СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ С НАДДУВОМ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ ДВИГАТЕЛЬ
METHOD OF DIAGNOSTICS OF SUPERCHARGED ENGINE AND CORRESPONDING ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу бортовой диагностики двигателя внутреннего сгорания с наддувом, в частности автотранспортного средства, оборудованного турбокомпрессором фиксированной геометрии и разгрузочным вентилем на выхлопе. Оно относится также к двигателю, в котором можно применять такой способ.
Уровень техники
Наддув позволяет повысить характеристики двигателя за счет массового расхода воздуха, подаваемого для сжигания топлива, который превышает расход в атмосферном двигателе с эквивалентным объемом цилиндров. Устройство наддува двигателя может, например, содержать турбокомпрессор, содержащий, с одной стороны, компрессор, который питает двигатель воздухом под давлением, превышающим атмосферное давление, и, с другой стороны, турбину, через которую проходят все или часть выхлопных газов двигателя. Мощность, сообщаемая турбине при расширении проходящих через нее газов, передается через вал на компрессор, который сжимает воздух, всасываемый из наружной атмосферы, до так называемого давления наддува.
Многочисленные двигатели, в частности бензиновые двигатели, оборудованы турбокомпрессором с фиксированной геометрией (известным также под сокращением: TGF), то есть турбина которого имеет не регулируемые лопатки. Турбина турбокомпрессора связана с разгрузочным вентилем на выхлопе, называемым также вентилем "waste-gate" в английской терминологии, степень открывания которого позволяет регулировать количество проходящих через турбину выхлопных газов и, таким образом, модулировать мощность, отбираемую турбиной у выхлопных газов, и регулировать давление наддува.
Из предшествующего уровня техники известны различные способы диагностики, предназначенные для оценки работы наддува в двигателе, например, автотранспортного средства, чтобы ограничивать характеристики двигателя и/или оповещать водителя о необходимости ремонта или о превышении допустимого уровня вредных выбросов по причине недостаточной компрессии. Например, в публикации FR-B1-2923262 раскрыт способ обнаружения неисправности в устройстве наддува воздуха, который основан на непрерывном измерении давления газов на входе турбины и согласно которому:
avt
- убеждаются, что двигатель находится в состоянии регулирования, в котором турбокомпрессор управляется при помощи давления на входе турбины P;
avt
- периодически измеряют это давление на входе турбины P;
- при каждом измерении вычисляют значение , где  является заданным значением давления на входе турбины;
avt
- если ΔP больше или равно нулю, из него вычитают заранее определенное значение, называемое «мертвой полосой» ВМ, и сохраняют положительные значения, в противном случае его заменяют нулем;
- вычисляют временной интеграл I отклонения контура давления при помощи уравнения: ;
- если I превышает заранее определенный порог, диагностируют неисправное состояние.
Однако известным способам диагностики не хватает точности. Большинство из них можно применять только в случае, если давление наддува регулируется в замкнутом контуре посредством открывания разгрузочного вентиля, чтобы соответствовать заданному значению момента, задаваемому водителем. Однако такое регулирование в замкнутом контуре используют не всегда; в частности, зона рабочих точек режим-нагрузка двигателя во время европейского ездового цикла NEDC, в котором вычисляют вредные выбросы двигателя автотранспортного средства, в основном перекрывает зону рабочих точек, в котором наддув, наоборот, регулируют в открытом контуре. Известные способы, например, такие как описанный выше способ, не позволяют соблюдать требования европейской нормы, называемой "OBD euro6", которая требует диагностики наддува во время цикла NEDC для любого транспортного средства.
