СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ТОПЛИВА
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE QUALITY OF FUEL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для определения качества топлива, используемого в двигателе внутреннего сгорания, а также к компьютерной программе и к программному продукту.
Уровень техники
Биологическое дизельное топливо - это дизельное топливо на основе растительных масел или животных жиров, полученное при химической реакции спирта с жирами рапсового, пальмового или соевого масла (перечень не является исчерпывающим), в результате чего формируются длинноцепочечные алкилэфиры метила, пропила или этила. Биологическое дизельное топливо используется в обычных дизельных двигателях. В этих дизельных двигателях, снабженных топливными насосами, биологическое топливо может использоваться либо в чистой форме ("В100"), либо в форме смеси с минеральным дизельным топливом (топливом, получаемым из нефти) в любых соотношениях. Однако, например, новые дизельные двигатели с системой впрыска высокого давления (29000 psi (200 МПа)) с общей рампой имеют строгие ограничения по составу топлива, в зависимости от производителя, В5 или В20 (максимально допустимое содержание биокомпонента в смесовом дизельном топливе 5 объемн. % или 20 объемн. %, соответственно).
Биологическое дизельное топливо может использоваться в качестве топлива без внесения изменений в двигатель внутреннего сгорания. Однако биологическое дизельное топливо, так же как и синтетическое дизельное топлива, имеет плотность и удельную теплотворность, которые отличаются от плотности и удельной плотности минерального топлива. Это может приводить к необходимости изменения количества топлива в системе впрыска топлива для получения такого же вращающего момента и того числа оборотов, которые достигаются при использовании топлив разных составов. С другой стороны, изменение количества впрыскиваемого топлива может потребовать адаптации параметров управления двигателем, поскольку это может повлиять на температуру и, соответственно, состав отработавших газов.
Например, состав топлива влияет на количество сажи, выбрасываемой двигателем, а также содержание оксидов азота в отработавших газах, и количество этих вредных выбросов может даже снижаться по сравнению минеральным дизельным топливом, так что необходимо также изменять настройки системы последующей обработки отработавших газов. Как правило, настройка двигателя не бывает оптимальной в отношении выбросов вредных веществ, шума, расхода топлива и т.п., когда в минеральное дизельное топливо вводят синтетические или биологические добавки, или когда минеральное дизельное топливо полностью заменяется вышеуказанными альтернативными топливами.
В документе ЕР 2080888 А2 раскрывается способ определения качества топлива для двигателя внутреннего сгорания с прямым впрыском транспортного средства. Система впрыска топлива с общей магистралью содержит топливный насос, управление работой которого осуществляется пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором. При изменении вязкости топлива будет изменяться интегральная компонента такого регулятора. Она будет изменяться при изменении вязкости и, соответственно, при изменении давления в общей магистрали. Соответственно, новая величина вязкости может быть определена с использованием новой интегральной компоненты в сочетании с эталонными величинами, записанными в таблице характеристик. Определение вязкости топлива осуществляют во время стационарного или нисходящего режима работы двигателя внутреннего сгорания.
DE 10201177404 относится к способу определения качества топлива в конфигурации с инжектором высокого давления, посредством анализа кривой увеличения давления.
WO 2009056402 относится к способу определения типа топлива, используя измерения давления в области высокого давления с течением времени.
ЕР 0828070 и ЕР 1873378 относятся к способам, включающим определение характеристики типа топлива, используя сигнал давления.
DE 10252476 относится к способу, включающему определение типа топлива, используя анализ перемещения магнитного клапана.
WO 02/084101 относится к способу, включающему определение величины, важной для энергосодержания топлива, используя перемещение подвижного элемента клапана.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для определения качества топлива максимально быстро и точно с использованием оборудования, уже имеющегося на транспортном средстве.
Другими целями изобретения являются: компьютерная программа, вычислительная система и программный продукт для осуществления предлагаемого способа.
Объекты изобретения охарактеризованы признаками независимых пунктов формулы изобретения. Другие пункты формулы изобретения и описание раскрывают предпочтительные варианты осуществления изобретения.
В изобретении предлагается способ определения качества топлива для двигателя внутреннего сгорания, в частности для дизельного двигателя, в котором топливо подается из топливного бака низкого давления в емкость высокого давления и впрыскивается по меньшей мере в один цилиндр двигателя внутреннего сгорания, и для непосредственного или опосредованного регулирования количества топлива, впрыскиваемого в указанный по меньшей мере один цилиндр, обеспечивается регулирующий клапан. В предлагаемом способе фактическая величина сигнала управления регулирующим клапаном (синхросигнала) сравнивается с эталонной величиной сигнала управления регулирующим клапаном, и показатель качества топлива определяется по разности между фактической и эталонной величинами сигнала управления регулирующим клапаном.
Дополнительно или вместо этого показатель качества определяется по результатам сравнения фактической величины градиента роста давления на стадии повышения давления в емкости высокого давления с эталонной величиной градиента роста давления в емкости высокого давления.
Фактическая величина давления в емкости высокого давления может определяться при постоянном вращающем моменте двигателя.
Эталонная величина давления в емкости высокого давления может определяться с помощью набора характеристических кривых для эталонного топлива.
Способ, предлагаемый в изобретении, подходит для использования в системах впрыска с общей магистралью, а также в системах впрыска с насос-форсунками дизельных двигателей.
В качестве регулирующего клапана может использоваться перепускной клапан, установленный между топливным баком и емкостью высокого давления, которая представляет собой общую магистраль в системе впрыска с общей магистралью или рабочей камерой топливного насоса в системе впрыска с насос-форсунками. Показатель качества топлива может быть получен по разности между фактической и эталонной величинами сигнала управления перепускным клапаном системы подачи топлива и/или по разности между фактической и эталонной величинами градиента роста давления в топливной системе.
Топливо может подаваться из топливного бака, в котором поддерживается первое давление, в емкость высокого давления под давлением, которое превышает первое давление, и впрыскиваться в указанный по меньшей мере один цилиндр дизельного двигателя, причем перепускной клапан обеспечивается для ограничения давления топлива в емкости высокого давления.
