БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ДВУХТОПЛИВНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
DUAL-FUEL ENGINE CONTROL UNIT

Это изобретение относится к блоку управления двигателем (ECU) для многорежимного двигателя и, в частности, но не исключительно, к блоку управления двухтопливным двигателем, а также к многорежимному двигателю, содержащему такой блок управления двигателем.
Многорежимный двигатель способен работать во многих различных режимах, при этом каждый режим имеет различные требования к топливу. Другими словами, многорежимный двигатель получает энергию от различных видов топлива или комбинации из различных видов топлива в различных режимах.
Двигатель, работающий на двух видах топлива, адаптирован для работы в двух режимах. Обычно первый режим является дизельным режимом, при котором в двигатель подается исключительно дизельное топливо, а второй режим является газовым, при котором в двигатель подается преимущественно газовое топливо, например, такое как природный газ (метан), который воспламеняется с помощью относительно небольшого количества дизельного топлива.
Двигатель, работающий на двух видах топлива, может, конечно, работать на различных типах топлива. Первым топливом могло бы быть, например, биодизельное топливо, синтетическое топливо или любое количество альтернативных видов топлива. Аналогично, вторым топливом необязательно должен быть метан, а мог быть, например, сжатый природный газ, биометан, этанол, метанол или водород to name but a few.
Работа двигателя, такого как двигатель внутреннего сгорания, на смеси жидкого топлива, такого как дизельное, и газообразного топлива, такого как метан, увеличивает экономию топлива и коэффициент полезного действия двигателя, в то же самое время поддерживая низкие уровни нежелательных выбросов выхлопных газов. Поскольку люди постепенно начинают больше осознавать разрушительное воздействие на окружающую среду и погоду от потребления углеводородного топлива, то существует все большая необходимость уменьшать выбросы углерода из автомобилей, таких как тяжелые грузовые автомобили. Одним из путей, с помощью которого эти выбросы могли бы быть уменьшены, является обеспечение мощности для таких автомобилей с помощью двигателей, работающих на двух видах топлива, которые, по меньшей мере, некоторую часть времени преимущественно заправляются, например, метаном.
Несмотря на то, что известно, каким образом производить двигательные системы, способные работать как на дизельном топливе, так и на метане, существует большое количество традиционных дизельных двигателей, которые не могут быть просто заменены по экономическим причинам.
Поэтому существует необходимость в том, чтобы можно было преобразовать существующие двигатели внутреннего сгорания, сконструированные для работы, например, на дизельном топливе, в двигатели, работающие на двух видах топлива, которые могут работать на дизельном топливе или метане, или комбинации из двух или более видов топлива.
Проблема, с которой сталкиваются при преобразовании существующих двигателей, заключается в том, что существующие дизельные двигатели, особенно с насосом-форсункой или двигатели типа "Common rail", в которых впрыск топлива осуществляется электроуправляемыми форсунками, управляются электронным блоком управления двигателем (ECU). Этот блок управления, известный как дизельный блок управления, управляет впрыском дизельного топлива в двигатель. Блок управления содержит многомерную регулировочную характеристику двигателя, которая является, по существу, трехмерным массивом данных, установленным изготовителем комплексной системы (OEM), которая позволяет дизельному блоку управления определять количество дизельного топлива, которое нужно впрыснуть в двигатель, а также регулирование по времени впрыска топлива в зависимости от различных параметров. Определенное количество дизельного топлива, которое впрыскивается в двигатель, обеспечивает двигателю соответствующую энергию, с учетом преобладающих условий.
Известные системы двигателя содержат множество датчиков, которые измеряют множество переменных, таких как:
- положение педали акселератора;
- давление во впускном коллекторе;
- температура двигателя;
- скорость автомобиля;
- частота вращения двигателя;
- положение двигателя;
- давление масла;
- давление топлива.
Датчики поставляют блоку управления информацию, относящуюся к этим параметрам. Многомерная регулировочная характеристика двигателя дает возможность блоку управления определять требуемый уровень впрыска топлива, в зависимости от этих параметров, а также осуществлять взаимодействие с другими компонентами на автомобиле, имеющими блоки управления, такими как электронное управление коробкой передач, электронные системы торможения и управление силой сцепления. Обычно компоненты блоков управления совместно используют информацию через коммуникационную шину CAN и могут оказывать влияние на окончательный требуемый уровень впрыска топлива.
Дизельный блок управления (ECU) выдает команду каждой форсунке двигателя для впрыска в двигатель заданного количества дизельного топлива в заданное время, в зависимости от измеренных параметров, с помощью посылаемого к форсунке импульсного сигнала. Форсунка, как правило, управляется за счет ширины импульса, и поэтому модуляция ширины импульса может быть использована для изменения количества топлива, впрыснутого в двигатель. Дизельный ECU также регулирует по времени впрыска дизельного топлива в двигатель каждой форсункой.
Если двигатель должен быть адаптирован для работы во втором режиме, в котором для подачи в двигатель должна использоваться смесь дизельного топлива и метана, то ECU должен быть адаптирован, чтобы выдавать команды каждой дизельной форсунке, и чтобы впрыскивать в двигатель меньшее количество дизельного топлива, когда двигатель работает во втором режиме. Для того чтобы дать возможность блоку управления выдавать соответствующие команды каждой форсунке, когда двигатель работает во втором режиме, нужно заранее позаботиться о том, что необходимо заменить многомерную регулировочную характеристику двигателя для блока управления.
Другими словами, когда двигатель работает во втором режиме, требуется меньшее количество топлива, которое нужно впрыскивать в двигатель на единицу времени, чем в том случае, когда двигатель работает только на дизельном топливе.
Однако изготовители комплексной системы обычно не предоставляют информацию о многомерной регулировочной характеристике двигателя, или информацию для доступа к этой характеристике дизельного блока управления, и поэтому обычно нет возможности получить доступ к топливным характеристикам в существующих дизельных блоках управления.
