СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ С ТУРБИНОЙ С ИЗМЕНЯЕМОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ
METHOD OF CONTROLLING ENGINE WITH VARIABLE-GEOMETRY TURBINE (VGT)

Область техники
Данное изобретение относится к способу и системе управления двигателем внутреннего сгорания, предназначенного для приведения в движение автомобиля. В частности, данное изобретение относится к способу и устройству управления автомобилем, оснащенным двигателем, выполненным по технологии турбины с изменяемой геометрией (ТсИГ).
Уровень техники
Двигатель, используемый в грузовых автомобилях, может быть оснащен турбиной с изменяемой геометрией (ТсИГ), что также называется турбонагнетателем изменяемой геометрии или турбиной изменяемой геометрии (ТИГ). Одна причина применения технологии ТсИГ заключается в том, что она облегчает выполнение требований по выхлопам, в числе прочих, для дизельных двигателей.
Как бывает в случае всех механизмов переключения передач, желательно минимизировать время, необходимое для переключения передач. Вот почему при переключении передач не должно быть никакого крутящего момента в цепи привода. Механизм переключения передач также описан в международной патентной заявке, имеющей номер международной публикации WO 03/018974. Кроме того, в патенте США №6089018 описан способ управления ТсИГ во время переключения передач.
Поэтому существует потребность в способе и системе, позволяющих обеспечить быстрое переключение передач.
Краткое описание изобретения
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать способ и систему, позволяющие обеспечить быстрое переключение передач.
Еще одна задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать способ и систему, обеспечивающие быстрое снижение скорости двигателя во время переключения передач.
Эти и другие задачи решаются с помощью способа, системы и компьютерного программного продукта, охарактеризованных в прилагаемой формуле изобретения. Так, закрывание ТсИГ с переводом в максимально допустимое закрытое положение и поддержание ТсИГ в таком положении во время переключения передач обеспечит быстрое снижение скорости двигателя.
Чтобы получить быстрое уменьшение скорости двигателя во время переключения на повышающую передачу, можно установить ТсИГ в режим устройства для торможения двигателя. Следовательно, создавая перед ТсИГ большое давление выхлопных газов, которое будет увеличивать насосные потери двигателя, можно вызвать тенденцию к уменьшению скорости двигателя. При такой работе, чем более закрытой является ТсИГ, тем большие насосные потери придется преодолевать с помощью двигателя, а в результате этого скорость двигателя станет уменьшаться быстрее. Однако ТсИГ может выдержать лишь определенное падение давления. Поэтому разность давлений на ТсИГ не может обеспечить превышение собственного значения, конкретного для каждого типа ТсИГ.
За счет знания максимально допустимой разности давлений на ТсИГ и за счет такого управления ТсИГ, при котором она оказывается как можно более закрытой без превышения максимально допустимого давления, можно обеспечить действие ТсИГ, обеспечивающее как можно более быстрое уменьшение скорости двигателя и не создающее при этом угрозу безопасности ТсИГ. Результатом такой стратегии управления является очень быстрое уменьшение скорости двигателя и - как следствие - возможность сделать переключение передач быстрее.
В одном варианте осуществления система управления выполнена с возможностью определения эффективного проходного сечения для турбины с изменяемой геометрией и определения максимально допустимого закрытого положения для турбины с изменяемой геометрией, исходя из уже определенного максимально допустимого эффективного проходного сечения турбины с изменяемой геометрией. Вследствие этого можно произвести быстрый расчет оптимального положения ТсИГ, и поэтому можно сделать способ управления быстрым и точным.
В одном варианте осуществления система управления имеет доступ к хранимой карте положений турбины с изменяемой геометрией для разных эффективных проходных сечений, и поэтому максимально закрытое положение турбины с изменяемой геометрией можно непосредственно определить как положение, соответствующее эффективному проточному сечению согласно карте, что еще и дополнительно сокращает время, необходимое для нахождения оптимального положения ТсИГ.
