся посредством соответствующих аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 37 в порт 35 ввода. Над камерой 5 сгорания предусмотрены датчик 23 давления и датчик 24 температуры. Выходные сигналы датчика 23 давления и датчика 24 температуры вводятся через соответствующие АЦП 37 в порт 35 ввода. Кроме того, ресивер 12, то есть впускной проточный канал ниже по течению от дроссельной заслонки 19, снабжен датчиком 25 давления и датчиком 26 температуры. Выходные сигналы датчика 25 давления и датчика 26 температуры вводятся через соответствующие АЦП 37 в порт 35 ввода.
Кроме того, педаль 40 акселератора соединена с датчиком 41, генерирующим выходное напряжение, пропорциональное величине L нажатия на педаль 40. Выходное напряжение датчика 41 нагрузки вводится через соответствующий АЦП 37 в порт 35 ввода. Далее, порт 35 ввода соединен с датчиком 42 угла поворота коленчатого вала, генерирующим выходной импульс каждый раз, когда коленчатый вал поворачивается, например, на 30°. С другой стороны, порт 36 вывода соединен посредством схемы 38 со свечой 6 зажигания, топливной форсункой 13, исполнительным механизмом 18 привода дроссельной заслонки, механизмом А, обеспечивающим изменяемую степень сжатия, и механизмом В, обеспечивающим изменяемую синхронизацию клапана.
На фиг.2 представлено изображение показанного на фиг.1 механизма А, обеспечивающего изменяемую степень сжатия, в разобранном состоянии, а на фиг.3 представлено сечение на виде сбоку иллюстрируемого двигателя внутреннего сгорания.
Внизу обеих боковых стенок блока 2 цилиндров выполнено множество выступов 50 на определенном расстоянии друг от друга. Каждый выступ 50 имеет круглое поперечное отверстие 51 для кулачка. Верхняя поверхность картера 1 двигателя выполнена с множеством выступов 52 на определенном расстоянии друг от друга, расположенных между соответствующими выступами 50. Эти выступы 52 также имеют круглое поперечное отверстие 53 для кулачка.
Как показано на фиг.2, имеется пара кулачковых валов 54, 55. Каждый из кулачковых валов 54, 55 имеет закрепленные на нем круглые кулачки 56, расположенные в отверстиях 51. Эти круглые кулачки 56 соосны осям вращения кулачковых валов 54, 55. Как показано на фиг.3, между круглыми кулачками 56 проходят валы 57 эксцентриков, расположенные с эксцентриситетом относительно осей вращения кулачковых валов 54, 55. Каждый вал 57 эксцентрика имеет другие круглые кулачки 58, установленные с эксцентриситетом относительно него. Как показано на фиг.2, эти круглые кулачки 58 расположены между круглыми кулачками 56. Эти круглые кулачки 58 расположены в соответствующих отверстиях 53 для кулачков.
Когда круглые кулачки 56, закрепленные на кулачковых валах 54, 55, поворачиваются в противоположных направлениях, как показано стрелками, изображенными сплошными линиями на фиг.3(А), из состояния, показанного на фиг.3(А), валы 37 эксцентриков движутся к нижней мертвой точке, так что круглые кулачки 58 поворачиваются в противоположных направлениях от круглых кулачков 56 в отверстиях 53, как показано пунктирными линиями на фиг.3(А). Как показано на фиг.3(В), когда валы 37 эксцентриков движутся к нижней мертвой точке, центры круглых кулачков 58 движутся, опускаясь ниже валов 57 эксцентриков.
Как будет ясно из сравнения фиг.3(А) и фиг.3(В) относительные положения картера 1 двигателя и блока 2 цилиндров определяются расстоянием между центрами круглых кулачков 56 и центрами круглых кулачков 58. Чем больше расстояние между центрами круглых кулачков 56 и центрами круглых кулачков 58, тем дальше блок 2 цилиндров от картера 1 двигателя. Если блок 2 цилиндров удаляется от картера 1 двигателя, то, следовательно, когда поршень 4 находится в верхней мертвой точке такта сжатия, объем камеры 5 сгорания увеличивается, приводя тем самым кулачковые валы 54, 55 во вращение, и поэтому, когда поршень 4 находится в верхней мертвой точке такта сжатия, можно изменять объем камеры 5 сгорания.
Как показано на фиг.2, чтобы привести кулачковые валы 54, 55 во вращение в противоположных направлениях, вал приводного электродвигателя 59 снабжен парой червяков 61, 62 с противоположными направлениями витков. К концам кулачковых валов 54, 55 закреплены зубчатые колеса 63, 64, вводимые в зацепление с этими червяками 61, 62. В этом варианте осуществления приводной электродвигатель 59 может изменять объем камеры 5 сгорания в широком диапазоне, когда поршень 4 находится в верхней мертвой точке такта сжатия. Можно использовать механизм А, обеспечивающий изменяемую степень сжатия, любого типа.
На фиг.4 показан механизм В, обеспечивающий изменяемую синхронизацию клапана, закрепленный на конце кулачкового вала 70 для привода впускного клапана 7, показанного на фиг.1. Этот механизм В, обеспечивающий изменяемую синхронизацию клапана, снабжен синхронизирующим шкивом 71, вращаемым коленчатым валом двигателя посредством синхронизирующего ремня в направлении по стрелке, цилиндрическим корпусом 72, вращающимся вместе с синхронизирующим шкивом 71, валом 73, выполненным с возможностью вращения вместе с кулачковым валом 70 привода впускного клапана и вращения относительно цилиндрического корпуса 72, множеством перегородок 74, проходящих от внутренней поверхности цилиндрического корпуса 72 до наружной поверхности вала 73, и лопатками 75, проходящими между перегородками 74 от наружной поверхности вала 73 до внутренней поверхности цилиндрического корпуса 72, причем две стороны лопаток 75 образуют гидравлические камеры 76 для опережения и гидравлические камеры 77 для запаздывания.
Подачей рабочей жидкости в гидравлические камеры 76, 77 управляет золотник 85. Этот золотник 85 снабжен цилиндрическими отверстиями 78, 79, соединенными с гидравлическими камерами 76, 77, отверстием 81 для подвода рабочей жидкости от гидравлического насоса 80, парой сливных отверстий 82, 83 и золотником 84 для управления коммутацией отверстий 78, 79, 81, 82, 83.
Для установки опережающей фазы кулачков кулачкового вала 70 показанный на фиг.4 золотник 84 перемещается вправо, при этом рабочая жидкость из отверстия 81 подается через отверстие 78 в гидравлические камеры 76 для опережения, а рабочая жидкость из гидравлических камер 77 для запаздывания сливается из отверстия 83. В это время вал 73 поворачивается относительно цилиндрического корпуса 72 в направлении по стрелке.
В противоположность этому для запаздывающей фазы кулачков кулачкового вала 70 показанный на фиг.4 золотник 85 перемещается влево, при этом рабочая жидкость из отверстия 81 подается через отверстие 79 в гидравлические камеры 77 для запаздывания, а рабочая жидкость из гидравлических камер 76 для опережения сливается из отверстия 82. В это время вал 73 поворачивается относительно цилиндрического корпуса 72 в направлении, противоположном тому, которое показано стрелкой.
Когда вал 73 приводится во вращение относительно цилиндрического корпуса 72, если золотник 84 находится в нейтральном положении, показанном на фиг.4, операция относительного поворота вала 73 заканчивается, и вал 73 удерживается в повернутом положении. Таким образом можно использовать механизм В, обеспечивающий изменяемую синхронизацию клапана, для того чтобы сделать фазу кулачков кулачкового вала 70 привода впускного клапана опережающей или запаздывающей точно на желаемую величину.
