СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОРРЕКЦИИ ИМПУЛЬСНОСТИ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ДАТЧИКА МАССОВОГО РАСХОДА ВОЗДУХА
METHOD AND DEVICE FOR CORRECTION OF PULSATION OF OUTPUT SIGNAL OF MASS AIR FLOW SENSOR

Данное изобретение касается способа коррекции импульсности выходного сигнала датчика массового расхода воздуха согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Изобретение касается также устройства, которое выполнено с возможностью осуществления способа согласно изобретению.
Для правильного приготовления смеси системам дозирования топлива требуется точная информация о массовом расходе воздуха, всасываемого двигателем внутреннего сгорания за один цикл. Такая информация получается ими через быстродействующие датчики массового расхода воздуха, которые работают, например, по принципу термоанемометрического пленочного расходомера. Благодаря высокому быстродействию выходной сигнал датчика массового расхода воздуха отслеживает каждую пульсацию в массовом расходе воздуха. Фиксируются также и возвратные воздушные массы, однако, с неверно указанным знаком. Как только появляются такие пульсации, воздухомер больше не выдает корректных измеренных значений, которые были бы пригодны для приготовления смеси.
В JP-A-56107124 раскрыт способ определения параметров воздуха для приготовления смеси в двигателе внутреннего сгорания с помощью датчика массового расхода воздуха. При этом способе искажения из-за импульсности обходятся за счет того, что происходит переключение на заменяющие значения по умолчанию, если получающиеся из-за импульсности отклонения измеренных значений лежат выше определенного порогового значения, и двигатель внутреннего сгорания работает в режиме полной нагрузки. Указанные заменяющие значения рассчитываются арифметически по искаженному измеренному значению и величине упомянутых отклонений измеренных значений.
В заявке DE-A-33 44 276 раскрыт еще один способ коррекции измеренных значений массового расхода воздуха или базового времени впрыска в зависимости от высоты пульсации, частоты вращения и рабочего режима двигателя внутреннего сгорания. Но эта коррекция происходит только в том случае, если угол открытия дроссельного клапана больше, чем заданный угол, так что двигатель внутреннего сгорания (ДВС) работает в диапазоне максимальных нагрузок и этот ДВС имеет стационарный рабочий режим.
Из практики известна также коррекция исходного сигнала о расходе воздуха с датчика массового расхода воздуха, получаемого из линеаризованного и отфильтрованного исходного сигнала датчика массового расхода воздуха, с помощью поправочного коэффициента на импульсность. При этом поправочный коэффициент на импульсность определяется по базовым поправочным характеристикам, которые включают частоту вращения и количество впрыскиваемого топлива или, соответственно, частоту вращения и вращающий момент. Так как у ДВС с наддувом характер импульсности при неизменной частоте вращения и неизменном количестве впрыскиваемого топлива, соответственно, частоте вращения может изменяться, необходимо с помощью дополнительных поправочных коэффициентов корректировать базовую коррекцию. Для этой коррекции привлекаются положение регулятора системы рециркуляции отработавших газов и положение дроссельного клапана. Такие коррекции рассчитываются либо посредством зависящей от соответствующего положения регулятора интерполяции характеристик или путем пропорционального уменьшения влияния положения регулятора системы рециркуляции отработавших газов и дроссельного клапана посредством одной характеристики. Для дальнейшего повышения точности используются различные характеристики для различных рабочих режимов ДВС, таких как нормальный режим, нагрев сажевого фильтра выхлопных газов дизельного двигателя, нагрев для селективного каталитического восстановления (СКР) и т.д.
Недостатком этих известных способов коррекции импульсности является то, что они не во всех ситуациях эксплуатации транспортного средства позволяют определить точное значение массового расхода воздуха, и эта точность неоднократно меняется по мере увеличения срока эксплуатации транспортного средства, и, следовательно, требуются перекалибровки. Еще один недостаток известных способов коррекции импульсности заключается в том, что они являются затратными, поскольку для различных рабочих режимов ДВС требуется сохранять различные характеристики, и помимо величин для базовой коррекции необходимы другие поправочные величины, например, положение регулятора.
