СПОСОБ И СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ ПОДАЧИ ВОЗДУХА В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
METHOD AND SYSTEM FOR PERFORMING DIAGNOSTICS ON INTAKE AIR ADMITTED TO MOTOR VEHICLE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к технической области управления подачей газов в двигатель, в частности касается диагностики утечек подаваемого воздуха.
Количество оксидов азота, производимых дизельным двигателем, тесно связано с количествами воздуха, топлива и инертных газов, входящих в состав реактивной смеси, поступающей в цилиндры двигателя. Количество инертных газов можно изменять, управляя открыванием клапана частичной рециркуляции выхлопных газов (EGR), входящего в состав одноименного контура. Контур частичной рециркуляции выхлопных газов соединяет выпускной контур и впускной контур через проходное сечение, размер которого регулируют при помощи клапана EGR.
Если двигатель оборудован турбокомпрессором, можно рассматривать две разные конфигурации контуров EGR.
Первая конфигурация, называемая контуром EGR высокого давления, состоит в установлении сообщения между впускным контуром на выходе компрессора и выпускным контуром на входе турбины. Эту конфигурацию называют конфигурацией высокого давления, так как она расположена в зоне повышенного давления, возникающей в результате дополнительного наддува.
Вторая конфигурация, называемая контуром EGR низкого давления, состоит в установлении сообщения между впускным контуром на входе компрессора и выпускным контуром на выходе турбины. Эту конфигурацию называют конфигурацией низкого давления, так как она расположена в зоне двигателя, в которой давление находится в значении ниже давления дополнительного наддува.
Двигатель может быть оснащен одной или другой из двух конфигураций или одновременно обеими конфигурациями.
Чтобы контролировать стехиометрию смеси газа и топлива, поступающей в двигатель, необходимо иметь надежную информацию относительно количества подаваемого воздуха. Как правило, количество подаваемого воздуха определяют при помощи расходомера, и предпочтительно также иметь возможность диагностировать его надежность.
air
Для этого в настоящее время применяют диагностику достоверности показаний расходомера, в ходе которой определяют наличие утечки на впуске. Принцип основан на критерии, определяемом соотношением между оценкой воздуха, поступающего в двигатель, и измерением, выдаваемым расходомером (m). Критерий определяют при помощи следующего уравнения:
Этот критерий позволяет определить три случая в зависимости от своего значения и от порога диагностики, который охватывает разбросы системы. Таким образом, можно определить номинальную работу расходомера, утечку при впуске на выходе компрессора или неисправность расходомера, утечку при впуске на входе компрессора или неисправность расходомера.
r
Однако критерий ε не учитывает значения расхода выхлопных газов, рециркулируемых через контур EGR низкого давления и через контур EGR высокого давления. С учетом расширения зоны EGR для соблюдения будущих регламентных требований, возможности этой диагностики значительно сужаются. Обнаружение утечек при впуске становится все более трудным и даже невозможным, если контур EGR остается активным.
Задачей изобретения является надежное отслеживание утечек на впуске.
Другой задачей изобретения является обнаружение утечек на впуске при активированной частичной рециркуляции выхлопных газов.
Объектом изобретения является способ диагностики подачи воздуха в двигатель внутреннего сгорания автотранспортного средства, при этом двигатель внутреннего сгорания оборудован турбокомпрессором и, по меньшей мере, одним из: контура частичной рециркуляции выхлопных газов низкого давления и контура частичной рециркуляции выхлопных газов высокого давления. Способ содержит следующие этапы:
определяют совокупность величин, характеризующих работу двигателя внутреннего сгорания,
производят оценку степени обогащения в выхлопе,
измеряют степень обогащения в выхлопе при помощи датчика обогащения, расположенного в выхлопной трубе двигателя внутреннего сгорания,
определяют критерий диагностики путем вычисления отношения измеренной степени обогащения в выхлопе к оценочной степени обогащения в выхлопе,
сравнивают критерий диагностики, по меньшей мере, с одним порогом диагностики, охватывающим разбросы системы, и
передают сигнал диагностики, зависящий от результата сравнения.
