СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА ДЛЯ РЕГУЛИРОВКИ ВОЗДУШНО-ТОПЛИВНОГО ОТНОШЕНИЯ
METHOD (VERSIONS) AND SYSTEM FOR ADJUSTMENT OF AIR-FUEL RATIO

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу и системе для регулирования воздушно-топливного отношения двигателя. Способ может быть, в частности, полезен для двигателей, содержащих один или более каталитических нейтрализаторов, расположенных в выхлопной системе двигателя.
Уровень техники
С системой выпуска отработавших газов (выхлопной системой) двигателей, как правило, соединены каталитические нейтрализаторы для снижения токсичности отработавших газов. Каталитические нейтрализаторы могут быть выполнены с различными покрытиями, обеспечивающими эффективность катализатора и сокращение времени его прогрева (т.е. времени, которое требуется катализатору для того, чтобы достигнуть заданной эффективности). Однако даже в случае высокоэффективных каталитических покрытий важным является контроль выхлопных газов двигателя, поступающих в нейтрализатор, ибо в противном случае эффективность катализатора может снижаться.
Согласно патенту США 6591605 эффективность катализатора может быть увеличена путем регулирования воздушно-топливного отношения двигателя за счет обратной связи по комбинации сигнала, изменяющегося во времени, и выходного сигнала кислородного датчика, установленного после каталитического нейтрализатора. Однако, если между выходным сигналом указанного кислородного датчика и изменяющимся во времени сигналом возникает разница (ошибка), то амплитудная, частотная и фазовая составляющие этой ошибки одновременно учитываются одной компонентой коррекции. В результате регулирование воздушно-топливного отношения двигателя по фазовой составляющей ошибки выходного сигнала кислородного датчика, установленного после каталитического нейтрализатора, может привести к нежелательным возмущениям амплитуды и/или частоты выходного сигнала указанного кислородного датчика. Вследствие этого при некоторых условиях работы, выходному сигналу кислородного датчика может быть трудно отслеживать указанный, изменяющийся во времени сигнал.
Раскрытие изобретения
В изобретении учтены вышеупомянутые недостатки и разработан способ усовершенствованного управления воздушно-топливным отношением двигателя. Один вариант осуществления изобретения предлагает способ регулирования воздушно-топливного отношения двигателя, содержащий регулирование отношения воздушно-топливной смеси, вводимой в цилиндры двигателя, путем регулирования частоты и регулирования относительной длительности, при этом регулирование частоты и относительной длительности основано на относительной длительности и частоте сигнала, получаемого от кислородного датчика, установленного после каталитического нейтрализатора.
За счет регулирования соотношения воздушно-топливной смеси, подаваемой в двигатель, путем регулирования частоты и относительной длительности можно добиться того, чтобы выходной сигнал кислородного датчика быстрее сходился к требуемой величине. В частности, когда производится индивидуальное регулирование воздушно-топливного отношения двигателя по ошибке частоты и/или ошибке относительной длительности, возникающей между выходным сигналом кислородного датчика и заданным сигналом, оказывается возможным компенсировать указанные ошибки с меньшим влиянием на другие параметры сигнала.
Изобретение может обеспечить несколько преимуществ. В частности, предлагаемый подход может увеличить эффективность трансформации токсичных газов катализатором. Кроме того, данный подход может обеспечить большее постоянство выброса продуктов сгорания автомобилем, поскольку ошибки относительной длительности можно компенсировать отдельно от ошибок частоты. Далее, предлагаемый подход обеспечивает регулирование по относительной длительности и частоте для широкого диапазона рабочих условий, лежащих за пределами базовых условий работы двигателя.
Вышеуказанные преимущества, а также иные преимущества и отличительные признаки изобретения должны быть понятны из нижеследующего подробного описания и приведенных чертежей.
Следует понимать, что содержащиеся в данном разделе сведения приведены с целью ознакомления в упрощенной форме с некоторыми идеями, которые далее рассмотрены в подробном описании. Данный раздел не предназначен для формулирования ключевых или существенных признаков объекта изобретения, объем которого единственным образом определен пунктами формулы изобретения, приведенной после подробного описания. Более того, объект изобретения не ограничен вариантами осуществления, которые решают проблему недостатков, упомянутых выше или в любой другой части данного описания.
Краткое описание чертежей
Преимущества изобретения будут более понятны из примера осуществления изобретения, который будет подробнее описан ниже со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 изображена схема двигателя;
на фиг.2 изображена блок-схема системы управления воздушно-топливным отношением;
на фиг.3 изображен пример графиков сигналов, представляющих интерес для регулирования воздушно-топливного отношения двигателя; и
на фиг.4 изображен пример схемы алгоритма способа управления воздушно-топливным отношением двигателя.
Осуществление изобретения
Изобретение относится к регулированию воздушно-топливного отношения двигателя. Согласно одному примеру (который не ограничивает идею изобретения), двигатель может быть построен как часть системы, представленной на фиг.1. Регулирование воздушно-топливного отношения можно осуществлять посредством контроллера, изображенного на фиг.2. Система (фиг.1) и контроллер (фиг.2) могут работать в сочетании и обеспечивать сигналы, приведенные на фиг.3. Сигналы (фиг.3) показывают, как можно регулировать воздушно-топливное отношение двигателя, и как с выхода кислородного датчика, установленного после каталитического нейтрализатора, можно получить информацию об относительной длительности и частоте. Фиг.4 иллюстрирует способ регулирования воздушно-топливного отношения двигателя посредством исполняемых инструкций контроллера, изображенного на фиг.1.
Согласно фиг.1 двигатель 10 внутреннего сгорания, содержащий несколько цилиндров, один из которых показан на фиг.1, управляется электронным контроллером 12 двигателя. Двигатель 10 включает в себя камеру 30 сгорания и стенки 32 цилиндра с поршнем 36, который расположен внутри цилиндра и соединен с коленчатым валом 40. Показано, что камера 30 сгорания сообщается с впускным коллектором 44 и выпускным коллектором 48 через соответствующие впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. Каждый впускной и выпускной клапан может быть приведен в действие кулачком 51 впуска и кулачком 53 выпуска. В ином варианте одним или более кулачками впуска и выпуска можно управлять посредством электромеханических клапанов (на основе катушки и сердечника). Положение кулачка 51 впуска можно определять датчиком 55, связанным с указанным кулачком. Положение кулачка 53 выпуска можно определять датчиком 57, связанным с данным кулачком.
