СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ ЗАПАЛЬНОЙ СВЕЧИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ВЫБРОСОВ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF SPARK PLUG TEMPERATURE CONTROL AND DEVICE FOR REDUCTION OF EMISSIONS OF DIESEL ENGINE

Дизельные двигатели обычно снабжены системой запальной свечи. Система запальной свечи обеспечивает общую помощь для горения во время зажигания двигателя, а также во время фазы прогрева работающего двигателя. Ключевым элементом данной системы является запальная свеча, кончик которой может нагреваться до высоких температур свыше 900°С в результате преобразования электрической энергии в тепловую.
Каждый цилиндр снабжен одной запальной свечой, которая включается при необходимости, исходя из состояний двигателя и внешних условий, обычно в холодных условиях. Запальные свечи функционируют как электрические резисторы. Их сопротивление изменяется в зависимости от температуры. Когда температура увеличивается, внутреннее сопротивление также увеличивается.
Для запальных свечей используют различные технологии. Запальные свечи могут быть высокого или низкого напряжения, и они могут быть выполнены из разных материалов, например металлические или керамические запальные свечи. Запальные свечи высокого напряжения обычно запитываются непосредственно от аккумулятора транспортного средства. В отличие от них, запальные свечи низкого напряжения, поскольку они имеют более низкое номинальное напряжение по сравнению с напряжением аккумулятора, обычно требуют источника питания с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для получения нужного напряжения. В частности, запальными свечами низкого напряжения можно легко управлять посредством соединения затворов полевых МОП-транзисторов ШИМ с электронным блоком управления и управления рабочим циклом ШИМ.
Согласно настоящему изобретению предложен усовершенствованный способ управления запальной свечой для уменьшения выбросов выхлопных газов из дизельного двигателя. Предпочтительно, уменьшение выбросов достигается в сочетании с каталитическим нейтрализатором выхлопных газов для дизельного двигателя.
2
2
2
2
x
2
x
x
Для двигателей с воспламенением от сжатия, наиболее часто используемым каталитическим нейтрализатором является окислительный катализатор для дизеля. Данный катализатор использует О (кислород) в потоке выхлопных газов, чтобы окислять СО (оксид углерода) с образованием СО (диоксида углерода) и НС (углеводороды) с образованием НО (воды) и СО. Данные нейтрализаторы часто достигают эффективности 90% и помогают уменьшить содержание видимых твердых частиц (сажи), однако они не способны уменьшить содержание NO, поскольку химические реакции всегда происходят простейшим возможным путем, и присутствующий в потоке выхлопных газов О будет вступать в реакцию первым. Для того чтобы уменьшить содержание NO в двигателе с воспламенением от сжатия, прежде всего нужно изменить химический состав выхлопа. Используют два основных метода: снижение концентраций с помощью селективного каталитического нейтрализатора (SCR) и уловители или поглотители NO.
Важным усовершенствованием для повышения эффективности катализатора является минимизация выбросов во время холодного запуска посредством уменьшения температуры воспламенения катализатора.
Во время холодного запуска температура каталитического нейтрализатора является низкой, и нейтрализатор еще не активирован. Таким образом, температура воспламенения катализатора, при которой преобразование компонента выхлопного газа достигает 50%, еще не достигнута, следовательно, углеводороды и СО преобразуются лишь в малой степени, и поэтому составляют значительную долю в суммарных выбросах в осуществляемых в законодательном порядке ездовых циклах в течение первых двух минут после запуска двигателя. Разработаны специальные технологии для минимизации выбросов во время холодного запуска. Данные технологии быстрого воспламенения представляют собой либо пассивные системы, которые используют изменения в исполнении системы выхлопа, либо активные системы, которые используют регулируемый подвод дополнительной энергии для повышения температуры выхлопных газов во время холодного запуска.
В соответствии с настоящим изобретением, предложен способ управления подачей энергии к запальной свече, чтобы уменьшить выбросы в потоке выхлопных газов двигателя после каталитического нейтрализатора. Запальную свечу активируют или, другими словами, подают энергию, если набор из, по меньшей мере, двух входных величин остается в характеристическом диапазоне области входных параметров в течение, по меньшей мере, заданного времени активации.