В одном варианте осуществления система управления выполнена с возможностью многократного обновления максимально допустимого закрытого положения для турбины с изменяемой геометрией во время переключения передач. Поэтому предполагается, что оптимальное закрытое положение сохраняется в течение всего периода времени, когда происходит переключение передач. Также предполагается, что ТсИГ закрывается, приходя в положение, где угроза безопасности ТсИГ отсутствует.
В одном варианте осуществления ТсИГ закрыта в течение некоторого периода времени до осуществления переключения передач. Это выгодно потому, что, когда переключение передач начинается, торможение двигателя уже максимизировано, а полное торможение двигателя можно получить в течение всей операции переключения передач.
В еще одном варианте осуществления свойства торможения двигателя за счет ТсИГ сочетаются с обычным устройством для торможения двигателя посредством выхлопных газов, таким как устройство для дросселирования выхлопа.
Краткое описание чертежей
Теперь, со ссылками на прилагаемые чертежи, будет приведено более подробное описание данного изобретения на неограничительных примерах. На чертежах:
фиг.1а - общий вид частей цепи привода, содержащей двигатель, включающий в себя турбонагнетатель с ТсИГ;
фиг.1b - вид, подробнее иллюстрирующий поток выхлопных газов двигателя, показанного на фиг.1а;
фиг.2 - блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая этапы, проводимые при управлении двигателем, выполненным по технологии ТсИГ, используемым для приведения в движение автомобиля, в соответствии с первым вариантом осуществления; и
фиг.3 - блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая этапы, проводимые при управлении двигателем, выполненным по технологии ТсИГ, используемым для приведения в движение автомобиля, в соответствии со вторым вариантом осуществления.
Подробное описание изобретения
На фиг.1а схематически изображены избранные части цепи 100 привода автомобиля 10. Цепь привода, изображенная на фиг.1, может быть предназначена, например, для того, чтобы служить частью грузового автомобиля или любого другого тяжелого транспортного средства, такого как автобус и т.п. Цепь 100 привода содержит двигатель 101, например, в форме дизельного двигателя. Двигатель 101 содержит турбонагнетатель, приводимый в действие турбиной 103 с изменяемой геометрией (ТсИГ). Двигатель также соединен с коробкой 105 передач, например, выполненной с возможностью автоматического переключения передач. Автомобиль 10 также может быть оснащен устройством для дросселирования выхлопа, как показано на фиг.1b.
Двигателем 101 и коробкой 105 передач управляет, по меньшей мере, один блок 107 управления, такой как электронный блок управления (ЭБУ). Блок управления выполнен с возможностью приема сигналов датчиков из различных частей автомобиля, включая - но не в ограничительном смысле - сигналы, используемые для управления коробкой передач и двигателем. Блок 107 управления также выполнен с возможностью выдачи сигналов управления в различные части автомобиля, например, такие как двигатель и коробка передач.
Руководство управлением различными частями и компонентами автомобиля осуществляется с помощью предварительно запрограммированных команд, хранимых в блоке управления. Предварительно запрограммированные команды, как правило, представлены в форме компьютерной программы, исполняемой блоком управления. Изменяя команды, можно заставить автомобиль вести себя по-разному в конкретной ситуации. Как правило, компьютерные команды предоставляются в форме компьютерного программного продукта 110, хранимого на считываемом цифровом носителе 108 информации, таком как плата памяти, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (СППЗУ) и электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ).
На фиг.1b подробнее показан поток выхлопных газов двигателя, изображенного на фиг.1а, при этом стрелки указывают направление потока выхлопных газов. Таким образом, ТсИГ 103 находится ниже по потоку от двигателя. Выше по потоку от ТсИГ, например, в начале системы отвода выхлопных газов, находится первый датчик 115 давления. Второй датчик 116 давления находится ниже по потоку от ТсИГ 103. Кроме того, ниже по потоку от второго датчика 116 давления может быть дополнительно предусмотрено устройство 117 для дросселирования выхлопных газов.
На фиг.2 показана блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая некоторые процедурные этапы, проводимые при управлении двигателем, выполненным по технологии ТсИГ, автомобиля, в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения. Так, на первом этапе 201, блок управления рассчитывает максимально допустимое закрытое положение для ТсИГ с помощью показаний тока от датчиков давления перед ТсИГ и после нее.