В предпочтительном варианте требуемое давление в емкости высокого давления устанавливается с использованием системы управления с обратной связью путем регулирования сигнала управления регулирующим клапаном и/или продолжительности его работы.
В предпочтительном варианте фактическая величина сигнала управления регулирующим клапаном может определяться при постоянном вращающем моменте двигателя. Точность определения сигнала управления регулирующим клапаном улучшается при работе двигателя в устойчивом режиме.
В другом предпочтительном варианте точность определения фактического сигнала управления регулирующим клапаном может быть улучшена путем учета фактической температуры топлива. В этом случае может быть исключено влияние температуры на плотность и вязкость топлива, в результате чего повышается точность, обеспечиваемая предлагаемым способом.
В другом предпочтительном варианте точность определения фактического давления в емкости высокого давления может быть улучшена путем учета фактической температуры топлива. В этом случае может быть исключено влияние температуры на плотность и вязкость топлива, в результате чего повышается точность, обеспечиваемая предлагаемым способом.
В другом предпочтительном варианте эталонная величина сигнала управления регулирующим клапаном может быть получена с помощью набора характеристических кривых для эталонного топлива. Эталонным топливом может быть минеральное дизельное топливо, характеристики которого хорошо известны.
Достоинством настоящего изобретения является то, что оценка качества топлива позволяет решить задачу определения состава топлива при работе дизельного двигателя на чистом биологическом топливе, или на чистом синтетическом топливе, или на смеси минерального топлива с синтетическим или биологическим топливом (например, с рапсовым метиловым эфиром). Достоинством предлагаемого способа является исключение необходимости использования дополнительного оборудования в случае систем впрыска с общей магистралью. В случае систем впрыска с насос-форсунками целесообразно к емкости высокого давления подсоединить датчик давления.
Использование изобретения позволяет исключить установку дополнительного датчика топлива, в результате чего снижается общая стоимость двигателя. Сигнал управления регулирующим клапаном может быть легко получен из сигналов управления блока управления, осуществляющего управление работой регулирующего клапана, который в случае дизельного двигателя с системой впрыска с общей магистралью может быть блоком управления, осуществляющим управление различными приводными механизмами общей магистрали (также указывается как "контроллер общей магистрали"). Сигнал управления предпочтительно представляет собой сигнал включения или сигнал выключения для регулирующего клапана. Моменты включения перепускного клапана в случае системы впрыска с общей магистралью программируются (то есть записываются) для всех рабочих режимов двигателя и, соответственно, имеются во всех соответствующих блоках управления.
Изобретение особенно подходит для использования в системе впрыска с общей магистралью, в которой топливо подается из топливного бака с низким давлением в общую магистраль (емкость высокого давления) под высоким давлением перед впрыском топлива в указанный по меньшей мере один цилиндр двигателя внутреннего сгорания.
В дизельном двигателе с системой впрыска с общей магистралью топливо подается из топливного бака, в котором поддерживается низкое давление, в емкость высокого давления, то есть в общую магистраль, и из нее впрыскивается в цилиндры двигателя. Перепускной клапан может рассматриваться как клапан регулирования давления. Давление в общей магистрали и продолжительность впрыска определяют количество впрыскиваемого топлива.
Например, в системе впрыска с общей магистралью давление топлива создается плунжером (поршнем) насоса в емкости высокого давления, которая называется общей магистралью. Давление в магистрали может регулироваться путем управления перепускным клапаном. Для заданного давления в общей магистрали и количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр двигателя, необходима определенная продолжительность нагнетания. Эта продолжительность нагнетания представлена параметром, который указывается как "рабочий цикл", используемый в блоке управления работой общей магистрали (в контроллере общей магистрали). Чтобы получить необходимое давление в общей магистрали, используется датчик давления, установленный в общей магистрали, и получение надлежащего давления осуществляется с использованием системы управления с обратной связью путем регулирования сигнала управления перепускным клапаном и/или продолжительности его работы перепускного клапана. Этот процесс используется для определения разности физических характеристик топлива, таких как его вязкость и/или плотность. Если эти характеристики изменяются, то производительность насоса должна быть уменьшена или увеличена по сравнению с работой на чистом минеральном дизельном топливе, то есть рабочий цикл должен быть изменен. Например, если вязкость и плотность используемого топлива ниже аналогичных характеристик минерального дизельного топлива, интервал нагнетания должен быть увеличен для такого топлива, и, соответственно, он должен быть уменьшен, если вязкость и плотность используемого топлива выше, чем у минерального дизельного топлива. Соответствующие характеристики минерального дизельного топлива определяются стандартами, то есть хорошо известны, и поэтому они могут использоваться в качестве эталонных характеристик.
Дополнительно или вместо этого фактическая величина сигнала управления регулирующим клапаном может быть определена точнее с использованием фактической величины интервала нагнетания топливного насоса, подающего топливо из топливного бака в емкость высокого давления, такую как общая магистраль (в системе впрыска с общей магистралью). Точность и надежность предлагаемого способа может быть улучшена путем использования и других сигналов для определения фактической величины сигнала управления регулирующим клапаном.
Предлагаемый способ также хорошо подходит для использования в системе впрыска с насос-форсунками, в которой топливо сжимается в рабочей камере насоса, и нагнетание осуществляется в процессе впрыска топлива в указанный по меньшей мере один цилиндр. В частности, в этой системе топливо впрыскивается с помощью игольчатых клапанов в отдельные цилиндры дизельного двигателя. Между топливным насосом и топливным баком обеспечивается перепускной клапан. В случае системы впрыска с насос-форсунками сигнал управления перепускным клапаном соответствует определенному угловому положению коленчатого вала. Показатель качества топлива может быть получен с использованием сигнала управления перепускным клапаном, а также градиента роста давления на стадии нагнетания в зависимости от сигнала управления перепускным клапаном (то есть от углового положения коленчатого вала) в емкости высокого давления, в частности в рабочей камере насоса, в процессе впрыска топлива.
Показатель качества определяется по результатам сравнения фактической величины градиента роста давления в емкости высокого давления на стадии нагнетания с эталонной величиной градиента роста давления в емкости высокого давления, в частности в рабочей камере топливного насоса.