Необходимо, чтобы дизельный блок управления оставался активным даже в том случае, когда двигатель работает во втором режиме, для того чтобы блок управления мог продолжать контролировать другие компоненты двигателя. Поэтому невозможно полностью обойти дизельный блок управления, который должен продолжать работать, когда бы двигатель ни работал и в каком бы режиме он ни работал, для того чтобы поддерживать встроенные функции безопасности.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложена система многорежимного двигателя, содержащая двигатель, адаптированный для работы во множестве различных режимов, включающих в себя первый режим, в котором в двигатель подается, по существу, полностью только первое топливо, и второй режим, в котором в двигатель подается, по существу, полностью только второе топливо или смесь из первого и второго топлива; при этом двигатель содержит:
- первый блок управления двигателем (ECU) для управления расходом подаваемого в двигатель первого топлива, когда двигатель работает в первом режиме;
- множество первых датчиков, функционально соединенных с первым ECU, при этом каждый из этих первых датчиков адаптирован для измерения первого переменного параметра, и для того чтобы генерировать первый входной сигнал, в зависимости от значения измеренного первого переменного параметра; и
- второй ECU, функционально соединенный с первым ECU;
при этом первый ECU содержит:
- приемное устройство для приема первых входных сигналов, и выходное устройство для генерирования первого выходного сигнала в зависимости от первых входных сигналов, при этом первый выходной сигнал определяет количество первого топлива, подаваемого к двигателю;
- второй ECU, адаптированный для преобразования первого выходного сигнала, когда двигатель работает во втором режиме, и таким образом генерирования первого преобразованного сигнала и второго рассчитанного сигнала; при этом первый преобразованный сигнал определяет количество первого топлива, подаваемого в двигатель, когда двигатель работает во втором режиме, а второй рассчитанный сигнал определяет количество второго топлива, подаваемого в двигатель, когда двигатель работает во втором режиме.
Преимущество эмулятора второго ECU, адаптированного для преобразования первого выходного сигнала из первого ECU, заключается в том, что функция первого ECU не изменяется от преобразований выходного сигнала. Другими словами, благодаря тому, что первые входные сигналы, передаваемые от первых датчиков первому ECU, не преобразовываются, первый ECU будет принимать информацию от датчиков, относящуюся к условиям, в которых работает двигатель, а затем сможет управлять всеми другими электрическими компонентами в системе двигателя независимо от режима, в котором работает двигатель, в соответствии с первыми входными сигналами, таким способом, который предполагается изготовителем оборудования.
Средства, с помощью которых адаптируется первый ECU для управления другими электрическими компонентами в двигателе, могут варьироваться на разных двигателях, но обычно все электрические компоненты присоединяются к первому устройству управления с помощью цепи шины CAN (Controller Area Network loop). Цепь шины CAN является системой с шинной организацией, которая дает возможность компонентам внутри системы двигателя получать доступ к сигналам от других компонентов, для того чтобы получать требуемую информацию без преобразования сигналов, затем к этой информации имеется свободный доступ для других компонентов.
В системе двигателя, в которой первый ECU соединен с другими компонентам узла двигателя и при этом имеет контролирующее влияние на них с помощью цепи шины CAN, сигналы передаются ECU на другие компоненты через шину CAN, при этом на сигналы не влияет режим работы двигателя.
Когда двигатель работает в первом режиме, первое устройство управления будет функционировать таким образом, который предполагался изготовителем системы, поскольку в двигатель будет подаваться только первое топливо. Это происходит благодаря тому, что второй ECU не преобразует первые входные сигналы или первый выходной сигнал, когда двигатель работает в первом режиме. Однако когда двигатель работает во втором режиме, первый преобразованный сигнал будет приводить к тому, что в двигатель будет подаваться уменьшенное количество первого топлива, по сравнению с количеством первого топлива, подаваемого в двигатель, когда он работает в первом режиме в тех же самых условиях. Однако первый ECU будет все еще принимать обратный непреобразованный сигнал, и поэтому будет считать, что все работает нормально. Это означает, что сообщение о неисправности двигателя не будет отображаться в системе диагностики, образующей часть узла двигателя.
Кроме того, когда двигатель работает во втором режиме, то второй рассчитанный сигнал приводит к тому, что в двигатель будет подаваться заданное количество второго топлива, чтобы дополнить количество первого топлива, впрыскиваемого в двигатель первыми форсунками.
Предпочтительно первый ECU является главным, а второй ECU - подчиненным блоком, управляемым первым блоком.
Предпочтительно первый ECU адаптирован таким образом, чтобы регулировать по времени расход первого топлива, подаваемого в двигатель, когда двигатель работает в первом режиме, а второй ECU адаптирован для регулирования по времени расхода, как первого топлива, так и второго топлива, когда двигатель работает во втором режиме.
Регулирование по времени расхода, как первого топлива, так и второго топлива в одном из двух режимов будет осуществляться таким образом, чтобы подача топлива происходила в определенный момент цикла двигателя. В зависимости от типа топлива, используемого в качестве как первого, так и второго топлива, регулирование по времени расхода второго топлива, подаваемого в двигатель, может иметь другое распределение по времени по сравнению с распределением расхода первого топлива, подаваемого в двигатель, когда двигатель работает во втором режиме.
Предпочтительно первое топливо содержит дизельное топливо, а второе топливо содержит природный газ (метан).
Поэтому первый ECU является дизельным и адаптирован для управления расходом дизельного топлива, подаваемого в двигатель, когда двигатель работает в первом режиме.
Предпочтительно двигатель содержит множество первых форсунок для впрыска первого топлива в двигатель, и множество вторых форсунок для впрыска второго топлива в двигатель, при этом выходное устройство первого ECU адаптировано для генерирования множества первых выходных сигналов, а каждый из этих выходных сигналов адаптирован для управления одной форсункой из числа первых форсунок. Второй ECU адаптирован для преобразования каждого из множества первых выходных сигналов, а также для формирования множества первых преобразованных сигналов и множества вторых рассчитанных сигналов, когда двигатель работает во втором режиме, при этом каждое множество первых преобразованных сигналов адаптировано для управления одной отдельной форсункой из числа первых форсунок, когда двигатель работает во втором режиме.
Множество первых преобразованных сигналов и вторые рассчитанные сигналы, формируемые вторым ECU, определяют не только количество топлива, впрыскиваемого соответствующей форсункой, но также осуществляют регулирование по времени впрыска топлива.