Раскрытие изобретения
Изобретение предназначено для устранения недостатков известных способов диагностики. Для этого изобретением предложен способ диагностики двигателя внутреннего сгорания с наддувом, оборудованного турбокомпрессором фиксированной геометрии, содержащим компрессор, через который проходит воздух, поступающий во впускную систему двигателя, и турбину, которая связана во вращении с компрессором через общий вал и через которую проходят выхлопные газы двигателя в выпускную систему двигателя, при этом указанный двигатель связан:
- с дроссельным клапаном для изменения пропускного сечения воздуха, поступающего во впускную систему двигателя; и
- с разгрузочным вентилем, установленным параллельно с турбиной в выпускной системе двигателя для изменения количества выхлопных газов, проходящих через турбину,
отличающийся тем, что содержит:
- этап вычисления первого временного интеграла измерения атмосферного давления в течение времени вычисления;
- этап вычисления временного интеграла измерения давления наддува в течение указанного времени вычисления;
- этап вычисления второго временного интеграла измерения атмосферного давления в течение указанного времени вычисления;
- этап вычисления двух критериев диагностики, зависящих от первого временного интеграла атмосферного давления, от временного интеграла давления наддува и от второго временного интеграла атмосферного давления;
- этап сравнения первого критерия диагностики с первым порогом диагностики и сравнения второго критерия диагностики с вторым порогом диагностики; и
- этап диагностики неисправности, когда по меньшей мере один из двух критериев диагностики меньше своего соответствующего порога диагностики.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания не ограничительного варианта его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - схематичный вид двигателя внутреннего сгорания, в котором можно применять способ в соответствии с изобретением;
фиг. 2 - различные варианты регулирования наддува в двигателе в зависимости от режима двигателя и от давления воздуха во впускном коллекторе двигателя;
фиг. 3 - схема этапов способа диагностики двигателя с наддувом в соответствии с изобретением.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 схематично представлен двигатель 1 внутреннего сгорания, установленный, например, на автотранспортном средстве (не показано), оборудованный турбокомпрессором 2 с фиксированной геометрией и связанный с определенным числом деталей, образующих систему впуска воздуха в двигатель 1 и систему выпуска выхлопных газов из двигателя 1.
Система впуска воздуха содержит воздушный фильтр 3, первый воздушный трубопровод, называемый трубопроводом соединения фильтр-расходомер, который соединяет воздушный фильтр 3 с расходомером 5, измеряющим массовый расход Q воздуха, всасываемого из наружной атмосферы. Второй воздушный трубопровод 6, называемый трубопроводом соединения расходомер-турбокомпрессор, соединяет расходомер 5 с входом компрессора 7 турбокомпрессора 2. Выход компрессора 7 соединен с концом третьего трубопровода 8, называемого трубопроводом соединения турбокомпрессор-охладитель. Другой конец этого третьего трубопровода 8 соединен с входом охладителя 9 воздуха наддува, известного также под аббревиатурой RAS (по заглавным буквам выражения: Refroidisseur d’Air  - охладитель воздуха наддува). Разгрузочный трубопровод 10 на впуске, на котором установлен разгрузочный вентиль 11 на впуске, называемый также вентилем 11 pop-off в английской терминологии, установлен параллельно с компрессором 7. В частности, один из его концов отходит от второго трубопровода 6, а другой конец сообщается с третьим трубопроводом 8.
sural
coll
Четвертый трубопровод 12, называемый трубопроводом соединения охладитель RAS-дроссель, соединяет охладитель 9 с входом дроссельного клапана 13. Он оснащен датчиком 14 давления наддува, выполненным с возможностью измерения давления наддува P воздуха. Выход дроссельного клапана соединен с одним концом пятого трубопровода 15, называемого трубопроводом соединения дроссель-двигатель, другой конец которого соединен с впускным коллектором 16 двигателя 1. Впускной коллектор 16 оснащен датчиком 17 давления воздуха, выполненным с возможностью измерения воздуха P во впускном коллекторе, то есть давления воздуха, поступающего в двигатель 1.
Классически двигатель 1 содержит блок цилиндров, ограничивающий несколько цилиндров (четыре на фиг. 1), головку блока, ограничивающую несколько камер сгорания, связанных с впускным каналом, по меньшей мере с одним впускным клапаном, со средствами впрыска топлива, например, с бензиновым инжектором, по меньшей мере с одним выпускным клапаном и с каналом выпуска отработавших газов.
