СПОСОБ И СИСТЕМА БОРТОВОЙ ДИАГНОСТИКИ
METHOD AND SYSTEM OF ON-BOARD DIAGNOSTICS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу и системе бортовой диагностики для обнаружения утечки воздуха турбонаддува, сжимаемого турбиной с изменяемой геометрией и подаваемого в двигатель внутреннего сгорания транспортного средства.
Уровень техники
Известно, что требования законодательства и необходимость послепродажного обслуживания транспортных средств являются факторами развития все более совершенных средств бортовой диагностики, обеспечивающих обнаружение неисправных устройств.
Чтобы обнаружить утечку воздуха в системе наддува двигателя внутреннего сгорания, необходимо сравнивать расчетную величину давления во всасывающем коллекторе с измеряемой величиной этого параметра. Вывод об утечке делается, если измеренная величина ниже расчетной величины. Расчет может осуществляться с использованием некоторых известных параметров, таких как число оборотов двигателя и/или турбины, вращающий момент двигателя, количество впрыскиваемого топлива, положение привода турбины с изменяемой геометрией, угол опережения зажигания и давление при открытом состоянии иглы инжектора. Угол опережения зажигания и давление при открытом состоянии иглы инжектора чаще всего исключаются из моделей, используемых для расчета величины давления, поскольку эти параметры не изменяются после окончательного определения алгоритма управления двигателем. Кроме того, возникают трудности при определении зависимости давления наддува от этих параметров.
Раскрытие изобретения
Одной из целей изобретения является обеспечение способа бортовой диагностики для обнаружения утечки в системе наддува двигателя внутреннего сгорания. Другой целью изобретения является обеспечение системы для осуществления такого способа бортовой диагностики. Еще одной целью настоящего изобретения является обнаружение неисправности датчика давления во всасывающем коллекторе и/или датчика положения турбины с изменяемой геометрией.
Указанные цели изобретения достигаются посредством признаков независимых пунктов формулы изобретения. Другие пункты формулы изобретения и описание раскрывают предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Предлагается способ бортовой диагностики для обнаружения утечки в системе турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, в которой воздух сжимается турбиной с изменяемой геометрией и подается в двигатель внутреннего сгорания. Сжатый воздух подается при движении в двигатель без подачи топлива, например, когда двигатель создает на коленчатом валу отрицательный вращающий момент. Расчет давления турбонаддува осуществляется по текущей конфигурации лопаток турбины с изменяемой геометрией. Измеряется действительное давление турбонаддува, и расчетное давление сравнивается с измеренной величиной.
Двигатель с турбиной с изменяемой геометрией имеет возможность регулирования давления на всасывающем коллекторе двигателя. Если имеется утечка воздуха в системе турбонаддува, то возможности регулирования снижаются. При нормальной работе двигателя существуют различные факторы, в том числе факторы неопределенности, которые влияют на алгоритм управления двигателем. Среди таких факторов особенно сильно влияет на давление турбонаддува количество топлива и регулирование момента зажигания. Достоинством способа, предлагаемого в изобретении, является независимость определения утечки от алгоритма управления двигателем. За счет подачи сжатого воздуха в двигатель без подачи топлива могут быть исключены факторы, которые больше всего влияют на алгоритм управления двигателем, поскольку в анализе не нужно учитывать количество подаваемого топлива или регулирование момента зажигания.
В этом случае требуется меньше проверок и меньшая степень оптимизации. Могут быть приняты более точные решения, поскольку в этом случае действует меньше факторов неопределенности. Бортовая диагностика упрощается и ее легче выполнить, оптимизировать, проверить и подтвердить.
Турбонагнетатели с изменяемой геометрией - это устройства, в которых обеспечивается изменение эффективного характеристического отношения турбины в зависимости от режима работы двигателя. В турбонагнетателях с изменяемой геометрией используется лопатки, которые могут направлять поток отработавших газов на лопасти турбины. Угол наклона лопаток может изменяться с помощью привода. Угол наклона лопаток изменяется при изменении числа оборотов двигателя для оптимизации режима работы турбины.