Моменты включения перепускного клапана в случае системы впрыска с насос-форсунками программируются (то есть записываются) для всех рабочих режимов двигателя и, соответственно, имеются во всех соответствующих блоках управления, таких как, например, блок управления перепускным клапаном. В такой системе общая магистраль отсутствует. Топливный насос сжимает топливо в рабочей камере, которая представляет собой емкость высокого давления в случае системы впрыска с насос-форсунками, и топливо впрыскивается в каждый цилиндр с использованием игольчатого клапана, установленного на каждом цилиндре. Впрыск происходит, когда насос сжимает топливо. Игольчатый клапан осуществляет управление впрыском топлива в камеру сгорания, моментом начала впрыска и его продолжительностью. В известных системах давление топлива записано в блоке управления, и, соответственно, давление топлива не измеряется. В соответствии с изобретением, присоединив датчик давления к емкости высокого давления, то есть к рабочей камере топливного насоса, можно измерять давление в рабочей камере.
В предпочтительном варианте в емкости высокого давления системы впрыска с насос-форсунками требуемое давление устанавливается с использованием системы управления с обратной связью путем регулирования давления открытия иглы клапана форсунки и/или путем регулирования фактической величины сигнала управления регулирующим клапаном и/или продолжительности его работы.
Достоинством настоящего изобретения является то, что оценка качества топлива позволяет решить задачу определения состава топлива при работе дизельного двигателя на чистом биологическом топливе, или на чистом синтетическом топливе, или на смеси минерального топлива с синтетическим или биологическим топливом (например, с рапсовым метиловым эфиром). Использование изобретения позволяет исключить установку дополнительного датчика топлива, в результате чего снижается общая стоимость двигателя.
Величина давления в емкости высокого давления может быть легко получена от датчика давления, соединенного с рабочей камерой насоса, например, в самой камере или возле нее, и передана в блок управления, осуществляющий управление работой регулирующего клапана. Например, в системе впрыска с насос-форсунками давление впрыска будет выше, если двигатель работает на биологическом дизельном топливе, по сравнению с работой на минеральном дизельном топливе, и это давление может контролироваться.
В том случае, когда максимальное давление, необходимое для впрыска, постоянно, давление в рабочей камере топливного насоса будет повышаться быстрее для биологического топлива по сравнению с минеральным топливом. Этот процесс используется для определения разности физических характеристик разности топлив, таких как его вязкость и/или плотность. Если эти характеристики изменяются, градиент роста давления на стадии нагнетания в рабочей камере насоса будет ниже или выше по сравнению работой на чистом минеральном дизельном топливе. Соответствующие характеристики минерального дизельного топлива определяются стандартами, то есть хорошо известны, и поэтому они могут использоваться в качестве эталонных характеристик. В традиционной системе впрыска с насос-форсунками более крутой рост давления приводит к более высокому давлению, которое может повредить форсунку.
В изобретении предлагается также устройство для осуществления способа определения качества топлива для двигателя внутреннего сгорания, в частности для дизельного двигателя, в котором топливо подается из топливного бака низкого давления в емкость высокого давления и впрыскивается по меньшей мере в один цилиндр двигателя внутреннего сгорания, и для непосредственного или опосредованного регулирования количества топлива, впрыскиваемого в указанный по меньшей мере один цилиндр, обеспечивается регулирующий клапан. Для сравнения фактической величины сигнала управления регулирующим клапаном с эталонной величиной сигнала управления регулирующим клапаном обеспечивается блок управления, и показатель качества топлива определяется по разности между фактической и эталонной величинами сигнала управления регулирующим клапаном.
Дополнительно или вместо этого показатель качества определяется по результатам сравнения фактической величины градиента роста давления в емкости высокого давления на стадии нагнетания с эталонной величиной градиента роста давления в емкости высокого давления.
Это устройство может быть особенно полезно для дизельных двигателей с системой впрыска с общей магистралью или с системой впрыска с насос-форсунками, в которых регулирующий клапан может представлять собой перепускной клапан, используемый для ограничения давления в емкости высокого давления.
В предпочтительном варианте требуемое давление впрыска может устанавливаться с использованием системы управления с обратной связью путем регулирования сигнала управления регулирующим клапаном и/или продолжительности его работы. В случае дизельного двигателя с системой впрыска с насос-форсунками игольчатые клапаны, связанные с отдельными цилиндрами, осуществляют управление впрыском топлива в камеру сгорания, который определяется моментами включения и выключения и продолжительностью работы клапана.
Дополнительно или вместо этого фактическая величина сигнала управления регулирующего клапана может быть определена точнее с использованием фактической величины интервала нагнетания топливного насоса, подающего топливо из топливного бака в емкость высокого давления, такую как рабочая камера насоса (в системе впрыска с насос-форсунками). Точность и надежность предлагаемого способа может быть улучшена путем использования и других сигналов для определения фактической величины давления в емкости высокого давления.
В одном из предпочтительных вариантов может обеспечиваться датчик температуры для определения фактической температуры топлива, которая позволяет повысить точность определения качества топлива с использованием предлагаемого способа. Кроме того, может обеспечиваться датчик давления для измерения давления и/или градиента давления в емкости высокого давления.
В изобретении предлагается также транспортное средство, содержащее устройство для осуществления способа определения качества топлива для двигателя внутреннего сгорания, в частности для дизельного двигателя, в котором топливо подается из топливного бака низкого давления в емкость высокого давления и впрыскивается по меньшей мере в один цилиндр двигателя внутреннего сгорания, и для непосредственного или опосредованного регулирования количества топлива, впрыскиваемого в указанный по меньшей мере один цилиндр, обеспечивается регулирующий клапан. Транспортное средство может быть снабжено системой впрыска с общей магистралью. В этом случае фактическая величина сигнала управления регулирующим клапаном сравнивается с эталонной величиной сигнала управления регулирующим клапаном, и показатель качества топлива определяется по разности между фактической и эталонной величинами сигнала управления регулирующим клапаном. В другом варианте транспортное средством может быть снабжено системой впрыска с насос-форсунками, и для определения качества топлива используется разность между фактическим сигналом управления перепускным клапаном и соответствующими эталонными величинами и/или разность между фактической величиной градиента роста давления в рабочей камере топливного насоса на стадии нагнетания и соответствующей эталонной величиной.