Давление ниже по потоку от турбины можно также аппроксимировать внешним давлением или, например, с помощью модели, упоминаемой ниже, для падения давления в выхлопной системе.
Закрытое положение ТсИГ можно рассчитать, например, с помощью следующих расчетов предсказания:
где
t
t
Решение уравнения (1) относительно A дает A как функцию следующих переменных:
2
При использовании опорных значений в качестве значений давления, а также измеренных значений в качестве массового расхода и температуры выхлопных газов, уравнение (3) дает эффективную площадь проходного сечения ТсИГ, которая соответствует желаемому падению давления на турбине. Поскольку эффективное проходное сечение является функцией положения ТсИГ, положения ТсИГ, которые соответствуют некоторому эффективному проходному сечению, хранятся в карте (f) в ЭБУ.
2
t
Положение ТсИГ=f(A).
Описание переменных
- Массовый расход через турбину
t
A - Эффективное проходное сечение турбины
r
A - Площадь поперечного сечения проточного канала
d
C - Коэффициент расхода
res
K - Настраиваемый параметр модели
em
T - Температура выхлопных газов
atm
P - Атмосферное давление
at
P - Давление после турбины
bt
P - Давление перед турбиной
p
C - Удельная теплоемкость при постоянном давлении
y
C - Удельная теплоемкость при постоянном объеме
R - Постоянная идеального газа
Расчеты, проведенные на этапе 201, непрерывно обновляются, так что блок управления всегда имеет доступ к обновленному значению предсказания для закрытого положения ТсИГ. Когда приходится проводить переключение передач, а текущая передача отключается, желательно быстро уменьшить скорость двигателя до скорости, синхронизированной со следующей передачей, после чего можно включать следующую передачу. Высокое давление выхлопных газов будет вносить вклад в более быстрое снижение скорости двигателя, а значит - и в сокращение времени, необходимого для ожидания перед тем, как можно будет включить следующую передачу. Следовательно, приложение давления выхлопных газов оказывается выгодным, когда нужно провести переключение передач.
Таким образом, когда на втором этапе 203 инициируют переключение передач, сигнал об этом событии посылается в блок управления. Этот сигнал может быть, например, запускающим сигналом из другого блока управления, управляющего коробкой передач, который при инициировании переключения передач также посылается в блок управления, управляющий положением ТсИГ. Блок управления имеет доступ к данным, связанным с текущим максимально допустимым закрытым положением ТсИГ, и может выдавать сигнал управления, устанавливающий ТсИГ в соответствующее положение, тем самым максимизируя давление выхлопных газов на третьем этапе 205. После этого процедура переходит к проверке того, завершено ли переключение передач на четвертом этапе 207. Если переключение передач завершено, процедура заканчивается на пятом этапе 209, а управление ТсИГ осуществляется в соответствии с той стратегией управления, на реализацию которой запрограммирован блок управления.
С другой стороны, если переключение передач не завершено на этапе 207, то процедура переходит к шестому этапу 211, на котором обновляются вышеописанные расчеты ТсИГ, вследствие чего оказывается возможным продолжение управления ТсИГ для достижения максимально закрытого положения. Затем процедура возвращается к этапу 205, на котором ТсИГ снова устанавливается в положение, соответствующее результату расчетов ТсИГ.
На фиг.3 представлена блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая некоторые процедурные этапы, проводимые при управлении двигателем, выполненным по технологии ТсИГ, используемым для приведения в движение автомобиля, в соответствии с еще одним вариантом осуществления данного изобретения.
Поскольку желательно, чтобы давление выхлопных газов в течение фазы переключения передач было как можно более высоким, а создание высокого давления выхлопных газов занимает время, может оказаться выгодным создание высокого давления выхлопных газов перед инициированием переключения передач на самом деле. Такая процедура управления показана на фиг.3.