Оптимальное характеристическое отношение на малых оборотах двигателя отличается от его величины на высоких оборотах двигателя. Если характеристическое отношение слишком велико, турбина не сможет создавать требуемый наддув на малых оборотах. Если характеристическое отношение слишком мало, турбина будет дросселировать двигатель на больших оборотах, что приводит к высокому давлению в выпускном коллекторе, к высоким потерям при выбросе отработавших газов и, в конечном счете, к снижению выходной мощности. Путем изменения геометрии корпуса турбины при разгоне двигателя, характеристическое отношение турбины может поддерживаться на оптимальном уровне. В связи с этим турбонагнетатели с изменяемой геометрией имеют минимальное запаздывание, имеют низкое пороговое значение давления наддува и очень эффективны на повышенных оборотах двигателя. Обычно используемое техническое решение представляет собой набор аэродинамических лопаток в корпусе турбины возле ее входного отверстия. При перемещении лопаток площадь между их концами изменяется, в результате чего изменяется характеристическое отношение. Положение лопаток может регулироваться мембранным приводом, аналогичным приводу перепускной заслонки для отработавших газов. В других вариантах может использоваться электромеханический привод лопаток.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения наличие утечки может быть установлено по превышению заданного значения разницы между расчетным и действительным давлениями наддува. Достоинством такого решения является возможность учета погрешностей компонентов, используемых в предлагаемом способе, таких как датчик давления и другие. Приемлемая расчетная величина давления наддува может быть получена, если разница между измеренным и расчетным давлениями наддува превышает среднюю величину погрешностей компонентов.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения расчетная величина давления наддува может быть получена в рабочем режиме торможения двигателем.
Торможение двигателем представляет собой действие по использованию хода сжатия двигателя внутреннего сгорания, который требует затрат энергии, для рассеивания энергии и замедления транспортного средства. Для этого механизма используется термин "компрессионное торможение". На больших грузовиках для повышения эффективности торможения двигателем может использоваться устройство торможения дросселированием выпускной системы.
Компрессия в двигателе обеспечивается за счет момента поступательного движения транспортного средства, а также вращательного момента маховика двигателя. Когда водитель включает пониженную передачу для работы двигателя на повышенных оборотах без нажатия на педаль акселератора, двигатель преобразует кинетическую энергию движения транспортного средства в повышение температуры топливно-воздушной смеси. Эти горячие газы выбрасываются из двигателя, и тепло передается от компонентов двигателя окружающему воздуху. Это преобразование энергии происходит, поскольку большинство четырехтактных двигателей внутреннего сгорания требуют сжатия топливно-воздушной смеси перед ее воспламенением, чтобы извлечь полезную механическую энергию на такте расширения. Дизельные двигатели являются адиабатическими устройствами без свечей зажигания, в которых используется энергия, передаваемая заряду воздуха на такте сжатия, для непосредственного зажигания смеси при впрыскивании топлива.
Торможение двигателем всегда используется во всех негибридных транспортных средствах с двигателем внутреннего сгорания независимо от типа трансмиссии. Торможение двигателем снижает износ тормозных механизмов и помогает водителю поддерживать управление транспортным средством. Оно всегда действует, когда водитель отпускает педаль акселератора, рычаг коробки передач находится в нейтральном положении, сцепление включено и муфта механизма свободного хода не включена. Его также часто называют внутренним сопротивлением двигателя.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения действительная конфигурация лопаток турбины может быть определена по положению привода, обеспечивающего изменение геометрии турбины.
На этапе торможения двигателем утечка воздуха в системе турбонаддува может быть определена с использованием измерения положения привода турбины с изменяемой геометрией. По положению привода можно рассчитать давление турбонаддува. В зависимости от динамики системы может использоваться модель в пространстве состояний первого порядка. Она может быть получена на основе эффективности турбины и других параметров системы. Однако более распространено использование методов численного расчета, в которых берутся отсчеты для различных положений привода и связываются с давлением турбонаддува. Сравнение расчетного и измеренного давлений турбонаддува может указывать на наличие или отсутствие утечки в системе турбонаддува.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения расчетное давление турбонаддува может быть определено по действительному числу оборотов двигателя и/или турбины. В этом случае точность способа может быть повышена. Использование числа оборотов двигателя и/или турбины для расчета особенно предпочтительно в динамическом режиме. В случае утечки число оборотов турбины реагирует быстрее, чем давление турбонаддува. Давление турбонаддува изменяется медленно до достижения стационарного состояния, например, величины давления, задаваемого блоком управления двигателя. Использование числа оборотов турбины для расчета в динамической системе является предпочтительным. Измерение и определение действительного давления турбонаддува может быть выполнено быстрее. В предпочтительных вариантах по меньшей мере измеренное давление турбонаддува может быть вычтено из действительного массового расхода воздуха, проходящего через двигатель. Массовый расход воздуха зависит от числа оборотов двигателя. В случае утечки в системе турбонаддува массовый расход воздуха изменяется, и число оборотов двигателя будет более чувствительно к этому изменению. Массовый расход воздуха связан с давлением турбонаддува.