Настоящее изобретение также относится к программируемому микрокомпьютеру, содержащему компьютерную программу с кодами для осуществления способа или для использования в способе определения качества топлива для двигателя внутреннего сгорания, когда программа исполняется на программируемом микрокомпьютере, причем способ включает подачу топлива из топливного бака и его впрыск по меньшей мере в один цилиндр двигателя внутреннего сгорания, и для непосредственного или опосредованного регулирования количества топлива, впрыскиваемого в указанный по меньшей мере один цилиндр обеспечивается регулирующий клапан, при этом, например, в случае использования системы впрыска с общей магистралью фактическая величина сигнала управления регулирующим клапаном сравнивается с эталонной величиной сигнала управления регулирующим клапаном, и показатель качества топлива определяется по разности между фактической и эталонной величинами сигнала управления регулирующим клапаном. Дополнительно или вместо этого для определения качества топлива может использоваться разница градиентов роста давления в емкости высокого давления на стадии нагнетания. Компьютерная программа может быть адаптирована для загрузки в блок управления или в один из его компонентов при выполнении компьютером, который подсоединен к сети Интернет.
Кроме того, в настоящее изобретение также относится к машиночитаемому носителю, содержащему программные коды для осуществления вышеописанного способа, когда эти коды исполняются на компьютере.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения, его особенности и достоинства лучше всего можно понять из нижеприведенного подробного описания некоторых вариантов осуществления изобретения, которые не ограничивают его объем, со ссылками на чертежи, на которых схематично показано:
на фиг. 1 - схема одного из вариантов осуществления изобретения в системе впрыска с общей магистралью дизельного двигателя для определения сигнала управления регулирующим клапаном, реализованным в форме перепускного клапана этой системы впрыска;
на фиг. 2 - сравнение сигналов управления перепускным клапаном в системе впрыска с общей магистралью, схема которой приведена на фиг. 1, для минерального дизельного топлива и для топлива с меньшей плотностью и вязкостью;
на фиг. 3 - сравнение сигналов управления перепускным клапаном в системе впрыска с общей магистралью, схема которой приведена на фиг. 1, для минерального дизельного топлива и для топлива с большей плотностью и вязкостью;
на фиг. 4 - график зависимости разницы сигналов управления перепускным клапаном в системе впрыска с общей магистралью от увеличения давления в магистрали по настоящему изобретению;
на фиг. 5 - график зависимости синусоидального перемещения рабочего элемента насоса и скорости его подъема от угла поворота коленчатого вала для системы, схема которой приведена на фиг. 1;
на фиг. 6 - схема одного из вариантов осуществления изобретения в дизельном двигателе для определения сигнала управления регулирующим клапаном, реализованным как игольчатый клапан в системе впрыска с насос-форсунками;
на фиг. 7 - сравнение сигналов давления в системе впрыска с насос-форсунками, схема которой приведена на фиг. 6, для минерального дизельного топлива и для топлива с большей плотностью и вязкостью;
на фиг. 8 - график зависимости движения рабочего элемента насоса и скорости его подъема от угла поворота коленчатого вала для системы, схема которой приведена на фиг. 6.
Осуществление изобретения
Одинаковые или сходные элементы указываются на чертежах одинаковыми ссылочными номерами. Чертежи являются всего лишь схематическими иллюстрациями, не предназначенными для точного отображения конкретных характеристик изобретения. Кроме того, чертежи предназначены для представления только типичных вариантов осуществления изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничения объема изобретения.
На фиг. 1 приведена схема одного из вариантов системы 20 впрыска с общей магистралью. Давление топлива (Р_rail на фиг. 2) создается в емкости 30 высокого давления (также "общая магистраль") плунжером (поршнем) насоса 22, подающего топливо из топливного бака 12 низкого давления в емкость 30 по трубопроводам 14 и 16. Топливо подается из топливного бака 12 в рабочую камеру 22а насоса 22 и затем в емкость 30 высокого давления. В трубопроводе 14 между топливным баком 12 и насосом 22 установлен регулирующий клапан 24 (в форме перепускного клапана), осуществляющий дозирование подаваемого топлива. В трубопроводе 16 между емкостью 30 высокого давления и насосом 22 установлен запорный клапан 26. На стороне высокого давления, например, в емкости 30 высокого давления, установлен датчик 36 давления. Топливо впрыскивается через форсунки 40 в цилиндры 18 дизельного двигателя 10 (для примера показана только одна форсунка 40 и один цилиндр 18 двигателя), и в соединительном трубопроводе 32 между емкостью 30 высокого давления и форсункой 40 установлен игольчатый клапан 34. Форсунка 40, игольчатый клапан 34 и насос 22 могут быть объединены в одном устройстве или же они могут быть реализованы в форме отдельных устройств.
Топливный бак 12 может содержать один сорт топлива, например смесь минерального дизельного топлива с синтетическим или биологическим дизельным топливом. В альтернативном варианте (на фигурах не показан) может использоваться два или более отдельных топливных баков, один с минеральным дизельным топливом и другой бак (или баки) с биологическим или синтетическим дизельным топливом, причем выходные трубопроводы этих баков могут соединяться для смешивания разных топлив с целью получения необходимой смеси в емкости высокого давления. В другом варианте может использоваться система, содержащая несколько баков с разными сортами топлива, причем для подачи топлива из этих баков используется распределительный клапан, соединяющий выходы баков с емкостью высокого давления таким образом, что в один момент времени к этой емкости будет подсоединен только один топливный бак, и эти топливные баки могут подсоединяться последовательно к емкости высокого давления в соответствии с потребностями двигателя, которые могут изменяться во времени, чтобы подавать в двигатель тот сорт топлива, который необходим в данный момент времени.
Температура топлива может измеряться датчиком 38 температуры, установленным в топливном баке 12.