Топливная форсунка 66 расположена так, чтобы производить ввод топлива непосредственно в цилиндр 30, что специалистам в данной области известно, как «прямой впрыск». В ином варианте впрыск топлива может осуществляться во впускные каналы, что известно, как «впрыск во впускной канал». Топливная форсунка 66 доставляет жидкое топливо пропорционально длительности импульса сигнала FPW, поступающего из контроллера 12. Доставка топлива к топливной форсунке 66 осуществляется топливной системой (не показана), включающей в себя топливный бак, топливный насос и топливную рейку (не показаны). Топливная форсунка 66 снабжается рабочим током от драйвера 68 (усилителя), который реагирует на сигнал от контроллера 12. Кроме того, показано, что впускной коллектор 44 сообщается с электронным приводом 62 дроссельной заслонки, который может быть реализован в некоторых вариантах комплектации и который регулирует положение дроссельной шайбы 64 для управления потоком воздуха из воздухозаборника 42 во впускной коллектор 44. Согласно одному из вариантов может быть использована система прямого впрыска низкого давления, в которой может производиться увеличение давления топлива приблизительно до 20-30 бар. В ином варианте может быть использована двухступенчатая топливная система высокого давления, в которой формируются более высокие значения давления топлива.
Система 88 зажигания без распределителя формирует искру зажигания в камере 30 сгорания посредством свечи 92 в ответ на сигнал контроллера 12. Показано, что к выпускному коллектору 48 в точке перед каталитическим нейтрализатором 72 присоединен универсальный датчик 126 для определения содержания кислорода в отработавших газах (UEGO, Universal Exhaust Gas Oxygen). В другом варианте вместо датчика 126 UEGO может быть установлен датчик содержания кислорода в отработавших газах, имеющий два состояния. После датчика 126 UEGO установлен нагреваемый датчик 82 содержания кислорода в отработавших газах (HEGO, Heated Exhaust Gas Oxygen). В иных вариантах вместо датчика 82 HEGO может быть установлен датчик UEGO.
Сажевый фильтр 70 предусмотрен для улавливания частиц сажи с целью их последующего окисления. В некоторых вариантах сажевый фильтр может быть выполнен в виде пористой подложки. Каталитический нейтрализатор 72 расположен после сажевого фильтра 70 и согласно одному из вариантов может включать в себя несколько блок-носителей. В ином варианте может быть использовано несколько устройств снижения токсичности отработавших газов, каждое из которых содержит несколько блок-носителей. Согласно одному из примеров нейтрализатор 72 может представлять собой трехходовой каталитический преобразователь. В других примерах каталитический нейтрализатор 72 может быть расположен до сажевого фильтра 70.
На фиг.1 показан контроллер 12 в виде традиционного микрокомпьютера, содержащего: микропроцессорное устройство 102 (CPU, Central Processor Unit), порты 104 ввода/вывода (I/O, Input/Output), постоянное запоминающее устройство 106 (ROM, Read-only Memory), оперативное запоминающее устройство 108 (RAM, Random Access Memory), энергонезависимое запоминающее устройство 110 (КАМ, Keep Alive Memory) и стандартную шину данных. Контроллер 12 принимает различные сигналы от датчиков, связанных с двигателем 10 дополнительно к тем сигналам, о которых говорилось выше, включая: сигнал температуры хладагента двигателя (ЕСТ, Engine Coolant Temperature) отдатчика 112, связанного с рубашкой 114 охлаждения; сигнал датчика 134 положения, связанного с педалью 130 акселератора для измерения усилия, прикладываемого к педали со стороны ноги 132; сигнал давления в коллекторе двигателя (MAP, Manifold Pressure) от датчика 122 давления, связанного с впускным коллектором 44; сигнал датчика положения двигателя от датчика 118 Холла, определяющего положение коленчатого вала 40; сигнал массы воздуха, поступающей в двигатель, от датчика 120; и сигнал положения дроссельной заслонки от датчика 58. Также может производиться измерение барометрического давления (датчик не показан) для обработки контроллером 12. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения датчик 118 положения двигателя за каждый оборот коленчатого вала вырабатывает установленное число импульсов, следующих друг за другом с равными интервалами, из которых можно определить частоту вращения двигателя (RPM, Revolutions per Minute) в оборотах в минуту.
В некоторых вариантах осуществления в гибридном транспортном средстве двигатель может быть связан с системой электродвигателя/батареи. Гибридное транспортное средство может быть построено по параллельной схеме, последовательной схеме или по варианту или комбинации указанных схем. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления может применяться двигатель с иной схемой, например дизельный двигатель.
В процессе работы каждый цилиндр двигателя 10 обычно отрабатывает четырехтактный цикл, который включает: такт (ход) впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выпуска. Обычно во время такта впуска выпускной клапан 54 закрыт, а впускной клапан 52 открыт. Воздух поступает в камеру 30 сгорания через впускной коллектор 44, а поршень 36 перемещается на дно цилиндра, так чтобы произошло увеличение объема камеры 30 сгорания. Положение, при котором поршень 36 в конце своего хода (т.е., когда камера 30 сгорания имеет максимальный объем) находится вблизи дна цилиндра, специалисты обычно называют нижней мертвой точкой (BDC, Bottom Dead Center). Во время такта сжатия впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 закрыты. Поршень 36 движется в сторону головки цилиндра, так чтобы произошло сжатие воздуха в камере 30 сгорания. Точку, в которой поршень 36 в конце своего хода (т.е., когда камера 30 сгорания имеет минимальный объем) находится вблизи головки цилиндра, специалисты обычно называют верхней мертвой точкой (TDC, Top Dead Center). Затем в ходе процесса, который называется впрыском, топливо вводится в камеру сгорания. Далее в ходе процесса, который называется зажиганием, производится воспламенение введенного топлива известными средствами, такими как искровая свеча 92, что приводит к сгоранию топлива. Во время такта расширения расширяющиеся газы толкают поршень 36 обратно в сторону BDC. Коленчатый вал 40 преобразует движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, во время такта выпуска, выпускной клапан 54 открывается, чтобы вывести сгоревшую воздушно-топливную смесь в выпускной коллектор 48, при этом поршень 36 возвращается в TDC. Следует отметить, что вышеуказанные процессы описаны примерно и что временные диаграммы открывания и/или закрывания впускного и выпускного клапанов могут меняться, например, чтобы обеспечить положительное или отрицательное перекрытие состояний клапанов во времени, позднее закрывание впускного клапана или другие различные варианты работы.