В изобретении предлагается система для осуществления способа бортовой диагностики в соответствии с одной из стадий предлагаемого способа, в которой обеспечивается вычислительное устройство для определения расчетного давления турбонаддува по текущей конфигурации лопаток турбины с изменяемой геометрией и сравнения расчетного давления с измеренным давлением турбонаддува. Вычислительное устройство может быть интегрировано в блок управления двигателя или в соответствующий блок управления транспортного средства.
Кроме того, предполагается, что изобретение может быть осуществлено с использованием компьютерной программы, содержащей код компьютерной программы, предназначенный для выполнения способа бортовой диагностики или для использования в способе в соответствии с одной из вышеуказанных стадий предлагаемого способа, причем программа выполняется на программируемом микрокомпьютере. В предпочтительном варианте компьютерная программа может быть адаптирована для загрузки в блок управления или в один из его компонентов при выполнении компьютером, который подсоединен к сети Интернет. Предпочтительный вариант предлагаемого способа бортовой диагностики может быть легко реализован в блоке управления, установленном на транспортном средстве.
Кроме того, может быть предложен программный продукт, записанный на машиночитаемом носителе, который содержит код программы для использования в осуществлении предлагаемого способа на компьютере в соответствии с одной из вышеуказанных стадий предлагаемого способа. В предпочтительном варианте программный продукт, выполняемый на компьютере, может быть реализован в блоке управления транспортного средства.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения, его особенности и достоинства можно лучше всего понять из нижеприведенного описания одного из вариантов осуществления изобретения, который не ограничивает его объем, со ссылками на чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - вид двигателя с турбиной с изменяемой геометрией;
на фиг.2а-2в - графики положения турбины с изменяемой геометрией (фиг.2а), давления турбонаддува (фиг.2б) и задаваемого уровня торможения (фиг.2в) в нормально работающей системе турбонаддува двигателя фиг.1;
на фиг.3а-3в - графики положения турбины с изменяемой геометрией (фиг.3а), давления турбонаддува (фиг.3б) и задаваемого уровня торможения (фиг.3в) для двигателя фиг.1 в случае утечки в системе турбонаддува.
Осуществление изобретения
Одинаковые или сходные элементы на чертежах указываются 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 ограничивающие объем изобретения.
На фиг.1 представлен схематический вид двигателя 20 транспортного средства (не показано) с турбонагнетателем 50, в состав которого входит турбина 54 с изменяемой геометрией. Воздух подается во всасывающий коллектор 22 двигателя 20 через воздухопроводы 32 и 34. Воздухопровод 32 снабжен воздушным фильтром 30. Между воздухопроводами 32 и 34 установлен компрессор 52 турбонагнетателя 50. В воздухопроводе 34 установлен охладитель 36 воздуха турбонаддува. Сжатый воздух подается по воздухопроводу 34 через охладитель 36 воздуха во всасывающий коллектор 22.
Двигатель 20 снабжен системой рециркуляции отработавших газов (в качестве примера), в которой газы из коллектора 24 отработавших газов двигателя 20 подаются в охладитель 40 системы рециркуляции отработавших газов. Воздухопровод 42 подает охлажденные отработавшие газы в смесительную камеру 44 системы рециркуляции отработавших газов, в которой отработавшие газы смешиваются с воздухом, поступающим из охладителя 36 воздуха турбонаддува. Привод 46 системы рециркуляции отработавших газов обеспечивает изменение количества отработавших газов, подаваемых в охладитель 40, в зависимости от режима работы двигателя 20.
Отработавшие газы могут в обход охладителя 40 подаваться в турбину 54 турбонагнетателя 50 и направляться дальше через выпускную трубу 60 в глушитель и/или в систему 62 дополнительной обработки отработавших газов, которая может быть снабжена одним или несколькими катализаторами, фильтрами частиц и другими устройствами (не показаны).
Давление воздуха турбонаддува может быть измерено датчиком 38, подсоединенным к воздухопроводу 34 между охладителем 36 воздуха турбонаддува и смесительной камерой 44. Двигатель 20 может быть снабжен датчиком 26, присоединенным к коленчатому валу (не показан) для измерения числа оборотов двигателя 20.
Турбонагнетатель 50 имеет датчик 56, который измеряет число оборотов турбины, и дополнительно датчик 58 для измерения положения привода (не показан), который изменяет положение лопаток турбины (не показаны) из первого положения, в котором лопатки закрыты или почти закрыты для пропускания минимального количества воздуха, во второе положение, в котором лопатки максимально открыты для пропускания максимального количества воздуха.
