СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF CONTROLLING INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к транспорту и энергомашиностроению, конкретно к системам управления двигателем внутреннего сгорания.
В настоящее время управление двигателем внутреннего сгорания выполняют следующим образом. Задают расходную характеристику всех электромагнитных форсунок одним коэффициентом наклона прямой линии (SAE J1832). При таком задании характеристики прямая линия расхода проходит через начало координат. Эта линия не отражает реальные расходные характеристики всех форсунок, которые имеют смещение по оси времени впрыска топлива, связанное с предварительным натягом пружины клапана, трением между подвижными частями клапана, а также перепадом давления топлива на клапане электромагнитной форсунки. Линия расхода топлива, проходящая через начало координат имеет отклонения в рабочем диапазоне расходов топлива от 25% на режиме холостого хода и до 5% по всей характеристики. Эти отклонения корректируются в программе управления двигателем во время испытаний при проведении калибровочных работ с помощью дополнительных таблиц статических и динамических коэффициентов или функций.
Недостатки данного способа заключаются в необходимости заполнения калибровочных таблиц и введения дополнительных функций, а это требует значительного времени испытаний двигателей в моторных боксах и в составе транспортного средства, а также не учитывает ошибки инженера испытателя. Кроме этого сложно точно рассчитать топливоподачу на динамических режимах работы двигателя из-за неточного задания расходных характеристик электромагнитных форсунок. Это приводит к повышенным выбросам токсичных компонентов на выхлопе двигателя и к увеличению времени калибровочных и доводочных работ по системе его управления. В процессе эксплуатации транспортного средства происходит изменение расходных характеристик форсунок за счет изменения трения в их подвижных элементах, изменения жесткости пружин клапанов, отложений во внутренних каналах форсунок загрязняющих веществ и других факторов. Эти изменения учитываются только при коррекции топливоподачи с помощью коэффициента вычисляемого по сигналу инерционного датчика кислорода с запозданием на 2…5 с при работе прогретого двигателя внутреннего сгорания. На не прогретом двигателе внутреннего сгорания и на мощностных режимах работы коррекция топливоподачи по сигналу датчика кислорода выключена.
Известен способ диагностики расходных характеристик электромагнитных форсунок (стр. 267-268, В.А. Шишков. Методы управления рабочим циклом двухтопливных и однотопливных поршневых газовых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, специальность 05.04.02 - «Тепловые двигатели». - Самара, 2013, 395 с.). Способ заключается в том, что после пуска и прогрева двигателя, определяется режим диагностики, например на 10 с. В это время двигатель не реагирует на действия водителя. Например, на режиме холостого хода последовательно на каждой из форсунок на 1 секунду происходит изменение длительности подаваемого импульса, например, с 3 мс до 5 мс, а затем до 7 мс. При этом определяются изменения величины обогащения смеси по показаниям датчика кислорода, расположенного до нейтрализатора при длительности 5 и 7 мс. По данным откликам, при сравнении с начальными значениями, полученными после первого запуска двигателя на заводе изготовителе и сохраненными в энергонезависимой памяти контроллера, вычисляется коэффициент изменения расходной характеристики конкретной форсунки на участке линейной характеристики. При изменении характеристики более, например, 20% формируются коды ошибок о неисправности конкретной форсунки с последующим включением контрольной лампы диагностики. Один код ошибки для изменения точки динамической настройки форсунки, второй код для изменения статической точки настройки, третий код при изменении обоих точек настройки выше допустимого значения. Для четырех цилиндрового двигателя можно вывести 12 кодов ошибок форсунок. В качестве отклика на изменение расхода топлива, при изменении длительности импульса открытого состояния клапана форсунки, можно использовать мгновенное изменение частоты вращения коленчатого вала (его скорость или ускорение) и по этой величине определять ее состояние и проводить диагностику с фиксированием соответствующего кода ошибки. В этом случае, время диагностики форсунок может быть не более 1 с.
Данный алгоритм не всегда осуществим из-за большой инерционности датчиков кислорода и дискретности измерения частоты вращения коленчатого вала.