Таким образом, задача данного изобретения состоит в создании улучшенного способа коррекции импульсности, который позволит избежать недостатков существующего уровня техники. В частности, задачей изобретения является создание способа коррекции импульсности, точность которого остается по существу постоянной в течение всего срока службы ДВС и который отличается простотой его осуществления.
Эти задачи решаются посредством способа с признаками независимого пункта 1 формулы изобретения и устройства с признаками независимого пункта 10 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления и применения данного изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы и в нижеследующем описании рассматриваются более подробно, частично со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Предлагаемый изобретением способ коррекции импульсности может быть использован для коррекции выходного сигнала датчика массового расхода воздуха, который предназначен для определения массового расхода воздуха для сгорания в двигателе внутреннего сгорания с наддувом, т.е. ДВС с турбонагнетателем, работающим на отработавших газах. Этот датчик массового расхода воздуха выдает измеренные значения, которые определены по потоку воздуха, пульсирующему во впускной трубе ДВС с наддувом, в частности, для массового расхода воздуха для сгорания в ДВС для транспортного средства, предпочтительно хозяйственного назначения.
Согласно общим концепциям данного изобретения для коррекции выходного сигнала датчика массового расхода воздуха на эффекты импульсности используют первый поправочный коэффициент, который определяется в зависимости от степени сжатия компрессора турбонагнетателя, работающего на отработавших газах. Степень сжатия компрессора получается из соотношения давления на впуске перед компрессором и давления наддувочного воздуха после компрессора. Первый поправочный коэффициент предпочтительно является поправочным коэффициентом умножения. Однако, первый поправочный коэффициент может быть использован и в качестве поправочного коэффициента суммирования.
При этом следует упомянуть, в рамках стендовых измерений заявителем было установлено, что степень сжатия компрессора турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, представляет собой физическую величину, которая существенно влияет на пульсацию, и при использовании этой степени сжатия для коррекции импульсности можно отказаться от дополнительных коррекций посредством положений регулятора и т.д. Еще одним преимуществом является то, что благодаря этому точность предлагаемого изобретением способа коррекции остается постоянной в течение срока службы ДВС. Другое преимущество данного изобретения состоит в том, что такая коррекция действительна для всех рабочих режимов ДВС и, тем самым, не требуется перестройка характеристик в зависимости от режима эксплуатации. Калибровку необходимо произвести лишь один раз.
Кроме того, в рамках данного изобретения имеется возможность применения для коррекции импульсности второго поправочного коэффициента, который определяется в зависимости от коэффициента расширения турбины турбонагнетателя, работающего на отработавших газах. За счет этого можно дополнительно повысить точность коррекции импульсности. Такой вариант выполнения особенно предпочтителен при использовании турбонагнетателей, работающих на отработавших газах, с изменяемой геометрией турбин. Коэффициент расширения турбины турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, получается из соотношения давления отработавших газов перед турбиной и выпускного давления турбины.
Согласно одному варианту выполнения данного изобретения в соответствии с уровнем техники исходный сигнал массового расхода воздуха определяется по электрическому выходному сигналу, соответственно, по исходному сигналу датчика массового расхода воздуха, а затем этот определенный исходный сигнал массового расхода воздуха корректируется на эффекты импульсности. Такое определение исходного сигнала массового расхода воздуха из выходного сигнала, соответственно, исходного сигнала датчика массового расхода воздуха осуществляется способом, который сам по себе известен, в зависимости от конструктивного типа датчика массового расхода воздуха. При этом, например, исходный сигнал тока и/или напряжения датчика массового расхода воздуха, который может работать, например, по принципу электротермоанемометра, линеаризуется с помощью сохраненной кривой преобразования и предварительно обрабатывается посредством одного или нескольких фильтров, чтобы получить исходный сигнал массового расхода воздуха. Этот исходный сигнал массового расхода воздуха показывает тогда массу воздуха, протекающего в единицу времени (массовый расход), но он еще не скорректирован, чтобы учитывать возможно возникающие пульсации в потоке воздуха, которые могут привести к искаженным измеренным значениям.
