СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF OPTIMISING ICE OPERATING PARAMETRES

Настоящее изобретение относится к способу оптимизации работы теплового двигателя, управляемого электронной или цифровой системой.
В качестве такой электронной или цифровой системы использован мощный микропроцессор, обеспечивающий координацию общего управления двигателем. Эта система контролирует, анализирует и регулирует все его основные функции.
Указанная система связана с рядом датчиков и детекторов, которые постоянно выдают ей информацию о текущем состоянии в зависимости от набора таких параметров, как, например, температура двигателя, масла, охлаждающей жидкости, от числа оборотов двигателя и от внешних параметров типа атмосферного давления и температуры окружающего воздуха.
Электронная или цифровая система сравнивает эти мгновенные значения с заданными установленными значениями, хранящимися в таблице, и с помощью моделей регулировки и заданных характеристических кривых вычисляет новые установленные значения для следующего цикла. В частности, она способна изменять количество впрыскиваемого в двигатель топлива, отрегулированное опережение зажигания, давление наддува, степень рециркуляции выхлопных газов или время впрыска.
По существу, таблица представляет собой многомерную базу данных, которая хранится в особом запоминающем устройстве.
Однако в известных до настоящего времени электронных или цифровых системах не учтен основной параметр, обеспечивающий улучшение функционирование двигателя, а именно исходное качество топлива.
Между тем известно, что исходное качество топлив прямо влияет на эксплуатационные показатели, потребление и выброс загрязняющих веществ и тепличных газов вместе с выхлопом.
Начиная с 1983 года А.Дуо доказывает, применительно к двигателям с принудительным зажиганием, наличие связи между качеством бензина, регулировками двигателя и появлением стука. В 1987 году Ж.К.Гибе продемонстрировал в своем руководстве под названием «Топлива и двигатели» взаимодействия между качеством топлива и работой двигателя и их влияние в рамках моделей параметризации и регулирования сгорания в двигателях. Несколько позже, в 1997 году, А.Жерини проанализировал в одной из своих публикаций чувствительность к параметрам газойлей автомобильного дизельного двигателя с непосредственным впрыском топлива. Наконец, в 2003 году Н.Ошар предложил метод моделирования выброса загрязняющих веществ из современных бензиновых и дизельных двигателей для легковых или грузовых автомобилей путем изменения качества топлив, для чего необходимо модифицировать используемые в смесях основы очистки.
Дело в том, что в насосах станций техобслуживания состав и качество топлив, хотя они и прописаны в нормативах, в частности в европейских стандартах EN 590 и EN 228, подвержены изменению во времени. Качество колеблется в зависимости от поставок, дилеров, времени года и действующих нормативных актов. Следует также иметь в виду, что физико-химические свойства топлив могут колебаться в пределах от 15 до 40% и более вокруг заданных в стандартах средних значений.
Различные доводки на испытательных стендах для регулировки двигателей (таблицы и законы впрыска, сгорания и дополнительной обработки) осуществляются применительно к ряду стандартизованных топлив.
Для этого производители двигателей используют имеющиеся в их распоряжении стандартизованные физико-химические свойства топлив, и в их числе в основном:
расчетное октановое число и реальное октановое число для бензиновых двигателей;
цетановое число для дизельных двигателей;
кривую разгонки;
давление или упругость пара для бензиновых двигателей;
температуру вспышки для дизельных двигателей;
холодостойкость (точку помутнения, точку текучести и предельную температуру фильтруемости) для дизельных двигателей;
плотность;
содержание кислородных соединений.
Все производители двигателей сходятся в том мнении, что указанных величин недостаточно для выполнения точных регулировок двигателей, поскольку, хотя эти величины и отражают качества топлива, но в них не учитывается соответствие между топливом и функционированием двигателя. Упомянем, в частности, о том, что такие показатели, как искомое и реальное октановые числа, недостаточно надежны для решения проблемы стука. Дело в том, что эти числа измерены на стандартизованном двигателе, отлаженном более полувека назад, а затем полностью приспособленном для получения данных, необходимых для двигателя XXI века.
