СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF FUEL SUPPLY CONTROL AND DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE CONTROL

Двигатели внутреннего сгорания с впрыском топлива используются во многих устройствах, включая дизель-электрические приводные системы железнодорожных локомотивов. На Фиг.1 показана система 10 система регулирования нагрузки для электродвижущей приводной системы. Двигатель работает с постоянной скоростью, то есть в зависимости от энергетических потребностей (обычно называющихся регулированием заслонки дроссельного клапана), управляемых машинистом локомотива. Скорость регулируется до величины 12 команды изменения скорости путем регулирования количества топлива, подаваемого в двигатель. Регулятор 14 скорости генерирует сигнал 16 запроса топлива, основанный на команде 12 изменения скорости и сигнале 18 обратной связи о фактической скорости двигателя. При нормальной работе запрос 16 топлива непосредственно преобразуется в подачу топлива 20. Однако в некоторых условиях количество топлива 20 должно быть ограничено на основании того, что эти условия связаны с сигналом 16 запроса топлива для предотвращения как перегрузки двигателя, так и выхода из строя узлов двигателя и связанного с ним оборудования. Функция 22 предела подачи топлива зависит от двух разных критериев. Одним из них является статическое ограничение 24, основанное на текущей скорости двигателя, температуре и давлении в различных отделениях. Статическое ограничение 24 защищает двигатель и связанное с ним оборудование от механической перегрузки. Вторым критерием является динамическое ограничение 26, необходимое для удовлетворения временным ограничениям, таким как дым или эмиссии, или для вычисления запаздывания турбонагнетателя. Нижний предел статического ограничения 24 и динамического ограничения 26 выбирается минимальной функцией 28 как вход в предельную функцию 22 для ограничения количества подачи топлива 20 при повышении потребности в топливе. Когда предельная функция 22 активирована, двигатель получает топлива меньше, чем требуется для поддержания команды 12 на изменение скорости, и фактическая скорость 18 будет падать до тех пор, пока активировано управляющее воздействие. Для предотвращения такого падения фактической скорости 18 двигателя функция 30 регулирования нагрузки определяет разницу между подачей топлива 20 и запросом 16 топлива и выдает сигнал 32 снижения нагрузки для минимальной функции 34 для сравнения с сигналом 36 запроса машиниста. Сигнал запроса машиниста связан с регулированием заслонки дроссельного клапана и командой 12 на изменение скорости. Минимальная функция 34 подает выходной сигнал на блок управления 38 нагрузкой ходового двигателя для генерирования сигнала 40, управляющего нагрузкой для управления генератором переменного тока, используемого для питания ходовых двигателей локомотива. Уменьшенная нагрузка, создаваемая генератором переменного тока, противодействует снижению подачи топлива 20 за счет предельной функции 22, тем самым позволяя последовательно обеспечивать фактическую скорость 18 двигателя с помощью команды 12 на изменение скорости, хотя и на более низком уровне выходной мощности.
Количество топлива, требуемое для создания мощности в полную лошадиную силу, не остается постоянным в течение всего жизненного цикла двигателя. Краткосрочные изменения, такие как температура окружающей среды, внешнее давление и тип/качество топлива, влияют на количество потребляемого топлива. Износ узлов в течение длительного периода времени снижает эффективность двигателя и в результате имеет место увеличение количества потребляемого топлива. Мероприятия по техническому обслуживанию, такие как замена деталей, также изменяет количество потребляемого топлива. Статические пределы 24 и динамические пределы 26 должны быть обоснованно высокими, чтобы уладить краткосрочные и долгосрочные изменения. В современных конструкциях двигателей локомотива для расчета этих изменений пределы могут быть установлены на 50% выше первоначального потребления топлива.