На фиг.2 показана блок-схема системы управления воздушно-топливным отношением. В блоке 202 система управления 200 определяет опорный (базовый) сигнал воздушно-топливного отношения для двигателя. Согласно одному из вариантов данные базового воздушно-топливного отношения хранятся в таблице, где они упорядочены в зависимости от частоты вращения двигателя и нагрузки. Таблица состоит из значений отношения воздух/топливо, полученных эмпирически, которые подходят для различных частот вращения двигателя и нагрузок. В значения отношения воздух/топливо, извлеченные из таблицы, может быть введена поправка на температуру двигателя. Например, при пониженных температурах двигателя базовое воздушно-топливное отношение может быть сдвинуто в сторону обогащения, чтобы компенсировать снижение испаряемости топлива. Помимо этого, в базовое воздушно-топливное отношение можно вводить поправку на различные типы топлива. Например, базовое воздушно-топливное отношение для прогретого двигателя может составлять 14,6:1 для бензина, в то время как базовое воздушно-топливное отношение для бензино-спиртовой топливной смеси может составлять 12,1:1. Данные базового воздушно-топливного отношения из блока 202 передаются в устройство 220 суммирования.
В блоке 204 система 200 управления определяет составляющую стимуляции катализатора для базового воздушно-топливного отношения двигателя. Согласно одному из вариантов производится обращение к двум таблицам, при этом аргументами являются частота вращения двигателя и величина нагрузки. Первая таблица содержит значения различных частот для корректировки воздушно-топливного отношения с целью стимуляции катализатора. Вторая таблица содержит значения различных относительных длительностей для корректировки воздушно-топливного отношения. Комбинация данных первой таблицы и второй таблицы определяет сигнал модуляции воздушно-топливного отношения, который характеризуется некоторой частотой и относительной длительностью. Например, как показано на фиг.3, может быть задана частота корректировки 0,7 Гц при относительной длительности 60% со сдвигом на обогащение, при этом указанная относительная длительность характеризует часть сигнала модуляции воздушно-топливного отношения, которая делает смесь более богатой. В базовое воздушно-топливное отношение для стимуляции катализатора может быть введена дополнительная поправка на температуру катализатора и тип топлива. В одном варианте осуществления изобретения при снижении температуры катализатора частота коррекции увеличивается, а доля цикла коррекции (относительная длительность), вызывающая обогащение, сокращается. Когда катализатор более холодный, его пониженная способность аккумулировать кислород учитывается более высокой частотой и сокращением доли цикла коррекции, отвечающей за обогащение.
Составляющая базового воздушно-топливного отношения двигателя, обеспечивающая стимуляцию катализатора, может также подвергаться корректировке, учитывающей предстоящее включение регенерации сажевого фильтра или уже начавшуюся регенерацию сажевого фильтра. В одном варианте осуществления в ответ на запрос предстоящей регенерации сажевого фильтра может быть увеличена относительная длительность доли цикла, вызывающей обеднение. Например, если установлено, что должна быть произведена регенерация сажевого фильтра путем окисления сажи, содержащейся в сажевом фильтре, то та доля сигнала стимуляции катализатора в базовом воздушно-топливном отношении, которая обеспечивает обеднение смеси, может быть откорректирована в сторону увеличения (например, до 75% относительной длительности). За счет сдвига базового воздушно-топливного отношения при стимуляции катализатора в сторону обеднения, оказывается возможным циклически подвергать катализатор действию обогащенных и обедненных выхлопных газов, чтобы обеспечить эффективную работу катализатора, даже когда сажевый фильтр забирает кислород из отработавших газов во время регенерации. После того, как регенерация сажевого фильтра будет закончена, компоненту стимуляции катализатора в базовом воздушно-топливном отношении можно сдвинуть в сторону обогащения, увеличив относительную длительность той доли цикла, которая вызывает обогащение воздушно-топливной смеси. Таким образом, в течение определенного времени, прежде чем двигатель будет остановлен, он сможет работать с увеличенной долей цикла корректировки, обеспечивающей обогащение смеси.
Дополнительно составляющую базового воздушно-топливного отношения двигателя, обеспечивающую стимуляцию катализатора, можно также корректировать, учитывая условия автоматического останова/пуска двигателя. Например, если условия работы двигателя и транспортного средства таковы, что можно ожидать или можно предсказать его автоматическую остановку, то в базовом воздушно-топливном отношении можно увеличить долю цикла, обеспечивающую обогащение смеси, чтобы уменьшить количество кислорода, аккумулированное катализатором перед тем, как двигатель будет автоматически остановлен. Если перед остановкой двигателя уменьшить количество кислорода, которое накапливает катализатор, то можно добиться того, что при следующем запуске двигателя катализатор не будет насыщен кислородом и будет находиться в лучшем состоянии.
В некоторых вариантах осуществления амплитуду сигнала базового воздушно-топливного отношения можно также корректировать и выбирать из таблицы в зависимости от частоты вращения двигателя и нагрузки. Данные составляющей стимуляции катализатора для базового воздушно-топливного отношения из блока 204 направляются к суммирующим устройствам 240 и 245. В одном варианте параметры корректировки базового воздушно-топливного отношения двигателя в целях стимуляции катализатора включают частоту и относительную длительность. В другом варианте при корректировке базового воздушно-топливного отношения двигателя в целях стимуляции катализатора в число параметров входят: частота, амплитуда и относительная длительность.