Первые преобразованные сигналы приводят к тому, что первое топливо впрыскивается в двигатель в меньших количествах, чем в том случае, если бы двигатель работал в первом режиме.
Вторые рассчитанные сигналы передаются ко вторым форсункам и приводят к тому, что второе топливо должно впрыскиваться в двигатель таким образом, чтобы восполнить уменьшенное количество первого топлива, которое было впрыснуто в двигатель.
Таким образом, первый ECU адаптирован для управления количеством и распределением по времени первого топлива, впрыскиваемого в двигатель известным способом, когда двигатель работает в первом режиме. Кроме того, второй ECU адаптирован для управления количеством и распределением по времени впрыскивания в двигатель как первого, так и второго топлива, когда двигатель работает во втором режиме.
Предпочтительно двигатель является двигателем с насосом-форсункой или двигателем типа "Common rail", с электрически управляемыми форсунками. Второй ECU функционирует под управлением оригинального алгоритма многомерной регулировочной характеристики оборудования, когда является частью первого ECU. Продолжительность впрыска первого топлива первыми форсунками и второго топлива вторыми форсунками, а также регулирование по времени работы этих форсунок, предпочтительно, преобразовывается путем управления на основе широтно-импульсной модуляции (PWM). Это означает, что временная регулировка и регулировка количества топлива, впрыскиваемого в двигатель первыми форсунками, или вторыми форсунками, определяется, соответственно, шириной импульса первых преобразованных сигналов и вторых рассчитанных сигналов.
Поэтому настоящее изобретение позволяет модифицировать существующие узлы двигателей с насосом-форсункой или дизельных двигателей типа "Common rail" с электроуправляемыми форсунками. Второй ECU фактически разделяет на части первоначальное время впрыска первого топлива при подаче его в двигатель в двойном процессе, в котором дизельное топливо впрыскивается первыми форсунками во время такта сжатия двигателя. Когда двигатель работает во втором режиме, дизельное топливо является источником предварительного зажигания для второго топлива, при этом второе топливо впрыскивается в двигатель с помощью регулируемой подачи посредством последовательного непрямого впрыска топлива во впускные каналы на такте впуска двигателя, запускаемого в порядке зажигания дизельных форсунок.
Предпочтительно второй ECU дополнительно содержит вычислительное блок для расчета теплового содержания первого количества первого топлива, которое подавалось бы в двигатель при его работе в первом режиме, и теплового содержания второго количества первого топлива, подаваемого в двигатель, когда двигатель работает во втором режиме, и компаратор для вычисления разности между тепловым содержанием первого количества первого топлива и тепловым содержанием второго количества первого топлива, при этом вычислительное устройство дополнительно адаптировано для вычисления требуемого количества второго топлива, которое должно подаваться в двигатель при работе во втором режиме, чтобы гарантировать, что общее тепловое содержание, определяемое вторым количеством первого топлива и количеством второго топлива, по существу, такое же, как тепловое содержание первого количества первого топлива.
В тех вариантах осуществления изобретения, в которых система двигателя содержит множество первых форсунок и множество вторых форсунок, вычислительное устройство адаптировано для вычисления теплового содержания первого количества первого топлива, которое было бы впрыснуто в двигатель первой форсункой, если бы двигатель работал в первом режиме, и теплового содержания второго количества первого топлива, которое впрыскивается в двигатель, когда двигатель работает во втором режиме, и вычисления требуемого количества второго топлива, которое должно впрыскиваться в двигатель, когда двигатель работает во втором режиме.
Второй ECU может таким образом рассчитывать требуемое количество второго топлива, которое должно впрыскиваться в двигатель, для восполнения первого топлива, которое подается в двигатель каждой первой форсункой. Таким образом, это вычисление может постоянно учитывать изменение количества энергии, требующейся двигателю, из-за изменения значений переменных параметров, измеряемых первыми датчиками.
Другими словами, когда двигатель работает в первом режиме, первый ECU будет вычислять требуемое количество первого топлива, которое должно впрыскиваться в двигатель, в зависимости от значений переменных параметров, измеренных первыми датчиками. Количество топлива, которое должно быть впрыснуто в двигатель, когда двигатель работает в первом режиме, вероятно должно измениться во время работы двигателя, поскольку переменные параметры, измеренные первыми датчиками, вероятно должны измениться.
Когда двигатель работает во втором режиме, второй ECU, используя первые выходные сигналы, будет вычислять количество первого топлива, которое было бы впрыснуто в двигатель, если бы двигатель работал в первом режиме. Второй ECU будет затем преобразовывать первые выходные сигналы для получения первых преобразованных сигналов, которые будут вызывать уменьшение количества первого топлива, впрыскиваемого в двигатель, если сравнивать с количеством первого топлива, которое было бы впрыснуто в двигатель, если бы двигатель полностью работал на первом топливе, как было бы в том случае, если бы двигатель работал в первом режиме. Затем второй ECU будет рассчитывать недостаток энергии, поступаемой к двигателю при уменьшенном количестве первого топлива. Затем второй ECU будет рассчитывать количество второго топлива, которое должно быть впрыснуто в двигатель, чтобы восполнить двигателю недостаток энергии для получения требующегося количества энергии.
Предпочтительно второй ECU содержит устройство возвращения сигнала для возвращения первых выходных сигналов к первому ECU в неизмененном виде, когда двигатель работает в первом или во втором режимах.
Это означает, что первый ECU будет принимать подтверждающий сигнал от второго ECU, показывающий, что двигатель работает в ожидаемом режиме (например, так, как если бы он работал в первом режиме), независимо от того, работает ли двигатель в первом или во втором режиме.
Предпочтительно система двигателя содержит множество вторых датчиков, функционально соединенных со вторым ECU. Необходимо измерять температуру и давление второго топлива, чтобы точно рассчитывать значение теплотворной способности второго топлива и, таким образом, получать точное значение энергии для уменьшенного впрыска дизельного топлива. Вторая топливная система является независимой от системы изготовителя комплексной системы (OEM), и по этой причине должна обеспечиваться отдельно. Отдельный датчик давления впускного коллектора и датчики температуры также могут использоваться вместо датчиков дизельного топлива изготовителя системы, чтобы избежать возможных конфликтов электронных сигналов.