Обычные локомотивные двигатели могут иметь 12 или 16 цилиндров. Когда один из цилиндров и/или топливопровод выходят из строя, прототип системы 10 регулирования нагрузки с Фиг.1 с целью поддержания желаемой скорости двигателя на оставшихся 11 или 15 цилиндрах увеличивает общую подачу топлива. Статическое ограничение 24 обеспечивает то, что увеличенная подача топлива не настолько велика, чтобы привести к катастрофическому отказу двигателя. Однако увеличенная подача топлива на оставшиеся рабочие цилиндры вызывает более высокое давление, тем самым повышая общую частоту отказов рабочих компонентов. Выброс отработанных газов может быть также неисправен. Такие отказы более всего вероятны, если неисправность не обнаружена машинистом, а двигатель функционирует в таком неисправном режиме длительное время.
Согласно перовому объекту настоящего изобретения создан способ управления подачей топлива для двигателя внутреннего сгорания, при котором управление подачей топлива осуществляют в соответствии с сигналом запроса и при котором ограничивают подачу топлива максимально допустимой величиной для предотвращения нежелательных условий работы, при этом согласно способу изменяют во времени максимально допустимую величину подачи топлива в соответствии с измеренным параметром и изменяют максимально допустимую величину подачи топлива в соответствии с изменением параметра работы двигателя, который проходит фильтр нижних частот.
Предпочтительно параметром измерения является параметр работы двигателя.
Предпочтительно параметр работы двигателя представляет собой скорректированный расход топлива для условия окружающей среды на единицу работы двигателя.
Предпочтительно дополнительно изменяют максимально допустимую подачу топлива в соответствии с одним из следующей группы измеренных параметров: норма подачи топлива на одну лошадиную силу, произведенную двигателем, норма подачи топлива на ход двигателя, норма подачи топлива на единицу скорости двигателя, норма подачи топлива на единицу крутящего момента, произведенного двигателем.
Предпочтительно обеспечивают сигнал оповещения в ответ на изменение параметра работы двигателя, который фильтруют фильтром нижних частот.
Предпочтительно к измеряемому параметру применяют функцию обработки и используют выходной сигнал от функции обработки для определения изменения максимально допустимой величины подачи топлива.
Предпочтительно к измеряемому параметру применяют усредняющую функцию для обеспечения изменений максимально допустимой величины подачи топлива в соответствии с износом двигателя и для предотвращения изменений максимально допустимой величины подачи топлива в соответствии с отказом компонентов двигателя.
Согласно второму объекту настоящего изобретения создано устройство для управления двигателем внутреннего сгорания, содержащее регулятор, отвечающий на сигнал запроса и сигнал обратной связи для создания сигнала запроса топлива; ограничитель подачи топлива, отвечающий на эксплуатационные данные работы двигателя для создания адаптивного ограничения топлива и содержащий: фильтр нижних частот, отвечающий на сигнал параметра работы двигателя для выработки отфильтрованного сигнала, и умножитель, отвечающий на отфильтрованный сигнал и на сигнал максимального уровня мощности для создания сигнала ограничения подачи топлива; и контроллер, отвечающий на адаптивное ограничение подачи топлива и запрос топлива для управления подачей топлива.
Предпочтительно устройство дополнительно содержит устройство сравнения, отвечающее на сигнал расхода топлива на единицу мощности и отфильтрованный сигнал расхода топлива на единицу мощности для создания разностного сигнала; и интегрирующее устройство, отвечающее на разностный сигнал для создания сигнала уровня интенсивности отказов.
Предпочтительно устройство дополнительно содержит пороговый детектор, отвечающий на сигнал уровня интенсивности отказов для создания сигнала отказа.
Настоящее изобретение может быть лучше понято со ссылкой на следующие чертежи, на которых идентичные элементы имеют одинаковые ссылочные позиции. На чертежах:
Фиг.1 - блок-схема системы регулирования нагрузки для локомотива согласно предшествующему уровню техники;
Фиг.2 - блок-схема системы регулирования нагрузки согласно одному варианту адаптивного ограничения топлива;
Фиг.3- блок-схема одного варианта функции адаптивного ограничения топлива с Фиг.2;
Фиг.4 - график переменных подачи топлива в течение времени для системы регулирования нагрузки с Фиг.2, использующей функцию адаптивного ограничения топлива с Фиг.3;
Фиг.5 - блок-схема дополнительного варианта функции адаптивного ограничения топлива с Фиг.2;
Фиг.6 - график переменных подачи топлива в течение времени для системы регулирования нагрузки с Фиг.2, использующей функцию адаптивного ограничения топлива с Фиг.5; и
Фиг.7 - блок-схема альтернативного варианта воплощения системы регулирования нагрузки, использующей функцию адаптивного ограничения топлива.