Сплошные линии на фиг.5 иллюстрируют случай, когда механизм В, обеспечивающий изменяемую синхронизацию клапана, используется для того, чтобы сделать фазу кулачков кулачкового вала 70 привода впускного клапана максимально опережающей, а пунктирные линии иллюстрируют случай, когда механизм В, обеспечивающий изменяемую синхронизацию клапана, используется для того, чтобы сделать фазу кулачков кулачкового вала 70 привода впускного клапана максимально запаздывающей. Следовательно, можно свободно задавать момент времени открывания впускного клапана 7 между диапазоном, показанным сплошной линией на фиг.5, и диапазоном, показанным пунктирной линией на фиг.5, т.е. можно задавать момент времени закрытия впускного клапана 7 соответствующим любому углу поворота коленчатого вала в диапазоне, показанном стрелкой С на фиг.5.
Механизм В, обеспечивающий изменяемую синхронизацию клапана, показанный на фиг.1 и фиг.4, является одним примером. Можно использовать механизмы других различных типов, обеспечивающих изменяемую синхронизацию клапана, выполненных с возможностью изменять только момент времени закрытия впускного клапана, поддерживая при этом момент времени открывания впускного клапана постоянным.
Далее, со ссылками на фиг.6 будет пояснен смысл терминов, используемых в данном описании. На фиг.6(А), (В) и (С) в иллюстративных целях показан двигатель с объемом камеры сгорания, составляющим 50 мл, и рабочим объемом цилиндра, составляющим 500 мл. На этих фиг.6(А), (В) и (С) объем камеры сгорания - это объем камеры сгорания в положении поршня в верхней мертвой точке такта сжатия.
Фиг.6(А) поясняет механическую степень сжатия. Механическая степень сжатия является величиной, определяемой исходя из рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания во время такта сжатия. Эта механическая степень сжатия выражается отношением суммы объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра к объему камеры сгорания. В примере, показанном на фиг.6(А), эта механическая степень сжатия становится равной (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11.
Фиг.6(В) поясняет фактическую степень сжатия. Фактическая степень сжатия является величиной, определяемой исходя из фактического рабочего объема цилиндра с того момента, когда фактически начинается сжатие, до того момента, когда поршень достигает верхней мертвой точки, и объема камеры сгорания. Эта фактическая степень сжатия выражается отношением суммы объема камеры сгорания и фактического рабочего объема цилиндра к объему камеры сгорания. То есть, как показано на фиг.6(В), даже если поршень начинает подниматься в такте сжатия, само сжатие не осуществляется при открытом впускном клапане. Фактическое сжатие начинается после того, как впускной клапан закрывается. Следовательно, фактическая степень сжатия выражается, с использованием фактического рабочего объема цилиндра, следующим образом. В примере, показанном на фиг.6(В), фактическая степень сжатия становится равной (50 мл + 450 мл)/50 мл = 10.
Фиг.6(С) поясняет степень расширения. Степень расширения является величиной, определяемой исходя из рабочего объема цилиндра во время такта расширения и объема камеры сгорания. Эта степень расширения выражается отношением суммы объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра к объему камеры сгорания. В примере, показанном на фиг.6(С), степень расширения становится равной (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11.
Далее, со ссылками на фиг.7 и 8 будет пояснено большинство основных признаков. Отметим, что на фиг.7 показана зависимость между теоретическим термическим кпд и степенью расширения, а на фиг.8 показано сравнение обычного цикла и цикла со сверхвысокой степенью расширения, избирательно используемого в настоящем изобретении в соответствии с нагрузкой.
На фиг.8 (А) показан обычный цикл, когда впускной клапан закрывается около нижней мертвой точки, и действие сжатия, осуществляемое поршнем, начинается, по существу, около нижней мертвой точки такта сжатия. В примере, показанном на этой фиг.8(А), как и в примерах, показанных на фиг.6(А), (В) и (С), объем камеры сгорания составляет 50 мл, а рабочий объем цилиндра составляет 500 мл. Как будет ясно из фиг.8(А), в обычном цикле механическая степень сжатия составляет (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11, фактическая степень сжатия также составляет около 11 и степень расширения тоже становится равной (50 мл + 500 мл)/50 мл = 11. То есть в обычном двигателе внутреннего сгорания механическая степень сжатия, фактическая степень сжатия и степень расширения становятся, по существу, одинаковыми.
Сплошная линия на фиг.7 иллюстрирует изменение теоретического термического кпд в случае, если фактическая степень сжатия и механическая степень сжатия, по существу, равны, то есть в обычном цикле. В этом случае определяется, что чем больше степень расширения, то есть чем выше фактическая степень сжатия, тем выше теоретический термический кпд. Следовательно, чтобы увеличить теоретический термический кпд в обычном цикле, следует повысить фактическую степень сжатия. Вместе с тем, из-за ограничений, накладываемых на наступление детонации во время работы двигателя при большой нагрузке, фактическую степень сжатия можно соответственно увеличить даже на максимальном уровне лишь до значения примерно 12 в обычном цикле и поэтому не удается сделать теоретический термический кпд достаточно высоким.
С другой стороны, в этой ситуации авторы изобретения установили четкое различие между механической степенью сжатия и фактической степенью сжатия и на этой основе исследовали теоретический термический кпд, в результате чего обнаружилось, что в теоретическом термическом кпд доминирует степень расширения, а фактическая степень сжатия почти совсем не оказывает влияние на теоретический термический кпд. То есть, если повышают фактическую степень сжатия, то увеличивается взрывная сила, а сжатие требует большой энергии, поэтому, даже если повысить фактическую степень сжатия, теоретический термический кпд почти совсем не увеличится.
В противоположность этому, если увеличивают степень расширения, то чем продолжительнее период, в течение которого сила действует на поршень во время такта расширения, тем продолжительнее время, в течение которого поршень сообщает вращательную силу коленчатому валу. Следовательно, чем выше задается степень расширения, тем выше становится теоретический термический кпд. Пунктирная линия на фиг.7 иллюстрирует теоретический термический кпд в случае фиксации фактической степени сжатия на уровне 10 и увеличения степени расширения в этом состоянии. Таким образом определяется, что величина повышения теоретического термического кпд при повышении степени расширения в состоянии, когда фактическая степень сжатия поддерживается на уровне низкого значения, и величина повышения теоретического термического кпд при повышении степени расширения в случае, когда фактическая степень сжатия увеличивается наряду со степенью расширения, как показано сплошной линией на фиг.7, не окажутся намного различающимися.
Если фактическая степень сжатия поддерживается таким образом на уровне низкого значения, то детонация не наступит, следовательно, если теоретический термический кпд повышается в состоянии, когда фактическая степень сжатия поддерживается на уровне низкого значения, то можно предотвратить наступление детонации и можно значительно повысить теоретический термический кпд. Фиг.8(В) иллюстрирует пример случая, когда для поддержания фактической степени сжатия на уровне низкого значения и повышения степени расширения используют механизм А, обеспечивающий изменяемую степень сжатия, и механизм В, обеспечивающий изменяемую синхронизацию клапана.
Обращаясь к фиг.8(В), отмечаем, что в этом примере механизм А, обеспечивающий изменяемую степень сжатия, используется для уменьшения объема камеры сгорания с 50 мл до 20 мл. С другой стороны, механизм В, обеспечивающий изменяемую синхронизацию клапана, обеспечивает запаздывание закрытия впускного клапана до тех пор, пока фактический рабочий объем цилиндра не изменится с 500 мл до 200 мл. В результате в этом примере фактическая степень сжатия становится равной (20 мл + 200 мл)/20 мл = 11, а степень расширения становится равной (20 мл + 500 мл)/20 мл = 26. Как пояснялось выше, в обычном цикле, показанном на фиг.8(А), фактическая степень сжатия составляет около 11, а степень расширения равна 11. По сравнению с этим случаем в случае, показанном на фиг.8(В), определяется, что только степень расширения увеличивается до 26. Это и является причиной, по которой упомянутый случай называют «циклом со сверхвысокой степенью расширения».
