ЭМУЛЯТОР ИНЖЕКТОРА
INJECTOR EMULATOR

Настоящее изобретение относится к эмулятору инжектора, который может использоваться в частности, но не только, в двигателях транспортных средств с двухтопливной системой.
Была разработана двухтопливная система для двигателей транспортных средств, которая на данный момент является предметом находящейся на рассмотрении патентной заявки №PCT/GB2008/003188.
Это система описана ниже, со ссылками на фиг.1-4, где:
на фиг.1 схематично показан ЭБУ дизельного двигателя, являющийся частью двигателя из известного уровня техники, использующего только дизельное топливо;
на фиг.2 схематично показан узел двигателя по одному из вариантов осуществления изобретения, описанного в патентной заявке №PCT/GB2008/003188;
на фиг.3 схематично показан узел двигателя по фиг.2, работающего во втором режиме;
фиг.4 представляет собой блок-схему, показывающую работу узла двигателя по фигурам 2 и 3.
На фиг.1, узел дизельного двигателя из известного уровня техники обозначен ссылочным номером 2. Узел двигателя включает в себя электронный блок 4 управления (ЭБУ), управляющий работой дизельного двигателя 6. ЭБУ 4 разработан производителем транспортного средства таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная эффективность работы двигателя 6 на дизельном топливе, с учетом различных параметров, которые могут повлиять на мощность и расход топлива у двигателя 6. Можно использовать любой подходящий двигатель, но в этом примере мы взяли инжекторный двигатель common rail, имеющий шесть цилиндров 8, и шесть дизельных форсунок 10. Кроме того, двигатель 6 содержит впускной коллектор 14 и выпускной коллектор 16.
Двигатель 6 в данном примере, кроме того, содержит турбонагнетатель 12, который увеличивает мощность двигателя известным образом. Во время работы двигателя 6, сжатый воздух из турбонагнетателя 12 подается в двигатель через впускной коллектор 14 в цилиндры 8. Каждая из форсунок 10 впрыскивает дизельное топливо в цилиндры. Количество топлива, впрыскиваемого в двигатель каждой из форсунок 10, равно как и продолжительность каждого впрыска, регулируется блоком 4 управления. Дизельное топливо известным образом смешивается с воздухом и воспламеняется во время такта сжатия двигателя 6, таким образом, высвобождая энергию для работы двигателя 6. После сжатия отработавшие газы, представляющие собой воздушно-топливную смесь, попадают в выпускной коллектор 16. Отработавшие газы по выпускному коллектору 16 попадают в глушитель и систему дополнительной очистки отработавших газов (не показана).
ЭБУ 4 дизельного двигателя управляет работой множества первых датчиков 18, функционально связанных с ЭБУ 4. Каждый из первых датчиков регистрирует определенный переменный параметр, как: положение педали; давление во впускном коллекторе; температуру охлаждающей жидкости; положение вала двигателя; частоту вращения вала двигателя; температуру топлива; давление топлива; температуру воздуха на впуске; скорость транспортного средства; давление масла; температура масла; и т.д.
ЭБУ 4 дизельного двигателя также функционально связан с множеством датчиков-переключателей 20, которые управляют такими параметрами, как: скорость движения; частота вращения вала двигателя; крутящий момент и предельная скорость движения транспортного средства. Эти датчики-переключатели также передают сигналы на ЭБУ 4 дизельного двигателя, по достижению предела, заданного для той или иной конкретной переменной.
ЭБУ 4 дизельного двигателя, таким образом, представляет собой главное управляющее устройство, а все датчики 18, датчики-переключатели 20 и форсунки 10 являются подчиненными устройствами, управляемыми главным ЭБУ 4.
ЭБУ 4 дизельного двигателя также включает в себя приемное устройство сигналов (не показано), предназначенное для приема первых входных сигналов 22 с первых датчиков 18 и датчиков-переключателей 20. Величина каждого первого входного сигнала 22 зависит от переменной, которую фиксирует датчик. В данном примере первые входные сигналы 22 являются либо модулированными по ширине импульса, либо аналоговыми, а ширина импульса или уровень напряжения зависят от величины измеряемой переменной. ЭБУ 4 дизельного двигателя принимает входной сигнал 22 и передает первый выходной сигнал 24 на каждую из форсунок 10 в зависимости от значения каждой переменной, которую фиксирует датчик. Каждый первый выходной сигнал 24 определяет количество топлива, впрыскиваемого в двигатель 6, а также момент относительно цикла двигателя, в который дизельное топливо впрыскивается в двигатель.
Производитель транспортного средства разрабатывает многомерную характеристику две, трехмерный массив данных, который позволяет ЭБУ 4 определять оптимальное количество дизельного топлива для впрыска в двигатель и время подобного впрыска, в зависимости от совокупности измеряемых параметров. Это позволяет использовать двигатель с максимальной эффективностью, в зависимости от преобладающих условий.
ЭБУ дизельного двигателя также имеет управляющий вход, связывающий его с другими электрическими компонентами узла 2 двигателя. В данном примере узел двигателя также содержит ЭБУ 26 транспортного средства, ЭБУ 27 тормозной системы, ЭБУ 28 коробки передач, ЭБУ 29 подвески и тахограф 30. Каждый из этих компонентов функционально связан с ЭБУ 4 дизельного двигателя посредством системы 32 шин, которая в данном примере содержит локальную сеть контроллеров, описанную выше. Блоки 26-30 представляют собой также электронные блоки управления, функционально связанные с ЭБУ 4 дизельного двигателя.
ЭБУ 4 дизельного двигателя передает сигналы и также получает сигналы от блоков с 26 по 30 в ответ на первые входные сигналы 22, передаваемые в ЭБУ 4 дизельного двигателя датчиками 18 и датчиками-переключателями 20.