Предпочтительно каждый датчик из числа вторых датчиков передает второй выходной сигнал второму ECU, причем этот выходной сигнал является зависимым от измеренного второго переменного параметра.
Вторые датчики измеряют такие переменные параметры, как давление во впускном коллекторе, температура охлаждающего средства, давление газа и температура газа. В зависимости от значений каждого из этих переменных параметров, второй ECU будет производить вычисление на основе первых входных сигналов из первого ECU, чтобы принять в расчет значения этих переменных параметров.
Предпочтительно система двигателя дополнительно содержит λ-датчик, расположенный в выхлопной системе двигателя, при этом λ-датчик функционально соединен со вторым ECU внутри замкнутого контура. Предпочтительно λ-датчик является широкополосным кислородным датчиком.
λ-датчик измеряет количество кислорода, не вступившего в реакцию окисления в выхлопных газах двигателя, и передает сигналы, отражающие это количество, ко второму ECU.
Второй ECU адаптирован для преобразования первых преобразованных сигналов, или вторых рассчитанных сигналов, или и тех и других, в ответ на сигналы λ-датчика, чтобы регулировать отношение первого и второго топлива к воздуху, т.е. воздуха к топливному коэффициенту, подаваемому в двигатель, чтобы гарантировать эффективное сгорание первого и второго топлива.
Предпочтительно система двигателя содержит триггер для инициирования переключения двигателя из первого режима во второй режим.
Удобно, если система двигателя будет запрограммирована работать в первом режиме всякий раз, когда двигатель первоначально запускается. Система двигателя затем переключается на второй режим в ответ на один или более параметров, достигающих заданного уровня.
Предпочтительно система двигателя дополнительно содержит второй триггер для инициирования переключения системы двигателя из второго режима в первый режим.
Предпочтительно система двигателя переключается из второго режима в первый режим в ответ на значение одного или более параметров, поднявшихся выше или упавших ниже заданного уровня.
Предпочтительно система двигателя дополнительно содержит ручной корректирующий триггер, для того чтобы вызвать переключение системы двигателя либо из первого режима во второй режим или, наоборот, когда это потребуется, оператором системы двигателя.
Когда система двигателя работает в первом режиме, второй ECU активен только частично, т.е. находится в режиме ожидания и просто передает первые выходные сигналы в неизменном виде к первым форсункам. В этом первом режиме газовые форсунки отключены. Если этого режима ожидания нет, то второй ECU полностью активен, и двигатель будет работать во втором режиме.
Предпочтительно во время работы двигателя во втором режиме первый выходной сигнал или сигналы, генерируемые первым ECU для управления потоком/впрыскиванием первого топлива, будут сравниваться с заданным максимальным выходным сигналом. Если длина импульса первого выходного сигнала больше, чем длина импульса заданного предельного выходного сигнала, то второй ECU будет рассчитывать соответствующий второй сигнал или сигналы таким образом, чтобы вызвать соответствующий впрыск второго топлива. Первый преобразованный сигнал(ы) может иметь заданную предельную длину, запрограммированную в многомерной регулировочной характеристике во втором ECU. Длина первого преобразованного сигнала(ов) также может быть рассчитана вторым ECU, согласно заданному алгоритму. Вторые сигналы будут иметь длину, которая рассчитывается из разницы между первым сигналом и первым преобразованным сигналом, умноженную на разницу в значениях энергоемкости между двумя видами топлива, согласно информации, принятой от вторых датчиков и широкополосного кислородного датчика (λ-датчик).
Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предложен второй ECU, образующий часть системы многорежимного двигателя согласно первому аспекту настоящего изобретения.
В некоторых вариантах осуществления изобретения предпочтительно уменьшать давление впрыскиваемого дизельного топлива, а также длину и продолжительность сигнала, так как это уменьшит объем топлива, и, следовательно, теплотворную способность. В таких вариантах осуществления изобретения второй ECU будет учитывать уменьшение давления и уменьшение продолжительности сигнала в своих вычислениях требования по энергии. На практике это означало бы добавление датчика давления дизельного топлива и клапана, управляемого вторым устройством управления, что ограничивало бы давление в соответствии с параметрами двигателя. Датчик давления дизельного топлива и управляемый клапан соединялись бы со вторым ECU и работали бы только в режиме использования двойного топлива, при этом полное давление топлива доступно в дизельном режиме.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, предложен способ работы двигателя в первом режиме, при котором в двигатель подается первое топливо, или во втором режиме, при котором в двигатель подается второе топливо или смесь из первого топлива и второго топлива, при этом способ содержит следующие этапы:
- программирование двигателя так, чтобы он первоначально работал в первом режиме;
- постоянный контроль множества переменных параметров и получение измеренного значения для каждого контролируемого первого переменного параметра, генерирование первого входного сигнала в зависимости от измеренного значения каждого контролируемого первого переменного параметра;
- генерирование первого выходного сигнала в зависимости от первых входных сигналов для контроля количества первого топлива, подаваемого к двигателю;
- переключение режима работы на второй режим;
- преобразование первого выходного сигнала для получения первого преобразованного сигнала и второго рассчитанного сигнала, при этом первый преобразованный сигнал определяет количество первого топлива, подаваемого к двигателю, а второй рассчитанный сигнал определяет количество второго топлива, подаваемого к двигателю, когда двигатель работает во втором режиме.
Предпочтительно, способ содержит дополнительные этапы регулирования по времени расходов первого и второго топлива, подаваемого в двигатель, когда двигатель работает во втором режиме, в зависимости от первого выходного сигнала.
Предпочтительно первое топливо содержит дизельное топливо, а второе топливо содержит метан, а первый ECU является дизельным ECU.