Кроме того в двигателе внутреннего сгорания, чем меньше нагрузка, тем хуже термический кпд, поэтому для повышения термического кпд во время работы транспортного средства, то есть для снижения расхода топлива становится необходимым повышение термического кпд во время работы двигателя при малой нагрузке. В этом случае, как пояснялось выше, чем выше степень сжатия, тем больше термический кпд. С другой стороны, если повышается степень сжатия двигателя, то степень расширения становится выше. Следовательно, для повышения термического кпд во время работы транспортного средства предпочтительным является как можно более значительное повышение механической степени сжатия во время работы двигателя при малой нагрузке, чтобы гарантировать получение максимальной степени расширения во время работы двигателя при малой нагрузке. Далее, в цикле со сверхвысокой степенью расширения, показанном на фиг.8(В), фактический рабочий объем цилиндра в такте сжатия задается меньшим, так что меньше становится и количество всасываемого воздуха в камеру 5 сгорания, следовательно, когда нагрузка двигателя относительно мала, можно использовать только этот цикл со сверхвысокой степенью расширения. Поэтому в настоящем изобретении во время работы двигателя при малой нагрузке устанавливается цикл со сверхвысокой степенью расширения, показанный на фиг.8(В), а во время работы двигателя при большой нагрузке устанавливается обычный цикл, показанный на фиг.8(А).
Далее, со ссылками на фиг.9 будет в общих чертах дано пояснение управления в целом.
x
На фиг.9 показано изменение механической степени сжатия, степени расширения, момента времени закрытия впускного клапана 7, давления в камере 5 сгорания в конце такта сжатия, а точнее - давления в камере 5 сгорания непосредственно перед зажиганием, количества всасываемого воздуха, степени открытия дроссельной заслонки 17 и насосные потери в функции нагрузки. В варианте осуществления, соответствующем настоящему изобретению, обычно среднее соотношение компонентов топливовоздушной смеси в камере 5 сгорания автоматически регулируется до стехиометрического соотношения, базируясь на сигнале датчика 21а, для того чтобы трехкомпонентный катализатор в каталитическом преобразователе 22 одновременно мог уменьшить количество не прогоревших НС, СО и NO в выхлопном газе.
В настоящем изобретении управление моментом времени закрытия впускного клапана 7 осуществляется так, что в камеру 5 сгорания поступает количество всасываемого воздуха, соответствующее требуемой нагрузке. Управление механической степенью сжатия осуществляется так, что состояние газа в камере 5 сгорания в конце такта сжатия становится, по существу, постоянным независимо от нагрузки двигателя. Отметим, что в примере, показанном на фиг.9, управление механической степенью сжатия осуществляется так, что давление в камере 5 сгорания в конце такта сжатия становится, по существу, постоянным независимо от нагрузки двигателя.
Если управление моментом времени закрытия впускного клапана 7 и механической степенью сжатия осуществляется таким образом, то изменение момента времени закрытия впускного клапана 7 и механической степени сжатия происходит так, как показано сплошной линией на фиг.9. Отметим, что на фиг.9 показан случай, когда нагрузка двигателя изменяется, а скорость двигателя поддерживается постоянной.
В настоящем изобретении во время работы двигателя при большой нагрузке, как пояснялось выше, осуществляется обычный цикл, показанный на фиг.8(А). При этом, поскольку количество всасываемого воздуха велико, как показано сплошной линией на фиг.9, момент времени закрытия впускного клапана 7 наступает раньше, как было показано сплошной линией на фиг.5. Кроме этого, механическая степень сжатия становится ниже, так что степень расширения также становится ниже. Отметим, что при этом степень открывания дроссельной заслонки 17 такова, что она поддерживается практически полностью открытой, вследствие чего насосные потери становятся нулевыми.
С другой стороны, как показано на фиг.9, если нагрузка двигателя снижается, количество всасываемого воздуха, подаваемого внутрь камеры 5 сгорания, уменьшается, так что, как показано сплошной линией на фиг.9, когда нагрузка двигателя уменьшается, происходит запаздывание момента времени закрытия впускного клапана 7. Отметим, что при этом дроссельная заслонка 17 также поддерживается в практически полностью открытом состоянии, следовательно, управление количеством всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания, осуществляется не с помощью дроссельной заслонки 17, а за счет изменения момента времени закрытия впускного клапана 7. И при этом насосные потери также становятся нулевыми.
С другой стороны, когда нагрузка двигателя становится меньше и таким образом уменьшается количество всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания, для поддержания давления в камере 5 сгорания постоянным в конце цикла сжатия необходимо уменьшить объем камеры 5 сгорания в верхней мертвой точке такта сжатия, то есть увеличить механическую степень сжатия. Следовательно, как показано на фиг.9, когда нагрузка двигателя становится меньше, механическая степень сжатия увеличивается и поэтому степень расширения тоже увеличивается.
2
Если нагрузка двигателя становится еще меньше, что приводит к дальнейшему уменьшению количества всасываемого воздуха, подаваемого внутрь камеры 5 сгорания, как показано сплошной линией на фиг.9, момент времени закрытия впускного клапана 7 делают запаздывающим до предельного момента времени закрытия, гарантирующего управление количеством всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания. В области нагрузки, меньшей, чем нагрузка L, когда момент времени закрытия впускного клапана 7 достигает предельного значения, момент времени закрытия впускного клапана 7 поддерживается на уровне предельного значения. Если момент времени закрытия впускного клапана 7 поддерживается на уровне предельного значения, управление количеством всасываемого воздуха посредством изменения момента времени закрытия впускного клапана 7 больше не будет возможным. Поэтому придется управлять количеством всасываемого воздуха каким-то другим способом.
2
В варианте осуществления, показанном на фиг.9, в это время, т.е. в области нагрузки, меньшей, чем нагрузка L, когда момент времени закрытия впускного клапана 7 достигает предельного значения, для управления количеством всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания, используется дроссельная заслонка 17. Вместе с тем, если дроссельная заслонка 17 используется для управления количеством всасываемого воздуха, то увеличиваются насосные потери, как показано на фиг.9.
2
Отметим, что для предотвращения этих насосных потерь в области нагрузки, меньшей, чем нагрузка L, когда момент времени закрытия впускного клапана 7 достигает предельного значения, дроссельная заслонка 17 поддерживается практически полностью открытой. В этом состоянии, чем меньше нагрузка двигателя, тем больше можно сделать соотношение компонентов топливовоздушной смеси. При этом форсунка 13 предпочтительно расположена в камере 5 сгорания для осуществления стратифицированного сгорания.
1
С другой стороны, если нагрузка двигателя становится меньше и количество всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 5 сгорания, уменьшается, механическая степень сжатия дополнительно увеличивается, поддерживая давление в камере 5 сгорания в конце такта сжатия постоянным. Далее, когда механическая степень сжатия достигает предельного значения, являющегося конструктивным пределом камеры 5 сгорания, в области нагрузки, меньшей, чем нагрузка L, когда механическая степень сжатия достигает предельного значения, она поддерживается на этом уровне. Следовательно, во время работы двигателя при малой нагрузке механическая степень сжатия становится максимальной и степень расширения также становится максимальной. Следуя этим иным путем, в настоящем изобретении, чтобы получить максимальную степень расширения во время работы двигателя при малой нагрузке, механическую степень сжатия делают максимальной.