Чтобы управлять интервалами времени и количеством топлива, выпрыскиваемого в двигатель 6, ЭБУ 4 дизельного двигателя передает множество первых выходных сигналов 24 на форсунки 10, при этом каждая форсунка получает один из сигналов 24. Каждая из форсунок 10 передает ответный сигнал 34 на ЭБУ 4 дизельного двигателя сразу же после получения первого выходного сигнала. Это является для ЭБУ 4 дизельного двигателя подтверждением, что форсунка 10 работает правильно.
Подобным же образом, ЭБУ 4 дизельного двигателя влияет на работу блоков 26-30, передавая сигнал на шину 36 через локальную сеть контроллеров системы 32 шин. Каждый из блоков с 26 по 30 устроен так, что он может передавать ответный сигнал 38 на ЭБУ дизельного двигателя с подтверждением о правильной работе системы, а также с запросом на изменение мощности двигателя в соответствии с требованиями системы:
например, когда тормозная система с электронным управлением получает сигнал о том, что одно из колес рассинхронизировалось с остальными, она может послать запрос на понижение передаваемой мощности, чтобы предотвратить проскальзывание.
Теперь обратимся к фиг.2 и 3, где узел двигателя по первому варианту осуществления изобретения, описанного в патентной заявке №PCT/GB2008/003188, в целом, обозначен цифрой 50. Узел двигателя содержит компоненты узла 2 двигателя из известного уровня техники, изображенного на фиг.1 и описанного выше, детали которого для удобства восприятия обозначены такими же ссылочными позициями.
Система 50 управления двигателем содержит первый ЭБУ, а именно ЭБУ 4 дизельного двигателя по фиг.1, функционально связанный с множеством первых датчиков 18 и датчиков-переключателей 20. ЭБУ 4 дизельного двигателя, кроме того, функционально связан с множеством дизельных форсунок 10, которые выполнены с возможностью впрыскивания топлива в двигатель 6 под управлением ЭБУ 4 дизельного двигателя. ЭБУ 4 дизельного двигателя сконструирован так, чтобы получать данные от других блоков 26-30 узла двигателя через локальную сеть контроллеров системы 32 шин, как описано выше со ссылкой на фиг.1.
Кроме того, узел 50 двигателя содержит второй ЭБУ 54, который функционально связан и получает управляющие вводы от ЭБУ 4 дизельного двигателя. Также функционально связано с ЭБУ 54 множество вторых датчиков 56, которые, по данному варианту осуществления, выполнены с возможностью измерения: давления во впускном коллекторе; температуры охлаждающей жидкости; давления газа и температуры газа. Система 50 двигателя также содержит множество газовых форсунок 58 и блок 60 управления газовыми форсунками, которые функционально связаны со вторым ЭБУ 54.
Система 50 двигателя также содержит также λ-зонд 62, который функционально связан со вторым ЭБУ 54, образуя замкнутую цепь. λ-зонд 62 - это широкодиапазонный датчик кислорода, который измеряет содержание кислорода в отработавших газах.
Второй ЭБУ 54 позволяет узлу 50 двигателя функционировать либо в первом, дизельном режиме, либо во втором режиме, в котором двигатель работает на газообразном топливе, обычно на метане и дизельном топливе.
Фиг.2 показывает систему 50 двигателя в конфигурации, позволяющей работать в первом режиме, а фиг.3 - систему 50 двигателя в конфигурации, позволяющей работать во втором режиме.
Узел 50 двигателя также содержит триггер (на фиг.2 и 3 не показан), который переключает двигатель из первого режима во второй. Этот процесс будет более подробно описан ниже со ссылкой на фиг.4.
Когда узел 50 двигателя работает в первом режиме, двухтопливные возможности как бы находятся в «спящем» состоянии. По существу, это означает, что второй ЭБУ 54 не влияет на работу узла 50 двигателя; как это будет более подробно описано ниже.
Первоначально со ссылкой на фиг.2 показана система 50 двигателя в конфигурации, позволяющей использовать его в первом режиме. При работе в первом режиме, узел 50 двигателя работает аналогично узлу 2 двигателя, изображенному на фиг.1 и описанному выше.
Второй ЭБУ 54 сконструирован так, чтобы получать первые выходные сигналы 24, передаваемые ЭБУ 4 дизельного двигателя, до того, как эти сигналы получат дизельные форсунки 10.
Когда система 50 управления двигателем работает в первом режиме, а второй ЭБУ 54 управления находится «в спящем режиме», первые выходные сигналы 24 передаются в неизменном виде на форсунки 10, также, как они передавались бы в узле 2 двигателя. Плюс к этому, второй ЭБУ 54 передает ответный сигнал 64 на ЭБУ 4 дизельного двигателя для каждого из первых выходных сигналов 24, передаваемых ЭБУ 4 дизельного двигателя. Это дает ЭБУ 4 дизельного двигателя подтверждение, что дизельные форсунки работают правильно.
Когда система 50 двигателя работает во втором режиме, т.е. на смеси метана и дизельного топлива, как показано на фиг.3, система 50 двигателя запускает ЭБУ 54 для работы во втором режиме. Второй ЭБУ 54 в этом случае модифицирует первый выходной сигнал 24 от ЭБУ 4 дизельного двигателя, получая первые модифицированные сигналы 66, и вторые расчетные сигналы 68. Как получаются модифицированные сигналы 66 и 68, мы сейчас опишем более подробно. Первые модифицированные сигналы 66 передаются на дизельные форсунки 10 для управления впрыском дизельного топлива в двигатель 6. Вторые расчетные сигналы передаются на блок 60 управления газовыми форсунками, который, в свою очередь, использует эти сигналы, чтобы управлять впрыском метана в двигатель 6 через газовые форсунки 58. По варианту осуществления, описанному в патентной заявке №PCT/GB2008/003188, блок 60 управления газовыми форсунками отделен от второго ЭБУ 54. В других вариантах осуществления (не показанных) блок 60 управления газовыми форсунками может являться составной частью второго ЭБУ 54.
Второй ЭБУ 54 включает в себя эмулятор 70, который получает первые выходные сигналы 24 от ЭБУ 4 дизельного двигателя. В показанном варианте осуществления эмулятор 70 является составной частью второго ЭБУ 54. В других вариантах осуществления (не показанных) эмулятор 70 может быть отделен от второго ЭБУ 54.