Предпочтительно двигатель содержит множество первых форсунок для впрыска в двигатель первого топлива, и множество вторых форсунок для впрыска в двигатель второго топлива, при этом этап генерирования первого выходного сигнала в зависимости от первых входных сигналов содержит этап, на котором генерируется множество первых выходных сигналов в зависимости от первых входных сигналов; способ содержит дополнительный этап управления каждой из первых форсунок в зависимости от первого выходного сигнала, а этап преобразования первого выходного сигнала для получения первого преобразованного сигнала и второго рассчитанного сигнала содержит этап преобразования первого выходных сигналов для получения множества первых преобразованных сигналов и множества вторых рассчитанных сигналов, причем каждый из этих первых преобразованных сигналов управляет одной из первых форсунок, а каждый из вторых рассчитанных сигналов управляет одной из вторых форсунок, когда двигатель работает во втором режиме.
Предпочтительно способ содержит дополнительный этап, на котором: вычисляют тепловое содержание первого количества первого топлива, которое будет подаваться в двигатель, если двигатель будет работать в первом режиме;
- вычисляют тепловое содержание второго количества первого топлива, которое будет подаваться в двигатель, когда двигатель работает во втором режиме;
- сравнивают тепловое содержание первого количества первого топлива и теплового содержания второго количества первого топлива, чтобы рассчитать дефицит энергии;
- вычисляют требуемое количество второго топлива, которое должно подаваться к двигателю, когда двигатель работает во втором режиме, для компенсации дефицита энергии.
Предпочтительно двигатель содержит первый ECU и второй ECU, являющийся подчиненным блоком, функционально соединенным с первым ECU, причем первый выходной сигнал или сигналы генерируются первым ECU, при этом способ содержит дополнительный этап возвращения сигнала к первому ECU в неизменном виде, соответствующем каждому из первых входных сигналов.
Удобно, если способ содержит дополнительный этап возвращения сигнала к первому ECU в неизменном виде, когда двигатель работает в первом режиме или во втором режиме.
Предпочтительно способ содержит дополнительный этап измерения содержания кислорода в выхлопных газах двигателя и дополнительного преобразования первых преобразованных сигналов или вторых рассчитанных сигналов, или обоих типов сигналов, т.е. первых преобразованных сигналов и вторых рассчитанных сигналов, в зависимости от измеренного содержания кислорода.
Удобно, если способ содержит дополнительные этапы постоянного контроля множества вторых переменных параметров, и получения измеренного значения для каждого контролируемого второго переменного параметра, а также генерирования второго входного сигнала в зависимости от измеренного значения каждого контролируемого второго переменного параметра.
Вторые входные сигналы могут быть проанализированы вместе с первыми входными сигналами для получения первых преобразованных сигналов и вторых рассчитанных сигналов, которые будут управлять, соответственно, первыми и вторыми форсунками, чтобы впрыскивать в двигатель соответствующие объемы первого и второго топлива в соответствующее время.
Изобретение дополнительно описано, только в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, в которых:
фиг.1 - схематическое представление дизельного блока управления двигателем, составляющего часть известного двигателя, сконструированного для потребления только дизельного топлива;
фиг.2 - схематическое представление узла двигателя, согласно варианту осуществления изобретения, показывающее работу в первом режиме;
фиг.3 - схематическое представление узла двигателя, показанного на фиг.2, работающего во втором режиме;
фиг.4 - схема последовательности процесса работы узла двигателя, показанного на фиг.2 и 3;
фиг.5 - схематическое представление дополнительной системы двигателя.
На фиг.1 показан известный дизельный узел двигателя, обозначенный позицией 2. Узел двигателя содержит дизельный блок 4 управления двигателем (ECU), управляющий двигателем 6. ECU 4 сконструирован изготовителем комплексной системы (OEM) так, чтобы двигатель 6 мог работать на дизельном топливе с максимальной эффективностью, принимая в расчет различные параметры, которые могут повлиять на требования по мощности и топливу для двигателя 6. Двигатель может быть любого подходящего вида, но в этом примере двигатель является дизельным двигателем с системой непосредственного впрыска топлива ("Common rail"), содержащим шесть цилиндров 8, и шесть дизельных форсунок 10. Двигатель 6 дополнительно содержит впускной коллектор 14 и выпускной коллектор 16.
Двигатель 6 в этом примере дополнительно содержит турбокомпрессор 12 для увеличения технических параметров двигателя известным способом. Во время работы двигателя 6 сжатый воздух из турбокомпрессора 12 втягивается в двигатель через впускной коллектор 14 в цилиндры 8. Каждая форсунка 10 впрыскивает дизельное топливо в цилиндры. Количество топлива, впрыскиваемое в двигатель каждой форсункой 10, и регулирование по времени впрыска топлива каждой форсункой управляется ECU 4. Дизельное топливо смешивается с воздухом известным способом и взрывается во время цикла сжатия двигателя 6, для того чтобы обеспечить энергией двигатель 6. После сжатия выхлопные газы входят в выпускной коллектор 16, при этом газы содержат смесь топлива и воздуха. Выхлопные газы направляются выпускным коллектором 16 к глушителю и системе дополнительной обработки (не показана).
Дизельный ECU 4 управляет работой множества первых датчиков 18, которые функционально соединены с ECU 4. Каждый из первых датчиков осуществляет контроль отдельного переменного параметра, такого как: положение педали, давление во впускном коллекторе, температура охлаждающей среды, положение двигателя, скорость вращения двигателя, температура топлива, давление топлива, температура впускного воздуха, скорость автомобиля, давление масла, температура масла и т.д.
Дизельный ECU 4 также функционально соединен с множеством переключателей 20, которые управляют параметрами, такими как крейсерская скорость, скорость вращения двигателя, ограничение крутящего момента и скорости автомобиля. Эти переключатели также передают сигналы дизельному ECU 4 в зависимости от предельного значения, установленного для отдельного переменного параметра.
Дизельный ECU 4, таким образом, является главным блоком, а каждый из датчиков 18, переключателей 20 и форсунок 10 являются подчиненными устройствами, управляемыми главным блоком - ECU 4.