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением независимо от нагрузки давление в камере 5 сгорания в конце такта сжатия является практически постоянным. То есть независимо от нагрузки состояние газа в камере 5 сгорания в конце такта сжатия является оптимальным состоянием газа, дающим стабильное сгорание и не вызывающим детонацию. Соответственно, появляется возможность получения хорошего сгорания, стабильного во всех областях нагрузки, например во время работы двигателя при малой нагрузке, когда механическая степень сжатия становится максимальной.
Как пояснялось выше, в цикле со сверхвысокой степенью расширения, показанном на фиг.8(В), степень расширения задается равной 26. Чем выше эта степень расширения, тем лучше, а если она составляет 20 или более, то можно получить значительно более высокий термический кпд. Поэтому в настоящем изобретении механизм А, обеспечивающий изменяемую степень сжатия, выполнен таким образом, что степень расширения составляет 20 или более.
Кроме того, в примере, показанном на фиг.9, механическая степень сжатия непрерывно изменяется в соответствии с нагрузкой двигателя. Вместе с тем, возможно также ступенчатое изменение механической степени сжатия в соответствии с требуемой нагрузкой.
2
С другой стороны, как показано пунктирной линией на фиг.9, когда требуемая нагрузка двигателя становится меньше, можно за счет того, что момент времени закрытия впускного клапана 7 наступает раньше, управлять количеством всасываемого воздуха независимо от дроссельной заслонки 17. Следовательно, если на фиг.9 полностью отобразить и случай, показанный сплошной линией, и случай, показанный пунктирной линией, то в варианте осуществления, соответствующем настоящему изобретению, когда нагрузка становится меньшей, момент времени закрытия впускного клапана 7 сдвигается в направлении от нижней мертвой точки (НМТ) такта сжатия до тех пор, пока не будет достигнут предельный момент L времени закрытия, гарантирующий управление количеством всасываемого воздуха, подаваемого в камеру сгорания.
Теперь со ссылками на фиг.10-14 будет пояснен вариант осуществления, предусматривающий управление механической степенью сжатия таким образом, чтобы давление в камере 5 сгорания в конце такта сжатия становилось практически постоянным независимо от нагрузки двигателя.
На фиг.10(А) показана картограмма моментов IC времени закрытия впускного клапана 7, соответствующих требуемой нагрузке. Как будет понятно из фиг.10(А), момент IC времени закрытия впускного клапана 7 является функцией нагрузки L двигателя и скорости N двигателя. Эта картограмма хранится в ПЗУ 32.
1
2
3
4
1
2
3
4
На фиг.10(В) показана зависимость между давлением PN в камере 5 сгорания в конце такта сжатия, точнее давлением PN в камере сгорания непосредственно перед сжатием или непосредственно перед зажиганием и нагрузкой L двигателя. Символы PN, PN, PN, PN на фиг.10(В) обозначают давления для разных скоростей двигателя. В этом случае для скорости двигателя соблюдается соотношение PN<PN<PN<PN. To есть, чем больше скорость двигателя, тем большее возмущение происходит внутри камеры 5 сгорания, вследствие чего детонация затрудняется и поэтому давление PN делается тем выше, чем больше скорость двигателя.
Как показано на фиг.10(В), давление PN задают постоянным при одной и той же скорости двигателя независимо от нагрузки двигателя.
На фиг.11 показан алгоритм управления при контроле давления в камере 5 сгорания и управлении механической степенью сжатия в функции давления в камере 5 сгорания.
2
2
2
Обращаясь к фиг.11, отмечаем, что сначала - на этапе 100 - определяют, является ли нагрузка L двигателя большей, чем нагрузка L, показанная на фиг.9. Когда L≥L, переходят к этапу 101, на котором используют картограмму, показанную на фиг.10(А), для вычисления момента IC времени закрытия впускного клапана 7, и управляют им так, чтобы он закрывался в вычисленный момент IC времени. Затем переходят к этапу 104. В противоположность этому, если на этапе 100 было определено, что L<L, то переходят к этапу 102, на котором момент времени закрытия впускного клапана 7 делают предельным, а потом - на этапе 103 - управляют количеством всасываемого воздуха посредством дроссельной заслонки 19. Затем алгоритм переходит к этапу 104.
1
1
На этапе 104 определяют, является ли нагрузка L меньшей, чем нагрузка L, показанная на фиг.9. Когда L≥L, переходят к этапу 105, на котором посредством датчика 23 давления определяют давление РО в камере 5 сгорания в конце такта сжатия. Затем на этапе 106 определяют, является ли давление РО большим, чем сумма давления PN, вычисленного исходя из фиг.10(В), и фиксированного значения α, то есть большим, чем значение PN+α. Когда PO>PN+α, переходят к этапу 107, на котором механическую степень CR сжатия уменьшают на фиксированное значение ΔCR. Затем переходят к этапу 111. В противоположность этому, когда на этапе 106 определяют, что PO≤PN+α, переходят к этапу 108, на котором определяют, является ли давление РО меньшим, чем давление PN, вычисленное исходя из фиг.10(В), за вычетом фиксированного значения α, то есть меньшим, чем значение PN-α. Когда PO<PN-α, переходят к этапу 109, на котором механическую степень CR сжатия увеличивают на фиксированное значение ΔCR. Затем переходят к этапу 111.
1
1
1
С другой стороны, когда на этапе 104 определяют, что L<L, переходят к этапу 110, на котором механическую степень CR сжатия делают равной предельной. Затем переходят к этапу 111. На этапе 111 получают вычисленную механическую степень CR сжатия путем управления механизмом А, обеспечивающим изменяемую степень сжатия. То есть, когда L≥L, давление РО делают равным давлению PN путем управления механической степенью CR сжатия, а когда L<L, механическую степень CR сжатия фиксируют на уровне предельной.
На фиг.12 представлен алгоритм управления при определении давления во впускном канале двигателя для оценки давления в камере 5 сгорания в конце такта сжатия при управлении механической степенью сжатия на основании давления в камере 5 сгорания.
2
2
2
Обращаясь к фиг.12, отмечаем, что сначала - на этапе 200 - определяют, является ли нагрузка L большей, чем нагрузка L, показанная на фиг.9. Когда L≥L, переходят к этапу 201, на котором используют картограмму, показанную на фиг.10(А), для вычисления момента IC времени закрытия впускного клапана 7, и управляют им так, чтобы он закрывался в вычисленный момент IC времени. Затем переходят к этапу 204. В противоположность этому, если на этапе 200 определяют, что L<L, то переходят к этапу 202, на котором момент времени закрытия впускного клапана 7 делают предельным, а потом - на этапе 203 - управляют количеством всасываемого воздуха посредством дроссельной заслонки 19. Затем переходят к этапу 204.
1
1
1
0
1
0
р
v
K
На этапе 204 определяют, является ли нагрузка L меньшей, чем нагрузка L, показанная на фиг.9. Когда L≥L, переходят к этапу 205, на котором используют датчик 25 давления для определения давления РР во впускном канале, и вычисляют объем V камеры 5 сгорания в фактический момент времени начала сжатия исходя из момента IC времени закрытия впускного клапана 7, например вычисляют объем V камеры 5 сгорания непосредственно перед зажиганием. Затем - на этапе 206 - вычисляют давление РО в камере 5 сгорания в конце такта сжатия исходя из давления РР во впускном проточном канале и объемов V, V. То есть, если давление равно Р, объем равен V, а отношение удельных теплоемкостей равно K(=С/C), то при осуществлении адиабатического сжатия выполняется зависимость PV=const. Если давление в камере 5 сгорания в момент времени начала адиабатического сжатия делают равным давлению РР во впускном проточном канале, то эту зависимость можно использовать для нахождения давления РО в камере 5 сгорания в конце такта сжатия.