Эмулятор 70 передает на ЭБУ 4 дизельного двигателя ответный сигнал 64 для каждого первого входного сигнала 24, полученного от ЭБУ 4 дизельного двигателя. Ответные сигналы 64 показывают ЭБУ дизельного двигателя, что двигатель исправно работает в первом режиме. Таким образом, с точки зрения ЭБУ 4 дизельного двигателя, двигатель функционирует нормально, и ЭБУ 4 дизельного двигателя осуществляет обмен данными с элементами 22, 24, 26, 28 и 30, как будто двигатель работает в первом режиме.
Второй ЭБУ 54, по получению первых выходных сигналов, рассчитывает необходимую продолжительность впрыска дизельного топлива, требующуюся для работы двигателя 6 в первом режиме, основываясь на первых выходных сигналах 24. После этого второй ЭБУ 54 модифицирует первые выходные сигналы 24, уменьшая импульсную ширину сигналов и получая таким образом, первые модифицированные сигналы 66. Первые модифицированные сигналы 66 с уменьшенной шириной импульса затем передаются эмулятором 70 на дизельные форсунки 10. Это означает, что количество дизельного топлива, впрыснутого в двигатель 6, будет уменьшено по сравнению с количеством, которое было бы впрыснуто в двигатель 6, если бы он работал только на дизельном топливе.
После этого второй ЭБУ рассчитывает уменьшение энергии, выработанной двигателем 6, после уменьшения количества дизельного топлива, впрыснутого форсунками 10. Затем второй ЭБУ рассчитывает количество метана, которое необходимо добавить в двигатель 6, чтобы гарантировать, что двигатель 6 получает, по существу, то же количество энергии, как от дизельного топлива, так и от газа, впрыскиваемых в двигатель, какое бы он получал в первом режиме, используя только дизельное топливо.
λ-зонд 62 (лямбда зонд) измеряет количество несгоревшего кислорода в отработавших газах двигателя и передает сигнал 76 на второй ЭБУ 54, этот сигнал зависит от измеренного содержания кислорода.
Перед расчетом вторых модифицированных сигналов 68 для передачи на блок 60 управления, который управляет газовыми форсунками 58, второй блок 54 управления учитывает также и другие переменные.
Одна из таких переменных - это содержание кислорода в отработавших газах двигателя, измеряемое λ-зондом 62. Производители транспортных средств обычно не включают лямбда-зонд в системы управления дизелями, тем не менее, для двухтопливного двигателя он необходим.
Поскольку λ-зонд 62 соединен со вторым ЭБУ посредством замкнутого контура, второй ЭБУ 54 может непрерывно отслеживать количество кислорода в отработавших газах двигателя и регулировать относительное содержание газа и дизельного топлива, впрыскиваемого в двигатель 6, чтобы оптимизировать работу двигателя 6. Второй ЭБУ 54 может также управлять клапаном регулирования подачи воздуха, чтобы варьировать количество воздуха, поступающего в двигатель, а значит, и пропорцию воздуха относительно топлива в воздушно-топливной смеси, поступающей в двигатель, и таким образом, дополнительно оптимизировать сгорание дизельного и газового топлива. Газ впрыскивается в другой момент цикла работы дизельного двигателя. Является ли это ограничением?
Второй ЭБУ 54 также функционально связан со вторыми датчиками 56, которые также передают сигналы, в зависимости от других параметров работы двигателя.
Каждый из вторых датчиков 56 передает второй входной сигнал 74, который принимается вторым ЭБУ 54. Вторые входные сигналы 74 зависят от каждой из переменных, измеряемых каждым из вторых датчиков 56.
Второй ЭБУ, таким образом, учитывает первые входные сигналы 24, вторые входные сигналы 74 и сигнал 76 с λ-зонда 62 при расчете длины первых модифицированных сигналов 66 и вторых модифицированных сигналов 68. Вторые расчетные сигналы 68 передаются вторым ЭБУ 54 на блок 60 управления газовыми форсунками, который управляет каждой из газовых форсунок 58 в соответствии с командами, содержащимися во вторых расчетных сигналах 68.
Посредством изобретения, описанного в патентной заявке №PCT/GB2008/003188, возможно установить второй блок 54 управления, блок 60 управления газовыми форсунками, λ-зонд 62 и вторые датчики 56 в существующий узел 2 двигателя, работающий только на дизельном топливе, чтобы в итоге получить узел 50 двигателя, который способен работать в двух режимах: в первом - только на дизельном топливе, и во втором - на метане или на смеси дизельного топлива и метана.
Теперь обратимся к фиг.4, описывающей работу двигателя, со ссылками на блок-схему 80.
Для удобства восприятия, части узла 50 двигателя, соответствующие системе двигателя, описанной со ссылкой на фиг.2 и 3, обозначены теми же ссылочными позициями.
При первоначальном запуске двигателя (пункт 82 «старт» блок-схемы), ЭБУ дизельного двигателя дает ему команду работать в первом режиме, т.е. полностью на дизельном топливе.
Чтобы гарантировать, что двигатель 6 работает максимально эффективно, ЭБУ дизельного двигателя принимает первые входные сигналы 22 с первых датчиков 18, переключателей 20, и приборов 84. После этого ЭБУ дизельного двигателя передает множество первых выходных сигналов 24 на дизельные форсунки 10, на основании входных сигналов 22, полученных от первых датчиков 18, переключателей 20 и приборов 84.
Таким образом, двигатель работает в первом режиме, а второй ЭБУ 54 находится в «спящем режиме». В процессе работы двигателя, второй ЭБУ 54 отслеживает определенные параметры, такие как температура 86 двигателя, температура 88 паровоздушной смеси, давление 90 паровоздушной смеси и положение ручного переключателя 92 «спящего режима». Каждый из подобных датчиков вместе с переключателем 92 функционально связан со вторым ЭБУ 54. В данном примере второй ЭБУ отслеживает, поднялась или опустилась температура двигателя относительно установленного минимально допустимого предела. Если температура двигателя ниже установленного минимально допустимого предела, второй ЭБУ 54 остается в спящем режиме, и двигатель продолжает работать в первом режиме.