В блоке 206 система 200 управления вырабатывает сигнал обратной связи для корректировки базового воздушно-топливного отношения двигателя в целях стимуляции катализатора на основе сигналов одного или более кислородных датчиков, установленных после каталитического нейтрализатора (катализатора). В одном варианте, на основе выходного сигнала кислородного датчика, установленного после катализатора, может быть определена частота, относительная длительность и амплитуда, как показано на фиг.3. Таким образом, установленный после катализатора кислородный датчик обеспечивает обратную связь для введения поправки в изменение частоты, относительной длительности и амплитуды базового воздушно-топливного отношения в целях стимуляции катализатора. Выходной сигнал из блока 206 направляется к суммирующему устройству 245.
В суммирующем устройстве 245 измеренные составляющие частоты, относительной длительности и амплитуды стимуляции катализатора в воздушно-топливном отношении вычитаются из опорного (базового) сигнала составляющей стимуляции катализатора, чтобы получить составляющие ошибки по частоте, относительной длительности и амплитуде сигнала стимуляции катализатора в базовом воздушно-топливном отношении. Каждая из указанных составляющих ошибки (по частоте, относительной длительности и амплитуде) в блоке 210 умножается на некоторый коэффициент. Данный коэффициент может быть функцией одной или более переменных, включая частоту вращения двигателя, нагрузку и температуру катализатора. Указанный коэффициент может быть линейным или нелинейным.
В суммирующем устройстве 240 опорное значение сигнала стимуляции катализатора суммируется с сигналом ошибки стимуляции катализатора. Таким образом, величина сигнала стимуляции катализатора увеличивается или уменьшается в зависимости от ошибки корректировки базового воздушно-топливного отношения. В частности, в устройстве 240 суммирования производится исправление амплитуды, частоты и относительной длительности сигнала стимуляции катализатора посредством составляющих ошибки по амплитуде, частоте и относительной длительности, полученных при определении параметров сигнала стимуляции катализатора в блоке 206.
В суммирующем устройстве 220 базовое значение воздушно-топливного отношения суммируется с откорректированным сигналом стимуляции катализатора.
Выходной сигнал суммирующего устройства 220 представляет собой желаемую величину воздушно-топливного отношения, которая характеризуется частотой, амплитудой, относительной длительностью и постоянным смещением. Выходной сигнал суммирующего устройства 220 поступает в устройство 209 и в устройство 230 суммирования. Устройство 209 эмулирует модель двигателя, так что на суммирующем устройстве 250 желаемый и фактический сигналы двигателя оказываются приведенными в соответствие друг другу. Выходной сигнал модели 209 двигателя направляется на суммирующее устройство 250.
В суммирующем устройстве 250 измеренное значение воздушно-топливного отношения, полученное с выхода кислородного датчика, вычитается из модельного выходного сигнала двигателя, полученного из желаемого воздушно-топливного отношения, чтобы выработать сигнал ошибки воздушно-топливного отношения. Сигнал ошибки воздушно-топливного отношения двигателя подается на устройство 208, обеспечивающее некоторый коэффициент передачи, где указанный сигнал ошибки умножается на коэффициент. Данный коэффициент может быть линейным или нелинейным и может зависеть от частоты вращения двигателя, нагрузки двигателя и температуры катализатора. Частота вращения двигателя и величина нагрузки определяют массовый расход газов через катализатор. Выходной сигнал с устройства 208 поступает на устройство 230 суммирования.
В устройстве 230 суммирования сигнал желаемого воздушно-топливного отношения и сигнал ошибки желаемого воздушно-топливного отношения суммируются друг с другом, чтобы получить командный сигнал воздушно-топливного отношения двигателя. Командный сигнал воздушно-топливного отношения может подаваться на топливную форсунку и/или на коррекцию положения дроссельной заслонки. Согласно одному из вариантов воздушно-топливное отношение двигателя сдвигается в сторону обогащения за счет увеличения длительности топливного импульса. Воздушно-топливное отношение двигателя может быть сдвинуто в сторону обеднения за счет уменьшения длительности топливного импульса. Исходя из потребного крутящего момента может быть определено количество воздуха, которое необходимо подать в двигатель, а затем массу воздуха, поступающего в двигатель, можно разделить на желаемое воздушно-топливное отношение, чтобы получить количество топлива, которое необходимо ввести в двигатель. В некоторых примерах осуществления вместо воздушно-топливного отношения может использоваться коэффициент избыточности воздуха (лямбда). Сигнал воздушно-топливного отношения поступает на вход двигателя 10 в виде комбинированного регулирования положения дроссельной заслонки и топливных форсунок двигателя. Двигатель 10 производит сжигание введенного топлива и выпускает отработавший газ в каталитический нейтрализатор 72. Содержание кислорода в отработавшем газе является сигналом обратной связи, поступающим на суммирующее устройство 250 и на устройство 206, для обеспечения обратной связи по воздушно-топливному отношению или коэффициенту избыточности воздуха (лямбда).
Таким образом, система, изображенная на фиг.1 и 2, обеспечивает корректировку воздушно-топливного отношения двигателя и при этом содержит: первый кислородный датчик, расположенный в тракте выпуска отработавших газов двигателя; второй кислородный датчик, расположенный в тракте выпуска отработавших газов после каталитического нейтрализатора; и контроллер, содержащий инструкции для корректировки воздушно-топливного отношения двигателя по относительной длительности и частоте выходного сигнала второго кислородного датчика, исходя из желаемого напряжения от второго кислородного датчика. Система также содержит сажевый фильтр, размещенный в системе выпуска отработавших газов. Система также содержит дополнительные инструкции контроллера для корректировки желаемого напряжения кислородного датчика, установленного после каталитического нейтрализатора, исходя из условий работы двигателя. Система также обеспечивает, что указанные дополнительные инструкции контроллера осуществляют увеличение желаемого напряжения кислородного датчика, установленного после каталитического нейтрализатора, в ответ на увеличение нагрузки двигателя. Система также содержит дополнительные инструкции контроллера для первого режима, при котором воздушно-топливное отношение двигателя не подвергается корректировке по сигналу второго кислородного датчика, и для второго режима, при котором воздушно-топливное отношение двигателя корректируется по сигналу второго кислородного датчика. Система также предусматривает, что указанный второй режим представляет собой режим топливного управления с замкнутым контуром обратной связи, и также содержит дополнительные инструкции контроллера для задержки регулирования воздушно-топливного отношения двигателя в зависимости от сигнала второго кислородного датчика и в зависимости от температуры катализатора.