Кроме того, доказано, что дорожное октановое число является функцией следующих факторов:
используемого топлива;
автомобильного двигателя;
экспериментальных условий.
Начиная с 1971 года было неоднократно доказано (Дж.Р.Уильямс, Ф.Лагард и Д.Д.Хорнбек. Исследование параметров топлива, влияющих на стук на высоких оборотах двигателя внутреннего сгорания. Ingenieurs de I'Automobile, август-сентябрь 1971 г.), что у одного и того же топлива, прошедшего испытания на разных автомобилях, значения октанового числа различались более чем на 12 пунктов.
Кроме того, в 1975 году в работе, посвященной поведению различных топлив в одном и том же двигателе (А.Дюваль, Ж.К.Гибе. Экспериментальное исследование стука на высоких оборотах. Revue de I'lnstitut Francais du Petrole, май-июнь 1975 г.), было показано, что поведение топлива в одном и том же двигателе вызывает изменение дорожного октанового числа на величину более 6 пунктов.
Таким образом, с учетом ненадлежащих физико-химических свойств и качества, а также существенной изменчивости топлив на насосной станции оказывается невозможной полная оптимизация взаимодействия топлива и двигателя.
Для учета этой изменчивости и компенсации недостаточности имеющейся на сегодняшний день информации в области качества конструкторам приходится идти на множество уступок при разработке электронных или цифровых систем, с тем чтобы предотвратить повреждение автомобиля и обеспечить как можно меньшее потребление с одновременным соблюдением законодательных положений, касающихся выхлопных газов.
По этой причине конструкторы предусматривают значительный коэффициент запаса для компенсации более или менее высокого качества топлив и выбирают такую предлагаемую при покупке автомобиля электронную или цифровую систему, которая была бы всего лишь компромиссным решением.
Соответственно, предварительно заданные модели и таблицы создаются, как правило, таким образом, чтобы обеспечить «достаточно высокую» эффективность во всем рабочем диапазоне двигателя, и основаны на средних составе и качестве топлив в странах, объединяемых в географические зоны, где имеет место продажа автомобилей.
Однако нормы допустимых загрязнений становятся все более строгими, так что автоконструкторы постоянно вынуждены стремиться к снижению регламентированных значений выбросов с выхлопными газами таких загрязняющих веществ, как диоксид углерода, для каждого продаваемого автомобиля на весь его срок службы, без причинения при этом ущерба эксплуатационным характеристикам двигателя. Поэтому ощущается потребность в усовершенствовании методов контроля работы двигателя с учетом исходного качества находящегося в баке топлива. Подлежащие учету качественные параметры должны отличаться от стандартизованных физико-химических свойств своей лучшей пригодностью для целей усовершенствования контроля работы двигателя.
Документ FR-2542092, посвященный способу определения состава спиртотопливной смеси для регулирования работы двигателя, где авторы ограничиваются анализом топлив бензинового типа с добавкой спирта и предлагают лишь количественное, а не качественное измерение, сводится всего-навсего к определению процентного содержания спирта в топливе.
То же можно сказать и о документах US-5126570, US-5262645 и US-5239860, применение которых ограничено в описании способа количественным измерением концентрации спирта в бензино-спиртовой смеси в ближней инфракрасной области спектра.
В документе WO-94/08226 описан автономный способ определения свойств топлива с использованием спектроскопии в ближней инфракрасной области. Авторы ограничиваются стандартизованными физико-химическими свойствами, поэтому указанный способ имеет лишь относительную пригодность для контроля работы двигателя. Кроме того, применение спектроскопии в ближней инфракрасной области для определения физико-химических свойств топлива требует специального этапа калибровки модели. Эта калибровка имеет решающее значение для точности прогнозов, а также для надежности модели. Начиная с конца 70-х годов в многочисленных работах и публикациях по хемометрии начали предлагать теорию спектроскопии в ближней инфракрасной области, а также средства и методики для разработки моделей корреляции и прогнозирования свойств жидкостей на основе их ближней инфракрасной области спектра с использованием математических и статистических моделей. Однако мнения специалистов по хемометрии применительно к инфракрасной области сходятся в том, что модель остается надежной и точной только в ограниченном диапазоне изменений, зависящем от плана выборочного контроля. Таким образом, не удается предусмотреть какой-либо универсальной модели, которая была бы достаточно надежной и точной для всех топлив, коммерчески реализуемых в данной стране, на данном континенте или во всем мире, на основе прогнозирования физико-химических свойств. Сказанное позволяет сделать вывод, что возможности применения способа согласно документу WO-94/08226 довольно ограниченны ввиду трудности его реализации.