Фиг.2 представляет собой блок-схему варианта воплощения усовершенствованной системы 50 регулирования нагрузки, которая может применяться в локомотивах или других электрических приводных системах. В этой системе 50 функция 14 регулировки скорости и функция 24, 26, 28 управления ограничениями топлива такие же, как и в прототипе, проиллюстрированном на Фиг.1. Кроме того, система 50 регулирования нагрузки с Фиг.2 предусматривает функцию 52 адаптивного ограничения топлива, которая снизит нагрузку на двигатель в случае отказа, например, цилиндра двигателя или связанной с ним топливопроводной системы, что вызовет внезапное увеличение расхода топлива при номинально устойчивом функционировании. Такая уменьшенная нагрузка на двигатель получится косвенно в результате сниженной подачи 20 топлива. Адаптивное ограничение 52 топлива предназначено для обеспечения ограничения подачи топлива 20, которое может быть ниже, чем ограничения, введенные статическим ограничением 24 и динамическими ограничениями 26, тем самым защищая двигатель. Функция 52 адаптивного ограничения топлива отвечает на рабочую динамику двигателя для изменения максимально разрешенной подачи топлива в ответ на параметр, указывающий на функционирование двигателя в течение всего времени, как будет более подробно описано ниже. Функция 52 адаптивного ограничения топлива вырабатывает сигнал 54 адаптивного ограничения топлива, который сравнивается с выходной минимальной функцией 28 посредством минимальной функции 23 для обеспечения входного сигнала в блок 30 регулирования нагрузки. Если запрос 16 топлива больше сигнала 54 адаптивного ограничения топлива, блок 30 регулирования нагрузки уменьшает нагрузку на двигатель для достижения устойчивого состояния.
На Фиг.3 представлено воплощение блок-схемы для функции 52 адаптивного ограничения топлива. Функция 52 адаптивного ограничения топлива использует тот факт, что ухудшение работы в результате износа компонентов происходит в течение долгого промежутка времени, тогда как отказ компонентов обычно происходит внезапно. В функции 52 адаптивного ограничения топлива используется алгоритм 54 регулировки адаптивного ограничения топлива, основанный на информации, полученной от исправного двигателя, и он игнорирует информацию, получаемую при кратковременном отказе. Сигнал 16 запроса топлива, получаемый от регулятора 14 скорости (Фиг.1), принимается как входной сигнал. Сигнал 16 запроса топлива может быть скорректирован для таких переменных, как качество топлива, или для таких условий окружающей среды, как влажность окружающей среды, температура и давление, с помощью функции 56 коррекции с целью получения скорректированного запроса 58 топлива. Одним известным способом коррекции для температуры окружающей среды и давления является умножение запроса 16 топлива на
0,093
1/(((0,0005386*Т)+0,96768)*(14,135/Р)),
где Т - температура в градусах по Фаренгейту, а Р -абсолютное давление в фунтах на квадратный дюйм. Затем скорректированный запрос 58 топлива делится на фактическую производимую мощность 60 (например, полную мощность) в вычислительном устройстве 61 для получения единицы расхода топлива рабочего параметра, такого как скорректированное потребление топлива на лошадиную силу 62. Очевидно, что могут быть использованы в других вариантах воплощения такие параметры, как норма подачи топлива на лошадиную силу, произведенную двигателем, норма подачи топлива на ход двигателя, норма подачи топлива на единицу скорости двигателя или норма подачи топлива на единицу крутящего момента, созданного двигателем. Такие рабочие параметры со временем будут изменяться, поскольку детали двигателя изнашиваются. Другие параметры, относящиеся к работе двигателя, которые не являются непосредственными измерениями расхода топлива, со временем могут использоваться в функции адаптивного ограничения топлива, например параметры, основанные на выхлопе двигателя, температуре, давлении, влажности или норме подачи жидкости помимо топлива.