Управление работой компонентов системы 20 впрыска с общей магистралью, а также двигателя 10 осуществляет блокм 60 управления, например, электронный блок управления. В блоке 60 управления записаны таблицы характеристик двигателя, которые используются, например, в соответствии с положениями управляющих элементов, таких как, например, педаль акселератора, для управления форсунками 40 для впрыска топлива в цилиндры 18, как это задается водителем. Величина фактического давления (P_rail на фиг. 2) в емкости 30 высокого давления поступает для анализа в блок 60 управления, причем это давление может зависеть от числа оборотов двигателя 10, так что чем больше число оборотов, тем выше давление P_rail в емкости 30 высокого давления.
Другими входными параметрами блока 60 управления, кроме фактического давления P_rail топлива в общей магистрали, являются, например, температура топлива, число оборотов двигателя (в частности информация, относящаяся к текущему углу поворота коленчатого вала), рабочее состояние двигателя (в частности информация, относящаяся к текущему положению распределительного вала).
Давление P_rail в емкости 30 высокого давления может регулироваться блоком 60 управления, осуществляющим также управление работой регулирующего клапана 24. Когда необходимо повысить давление P_rail, насос 22 подает топливо из топливного бака 12 в емкость 30 высокого давления через регулирующий клапан 24, который дозирует топливо, подаваемое в емкость 30. После достижения требуемого давления, избыток топлива через регулирующий клапан 24 стекает обратно в топливный бак 12. Давление P_rail в камере 30 высокого давления поддерживается запорным клапаном 26 и измеряется датчиком 36 давления.
Для заданного давления P_rail и количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр 18 двигателя, необходим определенный рабочий цикл плунжера насоса 22. Этот рабочий цикл плунжера определяется интервалом нагнетания (Т_22 на фиг. 2). Этот интервал Т_22 нагнетания представлен параметром, который указывается как "рабочий цикл", используемый в блоке 60 управления. Чтобы обеспечить необходимое давление P_rail давление в общей магистрали, осуществляется регулирование этого давления с использованием результатов измерения давления датчиком 36 в системе управления с обратной связью путем управления моментами включения/выключения и/или продолжительностью работы регулирующего клапана. Это регулирование используется для определения разности физических характеристик топлива (в частности вязкости и плотности).
Если эти характеристики изменяются, то производительность насоса должна быть уменьшена или увеличена по сравнению с работой на чистом минеральном дизельном топливе, то есть "рабочий цикл" должен быть изменен. Соответственно, в качестве простого датчика топлива используется временная диаграмма работы регулирующего клапана. Например, если используется топливо, вязкость и плотность которого ниже вязкости и плотности минерального дизельного топлива, интервал Т_22 нагнетания должен быть увеличен, как это показано в качестве примера на фиг. 2. На фиг. 2 приведены для сравнения графики для работы на синтетическом и стандартном минеральном дизельном топливе. На фиг. 2 графики, относящиеся к синтетическому и к стандартному минеральному дизельному топливу, проведены сплошными и пунктирными линиями, соответственно. С другой стороны, биологическое дизельное топливо (например, рапсовый метиловый эфир) имеет существенно более высокие величины вязкости и плотности по сравнению со стандартным минеральным дизельным топливом, и поэтому в этом случае необходим будет укороченный интервал Т_22 работы насоса. Этот случай иллюстрируется на фиг. 3. Чем выше будет содержание в дизельном топливе биологической добавки, тем меньше будет "рабочий цикл", то есть интервал нагнетания.
На фиг. 2 приведены графики сигналов управления регулирующим клапаном для минерального дизельного топлива и топлива с меньшими величинами плотности и вязкости (например, для синтетического топлива) в функции от положения (POS, от англ. POSition) коленчатого вала, то есть выраженного углом его поворота (CAD, от англ. Crank Angle Degree). Угол поворота коленчатого вала, равный 360°, соответствует верхней мертвой точке (ВМТ), в которой поршень двигателя 10 находится дальше всего от коленчатого вала. В рассматриваемом примере регулирующий клапан 24, показанный на фиг. 1, представляет собой перепускной клапан.
Характеристики приведены для постоянного вращающего момента двигателя. В нижней части фиг. 2 можно видеть, что сигнал S_24 управления перепускным клапаном для синтетического дизельного топлива начинается раньше эталонного сигнала S_ref управления перепускным клапаном для минерального дизельного топлива, и, соответственно, между этими сигналами имеется временной сдвиг ΔS. В верхней части фиг. 2 приведены графики давления P_rail в общей магистрали, на которых видно повышение ΔР давления в емкости 30 высокого давления (фиг. 1), а также изменение интервала Т_22 нагнетания.
На фиг. 3 приведены графики сигналов управления регулирующим клапаном для минерального дизельного топлива и топлива с более высокими величинами плотности и вязкости (например, для биологического топлива) в функции от положения POS коленчатого вала, то есть от угла CAD его поворота. На фиг. 3 графики, относящиеся к биологическому и к стандартному минеральному дизельному топливу, проведены сплошными и пунктирными линиями, соответственно. В рассматриваемом примере регулирующий клапан представляет собой перепускной клапан. В нижней части фиг. 3 можно видеть, что сигнал S_24 управления перепускным клапаном для биологического дизельного топлива начинается позднее эталонного сигнала S_ref управления перепускным клапаном для минерального дизельного топлива, и, соответственно, между этими сигналами имеется временной сдвиг ΔS. В верхней части фиг. 3 приведены графики давления P_rail в общей магистрали, на которых видно повышение ΔР давления в емкости 30 высокого давления (фиг. 1), а также изменение интервала Т_22 нагнетания.
На обеих фигурах можно видеть, что даже при небольшом изменении давления ΔР в общей магистрали происходит заметное изменение ΔS сигнала S_24 управления перепускным клапаном, например, в рассматриваемых примерах примерно 2° угла поворота коленчатого вала при изменении давления на 80 бар. Сигнал управления перепускным клапаном задает момент начала процесса нагнетания, то есть момент закрытия перепускного клапана 24 (фиг. 1).
