Способ регулирования массы воздуха и топлива, подаваемых в двигатель

 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и предназначено для регулирования соотношения компонентов топливно-воздушной смеси. Определяют требуемое количество топлива на цикл для существующих условий работы двигателя, а затем устанавливают подачу воздуха двигателю для обеспечения требуемого соотношения компонентов топливно-воздушной смеси для определенного требования количества топлива на цикл. После этого определяют действительную подачу воздуха двигателю и регулируют количество топлива на цикл таким образом, что действительное соотношение компонентов топливо-воздушной смеси находилось в определенных пределах требуемого соотношения компонентов топливо-воздушной смеси. В электронной системе управления двигателем может обеспечиваться просмотровая многомерная карта с предварительно заданными соотношениями компонентов топливно-воздушной смеси относительно скорости и нагрузки двигателя. 10 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к регулированию соотношения компонентов топливо-воздушной смеси для двигателей внутреннего сгорания.

В описании ссылка на соотношение компонентов топливо-воздушной смеси делается в отношении общего соотношения компонентов топливо-воздушной смеси для каждого цикла двигателя, а не относится к соотношению топливо-воздушной смеси в любом определенном месте в камере сгорания двигателя.

Известен способ регулирования массы воздуха и топлива, подаваемых в двигатель внутреннего сгорания на цилиндр за такт, включающий в себя определение требуемого количества топлива за цикл для подачи в двигатель в ответ на условия работы двигателя и определения действительной подачи воздуха в двигатель [1].

Общепринятые двигатели внутреннего сгорания с равномерной загрузкой обычно используют топливо-воздушную систему подачи, в которой количество воздуха, текущего в двигатель, регулируется водителем, а величина расхода воздуха в свою очередь определяет количество топлива, подаваемое в двигатель. Таким образом, количество воздуха, текущего в двигатель, прямо определяет отдаваемую мощность двигателя. Это верно и для карбюраторных систем, и для систем с впрыскиванием топлива. Например, при типичной системе с впрыскиванием топлива используется расходомер воздуха для определения количества воздуха, текущего в двигатель. Топливо, которое должно впрыскиваться в двигатель, затем определяется, помимо прочего, по отношению к измеренному расходу воздуха.

Однако при недавних разработках в технологии двигателей внутреннего сгорания имеется тенденция расслаивать топливо-воздушную рабочую смесь в камере сгорания. Это особенно верно для некоторых двигателей с двухтактным циклом. Когда используется расслоенная загрузочная смесь, в камере сгорания будет избыток воздуха, который не участвует в процессе сгорания. Таким образом, полное количество воздуха, текущее в двигатель, вообще говоря, не является прямо связанным с отдаваемой мощностью двигателя. В таком случае желательно отделить расход топлива от расхода воздуха для двигателя таким образом, чтобы расходы воздуха и топлива могли регулироваться независимо. Один метод этого разделения известен как система "управления по проводам" (DBW [Dzive-By-Wire]) с регулировкой топлива двигателя.

В общепринятой системе DBW водитель не прямо регулирует воздух или топливо, а просто порождает сигнал (сигнал "запроса"), который указывает требования водителя (например, увеличение или уменьшение снимаемой с двигателя мощности). Этот сигнал запроса может затем обрабатываться "блоком электронного управления" (ECU), который регулирует расход воздуха и который в свою очередь определяет требования расхода топлива у двигателя. Путем включения функции регулировки топлива двигателя в общепринятую систему DBWECU регулируют расход топлива, который в свою очередь определяет требования расхода воздуха у двигателя. Хотя такая система удовлетворяет требуемую потребность в разделении, у нее есть определенные недостатки.

