Способ регулирования двигателя внутреннего сгорания при эксплуатации
METHOD FOR CONTROLLING INTERNAL COMBUSTION ENGINE DURING ITS OPERATION

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в автотранспорте для регулирования инжекторного Двигателя Внутреннего Сгорания. Двигатель оснащен дроссельной заслонкой, регулирующей подачу воздуха во впускной канал и управляемой тросом от педали водителя. Электронный Блок Управления двигателем вырабатывает, синхронный с рабочим положения вала двигателя, импульс изменяемой длительности на клапан впрыска топлива в рабочую зону, пропорциональный абсолютному статическому давлению воздуха во впускном канале. Режимы пуска и холостого хода, ускорения и равномерного движения работы ДВС определяет ЭБУ по сигналам рабочих датчиков, который регулирует соотношение воздух/топливо в горючей смеси и количество смеси в двигателе, поддерживая типовые параметры экономичности и мощности ДВС при эксплуатации. Однако типовые параметры регулирования серийного двигателей, заложенные в память микрокомпьютера ЭБУ обобщены на разброс параметров двигателей в большой партии выпуска. Это ограничивает адаптацию отдельного ДВС к конкретным условиям эксплуатации, увеличивает расход топлива и занижает возможную мощность.
Известен «Способ регулирования мощности двигателя внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и устройство для его осуществления» по авторскому свидетельству SU 1677359, МПК F02D 41/02, 35/00, 28/00. Способ включает измерение в цифровом коде частоты вращения вала двигателя, измерение разряжения во впускном коллекторе, вычисление действующего момента на валу двигателя, сравнение его с заданным моментом от внешнего задающего устройства и корректировку угла положения дроссельной заслонки с помощью управляемого привода. При этом коррекцию производят по контрольным табличным данным скоростных характеристик, записанных в память устройства и относящихся к данному типу двигателей. Однако способ, использующий указанную таблицу, не эффективен при изменении условий внешнего смесеобразования и влиянии не контролируемых факторов (износ двигателя, качество и состав топлива, состав воздуха и т.п.). Учет большего количества влияющих факторов на работу двигателя возможен при оснащении его дополнительными датчиками, связанными с ЭБУ на базе микрокомпьютера, управляющего электромагнитными исполнительными механизмами. Примерный набор датчиков и исполнительных устройств регулирования для автомобильного ДВС приведен в описании изобретения к патенту «Устройство впрыска топлива и способ управления им» RU 2434158 С2, МПК F02D 41/40. Устройство содержит датчики акселератора, угла открытия дроссельной заслонки, скорости вращения и положения коленчатого вала двигателя, давления и расхода воздуха во впускном канале, температуры двигателя и выхлопного газа, состава выхлопного газа и др., а также электромагнитные клапаны впрыска топлива, электропривод управления углом открытия дроссельной заслонки впускного канала и т.д. К недостаткам этого способа управления двигателем относят сложность аппаратно-программного комплекса для выделения параметров переходного режима ускорения, необходимость дублирования для надежности ответственных за безопасность движения датчиков и оборудования, трудоемкость настройки ЭБУ специалистами. Оперативная регулировка в полевых условиях конкретного ЭБУ ДВС при эксплуатации не предусмотрена. При неисправных датчиках и сбоях в работе оборудования микрокомпьютерная система управления переходит на работу в аварийном режиме, не гарантирующем экономию топлива, достаточную мощность ДВС при эксплуатации.
Наблюдается тенденция усложнения способов измерений и устройств получения данных давления во впускном окне рабочей полости с целью повышения точности измерений заряда воздуха с учетом динамики заполнения и точности расчета для управления работой двигателя в переходном режиме ускорения, изложенная в описание изобретения «Способ снятия данных (варианты) и система снятия данных давления во впускном окне цилиндра» к патенту RU 2584747, МПК F02D 9/02, F02D 41/18, F02D 41/22. Однако и более точные измерения и расчеты с использованием типовых скоростных характеристик и функций не корректны для двигателя с определенным износом, работающем на отличающихся по качеству топливе и в условиях не вполне соответствующих типовым. Это вынуждает производителя оснащать ДВС все более сложными системами управления. При этом стоимость производства, технического обслуживания и ремонта систем возрастает.