Перепускной клапан (регулирующий клапан 24) находится в открытом положении, когда он выключен. Перепускной клапан (регулирующий клапан 24) находится в закрытом положении, когда он включен, то есть в процессе нагнетания. Это означает, что при включении перепускного клапана (регулирующего клапана 24) емкость 30 высокого давления закрывается, так что в ней может быть создано высокое давление.
На фиг. 4 представлен пример зависимости сдвига ΔS сигнала управления перепускным клапаном для минерального и биологического дизельного топлива от повышения ΔР давления в общей магистрали, то есть в емкости высокого давления (емкость 30 на фиг. 1). Этот сдвиг означает, что перепускной клапан (регулирующий клапан 24 на фиг. 1) закрывается позднее (при большем значении угла поворота коленчатого вала), когда вместо стандартного минерального дизельного топлива используется биологическое дизельное топливо.
На фиг. 5 показано перемещение рабочего элемента насоса, имеющее синусоидальный характер и указанное как A_Lift (на графике фиг. 5 показано как подъем в мм, вертикальная ось координат справа), и два пика, указанных как CR с соответствующими максимумами на самом крутом подъеме синусоидальной кривой, показывающей скорость подъема рабочего элемента насоса (на фиг. 5 показана в мм на градус поворота коленчатого вала, вертикальная ось координат слева) в функции от положения POS коленчатого вала, указанного как CAD (угол поворота коленчатого вала).
Рабочий элемент, то есть плунжер насоса 22 на фиг. 1, имеет механический привод в форме кулачка распределительного вала, имеющего синусоидальный профиль. Это иллюстрируется графиком A_Lift на фиг. 5, который отражает подъем (в мм) рабочего элемента, создаваемый профилем кулачка в функции от угла CAD поворота коленчатого вала (в градусах). Перемещение рабочего элемента насоса не зависит от какого-либо управляющего сигнала. При подъеме плунжера, то есть скорость подъема кулачком (график CR на фиг. 5) положительна в диапазоне углов поворота кулачка от примерно 90° до 270° и от примерно 450° до 630°, давление топлива может повышаться, иначе говоря, может происходить нагнетание. Нагнетание осуществляется два раза за цикл работы двигателя. Впрыск топлива в камеру сгорания осуществляется в диапазоне углов от примерно 350° до 380°, причем типичная продолжительность впрыска составляет от примерно 5° до 25° угла поворота коленчатого вала в зависимости от потребной мощности (вращающего момента). Скорость вращения распределительного вала пропорциональна скорости вращения коленчатого вала двигателя. Скорость вращения распределительного вала вдвое меньше скорости вращения коленчатого вала двигателя. Таким образом, на фиг. 5 иллюстрируется один оборот распределительного вала.
Если перепускной клапан (регулирующий клапан 24 на фиг. 1) не включен, в емкости 30 высокого давления (общая магистраль или резервуар аккумулятора) давление не будет повышаться (не будет происходить нагнетание), поскольку рабочий элемент насоса 22 (фиг. 1) будет всасывать топливо из системы низкого давления, то есть из топливного бака 12 низкого давления, когда рабочий элемент перемещается вверх, и затем возвращать это топливо в систему низкого давления, то есть в топливный бак 12. В системе низкого давления давление обычно поддерживается на уровне примерно 5 бар. Указание "не включен" в настоящем описании означает, что перепускной клапан (регулирующий клапан 24 на фиг. 1) открыт, и указание "включен" означает, что регулирующий клапан 24 закрыт.
Момент времени, в который перепускной клапан (регулирующий клапан 24 на фиг. 1) включается, то есть клапан закрывается, определяет начало процесса нагнетания и, соответственно, продолжительность нагнетания. Максимальная продолжительность нагнетания физически ограничивается профилем кулачка, и, как показано на фиг. 5, максимальная продолжительность нагнетания может быть примерно 180° (×2 раза) на один цикл. Таким образом, момент включения регулирующего клапана определяет продолжительность нагнетания, необходимого для получения определенного увеличения давления в емкости 30 высокого давления.
В частности, для системы впрыска с общей магистралью моменты включения/выключения регулирующего клапана и/или продолжительность нагнетания определяется:
вязкостью топлива, поскольку при повышенной вязкости давление повышается быстрее, то есть перепускной клапан необходимо включать позднее (правее на шкале углов поворота коленчатого вала на фиг. 5), так что перепускной клапан включается и выключается в более поздние моменты времени;
плотностью топлива, поскольку при повышенной плотности давление повышается быстрее, то есть перепускной клапан необходимо включать позднее (правее на шкале углов поворота коленчатого вала на фиг. 5), так что перепускной клапан включается и выключается в более поздние моменты времени;
температурой топлива, поскольку при пониженной температуре давление повышается быстрее, то есть перепускной клапан необходимо включать позднее (правее на шкале углов поворота коленчатого вала на фиг. 5), так что перепускной клапан включается и выключается в более поздние моменты времени (поскольку вязкость и плотность повышаются по мере понижения температуры);
числом оборотов двигателя (полученным из сигнала, снимаемого с коленчатого вала), поскольку нагнетание осуществляется более эффективно на более высоких скоростях вращения;
требуемым увеличением давления, поскольку оно может зависеть по меньшей мере от двух условий:
- во-первых, если в камеру сгорания впрыскивается много топлива (большой вращающий момент двигателя), падение давления в емкости высокого давления (емкость 30 на фиг. 1) будет больше, и, соответственно, увеличенная продолжительность нагнетания необходима для восстановления этого падения давления;
- во-вторых, требуемое изменение давления может также зависеть от рабочего режима двигателя, и необходимое (оптимальное) давление впрыска в камеру сгорания является функцией числа оборотов двигателя и вращающего момента.
Блок 60 управления (фиг. 1) выполнен для осуществления предлагаемого в настоящем изобретении способа путем определения величины фактического сигнала (S_24 на фиг. 2) управления перепускным клапаном (регулирующим клапаном 24 на фиг. 1) и сравнения ее с эталонной величиной сигнала (S_ref на фиг. 2). Эти эталонные величины (для регулирующего клапана 24 на фиг. 1) получают в соответствии с характеристиками хорошо известных стандартных топлив, таких как, например, минеральное дизельное топливо, и на основе указанного сравнения получают фактическое качество топлива, используемого в системе подачи топлива для емкости высокого давления, то есть общей магистрали.