Или же запальную свечу деактивируют или, другими словами, подачу энергии запальной свечи прекращают, если набор из, по меньшей мере, двух входных величин остается за пределами характеристического диапазона области входных параметров в течение, по меньшей мере, заданного времени деактивации. Время деактивации может быть также установлено равным нулю.
Первый и второй характеристический диапазоны состоят из одного или более смежных диапазонов в области входных параметров. Область входных параметров определяется входными параметрами и имеет столько измерений, сколько имеется входных параметров. Входными величинами являются величины, которые принимают входные параметры и задаются выходными величинами датчиков или получаются из выходных величин датчиков путем вычисления. Первый и второй характеристические диапазоны могут определяться посредством точного установления для каждой входной величины диапазона, который определяется нижним и верхним порогом. В данном случае характеристический диапазон определяется одним смежным диапазоном, который принимает форму n-мерного куба.
В частности, диапазоны для входных величин могут быть определены для двух входных параметров. В данном случае характеристический диапазон принимает форму квадрата. В конкретном примере входные параметры определяются скоростью вращения коленчатого вала и притока для горения. Приток для горения может быть получен, например, из притока топлива, притока воздуха или притока воздушно-топливной смеси.
В других вариантах осуществления может быть установлен больше чем один диапазон для входного параметра. Возможны другие формы смежных диапазонов, например треугольники, окружности, сферы или эллипсоиды, и различные формы смежных диапазонов могут комбинироваться для образования характеристического диапазона в области входных параметров. Возможны разные характеристические диапазоны для включения и выключения запальных свечей.
Время активации и деактивации и характеристические диапазоны хранятся в памяти устройства управления запальными свечами. Они могут быть также вычислены устройством управления запальными свечами, которое активирует и деактивирует запальные свечи. Точное управление активацией и деактивацией запальных свечей, которое использует время активации и деактивации и характеристический диапазон в соответствии с настоящим изобретением, позволяет эффективно уменьшить выбросы.
Управление условиями горения посредством активации и деактивации запальной свечи проявляет эффекты гистерезиса, которые заключаются в том, что эффект активации запальной свечи может происходить после активации запальной свечи и эффект может также сохраняться после деактивации запальной свечи. В соответствии с настоящим изобретением, гистерезис учитывается посредством выбранных соответствующим образом временных интервалов и посредством обеспечения разных порогов для активации и деактивации запальной свечи.
Для определения характеристического диапазона в области входных параметров, помимо скорости вращения коленчатого вала и притока топлива, могут быть использованы другие входные величины, такие как воздух на впуске, воздушно-топливная смесь на впуске, крутящий момент двигателя, скорость транспортного средства, температура охлаждающей жидкости, температура окружающего воздуха и температура воздуха на впуске двигателя. Запальную свечу активируют, когда входные величины остаются в характеристическом диапазоне в течение заданного времени активации. Или же запальную свечу отключают, когда входные величины остаются за пределами характеристического диапазона в течение заданного времени деактивации. Запальные свечи могут включаться и выключаться одновременно или также последовательно.
Может быть предусмотрен максимальный период активации, по истечении которого запальная свеча снова деактивируется. Временные интервалы, такие как время активации, период активации и время деактивации, могут зависеть от температуры камеры сгорания или любой величины, которая зависит от температуры камеры сгорания. Для того чтобы дополнительно уменьшить нежелательные колебания в сигнале включения/выключения, активация и деактивация запальных свечей может быть основана на усредненных по времени входных величинах, таких как усредненные по времени сигналы датчиков.
В настоящем изобретении также предложен способ управления подачей энергии к, по меньшей мере, одной запальной свече, при котором после активации, по меньшей мере, одной запальной свечи, по меньшей мере, одна запальная свеча остается активированной в течение, по меньшей мере, времени выдержки. Время выдержки может зависеть от температуры камеры сгорания.
Подаваемое среднее напряжение во время периода активации запальной свечи может определяться отдельно для каждой запальной свечи. Кроме того, временные параметры, такие как период активации запальной свечи, могут определяться отдельно для каждой запальной свечи. Запальные свечи могут активироваться одновременно или последовательно.