Задачами изобретения являются снижение затрат на проведение калибровочных и доводочных работ системы управления двигателем внутреннего сгорания, а также повышение точности дозирования топлива как на стационарных так и на динамических режимах для снижения выбросов токсичных компонентов в отработавших газах в процессе эксплуатации транспортного средства.
-1
Указанные задачи в способе управления двигателем внутреннего сгорания заключающегося в измерении на безмоторном стенде расходных характеристик электромагнитных форсунок в зависимости от ширины импульса питающего напряжения с последующим заданием в программе микроконтроллера управления двигателем среднего максимального расхода топлива с расходной характеристики, при максимальной ширине импульса питающего напряжения, а расход топлива через электромагнитные форсунки в двигатель вычисляют в зависимости от расхода воздуха в двигатель, решаются тем, что, дополнительно в программе микроконтроллера управления двигателем задают точку среднего минимального расхода топлива с расходных характеристик форсунок, при ширине импульса питающего напряжения реализуемого на холостом ходу при минимальной нагрузке двигателя, а на промежуточных режимах расход топлива через каждую электромагнитную форсунку в двигатель вычисляют по линии от среднего минимального до среднего максимального расхода топлива, а также тем, что, задают в программе микроконтроллера управления двигателем минимальный и максимальный расход топлива с расходной характеристики каждой в отдельности электромагнитной форсунки, а расход топлива в двигатель вычисляют по соответствующей характеристике каждой форсунки и тем, что, для корректировки дозирования топлива через электромагнитные форсунки в процессе эксплуатации, при температуре охлаждающей жидкости в диапазоне 10 - 30°С, при пуске двигателя перед началом подачи топлива и при частоте вращения вала двигателя до 60 мин, на электромагнитные форсунки последовательно подают рабочие импульсы напряжения шириной для полного открытия клапана форсунки, при этом измеряют характеристику тока по времени в катушке каждой электромагнитной форсунки с помощью микроконтроллера управления двигателем, далее по характеристике тока, за период импульса напряжения, определяют интеграл от изменения тока по времени, который сравнивают со значением этого же интеграла полученного для новой электромагнитной форсунки и записанного в энергонезависимой памяти микроконтроллера управления двигателем, по результатам сравнения вычисляют корректирующий коэффициент, с помощью которого корректируют минимальный расход топлива каждой форсунки и записывают эти значения в энергонезависимую память микроконтроллера управления двигателем, и тем, что, при ремонте системы топливоподачи двигателя внутреннего сгорания, после замены всех электромагнитных форсунок, с помощью диагностического прибора записывают в энергонезависимую память микроконтроллера управления двигателем средний минимальный и средний максимальный расход установленных электромагнитных форсунок, и тем, что, при ремонте системы топливоподачи двигателя внутреннего сгорания, после замены электромагнитной форсунки, с помощью диагностического прибора записывают в энергонезависимую память микроконтроллера управления двигателем минимальный и максимальный расход установленной электромагнитной форсунки и тем, что измеряют период времени от подачи напряжения на катушку электромагнитной форсунки до момента перемещения клапана в положение открыто, которое фиксируют дополнительным датчиком измерения вибраций, затем измеряют период времени от момента снятия напряжения с катушки форсунки до момента посадки клапана на седло в положение закрыто, по изменениям периодов открытия и закрытия клапана форсунки формируют корректирующий коэффициент, с учетом которого изменяют расход топлива, и тем, что при увеличении интеграла изменения тока в катушке электромагнитной форсунки по времени в период открытия ее клапана выше заданного порога интеграла изменения тока в катушке электромагнитной форсунки по времени в период открытия ее клапана или при увеличении времени открытия клапана электромагнитной форсунки выше заданного ограничения времени открытия клапана электромагнитной форсунки, прекращают подачу команд на открытие ее клапана, выключают регулирование по датчикам кислорода в отработавших газах, вырабатывают код ошибки с порядковым номером форсунки и зажигают диагностическую лампу о неисправности на панели приборов автомобиля, при этом порог интеграла изменения тока в катушке электромагнитной форсунки по времени в период открытия ее клапана и ограничение времени открытия клапана электромагнитной форсунки записывают в энергонезависимую память микроконтроллера управления двигателем перед началом эксплуатации.