Система выпуска отработавших газов двигателя 1 содержит выпускной коллектор 18, который соединяет выход двигателя 1 с входом турбины 19 турбокомпрессора 2. Выход турбины 19 соединен с концом выхлопной трубы 20 выпуска отработавших газов, которая может содержать различные устройства (на фиг. 1 не показаны) для обработки вредных выбросов в выхлопных газах двигателя.
Трубопровод 21 разгрузки на выхлопе, на котором установлен разгрузочный вентиль 22 на выхлопе, называемый также вентилем waste-gate в английской терминологии, установлен параллельно с турбиной в выпускной системе двигателя 1. В частности, один из его концов отходит от выхода выпускного коллектора 18, а другой конец сообщается с выхлопной трубой 20.
Турбокомпрессор 2, который в данном случае имеет фиксированную геометрию, то есть турбокомпрессор с неподвижными лопатками турбины 19, содержит компрессор 7, который входит в состав впускной воздушной системы двигателя 1, и турбину 19, которая входит в состав выпускной системы двигателя 1. Турбокомпрессор 2 содержит вал 23, с которым связаны во вращении компрессор 7 и турбина 19.
Во впускной системе двигателя 1 турбокомпрессор 2 связан с вентилем pop-off 11 и с вентилем waste-gate 22. Эти два вентиля 11, 22 предпочтительно соединены с турбокомпрессором 2.
atmo
Как известно, во время работы двигателя 1 происходит следующее: воздух, поступающий снаружи транспортного средства при атмосферном давлении P, проходит через впускную систему двигателя 1 в направлении стрелок. Он фильтруется в воздушном фильтре 3, после чего расходомер 5 измеряет массовый расход Q воздуха.
ech
carb
coll
В не показанном варианте в рамках изобретения массовый расход Q воздуха можно также определить как разность между массовым расходом выхлопных газов Q (измеряемым расходомером на выхлопе) и массовым расходом топлива Q, впрыскиваемого в двигатель для сжигания в цилиндрах двигателя 1, по принципу сохранения массы. Его можно также определять при помощи картографии двигателя 1, например, в зависимости от совокупности параметров, включающей в себя по меньшей мере давление воздуха P во впускном коллекторе, режим N двигателя и значение, характеризующее открывание α дроссельного клапана 13, и в этом случае для определения массового расхода Q воздуха расходомер 5 не нужен.
Воздух сжимается компрессором 7. В данном случае и далее в описании предполагается, что вентиль pop-off 11 полностью закрыт, то есть весь воздух, проходящий через компрессор 7, поступает затем в охладитель RAS 9. Сжатый воздух охлаждается в охладителе RAS 9, затем проходит в камеры сгорания двигателя 1 через впускной коллектор 16.
В зависимости от режима N и от заданного значения момента С, отображающего потребность в крутящем моменте и, в частности, связанного с нажатием на педаль акселератора (не показана) транспортного средства водителем и с различными приводами (не показанными), такими как компрессор кондиционера или генератор двигателя 1, вычислительное устройство 24 двигателя, соединенное с совокупностью датчиков и приводов, в которую входят по меньшей мере:
- расходомер 5;
- дроссельный клапан 13;
- датчик давления наддува 14;
- датчик давления воздуха 17 во впускном коллекторе 16; и
- вентиль waste-gate 22,
carb
определяет, с одной стороны, массовый расход Q воздуха и, с другой стороны, массовый расход Q топлива, впрыскиваемого в двигатель, которое чаще всего может находиться в стехиометрических пропорциях в случае бензинового двигателя 1.