Блок 60 управления может содержать программируемый микрокомпьютер с записанной компьютерной программой, которая обеспечивает осуществление способа или используется в способе, когда программа выполняется микрокомпьютером. В частности, компьютерная программа адаптируется для загрузки в блок 60 управления или в один из его компонентов, когда микрокомпьютер подсоединен к сети Интернет.
При желании может использоваться программный продукт, записанный на машиночитаемом носителе, который содержит программу, используемую для осуществления способа микрокомпьютером.
Характеристики топлива, впрыскиваемого в цилиндры двигателя 10 (фиг. 1), влияют на температуру отработавших газов, их состав, а также на вращающий момент и выходную мощность двигателя 10. Например, по сравнению с минеральным дизельным топливом плотность синтетического дизельного топлива ниже, а плотность биологического дизельного топлива выше, в то время как вязкость синтетического топлива лишь немного ниже, а вязкость биологического топлива гораздо выше. Эти различия вязкости и плотности определяют давление впрыска форсунок (указаны ссылочным номером 40 на фиг. 1), которое необходимо для работы двигателя надлежащим образом. Теплотворная способность (теплота сгорания) синтетического дизельного топлива немного выше по сравнению с минеральным дизельным топливом, в то время как теплотворная способность биологического дизельного топлива гораздо ниже. Энергетическое содержание одного литра минерального дизельного топлива выше, чем у синтетического и биологического дизельного топлива, причем последнее характеризуется наименьшим энергетическим содержанием одного литра среди этих трех типов топлива. Энергетическое содержание топлива имеет первостепенную важность для вращающего момента и выходной мощности двигателя 10 (фиг. 1). Когда качество топлива известно, система управления двигателем может быть адаптирована для работы двигателя 10 (фиг. 1), так же как и для работы системы последующей обработки отработавших газов, соединенной с двигателем 10.
На фиг. 6 представлен пример варианта дизельного двигателя 10 с системой 120 впрыска с насос-форсунками и с отдельными игольчатыми клапанами 34 для каждого цилиндра 18 (только один цилиндр показан на фиг. 6).
В варианте, представленном на фиг. 6, давление топлива (P_inj на фиг. 7) создается плунжером (поршнем) насоса 22 в рабочей камере 22а насоса 22 путем подачи топлива из топливного бака 12 низкого давления в рабочую камеру 22а насоса по трубопроводу 14 и в игольчатый клапан 34 по трубопроводу 16. В трубопроводе 14 между топливным баком 12 и насосом 22 установлен регулирующий клапан 24 (в форме перепускного клапана), осуществляющий дозирование подаваемого топлива. В насосе 22 установлен датчик 36 давления для измерения давления в рабочей камере 22а насоса. Когда игольчатые клапаны 34 открыты, топливо впрыскивается через форсунки 40 в цилиндры 18 двигателя 10 (для примера показана только одна форсунка 40, один игольчатый клапан 34 и один цилиндр 18 двигателя 10), и между насосом 22 и форсункой 40 установлен игольчатый клапан 34. Форсунка 40, игольчатый клапан 34 и насос 22 могут быть объединены в одном устройстве или же они могут быть реализованы в форме отдельных устройств.
Топливный бак 12 может содержать один сорт топлива, например смесь минерального дизельного топлива с синтетическим или биологическим топливом. В альтернативном варианте (на фигурах не показан) может использоваться два или более отдельных топливных баков, один с минеральным дизельным топливом и другой бак (или баки) с биологическим или синтетическим дизельным топливом, причем выходные трубопроводы этих баков могут соединяться для смешивания разных топлив с целью получения необходимой смеси в емкости высокого давления. В другом варианте может использоваться система, содержащая несколько баков с разными сортами топлива, причем для подачи топлива из этих баков используется распределительный клапан, соединяющий выходы баков с емкостью высокого давления таким образом, что в один момент времени к этой емкости будет подсоединен только один топливный бак, и эти топливные баки могут подсоединяться последовательно к емкости высокого давления в соответствии с потребностями двигателя, которые могут изменяться во времени, чтобы подавать в двигатель тот сорт топлива, который необходим в данный момент времени.
Температура топлива может измеряться датчиком 38 температуры, установленным в топливном баке 12.
Управление работой компонентов системы 120 впрыска с насос-форсунками, а также двигателя 10 осуществляется блоком 60 управления, например, электронным блоком управления. В блоке 60 управления записаны таблицы характеристик двигателя, которые используются в соответствии, например, с положениями управляющих элементов, таких как, например, педаль акселератора, для управления форсунками 40 для впрыска топлива в цилиндры 18, как это задается водителем. Величина действующего давления (P_inj на фиг. 7) в емкости высокого давления, то есть в рабочей камере 22а насоса в рассматриваемом варианте, поступает для анализа в блок 60 управления, причем это давление может зависеть от числа оборотов двигателя 10, так что чем больше число оборотов, тем давление P_inj в рабочей камере 22а насоса будет выше.
Для системы впрыска с насос-форсунками давление P_inj всегда должно быть повышенным, поскольку в начале каждого цикла работы двигателя давление топлива равно давлению в контуре низкого давления (например, порядка 5 бар). Ниже описывается рабочий цикл. Когда плунжер топливного насоса 22 перемещается вверх, рабочая камера 22а будет заполняться топливом. Когда рабочая камера 22а насоса полностью заполнена, она всегда будет содержать одинаковое количество топлива. Когда плунжер начинает перемещаться вниз, он будет вытеснять топливо в контур низкого давления, пока не будет включен перепускной клапан 24. После включения этого клапана начинается фаза нагнетания, то есть давление P_inj в рабочей камере 22а насоса повышается. Рабочая камера 22а сообщается с игольчатым клапаном 34 двигателя 10 внутреннего сгорания. Когда игольчатый клапан 34 открывается, топливо впрыскивается в соответствующий цилиндр 18 двигателя 10. Затем топливо, остающееся в камере 22а насоса после окончания впрыска (EOI, от англ. End Of Injection), возвращается в контур низкого давления.
