СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ДВС) ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, точнее к системам управления двигателем внутреннего сгорания (ДВС) гибридной силовой установки, в частности гибридной силовой установки с последовательной схемой передачи мощности на ведущие колеса транспортного средства.
Совершенствование ДВС следует за предъявляемыми к ним требованиями: потребителям нужен мощный и экономичный мотор, экологам - жесткие нормы токсичности. Применение ДВС как основного источника энергии на транспортном средстве подходит к логическому завершению. Подтверждением этому являются уже не опытные, а серийные модели транспортных средств с гибридными силовыми установками. Гибридные силовые установки, представляют собой работающие в паре ДВС и электродвигатель. Схема работы такой установки может быть последовательная, параллельная и смешанная. Во многих разработках применена последовательная схема работы, при которой ДВС используется только для привода генератора, а вырабатываемая генератором электроэнергия заряжает аккумуляторную батарею и питает электродвигатель, вращающий ведущие колеса. Гибридные силовые установки появились на рубеже XIX-XX-го веков, однако продвижению гибридного двигателя тогда помешала высокая цена комплектующих электроустановок, а также малые мощности и непомерный вес элементов питания (аккумуляторных батарей), однако с развитием технологий большинство указанных проблем были решены. В наше время одной из актуальных задач развития гибридных силовых установок является повышение эффективности их работы.
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели, выбранным в качестве прототипа, является способ стабилизации минимального удельного расхода топлива двигателем внутреннего сгорания транспортного средства с электромеханической трансмиссией и устройство для его осуществления, описанные в патенте Российской Федерации №2338081, опубликованном 10.11.2008 г. В патенте описан способ стабилизации минимального удельного расхода топлива ДВС за счет автоматического регулирования режима работы ДВС на основе обратной связи с элементами трансмиссии. При этом транспортное средство также содержит генератор, аккумулятор электрической энергии, электрический привод с системой управления со средствами приема сигнала.
Недостатком описанного решения является сравнительно невысокая эффективность работы, в частности за счет оптимизации работы ДВС только на одном виде топлива.
Задачей заявляемой полезной модели является создание такой системы управления ДВС гибридной силовой установки, которая позволила бы гибридной силовой установке работать на различных видах топлива с максимальной возможной в заданных конкретных условиях эффективностью.
Поставленная задача решается тем, что разработана система управления двигателем внутреннего сгорания гибридной силовой установки с автоматической адаптацией работы ДВС под различные сорта углеводородного топлива. При этом гибридная силовая установка содержит также генератор, по меньшей мере, один электрический привод и накопитель энергии. Система управления содержит средство приема сигнала с параметрами работы ДВС. Согласно полезной модели система содержит средство приема сигнала с, по меньшей мере, одним из следующих параметров работы ДВС: частота вращения ДВС, крутящий момент ДВС, детонация, а также состав отработавших газов ДВС, а именно содержание остаточного кислорода. Также система содержит средство расчета управляющего сигнала, необходимого для адаптации работы ДВС под топливо, средство генерирования управляющего сигнала и средство передачи управляющего сигнала на системы ДВС.
Целесообразной является такая реализация заявляемой полезной модели, при которой средство приема сигнала с параметрами работы ДВС выполнено с возможностью приема сигнала с, по меньшей мере, одного датчика, выбранного из группы: датчик частоты вращения ДВС, датчик силы тока на выходе генератора, датчик детонации и датчик кислорода.
Также целесообразной является такая реализация полезной модели, при которой средство передачи управляющего сигнала выполнено с возможностью передачи сигнала на, по меньшей мере, одну из систем, выбранную из группы: впускная система, топливная система, система зажигания, система электрооборудования ДВС, система регулирования нагрузки, например, любая известная система, управляемая электромагнитной муфтой.
Предпочтительно средство передачи управляющего сигнала выполнено с возможностью передачи сигнала на систему электрооборудования ДВС, которая содержит регулятор тока, изменяющий нагрузку генератора, для адаптации работы ДВС по частоте вращения ДВС.
Также предпочтительно средство передачи управляющего сигнала выполнено с возможностью передачи сигнала на систему зажигания, которая содержит блок управления зажигания, изменяющий угол опережения зажигания для адаптации работы ДВС по крутящему моменту ДВС.
Целесообразной является такая реализация полезной модели, при которой средство передачи управляющего сигнала выполнено с возможностью передачи сигнала на впускную систему, которая содержит турбокомпрессор для регулировки давления турбонаддува, изменяющего давление такта сжатия для адаптации работы ДВС по детонации.
