Способ регулирования двигателя внутреннего сгорания при эксплуатации
METHOD FOR CONTROLLING INTERNAL COMBUSTION ENGINE DURING ITS OPERATION

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в области регулирования автомобильного двигателя внутреннего сгорания, оснащенному Электронным Блоком Управления, который по сигналам датчиков рабочих параметров двигателя и положения дроссельной заслонки канала впуска воздуха в камеру сгорания, управляемой педалью водителя, вырабатывает, синхронный с рабочим положения вала двигателя, импульс изменяемой длительности на клапан впрыска топлива в рабочую зону сгорания. Режимы пуска и холостого хода, ускорения и равномерного движения работы ДВС определяет ЭБУ, который регулирует соотношение воздух/топливо в горючей смеси и количество смеси в различных режимах работы двигателя, поддерживая типовые параметры экологической чистоты газовых выбросов, экономичности и мощности ДВС в зависимости от условий эксплуатации. Реальные задачи и условия эксплуатации могут отличаться от типовых. Наличие у некоторых моделей переключателя режимов работы двигателя «экономный - спортивный» не обеспечивают точную настройку двигателя в широком диапазоне нагрузок. Это приводит к нерациональному использованию мощности двигателя и увеличению расхода топлива.
Известен «Способ регулирования мощности двигателя внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и устройство для его осуществления» по авторскому свидетельству SU 1677359, МПК F02D 41/02, 35/00, 28/00. Способ включает измерение в цифровом коде частоты вращения вала двигателя, разряжения во впускном коллекторе, вычисление действующего момента на валу двигателя, сравнение его с заданным моментом от внешнего задающего устройства и корректировку угла положения дроссельной заслонки с помощью управляемого привода. При этом коррекцию производят по контрольным табличным данным скоростных характеристик, записанных в память устройства и относящихся к данному типу двигателей. Однако способ, использующий указанную таблицу, не эффективен при изменении условий внешнего смесеобразования и влиянии не контролируемых факторов (износ двигателя, качество и состав топлива, состав воздуха и т.п.). Учет большего количества влияющих факторов на работу двигателя возможен при оснащении его различными датчиками параметров, связанными с ЭБУ на базе микрокомпьютера, управляющего электромагнитными или пьезоэлектрическими регулирующими исполнительными механизмами. Примерный набор датчиков и исполнительных устройств регулирования для автомобильного ДВС приведен в другом известном описании изобретения к патенту «Устройство впрыска топлива и способ управления им» RU 2434158 С2, МПК F02D 41/40, патентообладатель «Тойота Дзидося кабусики кайся». Устройство содержит датчики акселератора, угла открытия дроссельной заслонки, скорости вращения и положения коленчатого вала двигателя, давления и расхода воздуха во впускном канале, температуры двигателя и выхлопного газа, состава выхлопного газа и др., а также электромагнитные клапаны впрыска топлива, электропривод управления углом открытия дроссельной заслонки впускного канала и т.д. К недостаткам этого способа управления двигателем относят сложность аппаратно-програмного обеспечения для выделения параметров переходного режима ускорения, необходимость дублирования ответственных за безопасность движения датчиков и оборудования для надежности их работы, трудоемкость настройки ЭБУ специалистами. Не смотря на исследование у ДВС множества типовых скоростных характеристик на имитационных стендах и в условиях эксплуатации в различных режимах работы и на запись контрольных типовых данных в постоянную память микрокомпьютера ЭБУ конкретного серийно выпускаемого ДВС, возникают недостатки в регулировании двигателя, который имеет определенные отклонения от типового. Результаты исследований могут составляют коммерческую тайну фирмы-производителя. Оперативная регулировка в полевых условиях конкретного ДВС по условиям эксплуатации, износа и ремонта, качества топлива не предусмотрена. Множество датчиков, исполнительных механизмов, сложность и «непрозрачность» программно-аппаратного обеспечения алгоритмов системы управления двигателем - все это снижает