Затем - на этапе 207 - определяют, является ли давление РО большим, чем сумма давления PN, вычисленного исходя из фиг.10(В), и фиксированного значения α, то есть большим, чем значение PN+α. Когда РО>PN+α, переходят к этапу 208, на котором механическую степень CR сжатия уменьшают на фиксированное значение ΔCR. Затем переходят к этапу 212. В противоположность этому, когда на этапе 207 определяют, что PO≤PN+α, переходят к этапу 209, на котором определяют, является ли давление РО меньшим, чем давление PN, вычисленное исходя из фиг.10(В), за вычетом фиксированного значения α, то есть меньшим, чем значение PN-α. Когда PO<PN-α, переходят к этапу 210, на котором механическую степень CR сжатия увеличивают на фиксированное значение ΔCR. Затем переходят к этапу 212.
1
С другой стороны, когда на этапе 204 определяют, что L<L, переходят к этапу 110, на котором механическую степень CR сжатия делают равной предельной. Затем переходят к этапу 212. На этапе 212 получают вычисленную механическую степень CR сжатия путем управления механизмом А, обеспечивающим изменяемую степень сжатия.
1
2
3
4
1
2
3
4
На фиг.13 и 14 показана модификация. В этой модификации, как показано на фиг.13, зависимость между механической степенью CRO сжатия, требуемой для того, чтобы поддерживать давление в камере 5 сгорания в верхней мертвой точке такта сжатия на уровне заданного давления, и функцией f(PV) определения механической степени сжатия запоминают заранее. Управление механической степенью сжатия осуществляют на основе этой зависимости. Отметим, что символы CRON, CRON, CRON и CRON на фиг.13 обозначают заданные механические степени сжатия для разных скоростей двигателя. В этом случае для скорости двигателя соблюдается соотношение CRON<CRON<CRON<CRON. То есть чем больше скорость двигателя, тем выше делается механическая степень сжатия.
0
0
s
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
s
0
s
0
s
0
1
1
1
1
K
K
1/k
1/K
1/k
1/K
Далее будет пояснена функция f(PV) определения механической степени сжатия. Если давление в камере 5 сгорания и объем камеры 5 сгорания в верхней мертвой точке такта сжатия составляют P и V, объем камеры 5 сгорания в нижней мертвой точке составляет V, а давление в камере 5 сгорания и объем камеры 5 сгорания в момент, когда фактически начинается сжатие, составляют P и V, то при осуществлении адиабатического сжатия выполняется зависимость PV =PV . Ее можно модифицировать, придавая ей вид Р=(P/P)·V. С другой стороны, механическая степень сжатия выражается отношением V/V. Следовательно, механическая степень сжатия выражается как V/V=V·Р (P -V). Здесь P -V представляет собой функцию f(PV) определения механической степени сжатия. В этом случае зависимость между функцией f(PV) определения механической степени сжатия и заданной механической степенью CRO сжатия становится такой, как показанная на фиг.13.
1
1
То есть, как показано на фиг.13, если давление P1 в камере 5 сгорания в момент времени фактического начала сжатия является высоким, то функция f(PV) определения механической степени сжатия становится большей, вследствие чего заданная механическая степень CRO сжатия падает. С другой стороны, если объем V в камере 5 сгорания в момент времени фактического начала сжатия становится меньше, то функция f(PV) определения механической степени сжатия становится меньшей и поэтому заданная механическая степень CRO сжатия становится большей. В варианте осуществления, соответствующем настоящему изобретению, давление во впускном проточном канале, фиксируемое датчиком 25 давления, делается равным давлению P в камере 5 сгорания в момент времени фактического начала сжатия
1
1
1
1
С другой стороны, объем V камеры 5 сгорания в фактический момент времени начала сжатия можно вычислить исходя из момента IC времени закрытия впускного клапана 7. Кроме того, этот объем V пропорционален количеству всасываемого воздуха, подаваемому внутрь камеры 5 сгорания, так что этот объем V можно вычислить исходя из количества всасываемого воздуха, подаваемого внутрь камеры 5 сгорания. В этом случае количество всасываемого воздуха, подаваемого внутрь камеры 5 сгорания, выражается членом C·Ga/N (С - коэффициент пропорциональности), где Ga - это количество всасываемого воздуха, которое всасывается в единицу времени, а N - скорость двигателя. Следовательно, объем V можно вычислить исходя из количества Ga всасываемого воздуха, обнаруживаемого детектором 16 количества всасываемого воздуха, и скорости N двигателя.
2
2
2
Обращаясь к фиг.14, отмечаем, что сначала - на этапе 300 - определяют, является ли нагрузка L большей, чем нагрузка L, показанная на фиг.9. Когда L≥L, переходят к этапу 301, на котором используют картограмму, показанную на фиг.10(А), для вычисления момента IC времени закрытия впускного клапана 7, и управляют им так, чтобы он закрывался в вычисленный момент IC времени. Затем переходят к этапу 304. В противоположность этому, если на этапе 300 определяют, что L<L, то переходят к этапу 302, на котором момент времени закрытия впускного клапана 7 делают предельным, а потом - на этапе 303 - управляют количеством всасываемого воздуха посредством дроссельной заслонки 19. Затем переходят к этапу 304.
1
1
На этапе 304 определяют, является ли нагрузка L меньшей, чем нагрузка L, показанная на фиг.9. Когда L≥L, переходят к этапу 301, на котором вычисляют функцию f(PV) определения механической степени сжатия. В этом случае, как пояснялось выше, данную функцию f(PV) определения механической степени сжатия вычисляют исходя из давления во впускном канале и момента IC времени закрытия впускного клапана 7 или вычисляют исходя из давления во впускном канале и количества всасываемого воздуха, фиксируемого датчиком 16 количества всасываемого воздуха, а также скорости двигателя.
Затем - на этапе 306 - вычисляют целевую механическую степень CRO сжатия, соответствующую скорости двигателя, исходя из фиг.13. Затем - на этапе 307 - определяют, является ли механическая степень CR сжатия большей, чем сумма заданной механической степени CRO сжатия, вычисленная исходя из фиг.13, и фиксированного значения γ, то есть большей, чем значение CRO+γ. Когда, CR>CR+γ, переходят к этапу 308, на котором механическую степень CR сжатия уменьшают на фиксированное значение ΔCR. Затем переходят к этапу 312. В противоположность этому, когда на этапе 307 определяют, что CRO≤CR+γ, переходят к этапу 309, на котором определяют, является ли механическая степень CR сжатия меньшей, чем заданная механическая степень CRO сжатия, вычисленная исходя из фиг.13, за вычетом фиксированного значения γ, то есть меньшим, чем значение CRO-γ. Когда CR<CRO-γ, переходят к этапу 310, на котором механическую степень CR сжатия увеличивают на фиксированное значение ΔCR. Затем переходят к этапу 312.
1
1
1
С другой стороны, когда на этапе 304 определяют, что L<L, переходят к этапу 311, на котором механическую степень CR сжатия делают равной предельной механической степени сжатия. Затем переходят к этапу 312. На этапе 312 получают вычисленную механическую степень CR сжатия путем управления механизмом А, обеспечивающим изменяемую степень сжатия. То есть, когда L≥L, управление механической степенью CR сжатия осуществляют так, что она становится равной заданной механической степени сжатия, а когда L<L, механическую степень CR сжатия фиксируют на уровне предельной.
Далее, со ссылками на фиг.15-19 раскрыт вариант осуществления, предусматривающий управление механической степенью сжатия так, чтобы температура газа в камере 5 сгорания в конце такта сжатия становилась практически постоянной независимо от нагрузки двигателя.