Для нормально работающего турбонагнетателя (утечки нет) на фиг.2а показано изменение во времени положения турбины с изменяемой геометрией, которое измеряется датчиком 58 положения (кривая 100 на фиг.2а), изменение во времени давления турбонаддува, измеряемого датчиком 38 давления (кривая 104 на фигуре 2б), в сравнении с задаваемой величиной 102 давления наддува и изменение во времени задаваемого уровня торможения (кривая 108 на фиг.2в), в то время как двигатель 20 работает в режиме торможения двигателем.
Положение привода указывается, например, в процентах от максимально открытого положения лопаток, которое оценивается по положению привода, перемещающего лопатки между минимальным и максимальным положениями открытия. Положение привода связано с давлением 104 турбонаддува. Например, для давления наддува, равного 280 кПа, в данном варианте системы, положение привода соответствует открытию лопаток на 48%. Цифры, приведенные для данного варианта, даются лишь для иллюстрации режимов работы системы.
Необходимо некоторое время, чтобы действующее давление 104 и задаваемое давление 102 турбонаддува перешли в устойчивое состояние. Время перехода для задаваемого давления наддува необходимо для защиты компонентов и для обеспечения более естественного и комфортного торможения. Например, задаваемое давление 102 турбонаддува повышается от низкой величины в переходной зоне 106 к устойчивому режиму работы на уровне 280 кПа. Измеренное давление 104 турбонаддува имеет выброс на начальном участке и увеличивается затем одновременно с задаваемым давлением 102 турбонаддува. Выброс давления представляет собой результат плохой калибровки функции управления.
Задаваемый уровень 108 торможения двигателем составляет примерно 90%. Величину этого параметра относительно максимального уровня торможения получают из соответствующей функции торможения транспортного средства. Она зависит от положения рычага торможения двигателем, которое определяет степень торможения, и его величина может задаваться водителем.
При торможении двигателем топливо в двигатель 20 не подается.
Приведенные кривые зависят от двигателя 20 и иллюстрируют его характеристики. Такие характеристические кривые известны и записываются в виде регулировочных характеристик, которые доступны для блока управления, задающего алгоритм управления двигателем. Этот алгоритм определяется на основе таких регулировочных характеристик.
На фиг.3а-3в показаны изменения параметров в случае утечки воздуха турбонаддува. Для этого случая показано изменение во времени положения турбины с изменяемой геометрией, которое измеряется датчиком 58 положения (кривая 100 на фиг.3а), изменение во времени давления турбонаддува, измеряемого датчиком 38 давления (кривая 104 на фигуре 3б), в сравнении с задаваемой величиной 102 давления турбонаддува и изменение во времени задаваемого уровня торможения (кривая 108 на фиг.3в), в то время как двигатель 20 работает в режиме торможения двигателем.
Как можно видеть, положение привода изменилось с 48%, показанного на фиг.2а, до 32% на фиг.3а, когда имеется разрыв размером 12 мм в воздухопроводе 34 после охладителя 36 воздуха турбонаддува.
Аналогичным образом, измеренное давление 104 турбонаддува, изменение которого представлено на фиг.3б, существенно ниже давления 104 турбонаддува, изменение которого представлено на фиг.2б, в переходной зоне 106.
На кривой изменения задаваемого уровня 108 торможения имеется четко выраженная ступенька в начале переходной зоны 106 давления 104 турбонаддува.
В соответствии с изобретением сжатый воздух подается в двигатель 20 без подачи в него топлива, особенно при торможении двигателем. Также сжатый воздух может подаваться в двигатель, когда он работает, и при этом в него будет подаваться топливо. Это может использоваться для повышения температуры двигателя. Давление турбонаддува рассчитывается по текущей конфигурации турбины 54 с изменяемой геометрией, которая предпочтительно определяется по положению привода лопаток турбины. Расчетная величина давления турбонаддува сравнивается с измеренным фактическим давлением 104 турбонаддува.
Сравнивая расчетное давление турбонаддува с измеренной величиной 104, можно определить разницу давлений. В случае утечки воздуха турбонаддува расчетная величина давления турбонаддува будет заметно превышать измеренную величину 104 давления. Таким образом, может быть сделан вывод об утечке и/или о неисправном датчике, если разница между измеренным давлением 104 турбонаддува и его расчетной величиной становится больше заданного порогового значения, например, средней погрешности датчика 58 положения и/или датчика 40 давления.
Достоинством такого способа определения неисправности является быстрота, поскольку требуется всего несколько секунд для определения утечки воздуха турбонаддува на транспортном средстве.
Таким образом, в изобретении предлагается способ бортовой диагностики, который имеет повышенную точность по сравнению с известными способами и использует меньше параметров для анализа.