надежность и ремонтопригодность ДВС в полевых условиях. Рекомендованный микрокомпьютерной диагностикой автомобиля ремонт системы управления двигателем в специализированных станциях технического обслуживания, которых недостаточно в малонаселенных районах, не представляется реальным. При неисправных датчиках и сбоях в работе оборудования микрокомпьютерная система управления переходит на работу в аварийном режиме, не гарантирующем экономию топлива, достаточную мощность ДВС и экологическую чистоту газовых выбросов при эксплуатации. Наблюдается тенденция усложнения способов измерений и устройств получения данных давления во впускном окне рабочей полости с целью повышения точности измерений заряда воздуха с учетом динамики заполнения и точности расчета для управления работой двигателя в переходном режиме ускорения (Описание изобретения «Способ снятия данных (варианты) и система снятия данных давления во впускном окне цилиндра» к патенту RU 2584747, МПК F02D 9/02, F02D 41/18, F02D 41/22. Однако повышение точности измерения только заряда воздуха в цилиндре недостаточно. Необходимо еще точно измерить дозу топлива из форсунки и создать стехиометрическое соотношение воздух/топливо.
Известен способ использованный при дублировании управления в изобретении по патенту «Система управления двигателем» RU 2267021 С1, МПК F02D 11/02, имеющая штатную и аварийную систему управления дизелем. Штатная система управления содержит датчики, управляющий микрокомпьютер, электромагнитный привод положения топливорегулирующей рейки. При выходе из строя штатной системы управления включается аварийная. Аварийная система управления содержит подпружиненный мембранный пневмопривод положения топливорегулирующей рейки. Пневмопривод соединен трубопроводом с полостью разрежения за воздушной заслонкой, которая установлена на входе в турбокомпрессор. Воздушная заслонка связана через механизм включения аварийного режима с педалью управления. В изобретении использован способ включающий отбор разрежения за воздушной заслонкой и передачу по трубопроводу на подпружиненный мембранный пневмопривод, который перемещая топливорегулирующую рейку, поддерживает обороты двигателя согласно заданному положению воздушной заслонки от педали управления. Недостатком данной аварийной системы управления является использование в качестве регулирующего параметра разрежения за воздушной заслонкой, установленной на входе в турбокомпрессор. Указанное разрежение не соответствует фактическому наполнению воздухом рабочего цилиндра двигателя. Также отсутствует оперативная коррекция соотношения воздух/топливо для различных режимов работы двигателя.
Экологическая чистота выхлопных газов, экономичность и повышенная мощность ДВС зависят от количества топливо-воздушной смеси в двигателе на фазе впуска и соотношения воздух/топливо в рабочем объеме камеры сгорания. Количество топлива в импульсной дозе ДВС задается положением дизельной топливоподающей рейки или временем включения исполнительного механизма подачи топлива (электромагнитного или пьезоэлектрического клапана топливной форсунки) и перепадом абсолютного давления на входе и выходе из форсунки. Подачу дозы топлива производят синхронно с рабочим положением вала двигателя. Давление топлива на входе форсунки обычно поддерживают постоянным с помощью регулятора давления.
Наиболее близким аналогом данного изобретения является «Способ регулирования двигателя внутреннего сгорания в зависимости от условий эксплуатации» по заявке на изобретение RU 2013122001 А. В способе дозируют топливо электромагнитной форсункой пропорционально абсолютному статическому давлению воздуха во впускном канале цилиндра и синхронно с рабочими положениями коленчатого вала двигателя. При этом корректируют коэффициент пропорциональности в зависимости от условий эксплуатации по желанию водителя в выборе «экономного или спортивного» характера движения.
При сообщении с впускным каналом камеры сгорания двигателя рабочая масса воздуха определяется абсолютным статическим давлением воздуха во впускном канале, которое возникает после дросселирования потока воздуха заслонкой. Масса воздуха, поступившего на фазе впуска в камеру сгорания, определяется из уравнения состояния идеального газа.