Это же замечание можно отнести и к документу «Fluid Condition Monitoring Sensors for Diesel Engine Control» (Датчики контроля состояния текучей среды для управления работой дизельного двигателя), области применения которого ограничены количественным измерением концентрации сложных эфиров (кислородных соединений) в газойль-эфирных смесях методом спектроскопии.
Наконец, в документе US 2004/000275, посвященном автономному способу определения качества топлива с целью улучшения контроля работы двигателя, авторы ограничиваются стандартизованными физико-химическими свойствами, так что указанный способ имеет лишь относительную пригодность для такого контроля. Кроме того, в этом документе не раскрыто какого-либо осуществимого автономного способа измерения указанных свойств.
Итак, цель изобретения состоит в том, чтобы удовлетворить потребность в выборе вида надлежащих измерений показателей качества топлива с учетом взаимодействий «топливо-двигатель» посредством разработки способа оптимизации работы двигателя, каковой способ должен включать этап надлежащего качественного анализа топлива на основе анализа молекулярной структуры его компонентов. Благодаря такому анализу электронная или цифровая система получит возможность оптимального регулирования в реальном времени параметров, законов и таблиц впрыска, сгорания и дополнительной обработки в зависимости от результатов измерений.
Для достижения этой цели в изобретении предложен способ оптимизации работы теплового двигателя, управляемого электронной или цифровой системой, на базе по меньшей мере одного параметра, или одного закона, или одной таблицы для впрыска, сгорания или дополнительной обработки, каковой способ включает этап анализа состава топлива на основе данных, по меньшей мере, одного датчика, включенного в топливную магистраль двигателя, содержащую топливную систему заправки, бак, насосы, топливные фильтры, систему топливоподачи двигателя и контур обратного потока к баку, и этап выбора или изменения указанного параметра, указанного закона или указанной таблицы для впрыска, сгорания или дополнительной обработки в зависимости от результата указанного анализа, причем этап анализа состава топлива включает этап спектроскопического анализа молекулярной структуры углеводородов, входящих в состав топлива.
Такой способ обеспечивает возможность универсального измерения качества топлива посредством определения молекулярной структуры. Таким образом, отпадает необходимость в определении одного или нескольких стандартизованных физико-химических свойств топлива и удается устранить проблемы, связанные с использованием и моделированием таких стандартизованных физико-химических свойств, как октановые числа, цетановые числа, давление пара, кривая разгонки и содержание оксигенатов.
Согласно одному из вариантов осуществления спектроскопический анализ представляет собой анализ топлива в ближней инфракрасной области.
Дело в том, что ближняя инфракрасная область особенно пригодна для анализа молекулярной структуры в том смысле, что она позволяет применить исключительно чувствительную методику, а ближний инфракрасный спектр можно рассматривать как «ДНК» вещества. Извлекаемая из этого спектра молекулярная структура предоставляет богатые возможности для контроля работы двигателя. Кроме того, ближняя инфракрасная область демонстрирует очень хорошую воспроизводимость.
Можно привести ряд справочных изданий по ближней инфракрасной области, как, например, работу Л.Г.Уэйера, опубликованную в 1985 г., или «Учебник по анализу в ближней инфракрасной области», опубликованный в 1992 г., а также публикации более специального характера, в частности, посвященные спектроскопическим исследованиям в нефтехимии и рафинировании, упомянутые в статьях Джерома Уоркмэна Мл. в 1996 г. или М.Валлера в 1999 г.
Остальные цели и преимущества изобретения явствуют из нижеследующего подробного описания, излагаемого со ссылками на приложенные чертежи.