Если же температура двигателя поднимается выше установленного минимально допустимого предела, второй ЭБУ 54 определяет, находится ли температура паровоздушной смеси в пределах допустимых значений. Если температура газа не в пределах установленного диапазона, двигатель продолжает работать в первом режиме.
Если температура газа находится в пределах установленного диапазона, второй ЭБУ 54 определяет, находится ли давление паровоздушной смеси в пределах установленного диапазона. Если давление паровоздушной смеси не в пределах установленного диапазона, двигатель продолжает работать в первом режиме.
Если давление паровоздушной смеси находится в пределах установленного диапазона, второй ЭБУ 54 определяет, включен или выключен ручной переключатель 92 «спящего режима». Если он включен, тогда, несмотря на то, что переменные, измеряемые датчиками 86, 88 и 90 находятся в пределах допустимых значений или если температура двигателя выше установленного минимально допустимого значения, двигатель продолжает работать в первом режиме. Если же переключатель 92 «спящего режима» выключен, система двигателя запускается во втором режиме. В этом случае второй ЭБУ производит расчет энергии, чтобы высчитать пропорцию газа/дизельного топлива для впрыска в двигатель, чтобы обеспечить необходимое количество энергии, как рассказывалось выше. В этом случае второй ЭБУ 54 формирует первые модифицированные сигналы 66. Первые модифицированные сигналы 66 управляют дизельными форсунками 10.
Второй ЭБУ также принимает сигналы от вторых датчиков 56, которые по данному варианту осуществления измеряют абсолютное давление во впускном коллекторе, давление паровоздушной смеси, температуру паровоздушной смеси, температуру двигателя и отношение воздуха к топливу. Измеренные вторыми датчиками 56 переменные передаются на второй ЭБУ 54, который рассчитывает количество газа, которое должно быть впрыснуто в двигатель газовыми форсунками 58, и формирует вторые расчетные сигналы 68, которые передаются на блок 60, который, в свою очередь, управляет газовыми форсунками 58.
В вышеописанной рабочей системе, рассмотренной выше со ссылкой на фиг.1-4, подразумевается, что при установке системы на существующее транспортное средство, нужно отсоединить проводку, идущую к форсункам 10 от первого, оригинального ЭБУ 4 и вместо этого соединить форсунки 10 со вторым ЭБУ 54. Соединительные провода от ЭБУ 4, отсоединенные от форсунок 10, могут быть подведены к одному или нескольким устройствам для эмуляции форсунок, чтобы ЭБУ 4 получал необходимый ответный сигнал 64, т.е. «ложный» сигнал, заставляющий его считать, что он все еще соединен с оригинальными форсунками 10, и поэтому продолжал управлять двигателем надлежащим образом.
Настоящее изобретение касается таких устройств эмуляции форсунок, которые в особенности предназначены для использования в конструкциях, показанных на фиг. 1-4.
По одному из аспектов настоящего изобретения предлагается эмулятор инжектора, предназначенный для встраивания в систему управления двигателя, работающего от нескольких видов топлива, система, включающая в себя первое устройство управления, выполненное с возможностью взаимодействия с множеством топливных форсунок, впрыскивающих первый вид топлива в выбранные цилиндры двигателя, когда система работает только на первом топливе, а также второе устройство управления, выполненное с возможностью взаимодействия, вместо первого устройства управления, с упомянутым множеством форсунок для впрыска упомянутого первого вида топлива когда система работает в многотопливном режиме. Первое устройство управления подключено к устройству эмуляции форсунки, используемому в упомянутом многотопливном режиме, упомянутое устройство эмуляции форсунки выполнено с возможностью имитации параметров электрической нагрузки и характеристик обратного хода эмулируемой форсунки, причем когда система работает только на первом топливе, первое устройство управления выполнено с возможностью взаимодействия с запальной форсункой, топливная полость которой находится под полным давлением, а когда система работает в многотопливном режиме, второе устройство управления выполнено с возможностью взаимодействия с запальной форсункой, устройство эмуляции форсунки также содержит средства переключения для переключения первого устройства управления таким образом, чтобы когда система работает в многотопливном режиме оно взаимодействовало с другой форсункой. Упомянутое устройство эмуляции форсунок включает в себя устройство электрической нагрузки, которое имитирует все электрические нагрузочные характеристики форсунок, а также включает в себя электронные схемы, имитирующие индуктивность и возвратные характеристики эмулируемой форсунки.
По первому варианту осуществления настоящего изобретения, устройство эмуляции включает в себя первую и вторую электрические клеммы для подсоединения к первому блоку управления, а также схему, определяющую траекторию движения первичного тока между упомянутыми первой и второй клеммами, вышеупомянутое нагрузочное устройство выполнено с возможностью управлять движением первичного тока, проходящего по упомянутой траектории.
По второму варианту осуществления настоящего изобретения, устройство эмуляции содержит переключатель, выполненный с возможностью оперативного переключения соединения между первым блоком управления и множеством эмулируемых форсунок, переключатель, после включения первого блока управления, взаимодействующего с одной из форсунок, может переключать первый блок управления для взаимодействия с другой, заранее выбранной форсункой.
По второму варианту осуществления первый блок управления выполнен с возможностью управлять одной из оставшихся форсунок, и именно эта форсунка используется для эмуляции определенной форсунки.