Из уровня техники известна система DBW с регулировкой топлива двигателя, или "гибридная" система DBW. В этой системе имеется прямая механическая связь с главным воздушным дросселем и с управляемым ECU перепускным каналом главного дросселя. Перепускной канал имеет такие пропорции, что он может подавать весь воздушный поток в двигатель при низких нагрузках и скоростях, но не может подавать весь поток воздуха, требующийся при высоких нагрузках и скоростях. Таким образом, размеры перепускного канала, который механически не связан с водителем, таковы, что если действительно происходит какое-нибудь отклонение от нормальной регулировки перепускного канала, то это не приводит двигатель к вхождению в область работы с высокой отдаваемой мощностью, что может быть опасным. Кроме того, помимо преимуществ в затратах и весе гибридная система дает также повышенную точность, так как разрешающая способность в функции регулировки увеличивается, когда воздействие производится только на часть полного участка расхода воздуха, и улучшенное регулирование вследствие низкой инерции движущихся частей из-за меньшего их размера.

При этой гибридной системе управляемый ECU перепускной канал может при работе двигателя в области низкой нагрузки полностью регулировать расход воздуха для двигателя. Когда требования нагрузки на двигатель возрастают, механически управляемый дроссель даст возможность некоторого потока воздуха для двигателя. Когда это происходит, перепускной канал может использоваться в качестве подстройки для обеспечения требуемой величины расхода воздуха для двигателя.

Таким образом, эта гибридная система DBW в идеальной ситуации может давать средства, с помощью которых можно независимо регулировать расход воздуха и топлива для двигателя. Однако, как будет оценено, количество регулировки воздуха, предоставляемое перепускным каналом, уменьшается, когда увеличивается открывание главного дросселя. Таким образом, если бы, например, с двигателем работали в области низкого атмосферного давления и/или он подвергался бы ограничению пути потока воздуха к двигателю (например, засоренный воздушный фильтр), масса воздушного потока к двигателю уменьшалась бы и перепускной канал был бы вынужден давать возможность дополнительного воздуха для двигателя. Однако, если условия низкого атмосферного давления и/или ограничения пути потока достаточно тяжелы, перепускной канал, даже когда он полностью открыт, будет недостаточен для подачи требуемой величины воздушного потока к двигателю. Подобное ограничение будет возникать, если с двигателем работают при ненормально высоких атмосферных давлениях, приводящих к тому, что масса воздуха, текущего в двигатель, слишком велика.

Эти ограничения в некоторых условиях работы двигателя могут приводить к соотношению компонентов топливо-воздушной смеси, которое нежелательно с точки зрения специальных рабочих требований двигателя, таких, как управление пропуском зажигания заряда сгорания из-за чрезмерно богатой или чрезмерно бедной смеси или риск перегрева катализатора или других факторов, особенно тех, которые связаны с регулированием выброса выхлопных газов.

Следовательно, задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить способ регулирования соотношения компонентов топливо-воздушной смеси заряда сгорания, подаваемого в двигатель внутреннего сгорания, для того чтобы гарантировать, что соотношение компонентов топливо-воздушной смеси заряда сгорания находится в предварительно заданных пределах для предотвращения создания вредных условий сгорания.

Поставленная задача решается тем, что способ регулирования массы воздуха и топлива, подаваемых в двигатель внутреннего сгорания на цилиндр за такт, содержит следующие этапы: - определение требуемого количества топлива за цикл для подачи в двигатель в ответ на условия работы двигателя; - задание подачи воздуха в двигатель для обеспечения требуемого соотношения компонентов топливо-воздушной смеси для определения количества топлива на цикл при указанных рабочих условиях; - определение действительной подачи воздуха в двигатель и регулировка количества топлива на цикл так, что действительное соотношение компонентов топливо-воздушной смеси находится в предварительно определенных пределах требуемого соотношения компонентов топливо-воздушной смеси.