На фиг.3 показаны примеры графиков сигналов, представляющих важность для регулирования воздушно-топливного отношения двигателя. Сигналы фиг.3 могут быть обеспечены посредством системы, изображенной на фиг.1, и способов, представленных на фиг.2 и 4.
2
2
Первый график в верхней части фиг.3 представляет собой график зависимости желаемого воздушно-топливного отношения двигателя от времени. Ось Y представляет желаемое воздушно-топливное отношение. Ось Х представляет время, при этом время увеличивается слева направо. Линия 302 представляет стехиометрическое воздушно-топливное отношение. Область выше линии 302 представляет обедненную смесь, а область ниже линии 302 представляет обогащенную смесь. В данном примере базовое воздушно-топливное отношение является стехиометрическим воздушно-топливным отношением (например, 14,6 для бензина). Токсичные выбросы двигателя могут быть эффективно трансформированы в НO и СO, когда двигатель работает с воздушно-топливной смесью с соотношением близким к стехиометрическому.
Второй сверху график на фиг.3 показывает пример сигнала 304, сдвигающего смесь в сторону обеднения. Стехиометрический уровень воздушно-топливной смеси находится посередине между максимумом и минимумом сигнала 304. Сигнал 304 смещен в сторону обеднения, потому что выше линии стехиометрического уровня сигнал пребывает более длительное время (относительная длительность, обеспечивающая обеднение, больше).
Третий сверху график на фиг.3 показывает пример сигнала 306, сдвигающего смесь в сторону обогащения. Аналогично второму графику стехиометрический уровень воздушно-топливной смеси находится посередине между максимумом и минимумом сигнала 306. Сигнал 306 смещен в сторону обогащения, потому что ниже линии стехиометрического уровня сигнал пребывает более длительное время (относительная длительность, обеспечивающая обогащение, больше).
Таким образом, из второго и третьего графиков можно видеть, что сдвиг в сторону обогащения или обеднения воздушно-топливной смеси может быть задан сигналом, частота которого постоянна. В некоторых вариантах сдвиг в сторону обеднения или обогащения смеси может быть увеличен за счет увеличения амплитуды «обедняющего» или «обогащающего» сигнала.
Четвертый график сверху на фиг.3 изображает сумму желаемого воздушно-топливного отношения (первый верхний график фиг.3) и сигнала, сдвигающего смесь в сторону обогащения (третий сверху график фиг.3). Ось Y представляет воздушно-топливное отношение двигателя. Ось Х представляет время, причем время возрастает слева направо. Видно, что график сигнала 307 совершает колебания вокруг уровня стехиометрического воздушно-топливного отношения, большую часть времени находясь при этом на низком уровне. Такое воздушно-топливное отношение может увеличить эффективность катализатора за счет чередующейся подачи на катализатор кислорода и окисляющих веществ.
Пятый сверху график на фиг.3 изображает пример желаемого среднего напряжения датчика HEGO, установленного после каталитического нейтрализатора. Ось Y представляет напряжение датчика HEGO, а ось Х представляет время. Время начинается в левой части графика и возрастает к правой части графика. В данном примере линия 308 представляет постоянное желаемое напряжение на выходе датчика HEGO величиной 0,6 В (уставка управления). В других примерах желаемое напряжение датчика HEGO может варьировать в зависимости от двигателя и/или рабочих условий катализатора, и может содержать гистерезис.
Шестой сверху график на фиг.3 изображает выходное напряжение 309 датчика HEGO, установленного после каталитического нейтрализатора, в сравнении с желаемым средним напряжением 308 указанного датчика HEGO (уставкой управления). Ось Y представляет напряжение на выходе датчика HEGO, а ось Х представляет время. Время возрастает на графике слева направо.
Седьмой сверху график фиг.3 изображает обработанное напряжение датчика HEGO, установленного после каталитического нейтрализатора. Ось Y представляет состояние датчика HEGO относительно желаемого среднего напряжения с выхода HEGO (уставки управления). Ось Х представляет время, причем время увеличивается слева направо. Высокий уровень сигнала обозначает обогащенное состояние по данным датчика HEGO по сравнению с желаемым средним напряжением датчика HEGO (уставкой управления), а низкий уровень сигнала указывает на обедненное состояние по сравнению с желаемым средним напряжением датчика HEGO (уставкой управления).
Шестой и седьмой графики родственны друг другу, поскольку сигналы шестого графика являются основой для сигнала седьмого графика. В промежуток времени, предшествующий пересечению сигналом 309 датчика HEGO линии 308 желаемого среднего напряжения датчика HEGO, сигнал датчика HEGO превышает желаемое среднее напряжение датчика HEGO (уставку управления), что в сравнении с желаемым средним напряжением датчика HEGO указывает на обогащенное состояние в отношении компонентов отработавших газов. После того, как сигнал 309 датчика HEGO пересечет линию желаемого среднего напряжения датчика HEGO, сигнал 309 в сравнении с желаемым средним напряжением датчика будет указывать на обедненное состояние.
Сигнал 309 датчика HEGO, установленного после каталитического нейтрализатора, пересекает уровень желаемого среднего напряжения датчика (уставку управления) в моменты 320, 322 и 324 времени. Уровень обработанного напряжения датчика HEGO изменяется при каждом пересечении порога. Например, пересечение порога в точке 320 соответствует смещению уровня в момент времени 340. Аналогично, пересечения порога в точках 322 и 324 соответствуют смещениям уровня в моменты 342 и 344 времени. Обработанный сигнал датчика HEGO указывает на обогащенное состояние, когда сигнал 309 датчика HEGO соответствует обогащению в сравнении с желаемым средним напряжением 308 датчика HEGO (уставкой управления). Обработанный сигнал датчика HEGO указывает на обедненное состояние, когда сигнал 309 датчика HEGO соответствует обеднению в сравнении с желаемым средним напряжением 308 датчика HEGO (уставкой управления). Период сигнала HEGO можно определить, измеряя время между фронтами обработанного сигнала датчика HEGO. Например, линия 360 со стрелками показывает интервал времени между фронтами обработанного напряжения датчика HEGO или период обработанного сигнала HEGO. Из указанного периода можно определить частоту изменения сигнала 309 датчика HEGO относительно желаемого среднего напряжения 308 датчика HEGO (уставки управления). Долю периода обработанного напряжения датчика HEGO, указывающую на обогащение, можно определить, измеряя интервал времени участка 362. А относительную длительность обогащенного состояния можно определить из соотношения интервалов времени, обозначенных линиями 360 и 362 со стрелками.