В известных технических решениях признаков сходных с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не обнаружено, следовательно, это решение обладает существенными отличиями. Приведенная совокупность признаков в сравнении с известным уровнем техники позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию «новизна». В то же время, заявляемое техническое решение применимо в промышленности, в частности в микропроцессорных системах управления двигателями внутреннего сгорания и может быть использовано для управления двигателями транспортных средств, поэтому оно соответствует условию «промышленная применимость».
Изобретение поясняется следующим схемами.
На фиг. 1 представлена расходная характеристика электромагнитной форсунки в зависимости от ширины импульса впрыска топлива реальная (линия 2) и задаваемая одной точкой (линия 1) в программе микропроцессора электронного блока управления двигателем.
На фиг. 2 представлена схема изменения тока в катушке по времени при открытии и закрытии клапана электромагнитной форсунки для новой форсунки (линия 1); для форсунки (линия 2), у которой потеряла жесткость пружина клапана или снизилось сопротивление трения клапана о направляющие или упало давление перед клапаном форсунки; для форсунки (линия 3), у которой засорились внутренние топливные каналы.
ст
ст
ст
откр.д
откр.д
ст
дин
В существующем программном обеспечении системы управления двигателем внутреннего сгорания расходную характеристику электромагнитной форсунки задают одной статической точкой V (фиг. 1), которая характеризуется площадью проходного сечения жиклера. Расчет расхода топлива на промежуточных режимах работы двигателя определяют по линии 1 (фиг. 1), которая соединяет начало координат с расходом в точке V (фиг. 1). Реальная расходная характеристика (линия 2, фиг. 1) электромагнитной форсунки проходит через точку максимального расхода V (фиг. 1) и имеет больший наклон к оси абсцисс. Это вызвано пред натягом пружины клапана форсунки, весом клапана, перепадом давления топлива на клапане форсунки и трением подвижного клапана о направляющие. Поэтому линия 2 (фиг. 1) не приходит в начало координат, а соединяется с точкой t - это время открытия клапана электромагнитной форсунки. Для современных бензиновых электромагнитных форсунок время открытия t лежит в диапазоне от 1,2 до 1,8 мс, а для газовых от 1,5 до 4,5 мс. В результате этого возникает погрешность ΔV (фиг. 1) в расчете расхода топлива на промежуточных режимах работы двигателя, при этом погрешность ΔV (фиг. 1) увеличивается при снижении режима работы двигателя внутреннего сгорания. Погрешность ΔV (фиг. 1) компенсируют с помощью специальных калибровочных таблиц, которые заполняют инженеры испытатели в процессе доводки системы управления двигателем в различных условиях эксплуатации. Это приводит к погрешностям топливоподачи в двигатель внутреннего сгорания, связанным с человеческим фактором, и к увеличению времени доводочных работ. В предлагаемом способе реальную расходную характеристику (линия 2, фиг. 1) электромагнитной форсунки задают двумя точками V и V, а расход топлива на промежуточных режимах работы двигателя внутреннего сгорания вычисляют по прямой линии между вышеназванными точками.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
1
4
2
5
3
6
0
На фиг. 2 показано изменение тока I в катушке электромагнитной форсунки при ее открытии и закрытии; t - начало подачи напряжения на катушку электромагнитной форсунки; t, t, t - начало движения клапана форсунки в положение открыто соответственно: линия 2 (фиг. 2) - при пониженном сопротивлении трения или ослаблении пружины клапана, линия 1 (фиг. 2) - новой форсунки и линия 3 (фиг. 2) - при засорении внутренних топливных каналов форсунки; t, t, t - клапан форсунки в положение открыто для линий 2, 1 и 3 соответственно (фиг. 2); t - выключено напряжение питания катушки форсунки; t - клапан форсунки в положении закрыт. Линии 1, 2 и 3 (фиг. 2) имеют характерные участки с различным наклоном протекания тока в катушке в периодах движения клапана на открытие, соответственно на временных участках t…t, t…t, t…t (фиг. 2). Изменение наклона протекания тока в катушке электромагнитной форсунки связано с самоиндукцией при движении металлического клапана форсунки из положения закрыто в положение открыто и обратно в электромагнитном поле катушки форсунки. Изменение наклона характеристики протекания тока в катушке электромагнитной форсунки фиксируют по градиенту ΔI/Δt с учетом начала времени подачи напряжения t (фиг. 2).