Согласно этому варианту осуществления первый поправочный коэффициент устанавливается в зависимости от исходного сигнала массового расхода воздуха и от текущей степени сжатия компрессора турбонагнетателя, работающего на отработавших газах. При этом одна благоприятная возможность этой предлагаемой изобретением реализации состоит в том, что первый поправочный коэффициент сохранен в первом поле поправочных характеристик на импульсность, которое в качестве первой входной величины имеет исходный сигнал массового расхода воздуха, а в качестве второй входной величины - степень сжатия компрессора турбонагнетателя, работающего на отработавших газах.
В одном предпочтительном варианте этой формы выполнения дополнительно используется второй поправочный коэффициент для коррекции импульсности, который устанавливается в зависимости от массового потока отработавших газов и от коэффициента расширения турбины турбонагнетателя, работающего на отработавших газах. Второй поправочный коэффициент может быть сохранен во втором поле поправочных характеристик на импульсность, которое в качестве первой входной величины имеет массовый поток отработавшего газа, а в качестве второй входной величины - коэффициент расширения турбины турбонагнетателя, работающего на отработавших газах.
Для коррекции импульсности и в этом случае предпочтительно определяются и используются текущие значения степени сжатия, коэффициента расширения, исходного сигнала массового расхода воздуха и массового потока отработавшего газа. Массовый поток отработавшего газа может быть, например, известным образом вычислен по исходному сигналу массового расхода воздуха и текущему количеству впрыскиваемого топлива данного ДВС.
Согласно еще одному варианту осуществления данного изобретения корректируется непосредственно выходной сигнал датчика массового расхода воздуха, т.е. исходный сигнал этого датчика массового расхода воздуха, который еще не был пересчитан в массовый поток, с использованием по меньшей мере первого поправочного коэффициента, а затем этот скорректированный выходной сигнал преобразуется в исходный сигнал массового расхода воздуха. При этом снова возникает возможность сохранить этот поправочный коэффициент в соответствующем поле поправочных характеристик на импульсность, в котором первой входной величиной является электрический выходной сигнал датчика массового расхода воздуха, а второй входной величиной - степень сжатия компрессора турбонагнетателя, работающего на отработавших газах. Согласно этому варианту осуществления в рамках данного изобретения снова появляется возможность дополнительно использовать для коррекции импульсности еще и второй поправочный коэффициент, который устанавливается в зависимости от коэффициента расширения турбины турбонагнетателя, работающего на отработавших газах.
Кроме того, при рассмотренных выше вариантах предпочтительно рассчитывать и первый поправочный коэффициент, и второй поправочный коэффициент как поправочные коэффициенты умножения, причем и в этом случае имеется возможность рассчитывать их как поправочные коэффициенты суммирования.
Для дальнейшего повышения точности коррекции импульсности можно использовать поправочный коэффициент компрессора, величина которого устанавливается в зависимости от конкретного рабочего режима компрессора, чтобы учитывать влияния этого рабочего режима компрессора на пульсацию, которая вызвана не степенью сжатия. Поправочный коэффициент компрессора может быть использован, например, для коррекции исходного сигнала массового расхода воздуха. Кроме того, может быть использован поправочный коэффициент турбины, величина которого устанавливается в зависимости от температуры массового потока отработавшего газа и/или в зависимости от открытого положения турбины турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, если геометрия турбины является изменяемой. Поправочный коэффициент турбины может быть использован, например, для коррекции массового потока отработавшего газа.