На фиг.1 приведено схематическое изображение топливной системы теплового двигателя, в котором реализован предлагаемый способ с использованием датчика в соответствии с первым вариантом осуществления.
На фиг.2 приведено схематическое изображение, подобное тому, что дано
на фиг.1, с использованием датчика в соответствии со вторым вариантом осуществления.
На фиг.3 приведена схема, иллюстрирующая этапы способа и, в частности, этапы анализа и регулировки двигателя.
Ниже применительно к схеме фиг.1 описывается способ оптимизации работы теплового двигателя, управляемого с помощью параметров, законов и таблиц впрыска, сгорания и дополнительной обработки.
Питание топливом двигателя внутреннего сгорания осуществляется с помощью топливной системы 1, содержащей топливный бак 2, систему 3 заправки бака и топливоподачу 4. В состав системы входят, например, один или несколько насосов 5, один или несколько топливных фильтров 6 и контур 11 обратного потока к баку. Способ согласно изобретению рассчитан на топлива любых типов (газ, сжиженный газ, бензин, керосин, газойль, мазут), которые отвечают требованиям стандартов на топлива и биотоплива с добавками или без добавок, основными компонентами которых являются углерод, водород и кислород.
Предлагаемый способ заключается в выборе или изменении параметров, законов и/или таблиц впрыска, сгорания и дополнительной обработки в зависимости от молекулярной структуры топлива. Для его реализации выполняют анализ молекулярной структуры подаваемого в двигатель топлива с использованием спектроскопического анализа углеводородов, входящих в состав этого топлива. Определение этой структуры состоит в измерении взаимодействий между электромагнитным излучением и веществом топлива.
Спектроскопический анализ представляет собой анализ состава топлива в ближней инфракрасной области. Это может быть также анализ в средней и/или дальней инфракрасной области, либо анализ методом ЯМР (ядерного магнитного резонанса) или ультрафиолетовой спектроскопии, либо несколько подобных анализов, которые ведутся одновременно в соответствии с одним и тем же принципом.
Ниже приводится описание анализа в ближней инфракрасной области.
В топливную систему 1 включен спектроскопический датчик 7, соединенный с электронной или цифровой системой двигателя. В случае использования анализа в ближней инфракрасной области датчик 7 состоит из источника света 8, системы разделения света, камеры 9 для отбора проб топлива, светочувствительной детектирующей системы 10 и выделенного вычислительного устройства 20. Последнее обеспечивает управление последовательностями измерения, регулировки и контроля надлежащего функционирования датчика 7. Это вычислительное устройство может включать в себя модели, дающие возможность выполнения всех расчетов, связанных с обработкой ближнего инфракрасного спектра. В случае с ближней инфракрасной областью датчик 7 может с равным успехом содержать как всего один источник и один детектор либо несколько источников света и только один детектор. В случае с ближней инфракрасной областью дисперсионного или недисперсионного типа в его состав может быть включен прибор, имеющий полихроматический источник инфракрасного излучения или диоды инфракрасного излучения, пьезоэлектрические, интерференционные или кварцевые фильтры или система с преобразованием Фурье. Для датчика 7 могут быть предусмотрены как последовательные, так и мультиплексные доступы. Модели могут быть встроены в одно или несколько существующих или выделенных вычислительных устройств.
В соответствии с другим вариантом осуществления, представленным на фиг.2, предусмотрена возможность использования оптических волокон 13 и погружного зонда 14 для смещения системы выборки остальных компонентов спектрометра.
Датчик 7 может представлять собой спектрометр ближней инфракрасной области с матрицей, составленной из нескольких сот высокочувствительных фотодиодов, каждый из которых регистрирует силу света на конкретной длине волны. Входящий в состав датчика 7 детектор может представлять собой полупроводник на основе кремния (Si) или какого-либо сложного сплава (InGaAs, InAs, InSb, PbS, PbSe) с высокой чувствительностью. Детектор может быть выполнен как с охлаждением, так и без него.