Известен способ использованный при дублировании управления в изобретении по патенту «Система управления двигателем» RU 2267021 С1, МПК F02D 11/02, имеющая штатную и аварийную систему управления дизелем. Штатная система управления содержит датчики, управляющий микрокомпьютер, электромагнитный привод положения топливорегулирующей рейки. При выходе из строя штатной системы управления включается аварийная. Аварийная система управления содержит подпружиненный мембранный пневмопривод положения топливорегулирующей рейки. Пневмопривод соединен трубопроводом с полостью разрежения за воздушной заслонкой, которая установлена на входе в турбокомпрессор. Воздушная заслонка связана через механизм включения аварийного режима с педалью управления. В изобретении использован способ включающий отбор разрежения за воздушной заслонкой и передачу по трубопроводу на подпружиненный мембранный пневмопривод, который перемещая топливорегулирующую рейку, поддерживает обороты двигателя согласно заданному положению воздушной заслонки от педали управления. Недостатком данной аварийной системы управления является использование в качестве регулирующего параметра разрежения за воздушной заслонкой, установленной на входе в турбокомпрессор. Указанное разрежение не соответствует фактическому наполнению воздухом рабочего цилиндра двигателя. Также отсутствует оперативная коррекция соотношения воздух/топливо для различных режимов работы двигателя.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является «Способ регулирования двигателя внутреннего сгорания в зависимости от условий эксплуатации» по заявке на изобретение RU 2013122001 МПК F02 43|00. Способ включает синхронное рабочему положению вала двигателя дозирование топлива пропорционально абсолютному давлению воздуха во впускном канале, которое регулируют дроссельной заслонкой от педали водителя. Коэффициент пропорциональности корректируют в зависимости от условий эксплуатации по желанию водителя, однако не указаны объективные признаки и действия при коррекции, отражающиеся на мощности и экономичности двигателя.
Целью изобретения является способ регулирования ДВС с учетом коррекции пропорциональности длительности впрыска топлива абсолютному статическому давлению воздуха во впускном канале по объективным показателям мощности и экономичности двигателя при эксплуатации.
Теоретическое обоснование предлагаемого способа.
При сообщении с впускным каналом камеры сгорания двигателя рабочая масса воздуха в камере сгорания определяется абсолютным статическим давлением воздуха во впускном канале, которое возникает после дросселирования потока воздуха заслонкой. Массу воздуха, поступившего на фазе впуска в камеру сгорания, определяют из уравнения состояния идеального газа.
где М - масса воздуха в рабочем объеме камеры сгорания;
Р - абсолютное статическое давление воздуха во впускном канале;
V - рабочий объем камеры сгорания;
Т - абсолютная температура воздуха;
R - газовая постоянная.
Масса М воздуха в рабочем объеме камеры сгорания пропорциональна абсолютному статическому давлению Р воздуха в канале впуска.
Дозируемую массу топлива, например форсункой, в рабочий объем V камеры сгорания можно определить из выражения
, где
m - масса дозы топлива;
q - плотность жидкого топлива;
s - рабочее сечение выходного топливного отверстия форсунки;
u - скорость топлива на выходе из форсунки;
t - время дозирования топлива.
Давление топлива на входе форсунки обычно поддерживают постоянным с помощью регулятора давления.
Известно, что наибольшая мощность и экономичность двигателя достигается при работе на горючей смеси имеющей стехиометрическое соотношение воздух/топливо в цилиндре. Мощность, например, для четырех цилиндрового ДВС определяют в идеальном случае выражением
, где
N - мощность ДВС;
Q - тепловая энергия смеси воздух/топливо в камере сгорания
С - удельная калорийность смеси воздух/топливо
М - масса воздуха в цилиндре;
m - масса топлива в цилиндре;
М/m - стехиометрическое соотношение (постоянная величина)
F - частота вращения коленчатого вала ДВС;
Пропорциональность массы топлива абсолютному статическому давлению во впускном канале цилиндра по известному способу регулирования в наиболее близком аналоге изобретения устанавливают согласно выражения
, где
k - коэффициент пропорциональности;
Р - абсолютное статическое давление воздуха во впускном канале;
Подставляя выражение (4) для массы m в уравнение (3) получаем уравнение для мощности N в виде
Далее заменяя в уравнении (5) массу воздуха М по уравнению газового состояния (1) получаем зависимость мощности двигателя по уравнению (6),
от произведения PF и заданного конструкционного - теплофизического коэффициента 2Ck(V/RTk+1), который постоянен при неизменной температуре Т поступающего воздуха и установленного коэффициента пропорциональности k.