Данное изобретение касается также устройства для коррекции импульсности выходного сигнала датчика массового расхода воздуха для определения массы воздуха для сгорания в двигателе внутреннего сгорания с наддувом, причем это устройство выполнено с возможностью приема выходного сигнала датчика массового расхода воздуха. Согласно общей концепции данного изобретения это устройство для коррекции выходного сигнала на эффекты импульсности предназначено для осуществления раскрытого выше способа.
Во избежание повторений следует рассматривать признаки, раскрытые для способа, относящимися и к устройству и являющимися для него существенными. Рассмотренные выше аспекты и признаки предлагаемого изобретением способа относятся также и к устройству, которое снабжено, например, соответствующим программным обеспечением. Рассмотренные выше предпочтительные варианты осуществления и признаки данного изобретения могут любым образом комбинироваться друг с другом.
Остальные детали и преимущества данного изобретения более подробно описываются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. На чертежах показано следующее:
Фиг. 1A - упрощенное представление этапов способа согласно изобретению;
Фиг. 1B - упрощенное схематичное представление устройства для коррекции импульсности согласно одному варианту осуществления изобретения;
Фиг. 2 - определение исходного сигнала массового расхода воздуха;
Фиг. 3 - коррекция импульсности согласно одному варианту осуществления изобретения; и
Фиг. 4 - коррекция импульсности согласно другому варианту осуществления изобретения.
Одинаковые или функционально эквивалентные элементы и сигналы на всех фигурах обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
На Фиг. 1 показана в сильно упрощенном виде схема последовательности операций способа коррекции импульсности выходного сигнала датчика массового расхода воздуха для определения массы воздуха для сгорания в двигателе внутреннего сгорания с наддувом. Этот способ включает следующие этапы: определение исходного сигнала массового расхода воздуха по выходному сигналу датчика массового расхода воздуха (этап S1) и коррекцию этого исходного сигнала массового расхода воздуха на эффекты импульсности (этап S2).
Определение исходного сигнала массового расхода воздуха по выходному сигналу датчика массового расхода воздуха согласно этапу S1 детально представлено на Фиг. 2. Выше уже упоминалось, что такое определение исходного сигнала массового расхода воздуха по выходному сигналу, соответственно, исходному сигналу датчика массового расхода воздуха само по себе уже известно из уровня техники и поэтому здесь лишь кратко описано. Исходный сигнал 1 в форме измеренного значения тока датчика массового расхода воздуха, работающего по принципу пленочного термоанемометра (термоанемометрический датчик), на первом этапе способа считывается (выбирается), затем линеаризуется посредством кривой 4 преобразования, а затем подвергается скользящему усреднению 5 (англ. sliding window averaging - окно скользящего усреднения), при этом используется информация 3 по сегментам из первого этапа способа, что показано пунктирной линией. Полученный за счет этого сигнал предварительно обрабатывается посредством одного или нескольких фильтров 6, чтобы получить исходный сигнал 7 массового расхода воздуха.
Следует подчеркнуть, что изложенное выше дает лишь пример определения исходного сигнала массового расхода воздуха, и в рамках данного изобретения могут использоваться другие известные подходы, чтобы по измеренным электрическим величинам датчика массового расхода воздуха определить исходный сигнал для массы воздуха.
На Фиг. 3 поясняется коррекция импульсности (этап S2) согласно одному варианту осуществления данного изобретения.