Следует отметить, что амплитуду сигнала 309 датчика HEGO относительно желаемого среднего напряжения датчика HEGO можно определять в интервалах между каждым пересечением порога. Согласно одному варианту наибольшее напряжение датчика HEGO между сигналом 309 HEGO и желаемым средним напряжением 308 датчика HEGO (уставкой управления) можно выдавать на выход в качестве амплитуды обогащенного состояния, когда сигнал 309 HEGO указывает на обогащение по сравнению с желаемым средним напряжением HEGO (уставкой управления). Аналогично наименьшее напряжение датчика HEGO между сигналом 309 HEGO и желаемым средним напряжением 308 датчика HEGO (уставкой управления) можно выдавать на выход в качестве амплитуды обедненного состояния, когда сигнал 309 HEGO указывает на обеднение по сравнению с желаемым средним напряжением HEGO (уставкой управления).
Таким образом, посредством сигнала 309 датчика HEGO, установленного после каталитического нейтрализатора, и желаемого среднего напряжения 308 датчика HEGO (уставки управления) можно осуществлять регулирование базового воздушно-топливного отношения в целях стимуляции катализатора. Кроме того, на основе сигнала 309 датчика HEGO, установленного после каталитического нейтрализатора, можно получить частоту, относительную длительность и амплитуду сигнала базового воздушно-топливного отношения, рассчитанного на стимуляцию катализатора.
На фиг.4 изображен пример блок-схемы алгоритма реализации способа регулирования воздушно-топливного отношения двигателя. Способ, соответствующий фиг.4, может быть реализован при помощи инструкций контроллера 12 фиг.1.
На шаге 402 способ 400 принимает решение, задействовать или не задействовать управление топливом с замкнутым контуром обратной связи. В одном варианте управление топливом с замкнутым контуром обратной связи может начаться после того, как двигатель достигнет установленной температуры, или после того, как двигатель поработает определенное время после того, как был остановлен. Если способ 400 решает, что имеют место условия для входа в режим управления топливом с замкнутым контуром обратной связи, способ 400 переходит к шагу 404.
На шаге 404 способ 400 определяет желаемое воздушно-топливное отношение двигателя и желаемую составляющую базового воздушно-топливного отношения, обеспечивающую стимуляцию катализатора. Согласно одному из вариантов базовое воздушно-топливное отношение хранится в таблице, входными аргументами которой являются частота вращения двигателя и нагрузка. Таблица содержит эмпирически полученные данные воздушно-топливного отношения, которые подходят для различных оборотов двигателя и величин нагрузки. Данные частоты вращения двигателя и нагрузки могут быть основой для определения величины потока отработавших газов через катализатор. Таким образом, желаемое воздушно-топливное отношение двигателя и желаемая составляющая базового воздушно-топливного отношения, обеспечивающая стимуляцию катализатора, могут быть функцией величины потока отработавших газов через катализатор. В данные базового воздушно-топливного отношения двигателя, взятые из таблицы, может быть введена поправка на температуру двигателя.
Аналогично может быть определена составляющая базового воздушно-топливное отношения, обеспечивающая стимуляцию катализатора. Согласно одному из примеров частота вращения двигателя и нагрузка как аргументы обращаются к двум таблицам. Первая таблица содержит данные различных частот для корректировки воздушно-топливного отношения двигателя с целью стимуляции катализатора. Вторая таблица содержит данные различных относительных длительностей для корректировки воздушно-топливного отношения двигателя. Комбинация выходных данных первой таблицы и второй таблицы представляет собой сигнал модуляции воздушно-топливного отношения двигателя, обладающий частотой и относительной длительностью. В сигнал желаемого базового воздушно-топливного отношения двигателя, обеспечивающего стимуляцию катализатора, может далее быть введена поправка на температуру катализатора и тип топлива. Согласно одному варианту при уменьшении температуры катализатора производится увеличение частоты и уменьшение относительной длительности сигнала базового воздушно-топливного отношения двигателя, обеспечивающего стимуляцию катализатора. Повышенная частота и уменьшенная относительная длительность учитывают снижение у холодного катализатора способности аккумулировать кислород.
В некоторых примерах частота для желаемого базового воздушно-топливного отношения выше частоты для составляющей желаемого базового воздушно-топливного отношения, обеспечивающей стимуляцию катализатора. Таким образом, различным частям системы двигателя, в различные моменты времени при работе двигателя могут требоваться различные частоты. Например, при холодном пуске двигателя желаемое базовое воздушно-топливное отношение и желаемое воздушно-топливное отношение, обеспечивающее стимуляцию катализатора, могут иметь одинаковые требования по частоте. При повышенных температурах катализатора, когда катализатор обладает возможностью накапливать кислород, частота сигнала базового воздушно-топливного отношения, обеспечивающего стимуляцию катализатора, может быть ниже частоты сигнала желаемого базового воздушно-топливного отношения.
В желаемое воздушно-топливное отношение двигателя, обеспечивающее стимуляцию катализатора, могут быть введены дополнительные поправки на регенерацию сажевого фильтра и на ожидаемые остановки и пуски двигателя. Согласно одному примеру в ответ на предстоящую регенерацию сажевого фильтра может быть увеличена доля длительности сигнала, обеспечивающая обеднение смеси. Таким образом, перед началом регенерации сажевого фильтра состояние катализатора можно скорректировать, чтобы в процессе указанной регенерации увеличить эффективность действия катализатора. Кроме того, доля длительности, обеспечивающая обеднение смеси, в сигнале воздушно-топливного отношения двигателя, обеспечивающем стимуляцию катализатора, может быть увеличена в процессе регенерации сажевого фильтра, чтобы способствовать увеличению эффективности катализатора и окислению частиц сажи в сажевом фильтре. В других примерах в ответ на осуществление регенерации сажевого фильтра может также быть скорректирована амплитуда и частота сигнала воздушно-топливного отношения двигателя, обеспечивающего стимуляцию катализатора.