Хотя способ управления будет описан со ссылкой на управление запальными свечами с помощью широтно-импульсной модуляции посредством полевых МОП-транзисторов, могут быть также использованы другие технологии, например другие типы транзисторов или реле запальных свечей.
Способ в соответствии с настоящим изобретением может применяться без использования интегрированного датчика в запальной свече или датчика в камере сгорания, хотя дополнительные датчики могут быть использованы.
Способ управления запальными свечами в соответствии с настоящим изобретением может определить фазу ускорения двигателя и поддержать горение во время фазы ускорения, когда горение является неэффективным. Повышается эффективность горения, а в некоторых случаях даже общая эффективность двигателя. Это приводит к уменьшению выбросов. Кроме того, активация запальной свечи повышает температуру выхлопных газов, так что эффект воспламенения катализатора наступает раньше. Таким образом, можно эффективно уменьшить выбросы.
Уменьшение выбросов выхлопных газов особенно важно, когда горение является неэффективным, например, во время фаз ускорения. В соответствии с настоящим изобретением, условия, которые обеспечивают эффективное уменьшение выбросов посредством активации запальной свечи, могут быть определены посредством измерения простого набора параметров. Легко доступными являются такие параметры, как скорость вращения коленчатого вала и приток топлива.
По сравнению с измерением температуры выхлопных газов для активации запальной свечи, измерение параметров двигателя в соответствии с настоящим изобретением способно непосредственно определить изменившиеся условия в камере сгорания. Таким образом, можно быстрее реагировать и более эффективно уменьшать выбросы. Однако температура выхлопных газов может быть использована в качестве дополнительной входной величины.
Использование, по меньшей мере, двух входных параметров в соответствии с настоящим изобретением, таких как скорость вращения коленчатого вала и приток топлива, позволяет эффективно установить различие между разными условиями, такими как ускорение под нагрузкой и ускорение во время переключения передачи.
Способ в соответствии с данным изобретением может быть одинаково эффективным в уменьшении выбросов, когда он используется в «теплом состоянии», когда запальная свеча уже достигла своей установившейся температуры.
Приведенные ниже чертежи иллюстрируют вариант осуществления способа управления запальной свечой в соответствии с настоящим изобретением. В приведенном ниже описании элементы использованы для описания вариантов осуществления данной заявки. Однако для специалиста в данной области техники будет очевидно, что данные варианты осуществления могут быть реализованы на практике без таких элементов.
Фиг.1 иллюстрирует устройство для управления запальной свечой и управляемые запальные свечи.
Фиг.2 иллюстрирует напряжение, прикладываемое к запальной свече во время фазы прогрева двигателя.
Фиг.3 иллюстрирует данные измерений и первую схему активации запальной свечи.
Фиг.4 иллюстрирует данные измерений и вторую схему активации запальной свечи.
Фиг.5 иллюстрирует сравнение выбросов СО двигателя для схем активации запальной свечи, проиллюстрированных на фиг.3 и фиг.4.
Фиг.6 иллюстрирует сравнение выбросов СО в выхлопе для схем активации запальной свечи, проиллюстрированных на фиг.3 и фиг.4.
Фиг.7 иллюстрирует способ активации запальной свечи.
Фиг.8 иллюстрирует способ деактивации запальной свечи,
Фиг.9 иллюстрирует первый характеристический диапазон.
Фиг.10 иллюстрирует второй характеристический диапазон.
На фиг.1 показано устройство 11 для управления запальными свечами для электрических запальных свечей 12, которые схематично изображены нагревательными катушками. Запальные свечи 12 соединены с источником 13 питания через полевые МОП-транзисторы 14. Затвор каждого из полевых МОП-транзисторов 14 подсоединен к соответствующему выходу блока 16 управления затворами в устройстве 11 управления запальными свечами. Между стоком каждого полевого МОП-транзистора и соответствующей запальной свечой 12 расположены чувствительные резисторы 17. Вход и выход каждого из чувствительных резисторов 17 подсоединен к соответствующему выходу и соответствующему входу блока 19 диагностики в устройстве 11 управления запальными свечами.