В этом случае также независимо от скорости двигателя состояние газа в камере 5 сгорания в конце такта сжатия делается оптимальным, дающим стабильное сгорание и не вызывающим детонацию. Соответственно, появляется возможность получения хорошего сгорания, стабильного во всех областях нагрузки, например во время работы двигателя при малой нагрузке, когда механическая степень сжатия становится максимальной.
1
2
3
4
1
2
3
4
На фиг.15 показана зависимость между температурой TN газа в камере 5 сгорания в конце такта сжатия, точнее температурой TN газа в камере 5 сгорания непосредственно перед сгоранием или непосредственно перед зажиганием и нагрузкой L. Символы TN, TN, TN, TN на фиг.10(В) обозначают заданные температуры газа для разных скоростей двигателя. В этом случае для скорости двигателя соблюдается соотношение TN<TN<TN<TN. То есть, как пояснялось выше, чем больше скорость двигателя, тем труднее становится наступление детонации, вследствие чего заданная температура TN газа делается тем выше, чем больше скорость двигателя.
Как показано на фиг.15, температуру TN газа задают постоянной при одной и той же скорости двигателя независимо от нагрузки двигателя. Вместе с тем эту температуру TN газа можно изменять некоторым образом в соответствии с величиной нагрузки двигателя.
На фиг.16 показан алгоритм управления при определении температуры газа в камере 5 сгорания и управлении механической степенью сжатия на основании этой температуры.
2
2
2
Обращаясь к фиг.16, отмечаем, что сначала - на этапе 400 - определяют, является ли нагрузка L большей, чем нагрузка L, показанная на фиг.9. Когда L≥L, переходят к этапу 401, на котором используют картограмму, показанную на фиг.10 (А), для вычисления момента IC времени закрытия впускного клапана 7, и управляют им так, чтобы он закрывался в вычисленный момент IC времени. Затем переходят к этапу 404. В противоположность этому, если на этапе 400 определяют, что L<L, то переходят к этапу 402, на котором момент времени закрытия впускного клапана 7 делают предельным, а потом - на этапе 403 - управляют количеством всасываемого воздуха посредством дроссельной заслонки 19. Затем переходят к этапу 404.
1
1
На этапе 404 определяют, является ли нагрузка L меньшей, чем нагрузка L, показанная на фиг.9. Когда L≥L, переходят к этапу 405, на котором посредством датчика 24 температуры определяют температуру ТО газа в камере 5 сгорания в конце такта сжатия. Затем - на этапе 406 - определяют, является ли температура ТО газа большей, чем сумма заданной температуры TN газа, вычисленной исходя из фиг.15, и фиксированного значения β, то есть большей, чем значение TN+β. Когда ТО>TN+β, переходят к этапу 407, на котором механическую степень CR сжатия уменьшают на фиксированное значение ΔCR. Затем переходят к этапу 411. В противоположность этому, когда на этапе 406 определяют, что ТО≤TN+β, переходят к этапу 408, на котором определяют, является ли температура ТО газа меньшей, чем заданная температура TN газа, вычисленная исходя из фиг.15, за вычетом фиксированного значения β, то есть меньшим, чем значение TN-β. Когда ТО<TN-β, переходят к этапу 409, на котором механическую степень CR сжатия увеличивают на фиксированное значение ΔCR. Затем переходят к этапу 411.
1
1
1
С другой стороны, когда на этапе 404 определяют, что L<L, переходят к этапу 410, на котором механическую степень CR сжатия делают равной предельной. Затем переходят к этапу 411. На этапе 411 получают вычисленную механическую степень CR сжатия путем управления механизмом А, обеспечивающим изменяемую степень сжатия. То есть, когда L≥L, температуру ТО газа делают равной заданной температуре TN газа путем управления механической степенью CR сжатия, а когда L<L, механическую степень CR сжатия фиксируют на уровне предельной.
На фиг.17 представлен алгоритм управления при определении температуры всасываемого воздуха в камере 5 сгорания при оценке исходя из этой температуры той температуры газа, которая имеет место в конце такта сжатия, и при управлении механической степенью сжатия на основании определенной температуры газа в камере 5 сгорания.
2
2
2
Обращаясь к фиг.17, отмечаем, что сначала - на этапе 500 - определяют, является ли нагрузка L большей, чем нагрузка L, показанная на фиг.9. Когда L≥L, переходят к этапу 501, на котором используют картограмму, показанную на фиг.10(А), для вычисления момента IC времени закрытия впускного клапана 7, и управляют им так, чтобы он закрывался в вычисленный момент IC времени. Затем переходят к этапу 504. В противоположность этому, если на этапе 500 определяют, что L≥L, то переходят к этапу 502, на котором момент времени закрытия впускного клапана 7 делают предельным, а потом - на этапе 503 - управляют количеством всасываемого воздуха посредством дроссельной заслонки 19. Затем переходят к этапу 504.
1
1
1
0
1
0
р
v
K-1
На этапе 504 определяют, является ли нагрузка L меньшей, чем нагрузка L, показанная на фиг.9. Когда L≥L, переходят к этапу 505, на котором используют датчик 26 температуры для определения температуры ТТ всасываемого воздуха, который всасывается в камеру 5 сгорания, и вычисляют объем V камеры 5 сгорания в фактический момент времени начала сжатия исходя из момента IC времени закрытия впускного клапана 7, например вычисляют объем V камеры 5 сгорания непосредственно перед зажиганием. Затем - на этапе 506 - вычисляют температуру ТО газа внутри камеры 5 сгорания в конце такта сжатия исходя из определенной температуры ТТ всасываемого воздуха и объемов V, V. То есть, если температура равна Т, объем равен V, а отношение удельных теплоемкостей равно K(=С/C), то при осуществления адиабатического сжатия выполняется зависимость TV=constant. Если температуру в камере 5 сгорания в момент времени начала адиабатического сжатия делают равной температуре ТТ всасываемого газа, то эту зависимость можно использовать для нахождения температуры ТО газа в камере 5 сгорания в конце такта сжатия.
Затем - на этапе 507 - определяют, является ли температура ТО газа большей, чем сумма заданной температуры TN газа, вычисленной исходя из фиг.15, и фиксированного значения β, то есть большей, чем значение TN+β. Когда TO>TN+β, переходят к этапу 508, на котором механическую степень CR сжатия уменьшают на фиксированное значение ΔCR. Затем переходят к этапу 512. В противоположность этому, когда на этапе 507 определяют, что ТО≤TN+β, переходят к этапу 509, на котором определяют, является ли температура ТО меньшей, чем заданная температура TN, вычисленная исходя из фиг.15, за вычетом фиксированного значения β, то есть меньшим, чем значение TN-β. Когда ТО<TN-β, переходят к этапу 510, на котором механическую степень CR сжатия увеличивают на фиксированное значение ΔCR. Затем переходят к этапу 512.
1
С другой стороны, когда на этапе 504 определяют, что L<L, переходят к этапу 511, на котором механическую степень CR сжатия делают равной предельной механической степенью сжатия. Затем переходят к этапу 512. На этапе 512 получают вычисленную механическую степень CR сжатия путем управления механизмом А, обеспечивающим изменяемую степень сжатия.
1
2
3
4
1
2
3
4
На фиг.18 и 19 показана модификация. В этой модификации, как показано на фиг.18, зависимость между заданной механической степенью CRO сжатия и функцией f(PV) определения механической степени сжатия, требуемой для того, чтобы поддерживать температуру газа в камере 5 сгорания в верхней мертвой точке такта сжатия на уровне заданной температуры газа, запоминают заранее. Управление механической степенью сжатия осуществляют на основе этой зависимости. Отметим, что символы CROT, CROT, CROT и CROT на фиг.18 обозначают заданные механические степени сжатия для разных скоростей двигателя. В этом случае для скорости двигателя соблюдается соотношение CROT<CROT<CROT<CROT. То есть, чем больше скорость двигателя, тем выше делается механическая степень сжатия.