Сигнал 62 скорректированного потребления топлива на лошадиную силу фильтруется через усредняющую функцию, такую как фильтр нижних частот 64, для замедления изменений, имеющих место в результате износа компонентов с целью не допустить более быстрых изменений из-за отказа компонентов. Выход сигнал 72 фильтра нижних частот является отфильтрованным сигналом расхода топлива на единицу мощности. В одном варианте воплощения фильтр 64 может быть включен логической схемой 66 включения, например, только когда двигатель близок к набору максимальной скорости и полной мощности и не ограничен никакими топливными ограничениями 24, 26. Возможно обеспечить функцию 52 адаптивного ограничения топлива и на других скоростях двигателя и/или уровнях выходной мощности. Фильтр 64 нижних частот обрабатывает характеристики двигателя в течение периода времени в зависимости от временной константы 68, которая может изменяться выбранной логической схемой 70. Например, временная константа может быть установлена на нижнем значении, таком как 0,5 часа, при первоначальном вводе двигателя в действие или в любое время после выполнения технического обслуживания двигателя, или в любое время, когда известно, что двигатель полностью исправен. Это обеспечивает быструю обработку функции 52 адаптивного ограничения топлива через быструю обработку выходного сигнала 72 фильтра 64 нижних частот. Когда разрешенное время превышает заранее установленные сроки, например 1 час, временная константа 68 может быть установлена на большее значение, например 6 часов. Эти сроки устанавливаются для получения быстрой адаптации во время работоспособного периода двигателя и для того, чтобы обеспечить выходному сигналу 72 уловить медленные изменения, такие как износ деталей. В противном случае могут быть выбраны линейные или другие изменения во временной константе 68 или сама временная константа может оставаться постоянной.
Затем выходной сигнал 72 фильтра 64 нижних частот может быть усилен выбранным значением, таким как дельта 74 ограничения топлива, например в 3%, для получения скорректированного топлива на лошадиную силу 76. Дельта 74 ограничения топлива может быть целенаправленно выбрана меньше, чем ожидаемое изменение в подаче топлива, когда один цилиндр выйдет из строя для того, чтобы обеспечить защиту двигателя в такой ситуации. Эта величина умножается на максимальную выходную мощность 78 двигателя для получения скорректированного разрешенного 80 объема топлива и заново скорректированного для температуры окружающей среды и давления 82 для получения сигнала 54 адаптивного ограничения топлива. Изучаемые уровни топлива нормализуются до стандартных (скорректированных) условий температуры и давления. Эта коррекция используется для устранения естественного изменения подачи топлива, связанного с изменением условий окружающей среды. Этот запомненный уровень топлива может регулироваться до уровня, соответствующего текущей температуре и давлению, поскольку настоящие ограничения топлива объединяются в некорректированных блоках.
Также возможно скорректировать потребность в топливе и ограничения до использования ограничений в предельной функции 22 и затем заново скорректировать выходной сигнал предельной функции 22. Это объясняется изменениями условий окружающей среды без объединения такой неопределенности в статических ограничениях 24, тем самым снижая требуемый предел. Это уменьшение предела получается в результате снижения подачи топлива 20 в определенных случаях.
На Фиг.4 показан график нескольких переменных функции 52 адаптивного ограничения топлива с Фиг.2. Потребность 16 в топливе и скорректированный запрос 58 топлива являются необработанными сигналами расхода топлива, которые могут со временем постепенно увеличиваться в процессе износа двигателя. В момент времени Х может произойти внезапное увеличение потребности 16 в топливе вследствие изменения условий окружающей среды или изменения в подаче топлива. Это внезапное изменение, если будет полностью скорректировано, не покажет изменений в скорректированной потребности в топливе. Однако на практике в коррекции может иметь место ошибка, и это отражается на скорректированной потребности 58 в топливе в виде очень малого изменения в момент времени X.