Различные аспекты данного изобретения описаны далее со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
На фиг. 5 графически показано напряжение, подаваемое на форсунку, и ток, проходящий через форсунку;
на фиг.6 - схематический чертеж, изображающий типовое соединение между форсункой и электрическим приводным источником;
на фиг.7 - электрическая схема, иллюстрирующая схему цепи устройства эмуляции форсунки в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения;
на фиг.8-10 - это схематические чертежи системы, состоящей из множества устройств эмуляции, показанных на фиг.7;
на фиг.11 - таблица, на которой показана обычная последовательность сжатия топлива в 6-цилиндровом дизеле;
на фиг.12 - схематический чертеж, иллюстрирующий принцип работы устройства имитации форсунки согласно второму варианту осуществления данного изобретения;
на фиг.13 - схематический чертеж аналогичный схеме, показанной на фиг.12, иллюстрирующий дальнейшие изменения во втором варианте осуществления;
на фиг.14 - схема, аналогичная показанной на фиг.13, иллюстрирующая устройство в различных режимах работы; и
на фиг.15 - электрическая схема устройства согласно второму варианту осуществления данного изобретения.
По предпочтительным вариантам осуществления данного изобретения производится имитация электротока, который должен видеть ЭБУ 4 при активации выбранной форсунки 10.
В этом отношении, как показано на фиг.6, ЭБУ 4 подключен к форсунке 10 посредством первого провода 101 и второго провода 102. Первый провод 101 подключен к положительной клемме 103 ЭБУ 4, а второй провод подключен к отрицательной клемме 104. Форсунка 10 включает в себя электромагнит (не показан), который при запитывании током открывает форсунку 10, чтобы вызвать впрыскивание топлива в сопряженный цилиндр двигателя в течение заранее установленного периода времени, определяемого ЭБУ 4.
Показанный пример основан на использовании дизельного двигателя коммерческого транспортного средства; в таком транспортном средстве напряжение источника питания обычно составляет 28 вольт.
Когда ЭБУ 4 приводит в действие выбранную форсунку 10 для впрыскивания топлива в избранный цилиндр двигателя, он отслеживает изменения электрического тока в электромагните форсунке, и сравнивает их с прогнозируемой характеристикой изменения (формой сигнала) тока, хранящейся в памяти; если отслеживаемые изменения совпадают с изменениями, хранящимися в памяти, тогда ЭБУ 4 будет работать нормально, при условии, что форсунка тоже будет работать нормально.
Обычная характеристика изменения (форма сигнала) тока в электромагните нормально работающей топливной форсунки 10 представлена в графическом виде на диаграмме (фиг.5).
Изначально нет напряжения, подаваемого в электромагнит форсунки 10, и таким образом нет никакого тока (точка S на диаграмме).
ЭБУ 4 активирует форсунку 10, подключая вначале положительную клемму 103 к источнику питания (т.е. к аккумуляторной батарее автомобиля) и одновременно подключая клемму 104 к 0 вольт (т.е. «массе» автомобиля); в данном примере применяется напряжение в 28 вольт через электромагнит форсунки 10. Клемма 104 также может подключаться одновременно с клеммой 103 или несколько микросекунд спустя. Это фактически включает электромагнит в первый раз в последовательности впрыска для форсунки 10 и представлено на диаграмме напряжения как точка Sv.
ЭБУ 4 поддерживает электромагнит включенным в течение первого периода времени (обозначено, как Ti) после чего электромагнит выключается путем отключения клеммы 103 от ее источника питания, или путем отключения клеммы 104 от заземления. Это приводит к тому, что подаваемое напряжение падает до 0, что показано на диаграмме, как точка Ov.
Когда электромагнит изначально включен (точка Sv), ток начинает поступать и сила тока постепенно увеличивается для достижения предопределенного максимального значения (уровень Сmах на текущей диаграмме). В показанном примере, максимальное значение силы тока Сmах отмечено как 12,5А. Как показано на диаграмме, текущее значение силы тока увеличивается от точки S до уровня Сmах в течение периода времени Ti; оно не изменяется мгновенно от нуля до Сmах. Это связано с конструкцией катушки электромагнита, постепенно накапливающей энергию электромагнитного поля. После создания электромагнитом достаточно сильного магнитного поля, происходит открытие форсунки 10 (т.е. впрыскивание топлива). Увеличение силы тока в течение начального периода Ti, как правило, называют индуктивной характеристикой (или 'L') форсунки, что всегда происходит в нормально работающей форсунке.
Электромагнит выключается после начального периода времени Ti, т.к. дальнейшее приложение напряжения может вызвать увеличение силы тока, что приведет к повреждению катушки электромагнита. Однако существует требование того, чтобы поддерживать форсунку открытой в течение достаточного периода времени для того, чтобы впрыскивать требуемое количество топлива, и это достигается путем многократного включения и выключения электромагнита на предопределенные периоды времени (Th). Включение и выключение электромагнита форсунки производится ЭБУ 4, контролирующим величину силы тока, проходящего через электромагнит; на начальной стадии работы, когда контролируемая величина силы тока в амперах достигает значения Стах (12,5 А в данном примере), ЭБУ 4 выключает электромагнит до тех пор, пока контролируемая величина силы тока в амперах не достигнет предопределенного минимума Cmin (на текущем примере это 10,0А).
Когда достигнуто значение Cmin, ЭБУ 4 опять включает электромагнит. Эта начальная последовательность включения и выключения электромагнита (путем включения/выключения выключателя при достижении контрольных значений силы тока в амперах 12,5А и 10,ОА) продолжается в течение предопределенного периода времени, обычно 1 мс. После этого, включение/выключение изменяется на более низкие значения (на фиг.5 не показано), выключение, обычно при 8,5А, а включение - при 6,0А. Это включение/выключение электромагнита, как правило, называют фазой удержания форсунки.
На текущем графике видно, что каждый раз, когда электромагнит выключается, ток продолжает поступать, в то время как магнитная сила, произведенная катушкой электромагнита, уменьшается; это изменение силы тока обозначено на графике буквой F, и является предсказуемой характеристикой форсунки, которую обычно называют «обратный ход». ЭБУ 4 следит за этой характеристикой обратного хода и сравнивает ее с предопределенной характеристикой обратного хода, хранящейся в его памяти; и если контролируемая характеристика обратного хода соответствует характеристике, хранящейся в его памяти, ЭБУ 4 будет работать так, как если бы форсунка работала в нормальном режиме.