Также целесообразной является такая реализация, при которой средство передачи управляющего сигнала выполнено с возможностью передачи сигнала на топливную систему, которая содержит форсунки регулирования впрыска топлива для адаптации работы ДВС по содержанию остаточного кислорода в отработавших газах ДВС.
Предпочтительно система содержит средство коррекции управляющего сигнала в зависимости от получаемых значений параметров работы двигателя в сравнении с исходным заданным параметром.
Также предпочтительно система выполнена с возможностью автоматического отключения/включения ДВС при достижении порогового максимального/минимального уровня зарядки накопителя энергии соответственно.
Такое выполнение системы управления ДВС гибридной силовой установки позволяет осуществлять последовательную адаптацию работы ДВС под различные сорта углеводородного топлива с применением обратной связи по таким параметрам, как частота вращения ДВС, крутящий момент ДВС, детонация и содержание остаточного кислорода в отработавших газах ДВС. Такая система обратных связей в управлении ДВС гибридной силовой установки позволяет автоматически изменять параметры работы ДВС, подстраивая его режимы под любое топливо, пригодное для использования в ДВС с получением максимально возможного КПД ДВС в текущих условиях (метеоусловия, используемый вид топлива, его качество и пр.). Таким образом, заявляемая система позволяет применять широкий спектр сортов углеводородного топлива: бензин, биоэтанол, сжиженный пропан-бутан, горючие масла, сжатый природный газ, попутный нефтяной газ. Благодаря самоадаптации параметров системы к любому из перечисленных углеводородных топлив, можно хранить в автомобиле их в одном топливном баке, так как они не вступают в химическую реакцию между собой и хорошо растворяются друг в друге. На практике, в бак автомобиля можно залить любое доступное топливо, при этом ничего не переключать и не перенастраивать. Немаловажно то, что динамические характеристики и максимальная скорость транспортного средства не зависят от сорта и качества используемого топлива, т.к. эти параметры определяются характеристиками электромоторов и параметрами накопителя энергии. Изменения рабочих характеристик транспортного средства на разном топливе является одним из основных недостатков классических многотопливных силовых установок без электрических приводов.
Таким образом, разработанная система управления способна работать на различном топливе с максимально возможной в данных условиях топливной эффективностью. И автоматически подстраивать параметры работы под топливо - его теплотворную способность, скорость сгорания топливо-воздушной смеси и детонационную стойкость. При этом динамические скоростные характеристики транспортного средства остаются не зависящими от вида используемого топлива.
Реализация заявляемой системой адаптации работы ДВС по частоте вращения ДВС посредством передачи управляющего сигнала средством передачи управляющего сигнала на систему электрооборудования ДВС, содержащую регулятор тока, реализующий с пропорционально-интегральное регулирование и изменяющий нагрузку генератора, осуществляет так называемую обратную связь по частоте вращения коленвала ДВС, т.е. стабилизацию частоты вращения коленвала ДВС около заданного значения. Значение частоты вращения выбирается по внешней скоростной характеристике ДВС и соответствует точке с наименьшим удельным расходом топлива. Управляющим воздействием является сила тока на выходе генератора, которая изменяется посредством регулятора тока, изменяющего нагрузку генератора. При увеличении силы тока частота вращения коленвала снижается, а при уменьшении силы тока - увеличивается.
Реализация заявляемой системой адаптации работы ДВС по крутящему моменту ДВС посредством передачи управляющего сигнала средством передачи управляющего сигнала на систему зажигания, которая содержит блок управления зажигания, изменяющий угол опережения зажигания, осуществляет так называемую обратную связь по крутящему моменту ДВС. После стабилизации частоты вращения ДВС посредством изменения нагрузки генератора, величина силы тока при равновесии крутящего момента ДВС и противодействующего момента генератора будет линейно пропорциональна значению силы тока генератора, следовательно, эта величина известна. Константа пропорциональности силы тока и крутящего момента для генератора также известна, следовательно, можно вычислить крутящий момент, развиваемый ДВС в любой момент работы. Теперь при последовательном изменении угла опережения зажигания - параметра, влияющего на величину крутящего момента ДВС, отслеживается отклик системы сначала по частоте вращения, а после - и по крутящему моменту. Передаточная функция крутящего момента от угла опережения зажигания известна - близка к параболической зависимости, при этом парабола лежит в нижней полуплоскости, у нее один экстремум. Зависимость КПД ДВС от угла опережения зажигания очень похожа на зависимость крутящего момента от угла опережения зажигания и их экстремумы совпадают, на этом и основана адаптация работы ДВС по крутящему моменту.