Устройство 11 управления запальными свечами дополнительно содержит логический блок 20, который, в свою очередь, содержит логику диагностики и логику управления. Выход 12 диагностики логического блока 20 подсоединен к блоку управления двигателем (ECU), который не показан. Вход 23 управления логического блока 20 подсоединен к ECU. Кроме того, устройство 11 управления запальными свечами содержит блок 15 программирования режимов. Блок 15 программирования режимов соединен с выходами датчиков посредством входа 26. Вход 28 регистрации напряжения устройства 11 управления запальными свечами подсоединен к источнику 13 питания, а вход 29 электропитания устройства 11 управления запальными свечами подсоединен к напряжению питания.
Во время работы, логический блок 20 принимает входной сигнал управления из ECU, а блок 15 программирования режимов принимает величины показаний датчиков через вход 26. На основе величин показаний датчиков блок 15 программирования режимов определяет режим работы и передает соответствующие выходные величины в логический блок 20. Величины показаний датчиков могут включать в себя, помимо прочих, температуру охлаждающей жидкости для двигателя, например охлаждающей воды, скорость двигателя, впрыскиваемое топливо и выходной крутящий момент двигателя. ECU использует соответствующую модель для получения температуры камеры сгорания исходя из величин показаний датчиков и выдает полученную температуру камеры сгорания на вход 26. ECU может также выдавать в устройство 11 управления запальными свечами дополнительную информацию, например длительность предшествующей фазы простоя двигателя.
Логика управления логического блока 20 вычисляет требуемое эффективное напряжение для каждой из запальных свечей 12, которое основано на входных величинах, поступающих в устройство 11 управления запальными свечами. Блок 6 управления затворами использует требуемые эффективные напряжения для вычисления длительности рабочего цикла широтно-импульсной модуляции для каждой из запальных свечей 12 и управляет затворами полевых МОП-транзисторов в соответствии с данным рабочим циклом.
Через входы и выходы чувствительных резисторов 17 блок 19 диагностики получает перепад напряжения для каждого из чувствительных резисторов 17. Исходя из перепадов напряжения, блок диагностики получает токи питания для каждой из запальных свечей 2. Блок 19 диагностики выдает величины полученных токов питания в блок 25 программирования режимов. Кроме того, блок 19 диагностики генерирует состояние ошибки, если полученный ток питания выше или ниже, чем заданные граничные величины.
На фиг.2 показаны средние напряжения питания источника тока запальной свечи во время фазы прогрева запальной свечи. Во время фазы 30 быстрого прогрева от момента времени t0 до момента времени t2, запальная свеча нагревается при повышенном напряжении. Фаза быстрого прогрева разделяется на первую фазу 31 быстрого прогрева от момента времени t0 до момента времени t1, в которой подается среднее напряжение, равное 11 В, и вторую фазу быстрого прогрева, во время которой подается среднее напряжение, равное 9В. Во время фазы 33 нагревания запальная свеча питается своим номинальным напряжением. Длительность фазы нагревания изображена не в масштабе, что схематично показано посредством промежутка. После фазы нагревания начинается фаза 34 остаточного накала, в которой запальная свеча активируется только время от времени.
График, показанный на фиг.3, иллюстрирует схему активации запальной свечи, которая имеет место, когда запальная свеча 12 активируется в соответствии с алгоритмом управления, соответствующим данной заявке, и двигатель приводится в действие в соответствии с городскими ездовыми циклами (UDC) нового европейского ездового цикла (NEDC). Алгоритм управления описан ниже со ссылкой на фиг.7 и 8.
График, показанный на фиг.3, изображает прямоугольный импульсный сигнал 36 включения/выключения запальной свечи 12, сигнал 37 скорости вращения коленчатого вала, сигнал 38 притока топлива и сигнал 39 температуры охлаждающей воды. Сигналы измеряются, соответственно, в вольтах, оборотах в минуту, кубических миллиметрах на один такт, градусах Цельсия. Время измеряется в секундах. График изображает временной интервал от примерно 69 секунд после холодного запуска дизельного двигателя до 690 секунд после холодного запуска дизельного двигателя.