Также на фиг.5 видно, что периоды времени, в течение которых электромагнит включен, со временем постепенно уменьшаются. Это происходит, потому что характеристика индуктивности электромагнита форсунки изменяется после открытия форсунки и начала впрыскивания топлива. ЭБУ 4 также контролирует периоды изменения времени включения электромагнита, и сравнивает контролируемые изменения с предопределенными изменениями, хранящимися в памяти. Если контролируемые изменения во времени соответствуют предопределенным в памяти, ЭБУ 4 будет работать так, как если бы форсунка работала в нормальном режиме. Например, нестандартной ситуацией является засоренная форсунка, в такой ситуации индуктивность (а, следовательно, изменение периодов времени для включения форсунки) будет отличаться от предопределенных изменений времени, хранящихся в памяти, и ЭБУ 4 зарегистрирует, что форсунка является неисправной.
В дополнение к вышесказанному, драйверу ЭБУ 4 разрешено отключаться в момент отключения питания электромагнита. Напряжение в электромагните форсунки поднимается примерно до 55 В и ограничено параметрами отключения драйвера ЭБУ 4. Использование такого сравнительно высокого напряжения в электромагните по сравнению с напряжением источника питания, приведет к быстрому ослаблению магнитного поля внутри электромагнита, и таким образом обеспечит быстрое закрытие форсунки 10.
Варианты осуществления настоящего изобретения направлены на решение проблемы отключения ЭБУ 4 от форсунок 10, для управления работой и контролирования которых он был разработан, и вместо этого, подключения его к устройствам эмуляции, работающим в соответствии с ожидаемой производительностью оригинальных форсунок, для управления работой и контролирования которых ЭБУ 4 разработан. Таким образом, ЭБУ 4 работает нормально в том режиме, для которого он был разработан, несмотря на то, что он встроен и работает в системе, для которой он изначально не был разработан.
В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, предлагается устройство эмуляции инжектора в форме электрического устройства 150, которое выполнено с возможностью эмуляции работы электромагнита форсунки.
В связи с этим устройство 150 выполнено с возможностью эмуляции характеристик движения электрического тока (как показано на фиг.5), которые ЭБУ 4 должен контролировать при подключении к оригинальной форсунке 10 (т.е. к форсунке 10, на управление работой которой он запрограммирован). В частности, устройство работает как потребитель электрической энергии для имитации катушки электромагнита и обеспечивает противоток при отключении для имитации характеристик возврата форсунки. Устройство 150 также заставляет ЭБУ 4 изменять частоту включения/выключения устройства, как если бы он был подключен к оригинальной форсунке 10.
Принципиальная схема примера подходящего устройства эмуляции электромагнитной форсунки по первому варианту осуществления настоящего изобретения показана на фиг.7. На практике предполагается, что будет существовать несколько устройств 150, работающих параллельно, таким образом, чтобы эффективно управлять выделяемым теплом.
Схема включает в себя положительную входную клемму 152 для подключения к положительной клемме 103 ЭБУ 4 и отрицательную клемму 154 для подключения к отрицательной клемме 104 ЭБУ 4. Первичный ток движется от входной клеммы 152 к выходной клемме 154 через резистор 155, чувствительный к силе тока, селективное электрическое нагрузочное устройство 157 для управления силой тока между клеммами 152 и 154 и дополнительный источник 159 постоянного тока.
Управляющая схема используется для управления нагрузочным устройством 157; управляющая схема включает в себя микропроцессор 160, цифроаналоговый преобразователь ('DAC') 162 и усилитель 164. Отрицательная входная клемма 166 усилителя 164 подключена к схеме между резистором 155, чувствительным к силе тока и нагрузочным устройством 157. Усилитель 164 также подключен к положительной входной клемме 152 через резистор 168 и за счет такого подключения усилитель способен улавливать падение напряжения на резисторе 155.
Когда ЭБУ 4 первый раз активирует устройство 150 эмуляции, рабочее напряжение (28 В в данном примере) подается на клеммы 152, 154. Это 'включение' через клеммы 152, 154 приводит микропроцессор в действие и способствует тому, чтобы микропроцессор начал выдавать последовательность выходных диагностирующих сигналов, подающихся в цифроаналоговый преобразователь 162. Цифроаналоговый преобразователь 162 приводит в действие нагрузочное устройство 157 для изменения первичной силы тока от минимального значения до максимального.
Когда ЭБУ 4 определяет минимальное значение силы тока, он включает устройство 150; когда он определяет максимальное значение тока, он выключает устройство 150. Микропроцессор запрограммирован для воспроизведения увеличения тока при каждом включении, для имитации увеличения тока эмулируемой форсунки, и таким образом повторяет индуктивную характеристику форсунки.
Нагрузочное устройство 157, при прохождении тока вдоль первичной цепи, потребляет электрическую энергию и рассеивает ее в виде тепла. Для поддержания его рабочей температуры на желаемом предопределенном уровне, нагрузочное устройство 157 предпочтительно устанавливается на теплообменник 190 с принудительным охлаждением, который в данном варианте включает в себя корпус блока 54 управления, как показано на фиг.8-10. Предпочтительно, топливо, протекающее между форсунками 10 и топливным баком 195 (на подающих и/или возвратных линиях тока), используется в качестве охлаждающей жидкости для нагрузочного устройства 157. Нагрузочное устройство 157 выбирается таким образом, чтобы потреблять электрическую энергию с такой же скоростью, как и форсунка, которая эмулируется.
В варианте осуществления, показанном на фиг.8-10, изображено множество устройств 150 эмуляции работающих параллельно, каждое устройство 150 включает в себя нагрузочное устройство 157. Каждое нагрузочное устройство 157 устанавливается на теплообменник с принудительным охлаждением 190, который в данном примере включает в себя корпус ЭБУ 54.