Реализация заявляемой системой адаптации работы ДВС по детонации посредством передачи управляющего сигнала средством передачи управляющего сигнала на впускную систему, содержащую турбокомпрессор для регулировки давления турбонаддува, осуществляет так называемую обратную связь по детонации. При этом основным параметром, влияющим на возникновение детонации, является степень сжатия или давление в цилиндре в конце такта сжатия. После стабилизации угла опережения зажигания по вышеописанному механизму последовательно начинается повышение давления турбонаддува на один условный шаг, это обязательно приводит к выходу системы из равновесия - увеличению частоты вращения, сначала осуществляется адаптация по частоте вращения, потом по крутящему моменту, после чего отслеживается проявление или непроявление детонации по датчику детонации ДВС. Если детонация не обнаружена, то осуществляется дальнейшая регулировка. При обнаружении детонации снижаем давление турбонаддува на один шаг. Таким образом, система всегда работает с оптимальным в данных условиях и для данного сорта топлива углом опережения зажигания. При этом, фактическая степень сжатия близка к максимальной для конкретной детонационной стойкости топлива, что тоже является одним из важнейших условий получения максимального КПД ДВС.
Реализация заявляемой системой адаптации работы ДВС по содержанию остаточного кислорода в отработавших газах ДВС посредством передачи управляющего сигнала средством передачи управляющего сигнала на топливную систему, которая содержит форсунки регулирования впрыска топлива, осуществляет так называемую обратную связь по остаточному кислороду. Управляющим воздействием является дозировка топлива посредством форсунок регулирования впрыска, а информация обратной связи - процент остаточного кислорода в отработавших газах. В заявляемой системе применен линейный датчик, который может отследить фактическое содержание кислорода в процентах и удерживать любое заданное обогащение или обеднение α (альфа), чтобы получить оптимальный режим работы ДВС в установившемся режиме.
Работа заявляемой полезной модели осуществляется следующим образом.
Осуществляют подачу топлива в ДВС гибридной силовой установки и запускают двигатель. Осуществляют автоматическую адаптацию работы ДВС под указанный вид топлива посредством системы управления ДВС. При этом принимают сигналы с датчиков частоты вращения ДВС, напряжения на выходе генератора, детонации и кислорода с информацией о частоте вращения ДВС, крутящем моменте ДВС, детонации и составе отработавших газов ДВС при помощи средства приема сигнала системы управления. Осуществляют расчет управляющих сигналов, необходимых для адаптации ДВС под топливо, в соответствии с полученной посредством датчиков информацией при помощи средства расчета управляющего сигнала заявляемой системы управления. Генерируют рассчитанные управляющие сигналы при помощи средства генерирования управляющего сигнала и передают указанные сигналы при помощи средства передачи управляющего сигнала на соответствующие системы ДВС.
При этом осуществляют адаптацию работы ДВС по частоте вращения в соответствии с принятым сигналом о частоте вращения ДВС посредством расчета соответствующего управляющего сигнала и передачи его на систему электрооборудования ДВС, которая содержит регулятор тока, изменяющий нагрузку генератора. В качестве управляющего сигнала в данном случае используют величину тока нагружающего ДВС генератора. Таким образом, организуют обратную связь по частоте вращения коленвала.
Осуществляют адаптацию работы ДВС по крутящему моменту ДВС в соответствии с принятым сигналом о крутящем моменте ДВС посредством расчета соответствующего управляющего сигнала и передачи его на систему зажигания, которая содержит блок управления зажигания, изменяющий угол опережения зажигания. Таким образом, организуют обратную связь по крутящему моменту, развиваемому ДВС.
Осуществляют адаптацию работы ДВС по детонации в соответствии с принятым сигналом о детонации посредством расчета соответствующего управляющего сигнала и передачи его на впускную систему, которая содержит турбокомпрессор для регулировки давления турбонаддува, изменяющего давление такта сжатия. Таким образом, организуют обратную связь по детонации.
Осуществляют адаптацию работы ДВС по содержанию остаточного кислорода в отработавших газах ДВС в соответствии с принятым сигналом о составе отработавших газов ДВС посредством расчета соответствующего управляющего сигнала и передачи его на топливную систему, которая содержит форсунки регулирования впрыска топлива. В качестве управляющего сигнала в данном случае используется время впрыска форсунок. Таким образом, организуют обратную связь по остаточному кислороду.
При достижении порогового максимального/минимального уровня зарядки накопителя энергии соответственно автоматически отключают/включают ДВС
Таким образом, заявляемая полезная модель представляет собой систему управления ДВС гибридной силовой установки, которая позволяет гибридной силовой установке работать на различных видах топлива с максимальной возможной в заданных конкретных условиях эффективностью.