0
5
ст_ср
ст_i
ст_i
дин_ср
дин_i
дин_i
дин
дин_ср
ст_ср
Способ по п. 1 осуществляют следующим образом. Измеряют на безмоторном стенде расходные характеристики электромагнитных форсунок в зависимости от ширины импульса (t…t, фиг. 2) питающего напряжения с последующим заданием в программе микроконтроллера управления двигателем среднего максимального расхода V=ΣV/N (фиг. 1) топлива с расходной характеристики, где: V - статический расход топлива i-ой форсунки, i изменяется до N - число электромагнитных форсунок, при максимальной ширине импульса питающего напряжения, а расход топлива через электромагнитные форсунки в двигатель вычисляют по линии расходной характеристики в зависимости от расхода воздуха в двигатель, при этом дополнительно в программе микроконтроллера управления двигателем задают точку среднего минимального расхода V=ΣV/N (фиг. 1), (где: V - динамический расход топлива с расходных характеристик i-ой форсунки, i изменяется до N - число электромагнитных форсунок) при ширине импульса (от 0 до t, фиг. 1) питающего напряжения реализуемого на холостом ходу при минимальной нагрузке двигателя, а на промежуточных режимах расход топлива через каждую электромагнитную форсунку в двигатель вычисляют по линии от среднего минимального V до среднего максимального V (фиг. 1) расхода топлива.
дин_i
ст_i
Способ по п. 2 осуществляют следующим образом. Задают в программе микроконтроллера управления двигателем минимальный V и максимальный V расход топлива с расходной характеристики каждой в отдельности электромагнитной форсунки i, а расход топлива в каждый i - цилиндр двигателя вычисляют по соответствующей характеристике форсунки i.
-1
0
5
i
i
0
4
0
5
0
6
i
0
5
i
0
4
0
6
дин_i
Способ по п. 3 осуществляют следующим образом. Выполняют корректировку дозирования топлива через электромагнитные форсунки в процессе эксплуатации, при этом, при температуре охлаждающей жидкости в диапазоне 10 - 30°С, при пуске двигателя перед началом подачи топлива и при частоте вращения вала двигателя до 60 мин, на электромагнитные форсунки последовательно подают рабочие импульсы напряжения шириной t…t (фиг. 2) полного открытия клапана форсунки, при каждом импульсе напряжения измеряют характеристику тока в катушке каждой электромагнитной форсунки с помощью микроконтроллера управления двигателем, далее по характеристике тока определяют градиент (ΔI/Δt), по которому вычисляют суммарный интеграл (ΔI/Δt) на участках в период t…t или t…t или t…t (фиг. 2) открытия клапана электромагнитной форсунки, и далее определяют корректирующий коэффициент в виде отношения интеграла (ΔI/Δt), полученного для новой электромагнитной форсунки на участке t…t (фиг. 2), к интегралу (ΔI/Δt), полученному в процессе эксплуатации, т.е. на участках t…t или t…t (фиг. 2) для электромагнитной форсунки с пониженным сопротивлением трения движению ее клапана и для электромагнитной форсунки с засорением внутренних каналов соответственно, после этого корректируют минимальный V путем умножения на корректирующий коэффициент (фиг. 1) расход топлива каждой форсунки и записывают эти значения в энергонезависимую память микроконтроллера управления двигателем. Изменение наклона характерного участка тока в сторону уменьшения времени открытия клапана говорит о том, что произошло снижение сопротивления трения поверхностей клапана из-за износа или из-за ухудшения упругих характеристик пружины клапана или из-за снижения давления топлива на входе в электромагнитную форсунку (линия 2, фиг. 2). Смещение характерного участка тока, показывающего момент открытия клапана электромагнитной форсунки в сторону увеличения времени открытия клапана говорит о том, что произошло засорение внутренних каналов форсунки (линия 3, фиг. 2).