Подходящим нагрузочным устройством для использования в коммерческих транспортных средствах с напряжением в 28 В является 100 вольтовое устройство, работающее в расширенном Р-канальном режиме (МОП-транзистор). Например, такое устройство может относиться к типу IRF5210 (поколению полевых транзисторов с гексагональными р-областями, разработанных фирмой International Rectifier). Однако следует понимать, что в качестве нагрузочного устройства 157 могут использоваться и другие устройства, например, N-канальный МОП-Транзистор, IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) или биполярный транзистор.
Когда ЭБУ 4 выключает устройство 150, устройство 150 должно производить необходимые характеристики обратного хода. Дополнительный источник 159 питания используется для обеспечения требуемого возврата тока на ЭБУ 4, пока ЭБУ 4 отключает 28-вольтный источник питания от клеммы 152 для управления током в системе путем широтно-импульсной модуляции (PWM). Устройство 150, под управлением микропроцессора 160, после этого предоставит линейное изменение отрицательного тока, показанное как линейное изменение F на фиг.5. Микропроцессор переключается в этот режим, когда он контролирует отключения 28-вольтного источника питания на клемме 152 при помощи ЭБУ 4.
Предполагается, что вместо использования дополнительного источника 159 питания для подачи тока при эмулировании характеристик обратного хода (в течение линейного изменения F), вместо этого, альтернативное устройство может быть включено в первичную линию тока. Электрическое устройство, такое как конденсатор, может использоваться для этих целей, как альтернатива источнику питания, для предоставления электрической энергии в течение периодов, в которые устройство 150 переключено в режим линейного изменения F.
Небольшой индуктор 170, показанный на схеме фиг.7, служит для фильтрации небольших волновых эффектов в цепи, в том числе нежелательных колебаний, в случае, если параллельно используется более одного электрического устройства 150. Небольшой индуктор 170 предотвращает такие колебания и устраняет пульсации.
Индуктор 170 тщательно разработан, чтобы обеспечить пик обратного напряжения в конце эмулированного цикла впрыска, а также для предоставления средств для предотвращения нежелательных колебаний между отдельными устройствами, составляющими устройство 150.
Линейное изменение F представляет собой быстро убывающий профиль. Это приведет к тому, что индуктор 170 создаст скачок напряжения в системе таким же образом, как если бы его создала нормально работающая форсунка. Индуктор 170 производит скачок в 55 вольт при окончательном выключении устройства 150 блоком ЭБУ 4.
Устройство 150 дополнительно содержит резистор 180, который используется, чтобы помочь контролировать АЧХ в цепи 150 и для защиты рабочего усилителя 164.
В соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения устройство эмуляции принимает форму переключательного прибора для использования вместе с дизельными двигателями, работающими в системе с электронным управлением топливных насосов (UPEC). В системе UPEC, только одна форсунка имеет топливную полость, находящуюся под полным давлением в любой момент времени; форсунки, связанные с другими цилиндрами, имеющими топливные полости, заполненные топливом, находятся под давлением между нулем и полным давлением. Форсунка будет впрыскивать топливо в свой цилиндр, только когда топливо в ее полости находится под полным давлением. В соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, это предпочтительно для эмуляции форсунки, которая, по мнению ЭБУ 4 в данный момент используется.
Общим принципом, лежащим в основе второго варианта осуществления, является то, что когда требуется запустить двигатель в двухтопливном режиме, переключатель по второму варианту осуществления переключает соединения между ЭБУ 4 и группой форсунок 10 таким образом, чтобы ЭБУ 4 управлял работой форсунки топливная полость которой находится под давлением ниже полного, в то время как второй ЭБУ 54 управляет форсункой 10, связанной с запальным цилиндром (форсункой, через которую в данный момент должна подаваться запальная доза дизельного топлива, прим пер. Мурашева).
На фиг. 11 приведена таблица для 6-цилиндрового дизельного двигателя, работающего в системе UPEC. В левой колонке таблицы видно, что последовательность воспламенения в цилиндрах 1-6 производится последовательно; это означает, что давление в форсунках, связанных с этими цилиндрами, повышается в той же последовательности. В то же время, форсунки, связанные с незапальными цилиндрами (с цилиндрами в которых в данный момент не происходит воспламенение, прим. Пер. Мурашева) последовательно проходят через последовательность, в то время как давление в их топливных емкостях находится на минимальном уровне; эта последовательность представлена в правой колонке на фиг. 11.
Например, из таблицы видно, что когда форсунка, связанная с цилиндром 1, находится под полным давлением, форсунка, сопряженная с цилиндром 2, находится под минимальным давлением. Поэтому, в принципе, когда ЭБУ 4 управляет работой форсунки, сопряженной с цилиндром 1, переключающее устройство по данному изобретению переключает ЭБУ 4 на форсунку, сопряженную с цилиндром 2. Это схематично показано на фиг.12-14, где переключающее устройство обозначено номером 200. Переключающее устройство 200 содержит вторичную цепь 210 устройства и множество переключателей 220.
Когда переключающее устройство 200 переключает ЭБУ 4 с форсунки, сопряженной с цилиндром 1, на форсунку, сопряженную с цилиндром 2, форсунка, сопряженная с цилиндром 1 управляется вторичной задающей схемой 210 (фиг.13), таким образом, что данная форсунка может управляться так, чтобы впрыскивать желаемое количество топлива для обеспечения двухтопливного режима работы.
Также на фиг.14 видно, что когда форсунка, сопряженная с цилиндром 3, находится под полным давлением, форсунка, сопряженная с цилиндром 1 находится под минимальным давлением. Соответственно, переключающее устройство по данному изобретению также должно осуществить переключение ЭБУ 4 с форсунки, сопряженной с цилиндром 3 на форсунку, сопряженную с цилиндром 1.
Компоновка переключений для совершения вышеуказанных операций переключения, показана на фиг.13 и 14.