Дизельный ECU 4 содержит приемное устройство для сигналов (не показано), которое принимает первые входные сигналы 22 от первых датчиков 18 и переключателей 20. Значение каждого из первых входных сигналов 22 зависит от значения переменного параметра, которое передается. В этом примере первые входные сигналы 22 являются либо импульсом, модулированным с помощью широтно-импульсной модуляции, либо аналоговым импульсом, а ширина импульса и уровень напряжения зависят от значения передаваемого переменного параметра. Дизельный ECU 4 будет принимать входной сигнал 22 и передавать первый выходной сигнал 24 каждой из форсунок 10, в зависимости от числового значения каждого передаваемого переменного параметра. Каждый первый выходной сигнал 24 определяет количество дизельного топлива, впрыскиваемого в двигатель 6, а также время по отношению к циклу двигателя, в которое дизельное топливо впрыскивается в двигатель.
Изготовитель комплексной системы (OEM) разрабатывает многомерную регулировочную характеристику двигателя, которая является трехмерным массивом данных, позволяющим дизельному ECU определять соответствующие количества дизельного топлива, которое нужно впрыснуть в двигатель, а также регулирование по времени такого впрыскивания, в зависимости от всех измеренных параметров. Это гарантирует, что двигатель будет работать с максимальной эффективностью, в данных преобладающих условиях.
Дизельное устройство управления также имеет управляющий вход для других электрических компонентов в сборочном узле 2 двигателя. В этом примере сборочный узел двигателя дополнительно содержит электронное устройство управления 26 системы автомобиля и ECU 27 системы электронного тормоза, ECU 28 автоматической коробки передач, блок 29 управления подвеской, и тахограф 30. Каждый из этих компонентов функционально подсоединен к дизельному ECU 4 через шинную систему 32, которая в этом примере содержит цепь интерфейса CAN, как описывалось выше. Устройства 26-30 также являются электронными устройствами управления, функционально соединенными с дизельным ECU 4.
Дизельное устройство управления ECU 4 будет иметь вход для приема входного сигнала от устройств с 26 по 30 в ответ на первые входные сигналы 22, передаваемые дизельному ECU 4 датчиками 18 и переключателями 20.
Для того чтобы управлять регулированием по времени и количеством дизельного топлива, впрыскиваемого в двигатель 6, дизельное ECU 4 передает множество первых выходных сигналов 24 форсункам 10, при этом каждая форсунка принимает один из множества первых выходных сигналов 24. Каждая из форсунок 10 передает возвратный сигнал 34 к дизельному ECU 4, как только он принял первый выходной сигнал. Этот сигнал подтверждает дизельному ECU 4, что форсунка 10 работает правильно.
Аналогично, дизельный ECU 4 имеет вход для взаимодействия с компонентами 26-30 через передачу сигнала 36 шины, который передается через систему 32 цепи шины CAN. Каждое из устройств с 26 по 30 адаптировано для возвращения возвратного сигнала 38 к дизельному ECU, тем самым подтверждая, что система работает правильно, а также запрашивая изменение мощности двигателя, в соответствии с потребностями системы. Например, если система электронного торможения обнаруживает, что дорожное колесо автомобиля вращается без синхронизации с другими колесами, она может запросить уменьшение мощности, чтобы предотвратить проскальзывание колеса.
На фиг.2 и 3 узел двигателя согласно первому варианту осуществления изобретения обозначен в общем позицией 50. Узел двигателя содержит компоненты известного узла 2 двигателя, показанного на фиг.1, при этом описанным вышеупомянутым компонентам даны соответствующие цифровые позиции.
Узел 50 двигателя содержит первый ECU в виде дизельного ECU 4, показанного на фиг.1, функционально соединенного с множеством первых датчиков 18 и переключателей 20. Дизельный ECU 4 дополнительно функционально соединен с множеством дизельных форсунок 10, которые адаптированы для впрыска дизельного топлива в двигатель 6 под управлением дизельного ECU 4. Дизельный ECU 4 также имеет вход для приема входных сигналов от дополнительных устройств 26-30 внутри узла двигателя с помощью шинной системы 32 CAN, как описано выше со ссылкой на фиг.1.
Узел 50 двигателя дополнительно содержит второй ECU 54, который функционально соединен с дизельным ECU 4, и имеет управляемый вход от дизельного ECU 4. Со вторым ECU 54 функционально соединено множество вторых датчиков 56, которые в этом варианте осуществления изобретения измеряют давление впускного коллектора, температуру охлаждающего агента, давление газа и температуру газа. Узел 50 двигателя дополнительно содержит множество газовых форсунок 58 и устройство привода 60 газовых форсунок, при этом оба компонента функционально соединены со вторым ECU 54.
Узел 50 двигателя дополнительно содержит λ-датчик 62, который соединен со вторым ECU 54 таким образом, чтобы образовывать вход с замкнутым контуром. λ-датчик 62 является широкополосным кислородным датчиком, предназначенным для измерения содержания кислорода в выхлопных газах автомобиля.
Второй ECU 54 позволяет узлу 50 двигателя работать либо в первом дизельном режиме, либо во втором режиме, в котором в двигатель подается метан и дизельное топливо.
Фиг.2 показывает узел 50 двигателя, сконфигурированный таким образом, чтобы работать в первом режиме, а фиг.3 показывает узел 50 двигателя, сконфигурированный таким образом, чтобы работать во втором режиме.
Узел 50 двигателя будет дополнительно содержать триггер (на фиг.2 и 3 не показан), который будет инициировать переключение двигателя с первого режима работы на второй режим работы. В дальнейшем это описано более детально, со ссылкой на фиг.4.
Когда узел 50 двигателя работает в первом режиме, то двухтопливная особенность двигателем находится в состоянии ожидания. По существу это означает, что второй ECU 54 не влияет на работу узла 50 двигателя, в дальнейшем это описано более детально.
Обратимся сначала к фиг.2, на которой узел 50 двигателя показан в конфигурации, позволяющей работать в первом режиме. Во время работы в первом режиме узел 50 двигателя работает таким способом, который аналогичен способу работы узла 2 двигателя, показанного на фиг.1 и описанного выше.
Второй ECU 54 адаптирован для получения первых выходных сигналов 24, генерированных дизельным ECU 4, до того момента, как эти сигналы принимаются дизельными форсунками 10.