Совокупность величин, характеризующих работу двигателя внутреннего сгорания, может включать в себя оценки расхода всасываемого потока, расхода EGR высокого давления, перепада давлений на входе и на выходе клапана EGR высокого давления и давления во впускном коллекторе и расхода EGR низкого давления.
Оценку перепада давлений на входе и на выходе клапана EGR высокого давления можно производить в зависимости от измерений дифференциального давления с двух сторон от указанного клапана.
Оценку степени обогащения в выхлопе можно производить путем определения материального баланса объемов, характеризующих контур частичной рециркуляции выхлопных газов высокого давления и контур частичной рециркуляции выхлопных газов низкого давления.
Объем, характеризующий контур частичной рециркуляции выхлопных газов высокого давления, может включать в себя объем впускного коллектора.
Объем, характеризующий контур частичной рециркуляции выхлопных газов низкого давления, может включать в себя совокупный объем впускных трубопроводов, выхода контура EGR низкого давления и компрессора.
Объектом изобретения является также система диагностики подачи воздуха в двигатель внутреннего сгорания автотранспортного средства, при этом двигатель внутреннего сгорания оборудован турбокомпрессором и, по меньшей мере, одним среди контура частичной рециркуляции выхлопных газов низкого давления и контура частичной рециркуляции выхлопных газов высокого давления. Система содержит средство оценки степени обогащения в выхлопе, средство определения критерия диагностики, компаратор и, по меньшей мере, одно запоминающее устройство, при этом средство определения критерия диагностики выполнено с возможностью определения критерия диагностики в зависимости от сигнала, полученного от средства оценки степени обогащения в выхлопе и в зависимости от сигнала, полученного от датчика обогащения, расположенного в выхлопной трубе двигателя внутреннего сгорания, компаратор выполнен с возможностью сравнения сигнала, полученного от средства определения критерия диагностики, с сигналом, полученным, по меньшей мере, от одного запоминающего устройства, содержащего, по меньшей мере, один порог диагностики, охватывающий разбросы двигателя внутреннего сгорания, при этом компаратор выдает на выходе сигнал, зависящий от результата сравнения.
Преимуществом способа и системы является использование датчика обогащения в выхлопе в дополнение к оценочному устройству для обеспечения диагностики утечки и достоверности измерения расходомера в присутствии EGR.
Другие задачи, отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничивающего примера со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 показан двигатель внутреннего сгорания, оборудованный контуром EGR низкого давления и контуром EGR высокого давления;
на фиг. 2 показан способ диагностики;
на фиг. 3 показана система диагностики.
На фиг. 1 представлен двигатель 1 внутреннего сгорания, связанный с турбокомпрессором 2 и оборудованный контуром EGR 3 низкого давления и контуром EGR 4 высокого давления. Турбокомпрессор 2 содержит компрессор 2a, связанный с турбиной 2b. Турбина 2b может иметь изменяющуюся геометрию.
Трубопровод 5 подачи свежего воздуха соединен со входом компрессора 2a. Выход компрессора 2а соединен с впускным коллектором 1a двигателя внутреннего сгорания через теплообменник 6. Выхлопной коллектор 1b двигателя внутреннего сгорания соединен с входом турбины 2b. Выход турбины 2b соединен с выхлопной трубой 7, которая оснащена устройством 8 каталитического окисления и фильтром-улавливателем частиц 9.
Контур EGR 3 низкого давления содержит выпускную заслонку 10, расположенную в выхлопной трубе 7 на выходе устройства 8 каталитического окисления и фильтра-улавливателя частиц 9, и трубопровод EGR 11 низкого давления, установленный, с одной стороны, на входе выпускной заслонки 10 и, с другой стороны, на входе компрессора 2a. Трубопровод EGR 11 низкого давления оборудован теплообменником 12 низкого давления, расположенным на входе выпускной заслонки, и клапаном EGR 13 низкого давления, расположенным на выходе теплообменника 12 низкого давления, при этом газы проходят от теплообменника к клапану EGR низкого давления. Клапан EGR 13 низкого давления управляет расходом выхлопных газов контура EGR низкого давления. Однако, учитывая незначительный перепад давления на границах этого клапана, используют также выпускную заслонку 10, которая позволяет увеличить перепад давления на границах клапана EGR низкого давления, когда он полностью открыт и необходимое значение расхода не достигнуто. Выхлопные газы, проходящие через контур EGR 3 низкого давления, охлаждаются, после чего опять поступают на вход компрессора 2a.