Кроме того, требуемое количество воздуха на цикл могут определять в ответ на количество топлива на цикл и условия работы двигателя, причем расход воздуха для двигателя регулируют в ответ на определенное количество воздуха на цикл и определение, находится ли действительный расход воздуха для двигателя в заданных пределах требуемого расхода воздуха, и, если нет, то регулируют требуемое количество топлива на цикл в соответствии с действительным расходом воздуха; кроме того, способ осуществляют электронной системой управления двигателем, запрограммированной просмотровой картой, имеющей предварительно заданные соотношения компонентов топливо-воздушной смеси для данных условий скорости двигателя и нагрузки; предварительно определенные пределы требующегося соотношения компонентов топливо-воздушной смеси могут задавать для предотвращения конкретного нарушения нормальной работы двигателя; предварительно определенные пределы требуемого соотношения компонентов топливо-воздушной смеси могут задавать для того, чтобы избежать другого нарушения нормальной работы двигателя во всем рабочем диапазоне двигателя.

Способ может осуществляться при помощи специальной просмотровой карты для широко открытого дросселя; специальную просмотровую карту могут выбирать по входному сигналу, ответственному за широко открытый дроссель; подачу воздуха в двигатель для обеспечения требуемого соотношения компонентов топливо-воздушной смеси могут осуществлять подачей воздуха по перепускному каналу; требуемое соотношение компонентов топливо-воздушной смеси могут регулировать в соответствии с условием, выбранным из группы, состоящей из работы двигателя на большой высоте и засорения фильтра;
могут обеспечивать карту количества топлива на цикл, которую приспосабливают к перезаданию в ответ на продолжающиеся воспринимаемые изменения рабочих условий двигателя;
воспринимаемые значения соотношения компонентов топливно-воздушной смеси могут приспосабливаться по времени.

Предпочтительно, чтобы пределами соотношения компонентов топливо-воздушной смеси любых определенных условий работы двигателя было самое богатое соотношение компонентов топливо-воздушной смеси, допустимое для этих рабочих условий. Удобно, что в электронной системе управления двигателем обеспечивается просмотровая многомерная регулировочная характеристика с предварительно заданным соотношением компонентов топливо-воздушной смеси относительно скорости и нагрузки двигателя. Многомерная регулировочная характеристика может располагаться с предварительно заданным соотношением компонентов топливо-воздушной смеси, выбранным для предотвращения специального нарушения нормальной работы двигателя, такого, как различные аспекты, связанные с пропускном зажигания двигателя, с катализатором и/или выбросами.

Так как коррекция соотношения компонентов топливо-воздушной смеси может основываться на различных требованиях, которые упоминались выше, использование того же самого требования может не подходить для задания правильного соотношения компонентов топливо-воздушной смеси на всем рабочем диапазоне двигателя. Например, в зависимости от скорости двигателя количество топлива на цикл может достигать максимального значения при нагрузке ниже полной нагрузки, которая может требоваться от водителя. При таких условиях может оказаться очень желательным задать соотношение компонентов топливо-воздушной смеси так, чтобы сохранить хороший контроль за выбросами. Однако при требовании полной нагрузки от водителя более важным может быть достижение максимальной мощности так, что может допускаться более богатое соотношение компонентов топливо-воздушной смеси. Как еще один пример может быть выгодно задать соотношение компонентов топливно-воздушной смеси в соответствии с температурными требованиями катализатора.

Из изложенного выше следует дать специальную многомерную регулировочную характеристику для широко открываемого дросселя, причем эта многомерная регулировочная характеристика выбирается посредством входного сигнала, ответственного за работу широко открываемого дросселя. Сигнал может обеспечиваться датчиком, ответственным за требуемую водителем работу широко открываемого дросселя, такого, как датчик, управляемый дроссельной педалью, приводимой в действие водителем. Следует заметить, что во многих вариантах окружения двигателя контроль за выбросами при широко открываемом дросселе может быть менее строгим, и приемлемо более богатое соотношение компонентов топливо-воздушной смеси.