Когда узел 50 двигателя работает в первом режиме, а второй ECU 54 находится в состоянии ожидания, первые выходные сигналы 24 будут передаваться в неизменном виде к форсункам 10 такими, какими они были бы в узле 2 двигателя. Кроме того, второй ECU 54 будет передавать возвратный сигнал 64 к дизельному ECU 4 для каждого из первых выходных сигналов 24, генерируемых дизельным ECU 4. Они будут информировать дизельное ECU 4, что дизельные форсунки работают правильно.
Когда узел 50 двигателя работает во втором режиме, т.е. на смеси метана и дизельного топлива, как показано на фиг.3, узел 50 двигателя включает ECU 54, который начинает работать во втором режиме. Второй ECU 54 будет в этом случае преобразовывать первые выходные сигналы 24 от дизельного ECU 4 для получения первых преобразованных сигналов 66 и вторых рассчитанных сигналов 68. Способ, с помощью которого генерируются преобразованные сигналы 66, 68, ниже описан более детально. Первые преобразованные сигналы 66 передаются к дизельным форсункам 10 и управляют впрыском дизельного топлива в двигатель 6. Вторые рассчитанные сигналы передаются в устройство привода 60 газовых форсунок, которое последовательно использует эти сигналы для управления впрыском метана в двигатель 6 через газовые форсунки 58. В показанном варианте осуществления изобретения устройство привода 60 газовых форсунок является отдельным устройством относительно второго ECU 54. В других вариантах осуществления изобретения (не показаны) устройство привода 60 газовых форсунок может быть составной частью второго ECU 54.
Второй ECU 54 содержит эмулятор 70, который принимает первые выходные сигналы 24 от дизельного ECU 4. В показанном варианте осуществления изобретения эмулятор 70 является составной частью второго ECU 54. В других вариантах осуществления изобретения (не показаны) эмулятор 70 может быть отдельным устройством.
Эмулятор 70 будет передавать возвратный сигнал 64 к дизельному ECU 4, соответствующий каждому из первых входных сигналов 24, принимаемых от дизельного ECU 4. Возвратные сигналы 64 будут показывать дизельному ECU 4, что двигатель работает так, как он работал бы в первом режиме. Таким образом, с точки зрения дизельного ECU 4, двигатель работает как в нормальном режиме, при этом дизельный ECU 4 осуществляет связь с компонентами 22, 24, 26, 28 и 30 таким образом, как это происходило бы в случае работы двигателя в первом режиме.
Второй ECU 54 после приема первых выходных сигналов 24 рассчитывает планируемую продолжительность впрыска дизельного топлива, которая потребовалась бы в том случае, если бы двигатель 6 работал в первом режиме, основываясь на первых выходных сигналах 24. Затем второй ECU 54 преобразовывает первые выходные сигналы 24, уменьшая ширину импульсов этих сигналов, чтобы получить первые преобразованные сигналы 66. Первые преобразованные сигналы 66 с уменьшенной шириной импульсов затем передаются к дизельным форсункам 10 эмулятором 70. Это означает, что количество дизельного топлива, впрыскиваемого в двигатель 6, будет уменьшенным по сравнению с тем количеством, которое впрыскивалось бы в двигатель 6, если он работал полностью на дизельном топливе.
Затем второй ECU рассчитывает уменьшение энергии, поступаемой к двигателю 6 за счет уменьшенного количества дизельного топлива, впрыскиваемого форсунками 10. Затем второй ECU рассчитывает количество метана, которое должно быть дополнительно впрыснуто в двигатель 6, чтобы гарантировать, что двигатель 6 получает, по существу, такое же количество энергии от обоих видов топлива, дизельного топлива и газа, впрыскиваемых в двигатель, как в случаях, когда двигатель работает в первом режиме полностью на дизельном топливе.
λ-датчик (лямбда датчик) 62 измеряет количество не вступившего в реакцию окисления кислорода в выхлопных газах двигателя, и передает сигнал 76 второму ECU 54, причем этот сигнал зависит от измеренного содержания кислорода.
Перед тем как получать вторые преобразованные сигналы 68 для передачи их к устройству привода 60 газовых форсунок, которое будет приводить в действие газовые форсунки, второй ECU 54 учитывает другие переменные параметры.
Одним из таких переменных параметров является содержание кислорода в выхлопных газах, измеряемое λ-датчиком (лямбда-датчиком) 62. Для изготовителей комплексной системы (OEM) не является обычной практикой включать лямбда-датчик в качестве части системы управления дизельным двигателем, но это считается необходимым для двигателя, работающего на двух видах топлива.
Благодаря тому, что λ-датчик 62 соединен со вторым ECU с помощью замкнутой цепи, второй ECU 54 может осуществлять постоянный контроль содержания кислорода в выхлопных газах и регулировать относительные количества дизельного топлива и газа, впрыскиваемого в двигатель, чтобы гарантировать эффективную работу двигателя 6. Второй ECU 54 может также управлять регулирующим пневмоклапаном, чтобы изменять количество воздуха, впускаемого в двигатель и, следовательно, соотношение воздуха к топливу в топливо-воздушной смеси, впускаемой в двигатель, и таким образом, дополнительно гарантировать эффективное сгорание дизельного и газового топлива. Газ будет впрыскиваться в другой точке цикла двигателя по сравнению с дизельным топливом.
Второй ECU 54 также функционально соединен со вторыми датчиками 56, которые также передают сигналы, зависящие от других параметров двигателя.
Каждый из вторых датчиков 56 генерирует второй входной сигнал 74, который принимается вторым ECU 54. Вторые входные сигналы 74 зависят от каждого из переменных параметров, измеренных каждым из вторых датчиков 56.
Поэтому второй ECU учитывает первые входные сигналы 24, вторые входные сигналы 74, и сигнал 76 от λ-датчика 62, когда производит вычисление длины первых преобразованных сигналов 66 и вторых рассчитанных сигналов 68. Вторые рассчитанные сигналы 68 передаются вторым ECU 54 к устройству привода 60 газовых форсунок, которое управляет каждой из газовых форсунок 58 в соответствии с командами, полученными с помощью вторых рассчитанных сигналов 68.