Скорректированный разрешенный объем 80 топлива инициируется при максимальной величине ограничения топлива, которая может соответствовать статическому ограничению 24. Поскольку функция 52 адаптивного ограничения топлива устанавливается в зависимости от фактического расхода топлива двигателем, скорректированный разрешенный 80 объем топлива снижается на уровне, управляемом временной константой 68 до тех пор, пока не будет соответствовать скорректированному запросу 58 топлива плюс дельта 74 ограничения топлива. Затем скорректированный разрешенный объем 80 топлива регулируется, увеличиваясь в этом примере, в ответ на функционирование двигателя, поскольку с течением времени двигатель изнашивается. Таким образом, адаптивное ограничение 54 топлива более эффективно, чем устаревшее статическое ограничение 24, поскольку оно может быть гораздо ближе к фактическому уровню потребления топлива, чем статическое ограничение 24 топлива. Как упоминалось выше, статическое ограничение 24 может составить 50% сверх первоначального уровня потребления топлива, тогда как скорректированный разрешенный объем 80 топлива очень быстро приближается только примерно к 3% сверх фактического уровня потребления топлива и его легко увеличить при износе двигателя. В действительности скорректированный запрос 58 топлива может медленно увеличиваться, что превышает ранние величины скорректированного разрешенного объема 80 топлива, поскольку может быть оценен рассмотрением этих относительных величин в моменты времени Х и Y.
В момент времени Y имеет место отказ топливного насоса или отказ другого компонента, что внезапно понижает выходную мощность от одного из цилиндров двигателя. Получающееся в результате увеличение при скорректированном запросе 58 топлива ограничивается скорректированным разрешенным ограничением 80 топлива примерно до 3%, поскольку дальнейшие увеличения скорректированного запроса 58 топлива делаются ненужными соответствующими увеличениями нагрузки 40, генерируемыми блоком 30 регулирования нагрузкой. Может иметь место короткий всплеск потребности в топливе, который может превысить это количество до того, как функция адаптивного ограничения топлива сможет среагировать, однако такой всплеск не показан на шкале Фиг.4, который может быть показан на шкале дней или месяцев. Когда это произойдет, адаптивная обработка данных прекращается.
На Фиг.5 изображен дополнительный вариант функции адаптивного ограничения топлива, когда функция сигнализации/оповещения выполняется отдельно от функции ограничения топлива. В этом варианте дельта-функция 74 ограничения топлива может быть установлена для любой произвольной величины и может быть целенаправленно установлена для значения, которое выше ожидаемого изменения при выходе из строя одного цилиндра. Этот подход позволит двигателю поддерживать его номинальную входную мощность с N-1 цилиндрами, вырабатывающими энергию, и обеспечит сигнализацию отказа для машиниста или ремонтника для того, чтобы отказ был обнаружен, и машинист смог бы предпринять соответствующие действия. Например, машинист может оставить двигатель работать на полную мощность, когда локомотив движется по участку дороги, имеющему крутой подъем, где необходима полная мощность. Машинист также может оставить двигатель работать на полной мощности до тех пор, пока не будет удобно его отремонтировать. В качестве альтернативы для устранения избыточной нагрузки на компоненты двигателя машинист может снизить потребность 36 в мощности за счет регулирования заслонки в ситуациях, где уменьшенный уровень мощности безопасен и экономически приемлем. Другие ситуации могут предложить относительно высокую дельта-функцию 74 ограничения топлива, например, когда имеет место сильный шум или изменения в запросе топлива, что не объясняется в функции 56 коррекции. Во время технического обслуживания или при замене деталей машинист или ремонтник могут переустановить скорректированное разрешенное количество топлива до максимального или нового рабочего условия двигателя или этот алгоритм может быть разрешен для обработки его текущей установки. Также возможно выполнить операцию быстрой обработки информации после такого технического обслуживания.