Для корректировки искаженных за счет возможно возникшей пульсации в потоке воздуха измеренных значений исходного сигнала 7 массового расхода воздуха применяется первый поправочный коэффициент 10, который устанавливается в зависимости от исходного сигнала 7 массового расхода воздуха и от степени сжатия 8 компрессора турбонагнетателя, работающего на отработавших газах. Этот первый поправочный коэффициент 10 сохранен в первом поле 9 поправочных характеристик на импульсность, которое в качестве первой входной величины имеет исходный сигнал 7 массового расхода воздуха, а в качестве второй входной величины - степень сжатия 8 компрессора турбонагнетателя, работающего на отработавших газах. Из обеих этих входных величин 7 и 8 получается первый поправочный коэффициент 10 на пульсацию. Он умножается на исходный сигнал 7 массового расхода воздуха, и дает сигнал 12 массового расхода воздуха, скорректированный на эффекты импульсности. Этот поправочный коэффициент 10 на пульсацию является, таким образом, поправочным коэффициентом умножения, что представлено операцией умножения, обозначенной ссылочной позицией 11. Степень сжатия компрессора получается из соотношения давления на впуске перед компрессором и давления наддувочного воздуха после компрессора и может быть рассчитано по смоделированным или обработанным вычислительными методами сигналам, которые указывают давление на впуске перед компрессором и давление наддувочного воздуха после компрессора.
Поле 9 поправочных характеристик на импульсность для различных двигателей внутреннего сгорания может быть определено эмпирически на испытательном стенде, причем определенный с помощью лабораторного измерительного прибора контрольный сигнал массового расхода воздуха сравнивается с исходным сигналом 7 массового расхода воздуха для различных рабочих режимов, в частности, различных степеней сжатия. По полученным данным сравнения можно затем определить поле 9 поправочных характеристик на импульсность.
На Фиг. 4 поясняется коррекция импульсности (этап S2) согласно другому варианту осуществления данного изобретения. При этом опять-таки применяется первый поправочный коэффициент 10, устанавливаемый в зависимости от текущего исходного сигнала 7 массового расхода воздуха и от текущей степень сжатия 8 компрессора турбонагнетателя, работающего на отработавших газах. При необходимости исходный сигнал 7 массового расхода воздуха может быть умножен на поправочный коэффициент 8a компрессора, величина которого устанавливается в зависимости от текущего рабочего режима компрессора. Благодаря этому может учитываться влияние рабочего режима компрессора на упомянутую импульсность, которая вызывается не степенью сжатия. Первый поправочный коэффициент 10 также сохранен в поле 9 поправочных характеристик на импульсность, в котором первой входной величиной является исходный сигнал 7 массового расхода воздуха, а второй входной величиной - степень сжатия 8 компрессора турбонагнетателя, работающего на отработавших газах.
Особенность этого варианта выполнения заключается в том, что для коррекции исходного сигнала 7 массового расхода воздуха применяется второй поправочный коэффициент 18, который определяется в зависимости от текущего массового потока 14 отработавшего газа и текущего коэффициента расширения 16 турбины турбонагнетателя, работающего на отработавших газах. При этом второй поправочный коэффициент 18 тоже сохранен в поле 17 поправочных характеристик на импульсность, в котором первой входной величиной является массовый поток 14 отработавшего газа, а второй входной величиной - коэффициент расширения 16 турбины турбонагнетателя, работающего на отработавших газах. Коэффициент расширения турбины турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, получается из соотношения Давление отработавшего газа перед турбиной и выпускного давления турбины. Поле 17 поправочных характеристик на импульсность тоже может быть определено эмпирически для различных двигателей внутреннего сгорания на испытательном стенде, аналогично описанному ранее для первого поля 9 поправочных характеристик на импульсность. Этот вариант позволяет еще больше повысить точность коррекции импульсности, в частности при использовании турбонагнетателей, работающих на отработавших газах, с изменяемой геометрией турбин. Сигнал 14 массы отработавшего газа рассчитывается дополнительно по исходному сигналу 7 массового расхода воздуха и текущему количеству 13 впрыскиваемого топлива ДВС. Это характеризуется обработкой методом сложения, обозначенной ссылочной позицией 21.