Датчик 7 может быть помещен в бак 2 (позиция 15 на фиг.1 и 2), на уровне системы 3 заправки бака (позиция 16 на фиг.1 и 2) или в топливоподаче 4 двигателя. В этом последнем случае его можно поместить между насосом 5 и фильтром 6 (позиция 18). Датчик может быть также установлен в контуре 11 обратного потока (позиция 19).
-1
-1
-1
-1
Датчик 7 рассчитан таким образом, чтобы он мог выполнять измерения в спектральных областях, находящихся в пределах от 780 до 2500 нанометров (12820-4000 см). Можно предусмотреть, например, последовательные диапазоны измерения в пределах от 780 до 1100 нанометров (12820-9090 см), от 1100 до 2000 нанометров (9090-5000 см) и от 2000 до 2500 нанометров (5000-4000 см). Для этого система выборки строится с таким расчетом, чтобы она имела оптический путь, то есть толщину измерительной ячейки, через которую осуществляется измерение, в пределах от 0,5 до 100 миллиметров, то есть оптические пути, соответствующие диапазону длин волн 10-100 миллиметров в первом случае, 1-20 миллиметров во втором случае и 0,5-10 миллиметров в последнем случае.
Датчик 7 рассчитывается таким образом, чтобы можно было выполнять замеры топлива, циркулирующего в топливной системе 1 двигателя, в ближней инфракрасной области в режиме отражения, пропускания или поглощения.
-1
-1
Датчик 7 обладает спектральным разрешением (точностью), регулируемым в диапазоне от 1 до 20 см, предпочтительно 4 см.
Оптическая система выборки датчика 7 может также быть самоочищающейся, что позволяет обойтись без ее демонтажа при необходимости очистки.
Таблица, к которой обращается вычислительное устройство двигателя с электронным блоком, образующим электронную или цифровую систему 12, которая управляет работой двигателя, представляет собой матрицу со множеством входов, устанавливающую соотношение между индексным маркером молекулярной структуры топлива, связанным с наличием семейства чистых углеводородов, которые входят в состав указанного топлива, и параметрами, законами и таблицами сгорания, впрыска и дополнительной обработки.
Семейства чистых углеводородов могут быть объединены в следующие группы:
насыщенные углеводороды (алканы с линейными незамкнутыми углеродными цепями, с разветвленными цепями или с замкнутыми цепями);
ненасыщенные углеводороды (олефины с незамкнутыми или замкнутыми цепями, содержащие одну или несколько двойных связей);
ароматические углеводороды (один или несколько ненасыщенных циклов с бензольным ядром);
органические вещества, обогащенные кислородом, - молекулы с по меньшей мере одним атомом кислорода (спирты, альдегиды, кетоны, сложные и простые эфиры, кислоты и прочее).
Измерения спектров топлива в ближней инфракрасной области осуществляются, например, по коэффициенту поглощения в рассматриваемых зонах длин волн. Значения коэффициента поглощения, измеренные на каждой выбранной длине волны, вводятся в универсальные математические и статистические модели, предварительно откалиброванные в банке справочных данных, с соблюдением известных правил хемометрии с целью информирования двухвходовой матрицы, обеспечивающей вычисление молекулярных структур.
Ниже приведен пример двухвходовой таблицы, к которой обращается вычислительное устройство. Эта таблица соответствует бензиновому топливу, отвечающему требованиям стандарта EN 228.
Топливо по EN 228
Столбец (n)
А
В
С
D
Строки (i)
Индексные маркеры / взвешивание
газы
легкие
средние
тяжелые
1
Линейные маркеры
2.4
0.4
0
1.0
2
Разветвленные маркеры
0
2.7
0
32.5
3
Ненасыщенные маркеры
0
5.3
0
0
4
Ароматические маркеры
0
25.6
6.9
5
Циклические маркеры
0.3
0
5.5
6
Кислородные маркеры
0
0
17.4
Линейный маркер соответствует влиянию наличия семейств насыщенных углеводородов с незамкнутыми линейными углеродными цепями на соответствие пары «топливо-двигатель».
Разветвленный маркер соответствует влиянию наличия семейств насыщенных углеводородов на соответствие пары «топливо-двигатель».