Контур EGR 4 высокого давления содержит трубопровод EGR 14 высокого давления, подсоединенный, с одной стороны, между выходом компрессора 2a и впускным коллектором 1a и, с другой стороны, между выпускным коллектором и входом турбины 2b. Трубопровод EGR 14 высокого давления оснащен клапаном EGR 15 высокого давления. Клапан EGR 15 высокого давления управляет расходом выхлопных газов контура EGR высокого давления. Их расход определяют при помощи датчика дифференциального давления на границах клапана EGR 15 высокого давления и по уравнению Барре де Сен-Венана.
Время реакции контура EGR 3 низкого давления короче времени реакции контура EGR 4 высокого давления, так как он имеет более значительную длину.
Различные не показанные здесь датчики позволяют производить следующие измерения:
i
P - давление газов во впускном коллекторе;
11
T - температура на выходе охладителя воздуха дополнительного наддува (RAS);
amb
T - окружающая температура;
atm
P - атмосферное давление;
2
F: степень обогащения газов в выхлопе;
hр
ΔP - дифференциальное давление на границах клапана EGR высокого давления;
- расход воздуха.
Кроме того, рассматривают следующие допущения.
atm
atm
Учитывая низкий уровень давления и температуры в объеме, находящемся на входе компрессора, предполагают, что давление и температура газов, находящихся между соединением трубопровода EGR низкого давления с трубопроводом подачи свежего воздуха и входом компрессора 2a, равны атмосферному давлению P и атмосферной температуре T.
11
Температуру Ti во впускном коллекторе оценивают на основании температуры T газов на выходе клапана EGR 16 высокого давления, применяя следующее уравнение:
2
2,est
Исходя из этого описания двигателя внутреннего сгорания, определяют критерий диагностики, получаемый из соотношения между измерением степени обогащения в выхлопе F и оценкой F.
Этот критерий диагностики является общим, что позволяет использовать контуры частичной рециркуляции выхлопных газов как при последовательной работе (EGR высокого давления или низкого давления), так и при смешанной работе (одновременно EGR высокого давления и низкого давления).
2,est
Оценку F степени обогащения в выхлопе можно получить при помощи следующего уравнения:
где РСО - степень обогащения при стехиометрии;
i,est
F - оценка состава газов на впуске;
f
m - расход топлива;
in
m - расход всасываемого потока.
Степень обогащения при стехиометрии является константой, которая зависит от используемого топлива.
Расход топлива предполагают равным заданному значению в случае идеального инжектора.
Расход всасываемого потока оценивают по модели, которая будет описана ниже.
Оценку состава газов на впуске можно получить, используя дифференциальное уравнение, которое регулирует изменение состава газов на впуске. Это соответствует определению материального баланса эквивалентного объема соответствующего контура EGR.
В случае одновременного использования EGR высокого давления и EGR низкого давления следует учитывать балансы обоих контуров.
Баланс EGR высокого давления обуславливает соответствующий объем впускного коллектора. Для реализации материального баланса предполагают, что входными данными этого объема являются расход компрессора и расход EGR высокого давления, тогда как выходным данным является расход потока, всасываемого двигателем.
Баланс EGR низкого давления обуславливает объем, соответствующий объему на входе впускного коллектора. Этот объем включает в себя объем впускных трубопроводов, выхода контура EGR низкого давления и компрессора. Входными данными этого объема являются расход воздуха и расход EGR низкого давления, тогда как выходным данным является расход компрессора.