PV=RTM/k, где
P - абсолютное статическое давление во впускном канале;
V - рабочий объем камеры сгорания;
Т - абсолютная температура воздуха;
R - газовая постоянная;
М - масса воздуха в рабочем объеме камеры сгорания;
k - кажущийся молекулярный вес воздуха.
Очевидно, что масса М воздуха в рабочем объеме камеры сгорания равна
и пропорциональна абсолютному статическому давлению Р в канале впуска. Следовательно, открывая и закрывая дроссельную заслонку, мы регулируем во впускном канале абсолютное давление и массу воздуха в рабочем объеме камеры сгорания. Дозируемую массу топлива, например, форсункой в рабочий объем V камеры сгорания можно определить из выражения
, где
m - масса дозы топлива;
q - плотность жидкого топлива;
s - рабочее сечение выходного топливного отверстия форсунки;
u - скорость топлива на выходе из форсунки;
t - время дозирования топлива.
Скорость топлива находится из условия равенства скоростного напора топлива перепаду абсолютного давления топлива на входе и выходе из форсунки согласно выражению
, где
z - перепад давления на форсунке (разница между абсолютным входным давлением топлива на форсунке и абсолютным давлением в области впрыска топлива);
u - скорость топлива на выходе из форсунки.
Следовательно, скорость топлива из уравнения (3) равна
Масса дозы топлива определится подстановкой в выражение (2) уравнения (4)
Из уравнения (5) видно, что масса дозы топлива пропорциональна времени дозирования топлива.
Соотношение массы М воздуха к массе m топлива выразится уравнением (6)
Из выражений (6) видно, что если масса дозы топлива m или время дозирования t пропорциональны абсолютному статическому давлению воздуха Р во впускном канале, то соотношение воздух/топливо (6) постоянно с точностью до вариаций влияющих величин в коэффициентах
Реальное соотношение воздух/топливо (6) зависит от совокупности влияющих на коэффициент (7) конструктивных, физических и химических величин. Это температуры воздуха и двигателя, качество топлива и его диспергирования, состав и расход воздуха, износ двигателя, не герметичность впускного канала, отложения на соплах форсунок и др. Однако в способе не конкретизированы признаки и действия для определения режима ускорения двигателя при эксплуатации, что является целью предложенного изобретения.
Поставленная цель предложенного изобретения «Способ регулирования двигателя внутреннего сгорания при эксплуатации» достигается при регулируемой подаче воздуха во впускной канал камеры сгорания дроссельной заслонкой, связанной механическим приводом с органом управления двигателем (педалью водителя), измерением абсолютного статического давления во впускном канале камеры сгорания датчиком, преобразования Широтно-Импульсным Модулятором измеренной величины давления в пропорциональный по длительности импульс дозирования топлива во впускной канал или камеру сгорания и коррекции пропорции в режимах работы ДВС. При этом режим работы ЭБУ ДВС при ускорении движения определяют по сигналу датчика - конечного выключателя направления движения дроссельной заслонки в сторону открытия.