С помощью настоящего изобретения можно модернизировать второй ECU 54, устройство привода 60 газовых форсунок, λ-датчик 62, и вторые датчики 56 для существующего узла 2 двигателя, адаптированного только для подачи дизельного топлива, таким образом, чтобы получить узел 50 двигателя, соответствующий настоящему изобретению, который способен работать в первом режиме, в котором подается дизельное топливо, и во втором режиме, в котором подается метан или смесь из дизельного топлива и метана.
На фиг.4 изображен процесс работы двигателя, который описан со ссылкой на схему 80 последовательности процесса.
Части узла 50 двигателя, которые соответствуют системе двигателя, описанной со ссылками на фиг.2 и 3, обозначены соответствующими цифровыми позициями.
Когда двигатель первоначально запускается во время старта 82, дизельный ECU будет вызывать работу двигателя в первом режиме, в котором в двигатель подается только дизельное топливо.
Для того чтобы гарантировать, что двигатель 6 работает с максимальной эффективностью, дизельное ECU принимает первые входные сигналы 22 от первых датчиков 18, переключателей 20 и элементов 84 управления водителя.
Затем дизельный ECU передает множество первых выходных сигналов 24 к дизельным форсункам 10 на основе входных сигналов 22, принимаемых от первых датчиков 18, переключателей 20 и элементов 84 управления водителя.
Таким образом, двигатель работает в первом режиме, а второй ECU 54 по уровню своей эффективности находится в состоянии бездействия или ожидания. Когда двигатель продолжает работать, второй ECU 54 будет осуществлять контроль определенных параметров, таких как температура 86 двигателя, температура 88 паров газа, давление паров газа и положение ручного переключателя 92 для перехода в режим ожидания. Каждый из этих датчиков, вместе с переключателем 92, соединен со вторым ECU 54. В этом примере второй ECU 54 будет осуществлять контроль, находится ли температура двигателя выше или ниже заданного нижнего предела. Если температура двигателя находится ниже заданного нижнего предела, то второй ECU 54 будет оставаться в режиме ожидания, а двигатель будет продолжать работать в первом режиме.
Если температура двигателя находится выше заданного нижнего предела, тогда второй ECU 54 будет определять, находится ли давление паров газа в пределах заданного диапазона. Если температура газа не находится внутри заданных пределов, то двигатель будет продолжать работать в первом режиме.
Если температура паров газа находится внутри заданных пределов, то второй ECU 54 будет определять, находится ли давление газовых паров внутри заданных пределов. Если давление газовых паров не находится внутри заданных пределов, то двигатель будет продолжать работать в первом режиме.
Если давление газовых паров находится внутри заданных пределов, то второй ECU 54 будет определять, в каком положении находится ручной переключатель 92 для перехода в режим ожидания - включенном или выключенном. Если он включен, то несмотря на тот факт, что переменные параметры, измеренные датчиками 86, 88 и 90, находятся внутри заданных пределов, или в том случае, когда температура двигателя выше заданного нижнего предела, двигатель будет продолжать работать в первом режиме. Однако если переключатель 92 для перехода в режим ожидания выключен, тогда система двигателя будет инициирована на переключение во второй режим. В этом случае второй ECU 54 будет выполнять вычисление энергии, чтобы рассчитать требуемое соотношение смеси газ/дизельное топливо, которая должна быть впрыснута в двигатель, для того чтобы гарантировать, что двигатель имеет соответствующий приток энергии, как описывалось выше. В результате это приведет к тому, что первые преобразованные сигналы 66 будут формироваться вторым ECU 54. Первые преобразованные сигналы 66 управляют дизельными форсунками 10.
Второй ECU 54 будет также принимать сигналы от вторых датчиков 56, которые в этом варианте осуществления изобретения измеряют абсолютное давление во всасывающем коллекторе, давление паров газа, температуру газовых паров, температуру двигателя, и соотношение воздуха к топливу. Параметры, измеренные вторыми датчиками 56, будут выводиться во второй ECU 54, который вычисляет количество газа, которое нужно впрыснуть в двигатель с помощью газовых форсунок 58, и генерирует вторые рассчитанные сигналы 68, которые подаются в устройство привода 60 газовых форсунок, последовательно приводящее в действие газовые форсунки 58.
На фиг.5 дополнительный узел двигателя обозначен в общем позицией 100. Частям системы двигателя, которые соответствуют частям системы двигателя, показанной на фиг.2 и 3, даны соответствующие цифровые позиции.
Система 100 двигателя содержит дизельный ECU 4, дизельные форсунки 10, устройство привода 60 газовых форсунок, газовые форсунки 58 и регулирующий пневмоклапан 102. Дизельный ECU 4 управляет работой дизельных форсунок 10, как описывалось выше со ссылками на фиг.2 и 3.
Узел 100 двигателя дополнительно содержит второй ECU 104. Узел двигателя дополнительно содержит первые датчики 18, которые соединены с дизельным ECU 4, и вторые датчики 106, которые соединены со вторым ECU 104.
В этой компоновке второй ECU 104 перехватывает первые входные сигналы 22, испускаемые первыми датчиками 18, до того момента, когда они принимаются первым дизельным ECU 4.
Затем второй ECU преобразовывает сигналы перед возвращением преобразованных сигналов в дизельный ECU 4. Дизельный ECU 4 затем управляет работой дизельных форсунок 10 согласно преобразованным сигналам.
Кроме того, второй ECU 104 генерирует выходные сигналы 108, с помощью которых устройство привода 60 газовых форсунок управляет впрыском газа в двигатель газовыми форсунками 58, когда двигатель работает во втором режиме. Второй ECU также учитывает сигналы, принимаемые от вторых датчиков 106 таким же образом, как описано выше со ссылкой на фиг.2 и 3.
Система 100 двигателя отличается от системы двигателя, показанной на фиг.2 и 3, тем, что второй ECU перехватывает сигналы от первых датчиков перед тем, как эти сигналы принимаются первым ECU. Затем преобразованные сигналы передаются к первому ECU, при этом преобразованные сигналы приводят в результате к измененному количеству первого дизельного топлива, подаваемого к двигателю.