Произведение PF характеризует насосную функцию двигателя - поступление дросселированного воздуха во впускной канал и наполнение рабочего объема цилиндра воздухом. Абсолютное статическое давление Р воздуха во впускном канале зависит от частоты F движения поршня отсасывающего воздух и угла открытия дроссельной заслонки для поступления воздуха. Дросселирование воздуха снижает абсолютное статическое давление Р воздуха во впускном канале и массу m воздуха в цилиндре при любых частотах вращения вала двигателя. Насосная функции PF и следовательно мощность N двигателя имеют максимум на средних частотах вращения коленчатого вала при открытой дроссельной заслонке. На низких частотах вращения вала наполнение цилиндра увеличивается, но из-за низкой скорости вращения коленчатого вала мощность ДВС падает. С другой стороны, при высокой скорости вращения коленчатого вала цилиндр не успевает наполниться воздухом и снижается мощность двигателя. Это подтверждается экспериментально техническими характеристиками серийных автомобилей с указанием максимальной мощности на частотах вращения коленчатого вала двигателя, которые ниже максимально допустимых. Например, мощность двигателя RP автомобиля Volkswagen Golf 2 составляет 66кВт при 5200 об/мин при максимально допустимой частоте 6200 об/мин.
Во время эксплуатации двигателя максимум насосной функции PF от частоты F оборотов коленчатого вала проявляется в максимуме мощности N двигателя, поддерживающего эту частоту F оборотов. Максимальная мощность двигателя достигается только при использовании смеси воздух/топливо в стехиометрическом соотношении. Отклонение смеси воздух/топливо от стехиометрического соотношения приводит к потерям тепловой энергии на нагрев избытка воздуха или топлива и снижению мощности двигателя и частоты оборотов коленчатого вала. Частота оборотов коленчатого вала является объективным показателем мощности двигателя при постоянной нагрузке.
В режиме Холостого Хода при постоянном положении дроссельной заслонки, посредством коррекции коэффициента пропорциональности до величины стехиометрического соотношения увеличивают частоту оборотов коленчатого вала до максимальной. Далее уменьшением подачи воздуха дроссельной заслонкой устанавливают номинальную частоту оборотов холостого хода.
В режиме равномерного движения при постоянном положении дроссельной заслонки посредством коррекции коэффициента пропорциональности до величины стехиометрического соотношения увеличивают частоту оборотов коленчатого вала до максимальной и соответствующей заданному ограничению скорости движения.
В режиме ускорения используют коэффициент пропорциональности в диапазоне возможных настроек от коэффициента пропорциональности при XX (экономный режим) до коэффициента пропорциональности при максимальной мощности двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке (спортивный режим) по факту достижения требуемого ускорения.
Эксплуатация двигателя на частотах выше частоты вращения коленчатого вала на максимальной мощности при полностью открытой дроссельной заслонке приводит к снижению мощности, повышенному расходу топлива и дополнительному износу двигателя.
Электронный Блок Управления двигателем по сигналам рабочих датчиков переключает откорректированные к стехиометрическому соотношению коэффициенты пропорции при холостом ходе, ускорении и равномерном движении. Регулирование мощности двигателя при стехиометрическом соотношении воздух/топливо производят как обычно изменением подачи воздуха во впускной канал дроссельной заслонкой, управляемой тросом от педали водителя.
Предлагаемый способ реализован на автомобиле Фольксваген Гольф 2 с инжекторным ДВС по типу моновпрыска. Впускной канал ДВС имеет форсунку для впрыска топлива и подпружиненную на возврат дроссельную заслонку, управляемую тросом от нажатия на педаль водителя. Электропривод положения XX дроссельной заслонки и положения конечного выключателя XX заменен на гибкий вал для ручного привода из кабины водителя.
Полость впускного канала воздуха соединена с быстродействующим (пробег 100% шкалы за 2 мс) тензорезисторным Датчиком Абсолютного Давления воздуха типа ГАЗ 745.3829 (Россия). Выходное напряжение ДАД подают на управляющий вход известного (описание изобретения к патенту RU №2107179 «Устройство управления подачей топлива в двигатель внутреннего сгорания», Фиг. 2). Широтно-Импульсного Модулятора ЭБУ, который преобразует сигнал ДАД в пропорциональный по длительности электрический импульс для включения форсунки подачи топлива. ШИМ синхронизируют сигналами датчика Холла по моментам зажигания при вращении вала двигателя. Пропорция преобразования управляющего напряжения ДАД на входе в ШИМ ЭБУ в длительность импульса на выходе ШИМ ЭБУ для управления подачей топлива форсункой зависит еще от времязадающего корректирующего резистора в интегральной резистивно-емкостной цепи ШИМ ЭБУ. Режимы работы XX, ускорение и равномерное движение определяет ЭБУ по сигналам рабочих датчиков - конечного выключателя положения XX дроссельной заслонки и конечного выключателя «ускорения», срабатывающем от давления ползунка, фрикционно связанного с тросом привода дроссельной заслонки. В качестве конечного выключателя для фрикционного ползунка используют микропереключатель типа МП9-Р1 (Россия), который установлен на кронштейне блока моновпрыска около дроссельной заслонки. Перемещение фрикционного ползунка ограничено рабочей зоной срабатывания конечного выключателя «ускорения». По сигналам конечных выключателей ЭБУ переключает времязадающие корректировочные резисторы в интегральной резистивно-емкостной цепи ШИМ режимов XX, ускоренного и равномерного движения. Времязадающие корректировочные резисторы устанавливают в кабине водителя на приборной панели. Частотомер оборотов коленчатого вала также находится на приборной панели водителя серийного автомобиля Фольксваген Гольф 2.