При необходимости может применяться поправочный коэффициент 16a турбины, который можно использовать в турбине и изменяемой геометрией для коррекции влияния открытого положения турбины на импульсность воздуха для сгорания или для коррекции температуры массового потока отработавшего газа. Этот поправочный коэффициент может быть установлен для этого в зависимости от температуры массового потока отработавшего газа перед турбиной (для этого может также использоваться и смоделированная величина) и/или в зависимости от открытого положения турбины турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, если эта турбина имеет изменяемую регулируемую геометрию.
Коэффициент расширения турбины турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, получается из соотношения давления отработавшего газа перед турбиной и выпускного давления турбины.
Оба установленных поправочных коэффициента 10 и 18 затем перемножаются друг с другом, а затем полученный в результате общий поправочный коэффициент 19 умножается на исходный сигнал 7 массового расхода воздуха, что получить скорректированный сигнал 20 массового расхода воздуха.
Как уже упоминалось выше, согласно альтернативному. Не представленному здесь варианту осуществления имеется возможность сохранения выходного сигнала 1 непосредственно в полях поправочных характеристик на импульсность. В этом случае выходной величиной по меньшей мере одного из этих полей характеристик импульсности является скорректированный, неотфильтрованный сигнал массового расхода воздуха. Затем к неотфильтрованному сигналу массового расхода воздуха могут применены известные методы фильтрации.
Как уже упоминалось выше, предлагаемый способ коррекции импульсности с использованием степени сжатия компрессора турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, позволяет обеспечить особенно точную и пригодную для всех рабочих режимов ДВС коррекцию импульсности, так что можно отказаться от других видов коррекции посредством положения регулятора и т.д. Еще одно преимущество состоит в том, что благодаря этому точность предлагаемого изобретением способа коррекции остается постоянной в течение всего срока службы ДВС.
На Фиг. 1B показано упрощенное схематичное представление устройства 22 для коррекции импульсности согласно одному варианту осуществления данного изобретения. Такое устройство может быть выполнено как самостоятельный блок коррекции или как часть электронной системы управления двигателем. Устройство 22 выполнено с возможностью приема выходного сигнала 1 датчика 24 массового расхода воздуха. Это устройство выполнено также с возможностью получения по линиям 23 входного сигнала, например, по проводу шины данных CAN, других параметров и измеренных значений, которые содержат вышеописанные величины 8, 13, 16 или величины, по которым могут быть вычислены величины 8, 13, 16. В этом устройстве сохранены также поля 9 и 17 поправочных характеристик на импульсность, и устройство выполнено с возможностью осуществления обработки сигналов, как это описано в связи с Фиг. 2-4, для коррекции импульсности.
Данное изобретение не ограничивается рассмотренными выше предпочтительными примерами осуществления. Более того, возможно множество вариантов и модификации, в которых тоже используются идеи данного изобретения и которые поэтому тоже подпадают под объем защиты изобретения. В частности, данное изобретение претендует и на защиту объектов и признаков зависимых пунктов формулы, независимо от указанных в них ссылок на другие пункты формулы изобретения.
Перечень ссылочных позиций
1 выходной сигнал датчика массового расхода воздуха
2 считанное исходное измеренное значение
3 информация по сегментам
4 кривая преобразования
5 скользящее усреднение
6 обработка фильтрацией
7 исходный сигнал массового расхода воздуха
8 степень сжатия
8a поправочный коэффициент компрессора
9 первое поле поправочных характеристик на импульсность
10 первый поправочный коэффициент
11 обработка методом умножения
12 скорректированный сигнал массового расхода воздуха
13 количество впрыскиваемого топлива
14 сигнал массы отработавшего газа
15 скорректированный сигнал массы отработавшего газа
16 коэффициент расширения
16a поправочный коэффициент турбины
17 второе поле поправочных характеристик на импульсность
18 второй поправочный коэффициент
19 поправочный коэффициент
20 скорректированный сигнал массового расхода воздуха
21 обработка методом суммирования
22 устройство для коррекции импульсности
23 входные сигналы
24 датчик массового расхода воздуха.