На фиг.13 показана ситуация, в которой ЭБУ 4 используется для управления работой форсунки, сопряженной с цилиндром 1, но при этом подключен для управления форсункой, сопряженной с цилиндром 2. После включения цилиндра 2 ЭБУ 4 получает ответный электрический сигнал от данной форсунки и будет считать, что управляет форсункой цилиндра 1 правильно. Поэтому ЭБУ 4 будет работать нормально. Фиг, 13 также показывает, что ЭБУ 54 подключен к форсунке цилиндра 1 и управляет этой форсункой в соответствии с программой ЭБУ 54. В условиях, показанных на фиг.13, нет электрического подключения к форсунке, сопряженной с цилиндром 3.
Переключатели 220 показаны в виде прямоугольников из сплошных линий, содержащих два переключателя. Стандартные условные обозначения переключения внутри прямоугольников показаны для упрощения. Между тем, в этом варианте осуществления каждый переключатель 220 содержит цепь, показанную на фиг.15. На данном уровне не показаны три дополнительных подключения для каждого переключающего устройства 220, одно - к заземлению аккумулятора (0 В), и два входа микропроцессорного управления.
На фиг.14 показано состояние, в котором ЭБУ 4 управляет работой форсунки цилиндра 3. В этом состоянии, переключающее устройство 200 согласно данному изобретению переключает соединение с ЭБУ 4 от форсунки цилиндра 3 к форсунке цилиндра 1 и также (хотя это не показано на фиг.14), подключает форсунку цилиндра 3 к второй задающей схеме 210, которая будет управлять форсункой 3.
Из вышеуказанного следует, что в одном полном рабочем цикле двигателя форсунка определенного цилиндра действует единожды, чтобы впрыскивать топливо под действием ЭБУ 54, и единожды - в качестве эмулируемой форсунки, управляемой ЭБУ 4. Компоновка форсунки цилиндра 1 показана на фиг.13 и 14; такая же компоновка используется для форсунок, сопряженных с цилиндрами со 2 по 6.
Конкретный пример электронной цепи для переключателя 220 показан на фиг.15; данный пример, в частности, подходит для системы Mercedes Axor.
Цепь используется для передачи широтно-импульсного модулированного привода (PWM), предназначенного для форсунки 10 от блока управления, такого как первый ЭБУ 4, к форсунке, связанной с цилиндром с минимальным давлением.
Переключатель 220 может содержать множество повторений данной цепи в соответствии с количеством форсунок, которые будут эмулироваться.
Существует два применения подобной цепи 300 для форсунки 10 внутри ЭБУ 54. Под термином задающий источник понимается оригинальный сигнал, поступающий с ЭБУ 4, для маршрутизации оригинального сигнала со входа ЭБУ 54 к форсунке, используемой в качестве эмулятора в двухтопливном режиме, либо в режиме использования только дизельного топлива, к оригинальной форсунке, используемой производителем транспортного средства. В двухтопливном режиме форсунка, пропускающая дизельное топливо в двигатель, должна управляться вторичной задающей схемой 210. Существует одна задающая схема 210 для каждой форсунки 10 в ЭБУ 54. Эти схемы 210 служат для управления форсункой согласно командам от главного двухтопливного микропроцессора в ЭБУ 54 для подачи меньшего количества топлива в двигатель, чем предполагалось оригинальной системой транспортного средства.
Могут быть различные последовательности форсунок в зависимости от структуры и стратегии, используемой производителем транспортного средства.
Каждый переключатель 220, по существу, является быстрым электронным двухполюсным переключателем, разработанным специально для целей, описанных выше. Переключатель 220 обладает двумя различными микропроцессорными входами сигнала управления, двумя управляющими входами от оригинальной системы транспортного средства и двумя выходами на форсунку 10.
Устройство, обозначенное на схеме TR1, является Р-канальным МОП-транзистором, работающим в расширенном режиме. Фактически используемое устройство является полевым транзистором с гексагональными р-областями производства фирмы International Rectifier, типа IRF5210. Именно через это устройство проходит либо не проходит ток от + задающего источника оригинальной системы к положительной клемме форсунки 10 через блокирующий диод D 1.
TR3 является N-канальным МОП-транзистором полевого транзистора с гексагональными р-областями производства фирмы International Rectifier, и является главным переключателем для отрицательной (-) клеммы форсунки. Именно через это устройство проходит или не проходит ток от отрицательной клеммы форсунки обратно на задающий источник оригинальной системы (-). Выбранным типом является тип IRL3705N.
Два устройства, TR1 и TR3, при всех условиях предназначены для работы в паре, обеспечивая функцию двухполюсного переключателя.
Конструкция была оптимизирована для Ахоr, хотя также существуют другие способы для ее достижения с использованием IGBT (биполярного транзистора с изолированным затвором) или даже биполярных транзисторов.
Компоненты внутри электронной цепи включаются и выключаются под контролем микропроцессора. Высокий уровень логики после включения микроконтроллера заставляет R11 быстро включать TR1 быстро путем емкостного соединения затвора TR1 с 0 В через С2, R2 и TR5. R2 служит для ограничения пикового значения тока в данной точке, тогда как ZD2 ограничивает напряжение затвора-истока TR1 на уровне приблизительно в 13 В. После этого R4 сохраняет TR1 включенным, после заряда С2. R4 также служит для разрядки С2 в течение фазы выключения.
После включения TR1 и после того как напряжение задающего источника начинает ослабевать, TR3 также включается аналогичным образом через С5, R8, R9 и ZD3. Путь возвратного тока проходит через «Задающий источник». С6 служит, чтобы удерживать напряжение затвора, удерживая TR3 во включенном положении в течение фаз выключения PWM рабочего цикла форсунки. Диод D2 предохраняет С6 от разрядки, поддерживая TR3 во включенном положении. Временная константа R6 и R10 составляет приблизительно 20 мс, что достаточно для обработки фазы выключения форсунки.
TR2 используется, чтобы быстро выключить TR1, если требуется (например, в случае обнаружения неисправности). TR2 включается при помощи «устройства выключения порта микропроцессора», установленного в позицию высокого логического уровня микропроцессором, выключающим TR1.
D1 используется для предотвращения возврата тока, подаваемого на форсунку от другого задающего источника, через TR1, что будет мешать нормальной работе.