Ненасыщенный маркер соответствует влиянию наличия семейств ненасыщенных углеводородов с незамкнутыми углеродными цепями, содержащими ответвления, на соответствие пары «топливо-двигатель».
Циклический маркер соответствует влиянию наличия семейств насыщенных углеводородов с замкнутыми углеродными цепями на соответствие пары «топливо-двигатель».
Ароматический маркер соответствует влиянию наличия семейств ароматических углеводородов на соответствие пары «топливо-двигатель».
Кислородный маркер соответствует влиянию наличия семейств кислородсодержащих органических веществ на соответствие пары «топливо-двигатель».
Четыре критерия взвешивания «газы», «легкие», «средние» и «тяжелые» вычисляют, исходя из количества атомов углерода, взвешенных посредством одной или нескольких физических характеристик, например энтальпии сгорания или испарения чистых веществ, входящих в состав топлива.
В случае с приведенным в данном примере бензиновым топливом согласно стандарту EN 228 в столбец «Газы» сведены углеводороды, углеродное число которых не превышает 4 атомов.
В столбец «Легкие» сведены углеводороды, углеродное число которых находится в пределах от 5 до 6 атомов.
В столбец «Средние» сведены углеводороды, углеродное число которых находится в пределах от 7 до 8 атомов.
В столбец «Тяжелые» сведены углеводороды, углеродное число которых превышает или равно 9.
Таким образом, благодаря индексам, располагающимся на пересечениях столбцов n и строк i, удается точно определить молекулярную структуру топлива. Эти данные предварительно вводят на этапе отладки двигателя, а электронную или цифровую систему настраивают так, чтобы она могла использовать их для оптимизации параметров, законов и таблиц впрыска, сгорания и дополнительной обработки двигателя.
В ходе автономного анализа на борту автомобиля молекулярной структуры топлива с помощью датчика 7 электронная или цифровая система принимает постоянно обновляемую информацию о молекулярной структуре находящегося в баке топлива, что позволяет ей выбирать или изменять регулировки, законы и таблицы с целью оптимизации регулировки в зависимости от типа подаваемого в двигатель топлива.
Электронная или цифровая система выбирает наилучшие параметры, законы и/или таблицы впрыска, сгорания и дополнительной обработки в зависимости от обычной информации, собираемой различными датчиками и детекторами, но также и датчиком 7, который информирует ее теперь уже о молекулярной структуре топлива.
Параметры, законы и таблицы двигателя могут быть выбраны таким образом, чтобы можно было оптимизировать потребление топлива и ограничить выброс загрязняющих веществ с выхлопом при одинаковых эксплуатационных показателях двигателя или же улучшить эксплуатационные показатели двигателя при одинаковых потреблении и выбросах.
Предусмотрен специальный этап сохранения информации об анализе молекулярной структуры топлива, что позволяет сформировать архив по этой молекулярной структуре.
На основе архива молекулярной структуры топлива создаются модели параметризации, законов и/или таблиц впрыска, сгорания и дополнительной обработки.
Таким образом, в отсутствие информации, собираемой датчиком 7, параметры, законы и/или таблицы впрыска, сгорания и дополнительной обработки выбирают по умолчанию в зависимости от архива молекулярной структуры топлива. Этот архив дает возможность установить некоторое скользящее среднее за один или несколько истекших периодов времени для молекулярной структуры топлива, при этом параметры, законы и/или таблицы будут выбраны по умолчанию в зависимости от наиболее пригодного скользящего среднего.
Датчик 7 может осуществлять измерения с определенной регулярностью во времени. Можно также предусмотреть специальный детектор объема топлива, находящегося в баке 2. При этом управление запуском процесса замера можно строить таким образом, чтобы он происходил каждый раз, когда автомобилист заправляет бак.
На фиг.3 представлены различные этапы реализации способа:
этап А: запуск процесса замера;
этап В: анализ в зависимости от замера;
этап С: сравнение полученной таблицы с эталонной таблицей;
этап D: выбор или изменение адаптированных параметров, законов и/или таблиц;
этап Е: регулировка двигателя в соответствии с адаптированными параметрами, законами и/или таблицами.