Согласно еще одному примеру частоту и относительную длительность можно регулировать в ответ на запрос автоматического пуска или останова двигателя (например, когда водитель не предпринимает никаких специальных действий для остановки двигателя; водитель может применить тормоз или отпустить педаль акселератора, но при этом активно не запрашивать остановку двигателя посредством выключателя или команды, единственным назначением которых является остановка двигателя). Согласно одному примеру в ответ на автоматический запрос остановки двигателя производится увеличение длительности той части сигнала, которая обеспечивает обогащение смеси. Когда оператор требует остановки двигателя, указанное действие не производится. После того, как будет определено желаемое воздушно-топливное отношение двигателя и желаемое базовое воздушно-топливное отношение двигателя, обеспечивающее стимуляцию катализатора, способ 400 переходит к шагу 406.
На шаге 406 способ 400 обновляет желаемое воздушно-топливное отношение двигателя и желаемое базовое воздушно-топливное отношение двигателя, обеспечивающее стимуляцию катализатора. Способ 400 производит обращение к информации о результатах стимуляции катализатора, полученной от кислородного датчика, установленного после каталитического нейтрализатора, в процессе предыдущего исполнения способа 400. Например, для обновления желаемого базового воздушно-топливного отношения двигателя, обеспечивающего стимуляцию катализатора, используется информация стимуляции катализатора с шага 412.
Согласно одному примеру для определения составляющих ошибки по частоте, относительной длительности и амплитуде для воздушно-топливного отношения двигателя, обеспечивающего стимуляцию катализатора, частоту, относительную длительность и амплитуду сигнала, полученного от кислородного датчика, установленного после каталитического нейтрализатора, вычитают из желаемой частоты, относительной длительности и амплитуды желаемого базового воздушно-топливного отношения, обеспечивающего стимуляцию катализатора. Указанные составляющие ошибки умножают на коэффициенты, а затем суммируют с базовым воздушно-топливным отношением двигателя и с базовым воздушно-топливным отношением двигателя, обеспечивающим стимуляцию катализатора.
После обновления базового воздушно-топливного отношения двигателя и базового воздушно-топливного отношения двигателя, обеспечивающего стимуляцию катализатора, способ 400 переходит к шагу 408.
На шаге 408 величины базового воздушно-топливного отношения двигателя и базового воздушно-топливного отношения двигателя, обеспечивающего стимуляцию катализатора, передаются в качестве выходных сигналов в двигатель. В одном примере для определения массы топлива, подлежащей впрыску в цилиндры, массу воздуха, поступающего в двигатель, делят на сумму базового воздушно-топливного отношения двигателя и базового воздушно-топливного отношения, обеспечивающего стимуляцию двигателя. Полученную массу топлива преобразуют в длительность включенного состояния топливных форсунок и активируют топливные форсунки на интервал времени включенного состояния. Таким образом, производят регулирование соотношения воздуха и топлива, подаваемых в двигатель. Соответственно частоту, относительную длительность и амплитуду сигнала воздушно-топливного отношения, обеспечивающего стимуляцию катализатора, можно регулировать независимо от других параметров. После передачи в двигатель сигнала воздушно-топливного отношения способ 400 переходит к шагу 410.
На шаге 410 производится считывание выходных напряжений кислородных датчиков выхлопной системы двигателя. Согласно одному примеру кислородные датчики расположены, как показано на фиг.1. Напряжения кислородных датчиков можно считывать, исходя из положения двигателя или исходя из временного интервала. При определенных условиях работы двигателя может производиться задержка считывания кислородных датчиков, пока не будут выполнены установленные условия, чтобы задержать корректировку воздушно-топливного отношения двигателя, обеспечивающего стимуляцию катализатора. Например, когда катализатор и кислородный датчик холодные, считывание указанного кислородного датчика может не производиться до тех пор, пока датчик не достигнет определенной температуры. После измерения выходных напряжений кислородных датчиков выхлопного тракта, способ 400 переходит к шагу 412.
На шаге 412 способ 400 определяет сигнал обратной связи результата стимуляции катализатора с целью корректировки воздушно-топливного отношения двигателя, обеспечивающего такую стимуляцию. Согласно одному примеру результат стимуляции катализатора определяют путем обработки выходного сигнала кислородного датчика, расположенного после каталитического нейтрализатора. Если выходное напряжение кислородного датчика больше, чем желаемое напряжение кислородного датчика, то данный обработанный сигнал напряжения кислородного датчика указывает на обогащенное состояние. Если выходное напряжение кислородного датчика меньше, чем желаемое напряжение кислородного датчика, то данный обработанный сигнал напряжения кислородного датчика указывает на обедненное состояние. Интервал времени между обогащенным и обедненным состояниями можно использовать для определения частоты стимуляции катализатора сигналом воздушно-топливного отношения двигателя, рассчитанным на такую стимуляцию. Интервал времени, в течение которого датчик HEGO регистрирует обогащение или обеднение относительно желаемого среднего напряжения датчика HEGO (уставки управления), является основой для определения относительной длительности обогащения или обеднения при стимуляции катализатора. На фиг.3 приведены примеры сигналов и процедур определения относительной длительности, частоты и амплитуды стимуляции катализатора для корректировки воздушно-топливного отношения двигателя, обеспечивающего такую стимуляцию. После того, как на основе сигнала кислородного датчика, установленного после каталитического нейтрализатора, будет сформирован сигнал обратной связи результата стимуляции катализатора, способ 400 перейдет к шагу 414.