Для реализации поставленной цели используют известные электрические схемы ШИМ ЭБУ и конструкции конечных выключателе, детальное описание которых не требуется по мнению автора. Электрическая схема конкретного ШИМ, синхронизированного от вращения вала двигателя по моментам зажигания, и формирующего импульсы на обмотку электромагнитной форсунки с длительностью прямо пропорциональной величине напряжения, подаваемого на управляющий вход ШИМ представлена в описании изобретения к патенту RU №2107179 «Устройство управления подачей топлива в двигатель внутреннего сгорания» на Фиг. 2. В предлагаемом автором способе управляющее напряжение на ШИМ подают от тензорезисторного Датчика Абсолютного Давления типа ГАЗ 745.3829 (Россия), который подсоединяют коротким вакуумным шлангом к полости впускного канала после дроссельной заслонки. Синхронизацию запуска ШИМ ЭБУ берут по фронту дифференцированного импульса от коммутатора системы зажигания, управляемого сигналами датчика Холла рабочего положения вала двигателя. Пропорция преобразования управляющего напряжения на входе в ШИМ ЭБУ в длительность импульса на выходе для управления подачей топлива во впускной канал или камеру сгорания зависит еще от времязадающего подстроечного резистора интегральной резистивно-емкостной цепи ШИМ ЭБУ, который используется для коррекции. Для эксплуатации предлагаемого способа ШИМ ЭБУ и ДАД установлены на автомобиле Фольксваген Гольф 2 для управления ДВС по типу моновпрыска. Впускной канал ДВС имеет форсунку для впрыска топлива, подпружиненную дроссельную заслонку, управляемую тросом от педали водителя. Для простоты управления положением холостого хода дроссельной заслонки и конечного выключателя XX вместо электропривода установлен гибкий вал для ручного привода. Режимы работы ДВС определяют по переключениям конечных выключателей в положении XX дроссельной заслонки и конечного выключателя направления движения дроссельной заслонки в сторону открывания или закрывания. В качестве конечного выключателя направления движения используется микропереключатель типа МП9-Р1 (Россия), который установлен на кронштейне блока моновпрыска около дроссельной заслонки, и управляется ползунком, одетым на трос от педали водителя. Причем ползунок снабжен подпружиненной фрикционной связью с тросом. Перемещение ползунка ограничено рабочей зоной конечного выключателя направления движения. Контакты конечного выключателя XX и контакты конечного выключателя направления движения переключают подстроечные резисторы времязадающей интегральной резистивно-емкостной цепи ШИМ ЭБУ в режиме пуска и XX, ускоренного или равномерного движения. Подстроечные резисторы настраивают по оптимальному соотношению воздух/топливо (6) при контроле водителем скорости оборотов вала по частотомеру на приборной панели водителя, крутящего момента по движению автомобиля, экономичности по уменьшению величины подстроечного сопротивления в различных режимах работы ДВС в условиях эксплуатации.
Предложенное изобретение «Способ регулирования двигателя внутреннего сгорания при эксплуатации» работает следующим образом. При вращении вала ДВС датчик Холла рабочих положений вала посылает управляющие импульсы напряжения на коммутатор системы зажигания, усиленные импульсы с коммутатора дифференцируются и фронтом импульса включают электронный ключ ЭБУ форсункой и одновременно запускают заряд конденсатора времязадающей резистивно-емкостной цепи ШИМ до величины управляющего напряжения от ДАД. По окончанию заряда закрывают электронный ключ управления форсункой. Время заряда и включения форсунки на подачу топлива пропорционально абсолютному давлению во впуском канале ДВС и еще зависит от величины подстроечного времязадающего резистора в интегральной цепи заряда конденсатора. Под управлением педали водителя движением троса изменяется положение дроссельной заслонки во впускном канале камеры сгорания. Конечные выключатели XX и направлений движения дроссельной заслонки определяют режим работы ДВС и включают своими электроконтактами соответствующий подстроечный времязадающий резистор интегрально-емкостной цепи ШИМ ЭБУ, величина сопротивления которого настраивается водителем по факту оптимальной работы ДВС на реальном топливе добиваясь экономного расхода топлива по уменьшением величины подстроечного сопротивления в режиме ускорения в условиях эксплуатации.
К преимуществу предложенного способа относится: простота и надежность определения режимов ускорения ЭБУ ДВС по сигналу датчика - конечного выключателя, фрикционно связанного с движением дроссельной заслонки во впускном канале камеры сгорания; возможность экономного расхода топлива и оптимального регулирования соотношения воздух/топливо по уменьшению величины подстроечного сопротивления во всех режимах работы двигателя в условиях эксплуатации.