0
0
1
1
0
1
0
1
s
0
s
0
s
1
1
1
1
1
K-1
K-1
1/(K-1)
1/(K-1)
1/(K-1)
1/(K-1)
Далее будет пояснена функция f(TV) определения механической степени сжатия. Если температура в камере 5 сгорания и объем камеры 5 сгорания в верхней мертвой точке такта сжатия составляют Т и V, объем камеры 5 сгорания в нижней мертвой точке составляет Vs, а температура в камере 5 сгорания и объем камеры 5 сгорания в момент, когда фактически начинается сжатие, составляют T и V соответственно, то при осуществлении адиабатического сжатия выполняется зависимость TV=V. Если модифицировать это уравнение, то оно примет вид Т=(T/T)·V. С другой стороны, механическая степень сжатия выражается отношением V/V. Следовательно, механическая степень сжатия выражается как V/V=V·T (T ·V). Здесь T ·V представляет собой функцию f(TV) определения механической степени сжатия. В этом случае зависимость между функцией f(TV) определения механической степени сжатия и заданной механической степенью CRO сжатия становится такой, как показанная на фиг.18.
1
1
1
То есть, как показано на фиг.18, если температура T в камере 5 сгорания в момент времени фактического начала сжатия является высокой, то функция f(TV) определения механической степени сжатия становится большей, вследствие чего заданная механическая степень CRO сжатия падает. С другой стороны, если объем V в камере 5 сгорания в момент времени фактического начала сжатия является малым, то функция f(TV) определения механической степени сжатия становится малой и поэтому заданная механическая степень CRO сжатия становится большой. В варианте осуществления, соответствующем настоящему изобретению, температура газа во впускном канале, обнаруживаемая датчиком 26 температуры, делается равной температуре T в камере 5 сгорания в момент времени фактического начала сжатия.
1
1
С другой стороны, объем V камеры 5 сгорания в фактический момент времени начала сжатия можно вычислить исходя из момента IC времени начала закрытия впускного клапана 7. Кроме того, этот объем V, как пояснялось выше, можно вычислить исходя из количества Ga всасываемого воздуха, обнаруживаемого датчиком 16 количества всасываемого воздуха, и скорости N двигателя.
2
2
2
Обращаясь к фиг.19, отмечаем, что сначала - на этапе 600 - определяют, является ли нагрузка L большей, чем нагрузка L, показанная на фиг.9. Когда L≥L, переходят к этапу 601, на котором используют картограмму, показанную на фиг.10(А), для вычисления момента IC времени закрытия впускного клапана 7, и управляют им так, чтобы он закрывался в вычисленный момент IC времени закрытия. Затем переходят к этапу 604. В противоположность этому, если на этапе 600 определяют, что L<L, то переходят к этапу 602, на котором момент времени закрытия впускного клапана 7 делают предельным, а потом - на этапе 603 - управляют количеством всасываемого воздуха посредством дроссельной заслонки 19. Затем переходят к этапу 604.
1
1
На этапе 604 определяют, является ли нагрузка L меньшей, чем нагрузка L, показанная на фиг.9. Когда L≥L, переходят к этапу 605, на котором вычисляют функцию f(TV) определения механической степени сжатия. В этом случае, как пояснялось выше, данную функцию f(TV) вычисляют исходя из температуры газа во впускном канале, определенной датчиком 26 температуры, и момента IC времени закрытия впускного клапана 7 или вычисляют исходя из температуры газа, количества всасываемого воздуха, определенного датчиком 16 количества всасываемого воздуха, а также скорости двигателя.
Затем - на этапе 606 - вычисляют целевую механическую степень CRO сжатия, соответствующую скорости двигателя, исходя из фиг.18. Затем - на этапе 607 - определяют, является ли механическая степень CR сжатия большей, чем сумма заданной механической степени CRO сжатия, вычисленная исходя из фиг.18, и фиксированного значения γ, то есть большей, чем значение CRO+γ. Когда CR>CR+γ, переходят к этапу 608, на котором механическую степень CR сжатия уменьшают на фиксированное значение ΔCR. Затем переходят к этапу 612. В противоположность этому, когда на этапе 607 вынесено суждение, что CRO≤CR+γ, переходят к этапу 609, на котором определяют, является ли механическая степень CR сжатия меньшей, чем заданная механическая степень CRO сжатия, вычисленная исходя из фиг.18, за вычетом фиксированного значения γ, то есть меньшим, чем значение CRO-γ. Когда CR<CRO-γ, переходят к этапу 610, на котором механическую степень CR сжатия увеличивают на фиксированное значение ΔCR. Затем переходят к этапу 612.
1
1
1
С другой стороны, когда на этапе 604 определяют, что L<L, переходят к этапу 611, на котором механическую степень CR сжатия делают равной предельной механической степенью сжатия. Затем переходят к этапу 612. На этапе 612 получают вычисленную механическую степень CR сжатия путем управления механизмом А, обеспечивающим изменяемую степень сжатия. То есть, когда L≥L, управление механической степенью CR сжатия осуществляют так, что она становится равной заданной механической степени сжатия, а когда L<L, механическую степень CR сжатия фиксируют на уровне предельной.
На фиг.20 и 21 показан еще один вариант осуществления.
На фиг.20(А) показана зависимость между давлением РО в камере 5 сгорания и температурой ТО газа в конце такта сжатия непосредственно перед зажиганием, а также предел детонации. Даже если давление РО несколько мало, чем выше температура ТО газа, тем вероятнее наступает детонация, вследствие чего предел детонации выражается так, как показано на фиг.20(А).
1
2
3
4
В этом варианте осуществления давление РО и температуру ТО газа делают заданным давлением и заданной температурой на кривой MN, находящейся сбоку от кривой предела детонации и несколько ниже нее, как показано на фиг.20(А), путем управления механической степенью сжатия. Это заданное значение MN задают для разных скоростей, как показано на фиг.20(В). В этом случае, для скорости двигателя соблюдается соотношение MN<MN<MN<MN. To есть, как пояснялось выше, чем больше скорость двигателя, тем больше затрудняется наступление детонации, и поэтому заданное значение MN делают больше при более высокой скорости двигателя.
Далее, со ссылками на фиг.21 будет пояснена алгоритм управления.
2
2
2
Обращаясь к фиг.21, отмечаем, что сначала - на этапе 700 - определяют, является ли нагрузка L большей, чем нагрузка L, показанная на фиг.9. Когда L≥L, переходят к этапу 701, на котором используют картограмму, показанную на фиг.10(А), для вычисления момента IC времени закрытия впускного клапана 7 и управляют впускным клапаном 7 так, чтобы он закрывался в вычисленный момент IC времени закрытия. Затем переходят к этапу 704. В противоположность этому, если на этапе 700 определяют, что L<L, то переходят к этапу 702, на котором момент времени закрытия впускного клапана 7 делают предельным, а потом - на этапе 703 - управляют количеством всасываемого воздуха посредством дроссельной заслонки 19. Затем переходят к этапу 704.