coll
sural
3
3
Массовый расход Q воздуха выражается заданным значением открывания α дроссельного клапана 13 и заданным значением давления P впускного коллектора. Теоретически данный массовый расход Q воздуха (измеряемый в кг/с) можно получить за счет различного выбора заданного значения открывания α дроссельного клапана 13 и заданного значения открывания вентиля waste-gate 22: первое заданное значение позволяет регулировать пропускное сечение для воздуха, поступающего во впускную систему, то есть влияет на его объемный расход (измеряемый в м/с). Второе заданное значение позволяет регулировать количество выхлопных газов двигателя 1, которое проходит через турбину с отводом части выхлопных газов двигателя 1 через вентиль waste-gate 22, который установлен параллельно с турбиной 19 в выпускной системе двигателя 1. Таким образом, модулируют мощность, отбираемую у выхлопных газов турбиной 19, что позволяет регулировать давление наддува P, то есть влияет на плотность впускаемого воздуха (измеряемую в кг/м).
coll
Чтобы упростить управление двигателем 1, регулирование давления воздуха P во впускном коллекторе осуществляют, воздействуя только на один привод, выбранный среди дроссельного клапана 13 и вентиля waste-gate 22, как показано на фиг. 2.
coll
coll
На фиг. 2 представлены два варианта регулирования давления P впускного коллектора. На оси абсцисс показан режим вращения N двигателя, а на оси ординат показано давление воздуха P во впускном коллекторе, измеряемое датчиком 17 давления воздуха.
coll
При относительно небольших потребностях двигателя 1 в моменте С, то есть при невысоких значениях давления P впускного коллектора, меньших давления порога, который является функцией режима N, отображаемого кривой 25, двигатель находится в варианте регулирования наддува, называемом «естественным наддувом», который соответствует следующим условиям:
ech
- Вентиль waste-gate 22 полностью закрыт, то есть весь поток выхлопных газов Q, выходящий из двигателя 1, проходит через турбину 19 и передает ей энергию расширения, которая передается на компрессор 2 через вал 23 для сжатия потока Q воздуха.
coll
sural
coll
- Давление воздуха P во впускном коллекторе регулируют в открытом контуре по заданному значению давления при помощи вычислительного устройства 24, воздействуя на значение открывания α дроссельного клапана 13. Давление наддува P не регулируют напрямую, и оно является результирующей открывания а дроссельного клапана 13 и давления воздуха P во впускном коллекторе.
coll
При относительно высоких потребностях двигателя в моменте С, то есть при больших значениях давления P впускного коллектора, превышающих порог давления, зависящий от режима N, отображаемого кривой 25, двигатель находится в варианте регулирования наддува, называемом «регулированием в замкнутом контуре».
coll
sural
coll
Дроссельный клапан 13 полностью открыт, то есть пропускное сечение и объемный расход впускаемого воздуха являются максимальными. Давление P воздуха во впускном коллекторе совпадает с давлением наддува P. Давление P воздуха во впускном коллекторе регулируют в замкнутом контуре по заданному значению давления при помощи вычислительного устройства 24, воздействуя на открывание вентиля waste-gate 22.
На фиг. 3 показаны этапы способа диагностики двигателя 1 с наддувом в соответствии с изобретением.
1
atm
Способ содержит этап 100 вычисления первого временного интеграла I атмосферного давления P в течение времени вычисления Т в соответствии с уравнением:
1
atm
sural
atm
Этот этап 100 начинается, когда вычислительное устройство 24 определяет, что массовый расход Q воздуха (измеряемый расходомером 5) меньше первого порога расхода Q, ниже которого турбокомпрессор 2 практически не обеспечивает сжатия впускаемого воздуха, и энергия, сообщаемая турбине 19 выхлопными газами, является ничтожной. Атмосферное давление P ассимилируется с давлением наддува P, при этом потери напора во впускной системе двигателя, в частности в воздушном фильтре 3 и в охладителе 9 воздуха наддува, являются ничтожными. Таким образом, предпочтительно атмосферное давление P определяют при помощи датчика 14 давления наддува.
atm
1
1
1
1
Интегрирование атмосферного давления P продолжается, пока массовый расход Q воздуха остается ниже первого порога расхода Q. Если в какой-то момент вычисления первого интеграла I массовый расход Q воздуха превышает первый порог Q, вычисление сразу прерывается, и способ возвращается на начало этапа 100. В противном случае вычисление первого интеграла I продолжается до истечения времени вычисления Т, и этап 100 завершается, когда вычисление заканчивается, то есть приходит к завершению без прерывания.