дин_ср
ст_ср
Способ по п. 4 осуществляют следующим образом. При ремонте системы топливоподачи двигателя внутреннего сгорания, после замены всех электромагнитных форсунок, с помощью диагностического прибора записывают в энергонезависимую память микроконтроллера управления двигателем средний минимальный V (фиг. 1) и средний максимальный V (фиг. 1) расход установленных электромагнитных форсунок.
дин_i
ст_i
Способ по п. 5 осуществляют следующим образом. При ремонте системы топливоподачи двигателя внутреннего сгорания, после замены электромагнитной форсунки, с помощью диагностического прибора записывают в энергонезависимую память микроконтроллера управления двигателем минимальный V и максимальный V расход установленной электромагнитной форсунки.
0
4
0
5
0
6
7
8
0
4
0
5
0
6
5
6
0
4
0
5
5
0
4
0
0
6
0
5
6
0
5
0
7
8
7
8
Способ по п. 6 осуществляют следующим образом. Для корректировки дозирования топлива через электромагнитные форсунки в процессе эксплуатации, дополнительно измеряют период t…t или t…t или t…t (фиг. 2) времени от подачи напряжения на катушку электромагнитной форсунки до момента перемещения клапана в положение открыто, которое фиксируют дополнительным датчиком измерения вибраций (акселерометром), затем измеряют период t…t (фиг. 2) времени от момента снятия напряжения с катушки форсунки до момента посадки клапана на седло в положение закрыто, по изменениям периодов открытия t…t или t…t или t…t и закрытия t…t (фиг. 2) клапана форсунки формируют корректирующий коэффициент, с учетом которого изменяют расход топлива. Например, если время открытия клапана электромагнитной форсунки уменьшилось, вариант t…t (фиг. 2), по сравнению с новой форсункой, у которой время открытия t…t (фиг. 2), то уменьшают на разницу [(t-t)-(t-t)] ширину импульса впрыска топлива через электромагнитную форсунку. Если время открытия клапана электромагнитной форсунки увеличилось, вариант t…t (фиг. 2), по сравнению с новой форсункой, у которой время открытия t…t (фиг. 2), то увеличивают на разницу [(t-t)-(t-t)] ширину импульса впрыска топлива через электромагнитную форсунку. Если время t…t (фиг. 2) закрытия клапана электромагнитной форсунки уменьшилось по сравнению с новой электромагнитной форсункой, то на величину этого уменьшения увеличивают ширину импульса впрыска топлива электромагнитной форсунки. Если время t…t (фиг. 2) закрытия клапана электромагнитной форсунки увеличилось по сравнению с новой электромагнитной форсункой, то на величину этого увеличения уменьшают ширину импульса впрыска топлива электромагнитной форсунки.
i
i_порог
1
4
2
5
3
6
0
5
0
5
ограничение
i_порог
0
5
ограничение
Способ по п. 7 осуществляют следующим образом. При увеличении интеграла (ΔI/Δt) изменения тока в катушке электромагнитной форсунки по времени в период открытия ее клапана выше заданного в энергонезависимой памяти электронного блока управления двигателем порога интеграла (ΔI/Δt) в периоды открытия t…t или t…t или t…t (фиг. 2) или при увеличении времени открытия t…t (фиг. 2) клапана электромагнитной форсунки выше заданного ограничения (t…t), характеризующего подклинивание или заклинивание ее клапана, прекращают подачу команд на открытие ее клапана, выключают регулирование по датчикам кислорода в отработавших газах, вырабатывают код ошибки с порядковым номером форсунки и зажигают диагностическую лампу о неисправности на панели приборов автомобиля, при этом порог интеграла (ΔI/Δt) изменения тока в катушке электромагнитной форсунки по времени в период открытия ее клапана и ограничение (t…t) времени открытия клапана электромагнитной форсунки записывают в энергонезависимую память микроконтроллера управления двигателем перед началом эксплуатации.
Таким образом, изобретением усовершенствованы способ для повышения точности дозирования топлива через электромагнитный форсунки в двигатель внутреннего сгорания, в котором оптимизированы и изменено задание в программе микропроцессорного блока управления расходных характеристик электромагнитных форсунок, а также производиться их коррекция и диагностика состояния в процессе эксплуатации и ремонта транспортного средства.