Как показано на Фиг.5, устройство 84 сравнения для получения разностного сигнала 85 основывается на разности между входом и выходом фильтра 64 нижних частот. В одном варианте воплощения интегрирующее устройство 86 активизируется вместе с фильтром нижних частот. Интегрирующее устройство 86 может иметь слегка смещенный выходной сигнал для расчета любой ошибки или поправки при оценке, и он может быть установлен с тем, чтобы была возможна полярность выходного сигнала. Это интегрирующее устройство блокирует нулевое среднее изменение в запросе топлива выше топливных ограничений, переходя в положительном направлении, когда средний уровень топлива превышает лимит. Выходной сигнала интегрирующего устройства 86 является уровнем 88 интенсивности отказов, что указывает на неисправность цилиндра или другой внезапный отказ. Уровень 88 интенсивности отказов может использоваться как индикатор в его необработанном виде, или он может фильтроваться через пороговый детектор 90 для получения сигнала 92 отказа или оповещения. Уровень 88 интенсивности отказов или сигнал 92 отказа могут быть использованы для остановки алгоритма адаптации, основанного на ряде отказов или другом критерии, и/или он может быть использован для ограничения подачи топлива.
На Фиг.6 показан график нескольких переменных системы управления нагрузкой, использующей адаптивное ограничение топлива согласно Фиг.5. В этом варианте функция 74 ограничения топлива устанавливается достаточно высокой для того, чтобы скорректированный разрешенный объем 80 топлива не ограничивал подачу топлива в случае отказа одного цилиндра, а двигателю разрешено было работать на полную мощность. Выходной сигнал интегрирующего устройства 86 обнаружения отказов обозначает быстрое увеличение уровня 88 интенсивности отказов, что превышает установленный предел 94 обнаружения отказов порогового детектора 90, тем самым обеспечивая машиниста оповещением без снижения выходной мощности двигателя. Скорректированный разрешенный объем топлива получает новый уровень потребления топлива двигателем, что является доступным, поскольку увеличивается предел защиты двигателя даже от внезапного большого запроса топлива.
Различные логические и управляющие функции согласно настоящему изобретению могут быть воплощены в виде структуры данных или распространяемых сигналов и могут быть резидентными программами в оборудовании, программном обеспечении, встроенных программах или их комбинациях. Команды по выполнению этого способа могут быть резидентными программами на считываемом компьютером носителе, выдающими команду компьютерной системе, а именно устройствам статического или динамического распределения памяти, жесткому компьютерному приводу, гибкому диску выполнять установившуюся последовательность согласно настоящему изобретению, или он может быть доступным посредством использования сервисного провайдера. Обычный прототип системы управления нагрузкой с Фиг.1 может быть модифицирован путем улучшения аппаратного, программного обеспечения, встроенных программ или их комбинаций для получения дополнительных функций, показанных на Фиг.2, для использования настоящего изобретения в существующей системе.
Могут быть предусмотрены и другие варианты воплощения адаптивной системы управления подачей топлива/нагрузки. Например, на Фиг.7 представлен альтернативный вариант воплощения системы 100 управления нагрузкой с использованием функции 96 адаптивного ограничения топлива. В этом варианте воплощения функция управления, такая как функция 22 ограничения, управляет/ограничивает подачу 20 топлива непосредственно в ответ на полученный сигнал 98 адаптивного ограничения топлива в случае внезапного увеличения запроса топлива. Это противоположно варианту воплощения с Фиг.2, где функция управления, которая ограничивает расход топлива, действует косвенно через функцию 30 управления нагрузкой. Функция 96 адаптивного ограничения топлива может быть подобна функции 52 адаптивного ограничения топлива с Фиг.3, или она может быть любой другой подходящей функцией обработки, отвечающей на предыдущую информацию о рабочих характеристиках двигателя для создания сигнала адаптивного ограничения топлива. Рабочие характеристики двигателя могут быть измерены как параметр, реагирующий на расход топлива на единицу производительности. В варианте воплощения с Фиг.7 действие функции 96 адаптивного ограничения топлива может вызвать падение подачи 20 топлива ниже требуемой величины для получения максимальной мощности или требуемой скорости, и в этом случае функция 30 управления нагрузкой автоматически корректируется путем уменьшения нагрузки на двигатель.
Хотя были продемонстрированы и описаны предпочтительные варианты воплощения настоящего изобретения, очевидно, что они являются лишь примерами. Специалисты могут внести многочисленные изменения и замещения. Следует понимать, что изобретение ограничивается по сущности и объему только прилагаемой формулой изобретения.