2
sural
1
После завершения этапа 100 способ продолжается этапом 200 вычисления временного интеграла I давления наддува P в варианте естественного наддува в течение такого же времени вычисления Т, что и время вычисления первого временного интеграла I атмосферного давления, в соответствии с уравнением:
Этот этап 200 начинается, когда вычислительное устройство 24 определяет, что наддув происходит в режиме естественного наддува (описанном со ссылками на фиг. 2), но при этом учитывается также сжатие воздуха. Это происходит, когда одновременно соблюдаются два следующих условия:
2
1
- 1-е условие: массовый расход Q воздуха (измеряемый расходомером 5) превышает второй порог расхода Q, строго превышающий первый порог расхода Q; и
coll
- 2-е условие: давление воздуха P воздуха во впускном коллекторе (измеряемое датчиком 17 давления) ниже порога давления, зависящего от режима N двигателя (соответствующего кривой 25 на фиг. 2).
sural
2
2
Интегрирование давления наддува P продолжается, пока соблюдаются вышеуказанные 1-е и 2-е условия. Если в какой-то момент вычисления интеграла I давления наддува по меньшей мере одно из двух условий не соблюдено, это вычисление сразу прерывается, и способ возвращается на начало этапа 200. В противном случае вычисление интеграла I продолжается до истечения времени вычисления Т. Этап 200 завершается, когда вычисление заканчивается, то есть приходит к завершению без прерывания.
1
2
Способ диагностики продолжается первым тестовым этапом 300, в ходе которого вычислительное устройство определяет время Т', которое разделило завершение удачного вычисления первого интеграла I атмосферного давления и начало удачного вычисления интеграла I давления наддува.
s
3
atm
Если это время Т' превышает порог времени T, первый тестовый этап 300 возвращает способ диагностики на начало этапа 100. В противном случае способ продолжается этапом 400 вычисления второго временного интеграла I атмосферного давления P в течение времени вычисления Т в соответствии с уравнением:
1
atm
sural
Как и в случае этапа 100, этот этап 400 начинается, когда вычислительное устройство 24 определяет, что массовый расход Q воздуха (измеряемый расходомером 5) меньше первого порога расхода Q, ниже которого турбокомпрессор 2 практически не обеспечивает сжатия впускаемого воздуха, и энергия, сообщаемая турбине 19 выхлопными газами, является ничтожной. Атмосферное давление P опять ассимилируется с давлением наддува P и его определяет датчик 14 давления наддува.
atm
1
3
1
3
Интегрирование атмосферного давления P продолжается, пока массовый расход Q воздуха остается ниже первого порога расхода Q. Если в какой-то момент вычисления второго интеграла I массовый расход Q воздуха превышает первый порог Q, вычисление немедленно прекращается, и способ возвращается на начало этапа 400. В противном случае вычисление второго интеграла I продолжается до истечения времени вычисления Т, и этап 400 завершается, когда вычисление заканчивается, то есть приходит к завершению без прерывания.
2
3
Способ диагностики продолжается вторым тестовым этапом 500, в ходе которого вычислительное устройство определяет время Т", которое разделило завершение удачного вычисления интеграла I давления наддува и начало удачного вычисления интеграла I давления наддува.
s
1
3
Если это время Т" превышает порог времени T, второй тестовый этап 500 возвращает способ диагностики на начало этапа 100. В противном случае способ продолжается третьим тестовым этапом 600, в ходе которого сравнивают первый и второй интегралы I, I атмосферного давления. Этот этап 600 позволяет убедиться, что внешние условия хода способа диагностики в целом остаются постоянными в течение всего времени его осуществления, чтобы не допустить искажения результата. Например, высота над уровнем моря не должна меняться слишком быстро, что, в частности, исключает случаи, когда транспортное средство движется по крутому склону в горах.