В двигателе, имеющем регулируемую главным дросселем подачу воздуха и подачу воздуха по перепускному каналу, такую, как указано вше, регулировка или коррекция соотношения компонентов топливо-воздушной смеси может достигаться работой подачи воздуха по перепускному каналу. Однако, когда степень регулировки находится за пределами пропускной способности подачи воздуха по перепускному каналу, коррекция соотношения компонентов топливно-воздушной смеси осуществляется регулировкой количества топлива на цикл. Это, конечно же, тоже будет верно для системы с регулировкой топлива двигателя, где даже работа с широко открытым дросселем не дает достаточного расхода воздуха при определенной потребности водителя, которая ниже требования полной нагрузки. Таким образом, там, где система управления двигателем содержит регулируемую ECU подачу воздуха по перепускному каналу, предпочитается, чтобы регулировка соотношения компонентов топливо-воздушной смеси путем регулировки количества топлива на цикл осуществлялась только в предварительно определенном диапазоне работы двигателя, являющемся диапазоном, в котором работа подачи воздуха по перепускному каналу ограничивала влияние на скорость полной подачи воздуха. Этот диапазон предпочтительно основывается на скорости подачи воздуха и может определяться уровнем подачи воздуха в двигатель посредством подачи воздуха по перепускному каналу и/или полной подачей воздуха (являющейся суммой подачи воздуха по перепускному каналу и главной подачей воздуха) или может получаться путем обнаружения, когда дроссель или подобной клапанный элемент подачи воздуха по перепускному каналу достигнет предварительно определенной степени открывания или закрывания, тем самым обеспечивая указание, находится ли или не находится перепускной клапан в диапазоне, где его влияние на подачу воздуха недостаточно.

Изобретение легче понять из описания практического применения изобретения для регулировки соотношения компонентов топливо-воздушной смеси двигателя. Следующее описание связано конкретно с регулировкой соотношения компонентов топливно-воздушной смеси для двигателя, работающего на двухтактном цикле, однако должно быть понятно, что изобретение равным образом применимо к двигателям с четырехтактным циклом.

На фиг. 1 дано графическое представление типичного требования относительно нагрузки для двигателя с двухтактным циклом; на фиг. 2 - график потребности в топливе относительно нагрузки; на фиг. 3 - схематическое представление схемы регулировки в соответствии с изобретением.

Ссылаясь на фиг. 1, можно заметить, что при возрастании нагрузки количество воздуха на цикл вначале остается по существе постоянным в диапазоне низких нагрузок, а затем возрастает с постоянно увеличивающейся скоростью, когда нагрузка двигателя меняется в диапазоне от средних до высоких. Пунктирные линии с обеих сторон от сплошной линии указывают диапазон изменения количества воздуха на цикл, который может получаться вторичной подачей воздуха или подачей воздуха по перепускному каналу, работающий в сочетании с нормальным дросселем. Следует заметить, что когда количество воздуха на цикл возрастает в диапазоне нагрузок от средних до высоких, степень регулировки, которую можно получить путем использования воздушного перепускного канала, все больше уменьшается.

Любую определенную нагрузку и дроссельное задание значительного изменения в количестве воздуха на цикл можно получить путем использования вторичной подачи воздуха, приводящей к соответствующему диапазону соотношений компонентов топливно-воздушной смеси.

На фиг. 3 схематически изображается метод работы системы управления двигателем для регулировки соотношения компонентов топливно-воздушной смеси таким образом, как обсуждалось выше. Часть схемы в пределах пунктирного контура состоит из части блока электронного управления, оперирующей системой управления двигателем, причем такая управляемая ECU система управления хорошо известна в технике, ECU принимает сигналы, указывающие скорость двигателя от датчика 10, и требование нагрузки двигателя от датчика 11, причем последнее указывается положением потенциометра, присоединенного к дроссельной педали, которой работает водитель. На основании этих сигналов регулировочная характеристика потребностей 12 производит сигнал, указывающий потребность двигателя в количестве топлива на цикл. Сигнал, указывающий потребность двигателя в количестве топлива на цикл, подается на карту 13 потребностей в воздухе, которая определяет потребность в количестве воздуха на цикл для этого определенного топлива на цикл, причем потребность имеет отношение к скорости двигателя. Датчик воздушной массы 14 измеряет действительное количество воздуха на цикл, подаваемое в двигатель, для текущего положения дроссельного клапана 15 и перепускного клапана 16, и, если потребность в количестве воздуха на цикл, которая указывается на карте 13 потребностей в воздухе, не соответствует действительному количеству воздуха на цикл, подаваемому в двигатель, приводится в действие воздушный перепускной клапан 16 для осуществления необходимой коррекции.