В соответствии с сигналом 39 температуры, температура охлаждающей воды повышается непрерывно по логарифмическому закону до тех пор, пока почти будет достигнута конечная температура, равная примерно 60°С. Непрерывная активация запальной свечи 12 заканчивается при примерно 120 секундах. После непрерывной активации, запальная свеча 12 управляется по алгоритму управления в соответствии с настоящим изобретением и остается включенной только в течение периода 41 активации. В случае UDC имеет место схема активации из периодов 40 активации с периодичностью фаз UDC. Это особенно хорошо видно в сравнении с сигналом 37 вращения коленчатого вала. В примере, изображенном на фиг.3, суммарная длительность активации запальной свечи получается равной 90 секундам.
Максимумы сигнала 39 вращения коленчатого вала отражают три фазы скорости UDC. На графике схема из трех максимумов повторяется почти четыре раза, что означает, что график охватывает почти четыре цикла UD. Активация запальной свечи начинается приблизительно с фазы UDC. Кроме того, скорость холостого хода двигателя между данными фазами немного уменьшается.
Периодичность сигнала 37 вращения коленчатого вала также отражается в схеме сигнала 38 притока топлива. Однако сигнал 38 притока топлива изменяется в результате изменяющихся условий в камерах сгорания. Расход топлива уменьшается, и пики перед первой и третьей фазой UDC почти исчезают. Уменьшается пик перед второй фазой UDC. Кроме того, несколько отрицательных пиков сигнала притока топлива отмечают моменты времени, когда расход топлива снижается до очень низких величин вследствие уменьшенной нагрузки во время переключения передачи.
На фиг.4 показан график со второй схемой активации запальной свечи, которая является результатом упрощенного алгоритма. В соответствии с упрощенным алгоритмом, запальная свеча активируется, когда скорость вращения коленчатого вала превышает пороговую величину в течение некоторого минимального времени. Запальная свеча деактивируется, если скорость вращения коленчатого вала падает ниже пороговой величины. В соответствии с графиком, запальная свеча активируется только во время второй фазы UDC. В первой фазе UDC запальная свеча не активируется вследствие низкой скорости, а в третьей фазе UDC она не активируется вследствие переключения передачи. В результате запальная свеча активируется в течение 3×20=60 секунд.
На фиг.5 и 6 показано сравнение выбросов СО для способа управления запальной свечой в соответствии с настоящим изобретением и для второго способа управления. На фиг.5 показан неочищенный выброс СО из двигателя, а на фиг.6 показан очищенный выброс СО после каталитического нейтрализатора.
На графике, показанном на фиг.5, изображены кривая 50 скорости, первая кривая 51 неочищенного выброса и вторая кривая 52 неочищенного выброса. Величины указаны в км/час и в граммах СО в секунду. Кривая скорости содержит четыре цикла UD, которые включают в себя, соответственно, первую фазу 53, вторую фазу 54 и третью фазу 55. Первая кривая 51 неочищенного выброса отличается от второй кривой 52 неочищенного выброса в основном пиками выбросов, причем пики из первой кривой неочищенного выброса более низкие. Различия показаны расстояниями 56.
На графике, показанном на фиг.6, изображены кривая 50′ скорости, первая кривая 51′ выброса и вторая кривая 52′ выброса. Величины указаны в км/час и в граммах СО в секунду. Как и на фиг.5, первая кривая 51′ неочищенного выброса отличается от второй кривой 52′ неочищенного выброса пиками выбросов, причем пики из первой кривой неочищенного выброса более низкие. Кроме того, выбросы первой кривой 51′ выброса во время второго цикла UD также значительно ниже. В итоге это приводит к значительному уменьшению выброса СО, когда запальные свечи нагреваются способом в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с вторым способом управления. Данный результат сохраняется несмотря на тот факт, что в соответствии со вторым способом управления запальная свеча также активируется во время второй фазы цикла UD.
На фиг.5, 6 показано, что, в общем, неочищенные выбросы уменьшаются, когда охлаждающая вода и, следовательно, камеры сгорания достигают своей конечной температуры. Кроме того, на фиг.6 показано, что эффективность каталитического нейтрализатора значительно повышается, когда камеры сгорания нагреваются.
x
Результат, подобный результату, проиллюстрированному на фиг.5, 6, получен также и для выбросов NO.