Так, на первом этапе 301, блок управления рассчитывает максимально допустимое закрытое положение для ТсИГ с помощью показаний тока из датчиков давления, расположенных выше и ниже по потоку от ТсИГ. Давление после турбины можно также аппроксимировать внешним давлением или посредством какого-нибудь иного приближения.
Закрытое положение ТсИГ можно рассчитать, например, с помощью вычислений, описанных выше со ссылкой на фиг.2. Вычисления, проведенные на этапе 301, непрерывно обновляются, так что блок управления всегда имеет доступ к обновленному значению предсказания для закрытого положения ТсИГ. Когда приходится проводить переключение передач, а текущая передача отключается, желательно быстро уменьшить скорость двигателя до скорости, синхронизированной со следующей передачей, после чего можно включать следующую передачу. Высокое давление выхлопных газов будет вносить вклад в более быстрое снижение скорости двигателя, а значит - и в сокращение времени, необходимого для ожидания перед тем, как можно будет включить следующую передачу. Следовательно, выгодным оказывается приложение давления выхлопных газов непосредственно перед тем, когда нужно провести переключение передач, поэтому можно генерировать высокое давление выхлопных газов сразу же, когда начинается переключение передач.
Таким образом, когда на втором этапе 303 происходит событие, делающее вероятным, что переключение передач произойдет в ближайшем будущем, блок управления имеет доступ к данным, связанным с текущим максимально допустимым закрытым положением ТсИГ, и может выдавать сигнал управления, устанавливающий ТсИГ в соответствующее положение, тем самым максимизируя давление выхлопных газов на третьем этапе 305. В другом варианте осуществления вместо осуществляемого с разомкнутым контуром управления положением ТсИГ можно применить осуществляемое с замкнутым контуром управление давлением выхлопных газов. Следовательно, вместо закрывания ТсИГ с переводом в предсказанное положение, осуществляют управление давлением выхлопных газов до достижения максимального давления, при котором, судя по оценкам, не происходит повреждения ТсИГ.
Событием, запускающим закрывание ТсИГ, может быть, например, сниженный потребляемый крутящий момент или любое другое событие, свидетельствующее, что в ближайшем будущем, вероятно, произойдет переключение передач.
Затем процедура переходит к проверке того, завершено ли переключение передач на четвертом этапе 307. Кроме того, если запущено закрывание ТсИГ, а переключения передач не было, на этапе 307 также отсчитывается время между запускающим событием инициированием переключения передач на самом деле. Если переключения передач не было в течение некоторого периода времени, таймер на этапе 307 отключается. Если переключение передач завершено, процедура заканчивается на пятом этапе 309, а управление ТсИГ осуществляется в соответствии с той стратегией управления, на реализацию которой запрограммирован блок управления.
С другой стороны, если переключение передач не завершено на этапе 307, то процедура переходит к шестому этапу 311, на котором обновляются вышеописанные расчеты ТсИГ, вследствие чего оказывается возможным продолжение управления ТсИГ для достижения максимально закрытого положения. Затем процедура возвращается к этапу 305, на котором ТсИГ снова устанавливается в положение, соответствующее результату расчетов ТсИГ.
Кроме того, поскольку вероятно, что потребляемая мощность двигателя после завершения переключения передач будет высокой, может оказаться выгодным поддержание давления выхлопных газов высоким в течение некоторого времени после завершения переключения передач. Так, поддерживая ТсИГ закрытой в течение некоторого времени после завершения переключения передач, можно будет поддерживать высокое давление выхлопных газов перед турбиной, которое можно использовать для подпитки турбонагнетателя, а значит и для увеличения мощности, генерируемой двигателем, непосредственно после переключения передач.
Описанные здесь способы обеспечения быстрого торможения двигателя в связи с переключением передач также можно сочетать с обычным устройством для дросселирования выхлопа, если это оказывается выгодным в некоторых приложениях.
Использование ТсИГ для быстрого снижения скорости двигателя выгодно по ряду разных причин. Например, это небольшой шум, связанный с созданием высокого давления выхлопных газов. Также оказывается весьма дешевым управление ТсИГ. Кроме того, высокое давление выхлопных газов перед турбиной гарантирует подвод большой мощности к турбокомпрессору.