Сигналы потребности в количестве топлива на цикл и действительного количества воздуха на цикл также выдаются в качестве входных сигналов для устройства сравнения соотношения компонентов топливно-воздушной смеси 18, в котором действительное соотношение компонентов топливно-воздушной смеси, основанное на этих входных сигналах, сравнивается с проверенным соотношением компонентов топливно-воздушной смеси, которое предварительно задается на основе положения требования нагрузки двигателя и скорости двигателя. Проверенные соотношения компонентов топливно-воздушной смеси сохраняются на карте и при нормальных условиях будут находиться в диапазоне между максимальным и минимальным предварительно определенными пределами.

Если соотношение компонентов топливно-воздушной смеси, которое определяется по запросному количеству топлива на цикл и действительному количеству топлива на цикл, отличается от проверенного соотношения компонентов топливно-воздушной смеси больше, чем на допустимое количество, то для количества топлива на цикл, подаваемого в двигатель, будет делаться коррекция, так, что соотношение компонентов топливно-воздушной смеси будет находиться в пределах допустимого отклонения от проверенного соотношения компонентов топливно-воздушной смеси. В показанном примере проверенное соотношение компонентов топливно-воздушной смеси A/F censored задается на основе богатой смеси, и, следовательно, пока соотношение компонентов топливно-воздушной смеси, основанное на потребности в количестве топлива на цикл (FPC) и действительном расходе воздуха, (т.е. A/F Demand), больше, чем проверенное соотношение компонентов топливно-воздушной смеси, двигатель будет защищен от пропуска зажигания из-за чрезмерно богатого соотношения. Коррекция делается путем регулировки количества топлива на цикл, так как другие рабочие параметры двигателя, такие, как опережение зажигания, моменты впрыска топлива и продолжительность впрыска, обычно связаны с подаваемым количеством топлива на цикл, и, следовательно, будут также регулироваться в ответ на регулировку количества топлива на цикл для обеспечения правильных условий сгорания.

Карта может использоваться для определения проверенного соотношения компонентов топливно-воздушной смеси для потребности в количестве топлива на цикл и скорости двигателя, и будет предприниматься корректирующее действие, если входные сигналы указывают, что работа двигателя не находится в допустимых пределах проверенного соотношения компонентов топливно-воздушной смеси, и эти допустимые пределы могут быть в виде любого соотношения компонентов топливно-воздушной смеси выше установленного соотношения и/или любого соотношения компонентов топливно-воздушной смеси ниже установленного соотношения. Программа, которая осуществляет сравнение измеренного соотношения компонентов топливно-воздушный смеси с проверенным соотношением компонентов топливно-воздушной смеси на карте, предпочтительно устроена так, что между конкретными соотношениями компонентов топливно-воздушной смеси, записанными в регулировочной характеристике, можно проводить интерполяцию.

Желательно, что при определенных условиях работы двигателя может быть распространение на чрезмерную или недостаточную подачу воздуха в двигатель, такое, как при работе на большой высоте и/или из-за закупорок в подаче воздуха, таких, как грязный воздушный фильтр, и обсуждавшаяся выше система управления может быть приспособлена к регулировке для таких условий. Соответственно, если система управления обнаруживает, что необходимо непрерывно корректировать соотношение компонентов топливно-воздушной смеси в определенном направлении, а именно, увеличить или уменьшить соотношение, то после восприятия таких условий программа может организоваться для перезадания карты количества топлива на цикл, которая основывается на потребности в нагрузке двигателя и скорости двигателя так, что в действительности по карте считывается положение дроссельной педали, меньшее, чем действительное положение. Это состояние может обнаруживаться путем интегрирования ошибки в контроллере подачи воздуха по периоду времени. Практическое влияние этого состоит в том, что водитель нажимает педаль управления подачей топлива дальше, тем самым дальше открывая главный дроссель, но без запрашивания дополнительного топлива.