Предложенный «Способ регулирования двигателя внутреннего сгорания при эксплуатации» работает следующим образом. При работе ДВС датчик Холла рабочего положения коленчатого вала посылает управляющий импульс напряжения на коммутатор системы зажигания двигателя, усиленный импульс с коммутатора подают в ЭБУ, дифференцируют и фронтом импульса включают электронным ключом форсунку и одновременно запускают заряд конденсатора времязадающей интегральной резистивно-емкостной цепи ШИМ до величины управляющего напряжения от ДАД. По окончанию заряда конденсатора закрывают электронный ключ управления форсункой. Время заряда и включения форсунки на подачу топлива пропорционально абсолютному давлению воздуха во впускном канале ДВС и еще зависит от величины корректирующего времязадающего резистора в интегральной цепи заряда конденсатора.
Подачу воздуха в двигатель регулируют при нажатии на педаль водителя через движение и натяжение троса и изменение положения подпружиненной на возврат дроссельной заслонки во впускном канале камеры сгорания. ЭБУ по сигналам конечных выключателей XX и «ускорения» дроссельной заслонки определяет режим работы двигателя (XX, ускорение или равномерное движение) и подключает соответствующий каждому режиму корректирующий времязадающий резистор интегрально-емкостной цепи к ШИМ.
При пуске и работе двигателя на XX коррекцией времязадающего резистора XX рабочий коэффициент пропорциональности XX устанавливают по максимальной частоте вращения коленчатого вала. Такая регулировка исключает перерасход топлива на XX.
В режиме ускорения водитель имеет возможность корректировать величину времязадающего резистора ускорения от значения при XX до значения при максимальной частоте оборотов двигателя на максимальной мощности при полностью открытой дроссельной заслонке. Рабочий коэффициент пропорциональности «ускорения» устанавливают по факту достижения требуемого ускорения. При этом обороты двигателя не должны превышать максимальную частоту оборотов двигателя на максимальной мощности при полностью открытой дроссельной заслонке по условию экономии топлива.
В конце ускорения водитель не значительным возвратом педали управления отключает конечный выключатель «ускорения» и ЭБУ переводит двигатель в равномерный режим работы.
При равномерном движении времязадающий корректирующий резистор устанавливают на рабочий коэффициент пропорциональности равномерного движения по максимальной мощности и по максимальной частоте оборотов, обеспечивающих соответствие заданной скорости движения без возможности ее превышения.
Таким образом, предложен способ регулирования двигателя внутреннего сгорания при эксплуатации включающий регулируемую подачу воздуха во впускной канал дроссельной заслонкой, управляемой тросом от педали водителя, подачу топлива форсункой синхронно с рабочим положением коленчатого вала двигателя и с длительностью пропорциональной абсолютному статическому давлению воздуха во впускном канале, коррекцией пропорциональности при эксплуатации. В предложенном способе, экспериментально устанавливают рабочий коэффициент пропорциональности холостого хода по максимальной частоте оборотов холостого хода, затем экспериментально устанавливают рабочий коэффициент пропорциональности при ускорении по факту достижения требуемого ускорения, потом экспериментально устанавливают рабочий коэффициент пропорциональности при равномерном движении, обеспечивающий заданную скорость движения без возможности ее превышения.
Регулирование мощности двигателя при работе на рабочих коэффициентах пропорциональности при стехиометрическом соотношении воздух/топливо производят как обычно изменением подачи воздуха во впускной канал дроссельной заслонкой, управляемой педалью водителя. При этом Электронный Блок Управления двигателем по сигналам рабочих датчиков переключает откорректированные рабочие коэффициенты пропорции при холостом ходе, ускорении и равномерном движении во время движений дроссельной заслонки.
Экономия топлива определяется по меньшему значению корректирующего времязадающего резистора и соответственно меньшему времени дозирования массы топлива в рабочий цилиндр.
Преимуществом предложенного способа регулирования является экономия топлива во всех режимах работы двигателя при эксплуатации.