1
1
K
K
На этапе 704 определяют, является ли нагрузка L меньшей, чем нагрузка L, показанная на фиг.9. Когда L≥L, переходят к этапу 705, на котором вычисляют давление РО в камере 5 сгорания и температуру ТО в конце такта сжатия. В таком случае это давление РО можно найти с помощью датчика 23 давления, который непосредственно определяет давление в камере 5 сгорания. В альтернативном варианте можно использовать датчик 25 давления для определения давления во впускном канале давления РО, находимого исходя из этого определенного давления, с использованием вышеуказанной зависимости PV=const. Аналогично, температуру ТО газа в камере 5 сгорания в конце такта сжатия можно найти путем непосредственного определения ее с помощью датчика 24 температуры. В альтернативном варианте можно использовать датчик 26 температуры, чтобы определить температуру всасываемого воздуха, текущего в камеру 5 сгорания, и температуру ТО газа, найденную исходя из этой определенной температуры, с использованием вышеуказанной зависимости PV=constant.
Когда давление РО в камере 5 сгорания и температура ТО газа в конце такта сжатия вычислены, переходят к этапу 706, на котором определяют, является ли значение в точке SN, определенной исходя из давления РО и температуры ТО газа, с верхней стороны кривой от целевого значения MN, вычисленного исходя из фиг.20(В), большим, чем сумма этого значения и фиксированного значения ε, то есть большим, чем значение MN+ε. Когда SN>MN+ε, переходят к этапу 707, на котором механическую степень CR сжатия уменьшают на фиксированное значение ΔCR. Затем переходят к этапу 711. В противоположность этому, когда на этапе 706 вынесено суждение, что SN≤MN+ε, переходят к этапу 708, на котором определяют, является ли значение в точке SN, определенной исходя из давления РО и температуры ТО газа, с нижней стороны кривой от целевого значения MN, вычисленного исходя из фиг.20(В), меньшим, чем это значение за вычетом фиксированного значения ε, то есть меньшим, чем значение MN-ε. Когда SN<MN-ε, переходят к этапу 709, на котором механическую степень CR сжатия увеличивают на фиксированное значение ΔCR. Затем переходят к этапу 711.
1
С другой стороны, когда на этапе 704 определяют, что L<L, переходят к этапу 710, на котором механическую степень CR сжатия делают равной предельной. Затем переходят к этапу 711. На этапе 711 получают вычисленную механическую степень CR сжатия путем управления механизмом А, обеспечивающим изменяемую степень сжатия. То есть, когда L>L1, управление механической степенью CR сжатия осуществляют так, что она становится равной заданной механической степени сжатия. Когда L<L1, механическую степень CR сжатия фиксируют на уровне предельной механической степени сжатия.
Далее, со ссылками на фиг.22 и 23 описан вариант осуществления, в котором плотность газа в камере 5 сгорания в конце такта сжатия делают, по существу, постоянной независимо от нагрузки двигателя путем управления механической степенью сжатия.
В этом случае также независимо от скорости двигателя состояние газа в камере 5 сгорания в конце такта сжатия делается оптимальным, дающим стабильное сгорание и не вызывающим детонацию. Соответственно, появляется возможность получения хорошего сгорания, стабильного во всех областях нагрузки, например, во время работы двигателя при малой нагрузке, когда механическая степень сжатия становится максимальной.
1
2
3
4
1
2
3
4
На фиг.22 показана зависимость между заданной плотностью DN газа в камере 5 сгорания в конце такта сжатия, точнее заданной плотностью DN газа в камере 5 сгорания непосредственно перед сгоранием или непосредственно перед зажиганием, и нагрузкой L двигателя. Символы DN, DN, DN, DN на фиг.22 обозначают заданные плотности газа для разных скоростей двигателя. В этом случае для скорости двигателя соблюдается соотношение DN<DN<DN<DN. То есть, как пояснялось выше, чем больше скорость двигателя, тем труднее становится наступление детонации, вследствие чего заданная плотность DN газа делается тем больше, чем больше скорость двигателя.
Как показано на фиг.22, целевую плотность DN газа задают постоянной при одной и той же скорости двигателя независимо от нагрузки двигателя. Вместе с тем, эту целевую плотность DN газа можно изменять некоторым образом в соответствии с величиной нагрузки двигателя.
На фиг.23 показан алгоритм управления при определении давления в камере 5 сгорания и температуры газа в конце такта сжатия, вычислении плотности газа в камере 5 сгорания в конце такта сжатия исходя из этих давления и температуры газа и при управлении механической степенью сжатия на основании вычисленной плотности газа в камере 5 сгорания.
2
2
2
Обращаясь к фиг.23, отмечаем, что сначала - на этапе 800 - определяют, является ли нагрузка L большей, чем нагрузка L, показанная на фиг.9. Когда L≥L, переходят к этапу 801, на котором используют картограмму, показанную на фиг.10(А), для вычисления момента IC времени закрытия впускного клапана 7, и управляют впускным клапаном 7 так, чтобы он закрывался в вычисленный момент IC времени закрытия. Затем переходят к этапу 804. В противоположность этому, если на этапе 800 определяют, что L<L, то переходят к этапу 802, на котором момент времени закрытия впускного клапана 7 делают предельным, а потом - на этапе 803 - управляют количеством всасываемого воздуха посредством дроссельной заслонки 19. Затем переходят к этапу 804.
1
1
К
K-1
На этапе 804 определяют, является ли нагрузка L меньшей, чем нагрузка L, показанная на фиг.9. Когда L≥L, переходят к этапу 805, на котором вычисляют давление РО в камере 5 сгорания и температуру ТО газа в конце такта сжатия. В таком случае это давление РО можно найти с помощью датчика 23 давления, который непосредственно определяет давление в камере 5 сгорания. В альтернативном варианте можно использовать датчик 25 давления для определения давления во впускном канале давления РО, находимого исходя из этого определенного давления, с использованием вышеуказанной зависимости РV=const. Аналогично, температуру ТО газа в камере 5 сгорания в конце такта сжатия можно найти путем непосредственного определения ее с помощью датчика 24 температуры. В альтернативном варианте можно использовать датчик 26 температуры, чтобы определить температуру всасываемого воздуха, текущего в камеру 5 сгорания, и температуру ТО газа, найденную исходя из этой определенной температуры, с использованием вышеуказанной зависимости PV=constant.
Когда давление РО в камере 5 сгорания и температура ТО газа в конце такта сжатия вычислены, переходят к этапу 806, на котором используют уравнение состояния газа (PW=(W/M)·RT, где W обозначает массу всасываемого газа, а М - молекулярный вес всасываемого газа), чтобы вычислить плотность DO газа в камере 5 сгорания в конце такта сжатия (=W/V=(M/R)·PO/TO).
Затем - на этапе 807 - определяют, является ли плотность DN газа большей, чем сумма заданной плотности DN газа, вычисленной исходя из фиг.22, и фиксированного значения δ, то есть большей, чем значение DN+δ. Когда DO>DN+δ, переходят к этапу 808, на котором механическую степень CR сжатия уменьшают на фиксированное значение ΔCR. Затем переходят к этапу 812. В противоположность этому, когда на этапе 807 вынесено суждение, что DO<DN+δ, переходят к этапу 809, на котором определяют, является ли плотность DO газа меньшей, чем заданная плотность DN газа, вычисленная исходя из фиг.23, за вычетом фиксированного значения δ, то есть меньшей, чем значение DN-δ. Когда DO<DN-δ, переходят к этапу 810, на котором механическую степень CR сжатия увеличивают на фиксированное значение ΔCR. Затем переходят к этапу 812.
1
1
1
С другой стороны, когда на этапе 804 определяют, что L<L, переходят к этапу 811, на котором механическую степень CR сжатия делают равной предельной механической степенью сжатия. Затем переходят к этапу 812. На этапе 812 получают вычисленную механическую степень CR сжатия путем управления механизмом А, обеспечивающим изменяемую степень сжатия. То есть, когда L>L, плотность DO газа делают равной заданной плотности DN газа путем управления механической степенью CR сжатия, а когда L<L, механическую степень CR сжатия фиксируют на уровне предельной механической степени сжатия.