Другими входными параметрами блока 60 управления, кроме фактического давления P_inj топлива в рабочей камере 22а насоса, являются, например, температура топлива, число оборотов двигателя (в частности, информация, относящаяся к текущему углу поворота коленчатого вала), рабочее состояние двигателя (в частности, информация, относящаяся к текущему положению распределительного вала).
Давление Р_inj в рабочей камере 22а насоса может регулироваться блоком 60 управления, осуществляющим также управление работой перепускного клапана 24 и игольчатого клапана 34. Когда необходимо повысить давление P_inj, насос 22 подает топливо из топливного бака 12 в игольчатый клапан 34 через перепускной клапан 24, который дозирует топливо, подаваемое в двигатель 10. После достижения требуемого давления, избыток топлива через перепускной клапан 24 стекает обратно в топливный бак 12.
Для заданного давления P_inj и количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр 18 двигателя, необходим определенный рабочий цикл плунжера насоса 22. Этот рабочий цикл плунжера определяется интервалом нагнетания. Этот интервал нагнетания представлен параметром, который указывается как "рабочий цикл", используемый в блоке 60 управления. Чтобы обеспечить необходимое давление P_inj, осуществляется его регулирование с использованием результатов измерения давления датчиком 36 в системе управления с обратной связью путем управления моментами включения/выключения и/или продолжительностью работы регулирующего клапана. Это регулирование используется для определения отличий физических характеристик топлива (особенно вязкости и плотности).
Если эти характеристики изменяются, то производительность насоса должна быть уменьшена по сравнению с работой на чистом минеральном дизельном топливе, то есть "рабочий цикл" должен быть изменен. Соответственно, в качестве простого датчика топлива используется временная диаграмма работы регулирующего клапана. Например, если используется топливо, вязкость и плотность которого выше вязкости и плотности минерального дизельного топлива, интервал нагнетания должен быть увеличен, как показано в качестве примера на фиг. 7.
На фиг. 7 графики, относящиеся к биологическому и к стандартному минеральному дизельному топливу, проведены сплошными и пунктирными линиями, соответственно. Биологическое дизельное топливо (например, рапсовый метиловый эфир) имеет существенно более высокие величины вязкости и плотности по сравнению со стандартным минеральным дизельным топливом, и поэтому в этом случае необходим будет укороченный интервал нагнетания. Чем выше будет содержание в дизельном топливе биологической добавки, тем меньше будет "рабочий цикл", то есть интервал нагнетания.
На фиг. 7 показана разница между давлением P_inj впрыска для минерального дизельного топлива и топлива с более высокой плотностью и вязкостью, в то время как на фиг. 8 показано перемещение рабочего элемента насоса и скорость CR его подъема в функции от углового положения POS коленчатого вала. На фиг. 8 перемещение рабочего элемента насоса представлено кривой A_Lift (на графике фиг. 8 подъем рабочего элемента указан в мм), которая показывает подъем рабочего элемента в диапазоне углов POS от примерно 300° до 420°, причем средняя часть графика почти прямолинейна, и скорость подъема представлена кривой CR, которая имеет широкий максимум в диапазоне углов POS от примерно 340° до 390°, что соответствует прямолинейной части кривой ALift, причем график CR показывает скорость подъема рабочего элемента насоса (на графике фиг. 8 скорость подъема рабочего элемента указана в мм/градус поворота кулачка, см. слева вертикальная ось координат) в функции от углового положения POS коленчатого вала, которое отсчитывается в CAD (угловые градусы).
В системе впрыска с насос-форсунками нагнетание начинается до впрыска топлива в камеру 18 сгорания. Момент времени, в который начинается впрыск, указывается на фиг. 7 как SOI (SOI от англ. Start Of Injection). Нагнетание заканчивается в конце интервала нагнетания. Момент времени, в который заканчивается впрыск, указывается на фиг. 7 как EOI (EOI от англ. End Of Injection). Продолжительность этапа повышения давления перед началом впрыска указывается на фиг. 7 как угол NOP открытия игольчатого клапана (NOP от англ. Needle Opening Pressure, то есть давление в момент SOI). Давление изменяется на этапе повышения давления (угол NOP) примерно линейно. Наклон графика (градиент) роста давления на этом этапе определяется скоростью подъема кулачком плунжера (A_Lift на фиг. 8), числом оборотов двигателя, диаметром плунжера и характеристиками топлива. Этот градиент будет больше для биологического дизельного топлива для одного и того же давления P_inj. Разница градиентов роста давления при нагнетании минерального дизельного топлива и биологического дизельного топлива является мерой качества используемого топлива.
На фиг. 7 для сравнения приведены графики сигналов S_ref и S_24 управления регулирующим клапаном 24 (фиг. 6) для минерального дизельного топлива и биологического дизельного топлива, соответственно.
Характер изменения давления P_inj впрыска на стадии впрыска (интервала впрыска) зависит от тех же параметров, что и градиент роста давления на стадии нагнетания, а также от потока, проходящего через сопло форсунки, который, в свою очередь, зависит от количества отверстий сопла форсунки 40. В момент EOI выключается игольчатый клапан 34 и перепускной клапан 24, и топливо, остающееся в рабочей камере 22а насоса 22, вытесняется в контур низкого давления, то есть в топливный бак 12 низкого давления.
Когда система запускается, давление P_inj впрыска устанавливается в соответствии с параметрами, записанными в таблицах блока 60 управления (фиг. 6). Поскольку градиент роста давления на стадии нагнетания зависит от качества топлива, то после нескольких циклов этот градиент устанавливается в соответствии с сортом топлива, используемым в системе, и он может быть получен по величинам давления, измеряемым датчиком 36 давления (фигура 6).
Определение качества топлива для этой системы возможно по градиенту роста давления P_inj на стадии нагнетания и/или по моменту включения перепускного клапана для заданной величины NOP.
Достоинством способа, предлагаемого в настоящем изобретении, является возможность идентификации любой смеси биологического и стандартного дизельного топлива, так что обеспечивается возможность безопасной работы двигателя и транспортного средства.