Проверенные значения соотношения компонентов топливно-воздушной смеси могут быть также способными приспосабливаться по времени так, что если воспринимается наличие ненормальных рабочих условий (например, датчиком-преобразователем давления камеры сгорания, способным обнаруживать пропуск зажигания из-за слишком богатого соотношения). ECU может распознавать это и изменять воспринимаемые значения соотношения компонентов топливно-воздушной смеси так, что дальнейшее осуществление этого снижается. Представляется также, что проверенные значения соотношения компонентов топливно-воздушной смеси могут во времени автоматически получать приращения либо в сторону увеличения, либо в сторону уменьшения (предпочтительно, используя долговременную постоянную) до тех пор, пока не будет установлено начало предварительно определенных условий эксплуатации, и в этот момент процесс придания дальнейших приращений задерживается. После подходящего периода времени этот процесс может повторяться.

Описание со ссылкой на чертежи применимо к двигателю, работающему на двухтактном цикле, и надо понимать, что, хотя изобретение особенно выгодно, когда применяется к таким двигателям, оно также применимо к двигателю с четырехтактным циклом.

Формула изобретения

1. Способ регулирования массы воздуха и топлива, подаваемых в двигатель внутреннего сгорания на цилиндр за такт, включающий в себя определение требуемого количества топлива за цикл для подачи в двигатель в ответ на условия работы двигателя и определение действительной подачи воздуха в двигатель, отличающийся тем, что он содержит следующие этапы: задание подачи воздуха в двигатель для обеспечения требуемого соотношения компонентов топливо-воздушной смеси для определения количества топлива на цикл при указанных рабочих условиях и регулировку количества топлива на цикл так, что действительное соотношение компонентов топливо-воздушной смеси находится в предварительно определенных пределах требуемого соотношения компонентов топливно-воздушной смеси.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что требуемое количество воздуха на цикл определяют в ответ на количество топлива на цикл и условия работы двигателя, причем расход воздуха для двигателя регулируют в ответ на определенное количество воздуха на цикл и определение, находится ли действительный расход воздуха в заданных пределах требуемого расхода воздуха, и если нет, то регулируют требуемое количество топлива на цикл.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что он осуществляется электронной системой управления двигателем, запрограммированной просмотровой картой, имеющей предварительно заданные соотношения компонентов топливно-воздушной смеси для данных условий скорости двигателя и нагрузки.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что предварительно определенные пределы требующегося соотношения компонентов топливно-воздушной смеси задаются для предотвращения конкретного нарушения нормальной работы двигателя.

5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что предварительно определенные пределы требуемого соотношения компонентов топливно-воздушной смеси задаются для того, чтобы избежать другого нарушения нормальной работы двигателя во всем рабочем диапазоне двигателя.

6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что он осуществляется при помощи специальной просмотровой карты для широко открытого дросселя.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что специальную просмотровую карту выбирают по входному сигналу, ответственному за широко открытый дроссель.

8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что подачу воздуха в двигатель для обеспечения требуемого соотношения компонентов топливно-воздушной смеси осуществляют подачей воздуха по перепускному каналу.

9. Способ по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что требуемое соотношение компонентов топливно-воздушной смеси регулируют в соответствии с условием, выбранным из группы, состоящей из работы двигателя на большой высоте и засорения фильтра.

10. Способ по любому из пп.1 - 9, отличающийся тем, что обеспечивают карту количества топлива на цикл, которую приспосабливают к перезаданию в ответ на продолжающиеся воспринимаемые изменения рабочих условий двигателя.

11. Способ по любому из пп.1 - 10, отличающийся тем, что воспринимаемые значения соотношения компонентов топливно-воздушной смеси являются способными приспосабливаться по времени.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3