3
Добавляя дополнительный объем, вводят дополнительную переменную состояния, соответствующую составу газов в этом объеме F. Изменение массы отработавших газов в объеме низкого давления определяют при помощи следующего отношения:
3
3
3
T3,
Если заменить общую массу в этом объеме, используя закон идеальных газов, PV=mR то можно записать дифференциальное уравнение, которое регулирует изменение состава в объеме низкого давления.
Это уравнение применяют для получения оценки степени обогащения. Степень обогащения выхлопа оценивают, применяя уравнения 4 и 6 в комбинации со следующим уравнением:
Кроме того, расход всасываемого потока оценивают при помощи следующего уравнения:
vol
e
1
где η(N,ρ) - картография объемного КПД в зависимости от режима двигателя и от плотности газов во впускном коллекторе.
Расход EGR высокого давления вычисляют при помощи уравнения Барре де Сен-Венана:
avt
где P - давление на входе турбины;
avt
T - температура на входе турбины;
egr,hp
S(u) - сечение клапана EGR высокого давления в зависимости от положения;
egr,hp
π - перепад давления на границах клапана EGR высокого давления.
Перепад давления на входе и на выходе клапана EGR высокого давления выводят из измерений дифференциального давления и давления во впускном коллекторе:
Давление на входе турбины не измеряют. Его получают, суммируя измеряемое давление впуска и дифференциальное давление, измеряемое на уровне клапана EGR высокого давления.
Расход EGR низкого давления вычисляют следующим образом:
F2
В зависимости от вышеуказанных уравнений критерий диагностики ε можно переписать следующим образом:
Таким образом, видно, что критерий диагностики зависит от восьми переменных. Он позволяет обнаруживать утечку на впуске, когда работает контур EGR.
На фиг. 2 представлен способ диагностики подачи воздуха, который содержит следующие этапы:
На первом этапе 20 определяют совокупность величин, участвующих в оценке степени обогащения в выхлопе. Этот первый этап можно разложить на подэтапы, в ходе которых оценивают расход всасываемого потока, применяя уравнение 8, расход EGR высокого давления, применяя уравнение 9, перепад давлений на входе и на выходе клапана EGR высокого давления в зависимости от измерений дифференциального давления на границах указанного клапана EGR высокого давления и от давления во впускном коллекторе, применяя уравнение 10, и расход EGR низкого давления, применяя уравнение 11.
На втором этапе 21 производят оценку степени обогащения в выхлопе, применяя уравнения 4, 6 и 7.
На третьем этапе 22 измеряют степень обогащения в выхлопе при помощи датчика обогащения.
На четвертом этапе 23 определяют критерий диагностики, применяя уравнение 3.
На пятом этапе 24 сравнивают критерий диагностики, по меньшей мере, с одним порогом диагностики, охватывающим разбросы системы.
На шестом этапе 25 передают сигнал диагностики, зависящий от результата сравнения, произведенного на пятом этапе.
На фиг. 3 показана система диагностики 30 подачи воздуха, которая соединена на входе с датчиком 31 обогащения, расположенным в выхлопной трубе 7 на выходе турбины.
Система диагностики 30 подачи воздуха содержит средство 32 оценки степени обогащения в выхлопе, средство 33 определения критерия диагностики, компаратор 34 и, по меньшей мере, одно запоминающее устройство 35.
Средство 33 определения критерия диагностики соединено на входе с датчиком 31 обогащения и со средством 32 оценки степени обогащения в выхлопе и на выходе с входом компаратора 34.
Средство 32 оценки степени обогащения в выхлопе применяет уравнение 4. Сигнал, передаваемый средством 32 оценки степени обогащения в выхлопе, используется средством 33 определения критерия диагностики, которое применяет уравнение 3 для определения критерия диагностики.
Компаратор 34 выполнен с возможностью сравнения сигнала, полученного от средства 33 определения критерия диагностики, с сигналом, полученным, по меньшей мере, от одного запоминающего устройства 35, содержащего порог диагностики, охватывающий разбросы силовой установки. На выходе компаратор 35 выдает сигнал, зависящий от результата сравнения.
Таким образом, способ и система определения критерия диагностики позволяют отслеживать утечку на впуске, даже если задействована частичная рециркуляция выхлопных газов.