1
3
1
2
На этапе 600 сравнивают разность между первым интегралом I атмосферного давления и вторым интегралом I атмосферного давления с порогом отклонения S. Если эта разность превышает порог отклонения S, способ возвращается на начало этапа 100. В противном случае способ продолжается этапом 700 вычисления двух критериев C, С диагностики.
1
Первый критерий C диагностики равен разности между:
2
- временным интегралом I давления наддува; и
1
3
- средним арифметическим первого и второго временных интегралов I, I атмосферного давления, в соответствии с уравнением:
2
Второй критерий С диагностики равен соотношению между:
2
- временным интегралом I давления наддува, поделенным
1
3
- на среднее арифметическое первого и второго временных интегралов I, I атмосферного давления, в соответствии с уравнением:
1
1
2
2
Способ диагностики продолжается этапом 800 диагностики, на котором сравнивают первый критерий C диагностики с первым порогом S диагностики и второй критерий С диагностики с вторым порогом S диагностики.
1
2
1
2
Если по меньшей мере один из двух критериев С, С меньше соответствующего порога S, S диагностики, этап 800 диагностики направляет способ на этап 900 диагностики неисправности, то есть этап 900 тревожного оповещения, на котором водитель транспортного средства получает оповещение о неисправности наддува, например, при помощи светового сигнала на приборной панели транспортного средства.
В противном случае не происходит передача никакого тревожного сигнала, и способ диагностики возвращается на начало этапа 100. Таким образом, изобретение позволяет получить способ бортовой диагностики, который работает непрерывно и в режиме естественного регулирования двигателя 1.
1
2
3
s
1
2
3
Например, время вычисления Т интегралов I, I, I атмосферного давления и давления наддува по существу равно 3 секундам, и порог времени T между вычислениями различных интегралов I, I, I меньше 10 секунд.
atm
Предпочтительно порог отклонения S интеграла атмосферного давления меньше 60 миллибар*с, если время Т вычисления интегралов равно 3 секундам, то есть в среднем за время вычисления в 3 секунды атмосферное давление P меняется не более чем на 20 миллибар между этапами 100 и 400 способа диагностики.
1
2
Предпочтительно первый порог S диагностики находится в интервале между 100 и 150 миллибар*с, и второй порог S диагностики находится в интервале между 1,02 и 1,06 при времени Т вычисления интегралов, равном 3 секундам, и при по существу постоянном атмосферном давлении, равном 1013 миллибар, то есть равном нормальному давлению на уровне моря. Эти пороги можно индексировать по высоте над уровнем моря, то есть по значению атмосферного давления, измеренной, например, в начале этапа 100 способа, и сохраняются в виде картографии в памяти вычислительного устройства 24.
1
2
Пороги расхода Q, Q можно определить заранее в ходе испытаний, и они зависят от типа двигателя 1 и турбокомпрессора 2. В частности, их значения должны быть тем больше, чем больше объем цилиндров двигателя 1 и чем больше инерция турбокомпрессора 2.
Способ диагностики в соответствии с изобретением имеет целый ряд преимуществ. В отличие от известных способов он позволяет диагностировать работу наддува двигателя 1, когда он находится в режиме естественного наддува, то есть не в режиме регулирования наддува в замкнутом контуре (при помощи вентиля waste-gate 22).
atm
sural
Кроме того, его точность является достаточно высокой, так как все измерения атмосферного давления P и давления наддува P производит один и тот же датчик 14 давления наддува, что позволяет избегать разбросов измерения между датчиками, и так как, с другой стороны, убеждаются, что внешние условия хода способа диагностики, в частности, высота над уровнем моря, остаются по существу постоянными.