На фиг.7 и 8 показан алгоритм управления запальной свечой в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.7 показана активация запальной свечи. Это также относится к активации нескольких запальных свечей, которые могут активироваться одновременно или последовательно.
На этапе 60 принятия решения проверяется, находится ли скорость вращения коленчатого вала между нижним порогом v1_on и верхним порогом v2_on. Если да, то на следующем этапе 61 принятия решения проверяется, находится ли приток топлива между нижним порогом q1_on и верхним порогом q2_on. Если скорость вращения коленчатого вала и приток топлива находятся в соответствующих диапазонах, то на этапе 62 включается таймер, в противном случае этапы 60, 61 принятия решения повторяются.
После включения таймера, на этапах 63, 64 принятия решения снова проверяется, находятся ли скорость вращения коленчатого вала и приток топлива в соответствующих им диапазонах. Если да, то на этапе 65 проверяется, достигнуто ли время t_activate активации. В противном случае на этапе 67 таймер обнуляется, и алгоритм возвращается обратно к этапу 60 принятия решения. Если на этапе 65 принятия решения определено, что время активации достигнуто, то на этапе 65 запальная свеча активируется. В противном случае алгоритм возвращается обратно к этапу 63 принятия решения.
На фиг.8 показана деактивация запальной свечи. Это также относится к деактивации нескольких запальных свечей, которые могут активироваться одновременно или последовательно.
На этапе 68 принятия решения проверяется, достигнуто ли время t_hold выдержки. Если да, то на этапе 69 принятия решения проверяется, находится ли скорость вращения коленчатого вала между нижним порогом v1_off и верхним порогом v2_off. На этапе 70 принятия решения проверяется, находится ли приток топлива между нижним порогом q1_off и верхним порогом q2_off. Если скорость вращения коленчатого вала и приток топлива находятся в соответствующих им диапазонах, то алгоритм возвращается обратно к этапу 69 принятия решения. В противном случае на этапе 71 включается таймер.
На этапе 72 принятия решения снова проверяется, находится ли скорость вращения коленчатого вала между нижним порогом v1_off и верхним порогом v2_off. На этапе 73 принятия решения снова проверяется, находится ли приток топлива между нижним порогом q1_off и верхним порогом q2_off. Если скорость вращения коленчатого вала и приток топлива находятся в соответствующих им диапазонах, то на этапе 74 таймер обнуляется, и алгоритм возвращается обратно к этапу 69 принятия решения. В противном случае на этапе 75 проверяется, достигнуто ли время t_deactivate деактивации. Если да, то на этапе 76 запальная свеча деактивируется. В противном случае алгоритм возвращается обратно к этапу 72 принятия решения.
Блок управления двигателем может - на основании данных, таких как температура охлаждающей воды, - принять решение приостановить активацию запальной свечи. В противном случае этап 60 принятия решения, показанный на фиг.8, выполняется после деактивации запальной свечи 12.
В соответствии с настоящим изобретением, диапазоны для притока топлива и скорости вращения коленчатого вала определяются посредством калибруемых верхних и нижних порогов, которые могут быть откалиброваны на производственном объекте или в мастерской. После этапа 76 деактивации, запальная свеча или запальные свечи могут оставаться деактивированными в течение заданного периода деактивации до тех пор, пока снова не повторяется этап 60.
На фиг.9 показано определение характеристического диапазона 78 в области 79 входных параметров. Характеристический диапазон 78 определяется диапазонами [q1_on, q2_on] и [v1_on, v2_on]. Определение диапазонов приводит к прямоугольной форме характеристического диапазона или, в случае более трех входных параметров, к многомерному кубу.
На фиг.10 показано определение другого характеристического диапазона 78′ в области входных параметров, который имеет форму овала. В случае более обычной формы, показанной на фиг.10, проверка диапазонов [q1_on, q2_on] и [v1_on, v2_on] входных параметров q и v должна быть заменена проверкой того, находится ли величина (q, v) в пределах характеристического диапазона 78′. Таким образом, для обычной формы характеристического диапазона 78′ описанные выше этапы принятия решения, например, такие как этапы 60, 61, должны быть соответственно изменены. Так же как и диапазон 78, диапазон 78′ образует один непрерывный диапазон в отличие от нескольких несвязанных диапазонов.