На шаге 414 производится определение ошибки стимуляции катализатора. Согласно одному примеру ошибку стимуляции катализатора определяют путем вычитания сигнала обратной связи результата стимуляции катализатора, установленного на шаге 412, из желаемого воздушно-топливного отношения и из желаемого воздушно-топливного отношения, обеспечивающего стимуляцию катализатора. Например, ошибка относительной длительности может быть определена по формуле PCHEGO_DC_Err=Desired_PCHS_DC-PCHEGO_DC_avg, где PCHEGO_DC_Err - ошибка относительной длительности по датчику HEGO, установленному после каталитического нейтрализатора, Desired_PCHS_DC - желаемая относительная длительность по датчику HEGO, установленному после каталитического нейтрализатора, a PCHEGO_DC_avg - среднее значение относительных длительностей обогащенного и обедненного состояний за временной интервал или за интервал цикла двигателя. Аналогично ошибка частоты может быть определена по формуле PCHEGO_Frq_Err=Desired_PCHS_Frq-PCHEGO_Frq_avg, где PCHEGO_Frq_Err - ошибка частоты по датчику HEGO, установленному после каталитического нейтрализатора, Desired_PCHS_Frq - желаемая частота по датчику HEGO, установленному после каталитического нейтрализатора, a PCHEGO_Frq_avg - средняя частота стимуляции катализатора за временной интервал или за интервал цикла двигателя. Параметры ошибки, определенные на шаге 414, используются способом 400 на шаге 406 при последующем исполнении способа 400. Способ 400 завершается после определения ошибки стимуляции катализатора.
Таким образом, информация с кислородного датчика, установленного после каталитического нейтрализатора, является основой для корректировки воздушно-топливного отношения двигателя, обеспечивающего стимуляцию катализатора. Способ 400 обеспечивает индивидуальное регулирование воздушно-топливного отношения двигателя для стимуляции катализатора по параметрам: относительной длительности, частоты и амплитуды. Как таковой, способ 400 изолирует и индивидуально регулирует воздушно-топливное отношение двигателя в целях стимуляции катализатора по относительной длительности, частоте и амплитуде.
Таким образом, способ 400 обеспечивает регулирование воздушно-топливного отношения двигателя и заключается в регулировании частоты и относительной длительности величины воздушно-топливного отношения, применяемого для управления цилиндрами двигателя, на основе относительной длительности и частоты, получаемых из сигнала кислородного датчика, установленного после каталитического нейтрализатора. При таком способе регулирование воздушно-топливного отношения двигателя осуществляется в целях стимуляции большей эффективности химических процессов превращения в катализаторе. Способ также заключается в регулировании воздушно-топливного отношения, применяемого для управления цилиндрами двигателя, путем изменения концентрации кислорода в топливно-газовой смеси, подаваемой в двигатель, и обеспечения возможности уменьшения амплитуды и относительной длительности подачи воздушно-топливной смеси в цилиндры двигателя по мере деградации катализатора и снижения его способности аккумулировать кислород. Согласно одному примеру способ включает в себя применение к относительной длительности сигнала, получаемого с кислородного датчика, расположенного после катализатора, первого коэффициента, когда двигатель работает на бензине, и второго коэффициента, когда двигатель работает на спирту или на бензино-спиртовой смеси. Способ также включает в себя применение к частоте сигнала, получаемого с кислородного датчика, расположенного после катализатора, первого коэффициента, когда двигатель работает на бензине, и второго коэффициента, когда двигатель работает на спирту или на бензино-спиртовой смеси. Рассматриваемый способ также включает в себя определение ошибки относительной длительности и ошибки частоты, исходя из желаемой относительной длительности и желаемой частоты и из относительной длительности и частоты сигнала, полученного от кислородного датчика, расположенного после катализатора. Способ также включает в себя корректировку желаемой относительной длительности и желаемой частоты в зависимости от температуры катализатора. Способ также включает в себя корректировку желаемой относительной длительности и желаемой частоты в зависимости от величины газового потока через катализатор.
Согласно другому примеру способ 400, как способ регулирования воздушно-топливного отношения двигателя, включает в себя: подачу воздушно-топливной смеси в двигатель с первой относительной длительностью и первой частотой; и корректировку первой относительной длительности и первой частоты посредством второй частоты и второй относительной длительности, причем вторая частота меньше первой частоты, а вторая относительная длительность зависит от выходного сигнала кислородного датчика, расположенного после каталитического нейтрализатора в выхлопной системе двигателя. Способ включает в себя корректировку первой относительной длительности, исходя из ошибки между желаемой относительной длительностью, получаемой по данным кислородного датчика, расположенного после катализатора, и второй относительной длительностью. Способ также включает в себя корректировку желаемой относительной длительности, получаемой по данным кислородного датчика, расположенного после катализатора, в зависимости от состояния сажевого фильтра. Способ также включает в себя определение второй относительной длительности, исходя из результата сравнения выходного напряжения кислородного датчика с желаемым напряжением кислородного датчика, установленного после катализатора. Способ включает в себя корректировку желаемого напряжения кислородного датчика, установленного после катализатора, в зависимости от условий работы двигателя. Способ также включает в себя корректировку желаемого напряжения кислородного датчика, установленного после катализатора, в зависимости от условий работы катализатора. Способ включает в себя увеличение второй частоты при увеличении частоты вращения двигателя.
Специалистам в данной области должно быть понятно, что изображенные на фиг.4 операции могут представлять один или более способов обработки, которые инициируются событием, прерыванием, являются многозадачными, многопотоковыми, и т.п. Как таковые, различные показанные шаги или функции можно выполнять в той последовательности, какая указана на схеме, но можно выполнять и параллельно или в некоторых случаях опускать. Аналогично указанный порядок обработки не обязателен для решения вышеупомянутых задач изобретения, реализации отличительных признаков и преимуществ, но приведен в целях упрощения описания. Хотя это и не показано явным образом, но специалистам в данной области должно быть понятно, что один или более показанных шагов или функций могут быть выполнены повторно в зависимости от конкретной используемой стратегии.
На этом описание завершается. Специалистам в данной области должно быть понятно, что в форму и детали осуществления изобретения могут быть внесены изменения, не выходящие за границы идеи и объема изобретения. Например, настоящее описание может также быть с успехом использовано в случае двигателей с расположением цилиндров по схемам I3, I4, I5, V6, V8, V10 и V12, работающих на природном газе, бензине, дизельном топливе или альтернативных топливных смесях.