Способ определения циклового массового наполнения воздухом рабочей камеры двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к способам определения массового расхода воздуха в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), в частности для определения циклового массового наполнения воздухом конкретной рабочей камеры ДВС, и может быть использовано в системах управления ДВС. Способ, по которому определяют набор газодинамических элементов, из которых состоит газовоздушный тракт двигателя внутреннего сгорания, затем из набора газодинамических элементов составляют имитационную модель газодинамического состояния ГВТ конкретного двигателя внутреннего сгорания, в которой двигатель рассматривают как систему взаимосвязанных газодинамических элементов, каждому из элементов модели присваивают конкретные газодинамические характеристики, полученные с помощью стендовых испытаний или численным экспериментом, полученную модель ДВС используют в системе управления ДВС. Техническим результатом является снижение токсичности отработавших газов за счет увеличения точности определения циклового наполнения рабочей камеры ДВС воздухом, обеспечение возможности более точного поддержания значения коэффициента избытка воздуха топливовоздушной смеси, соответствующего наиболее эффективному режиму работы каталитического нейтрализатора. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, а более конкретно к способам определения массового наполнения воздухом цилиндров (рабочих камер) двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в системах управления ДВС.

Эффективное снижение токсичности отработавших газов (ОГ) в ДВС с помощью трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов, необходимое для выполнения современных требований по токсичности отработавших газов для автомобилей, требует точного управления коэффициентом избытка воздуха α. Даже незначительные отклонения коэффициента избытка воздуха от стехиометрического соотношения приводят к значительному увеличению, по крайней мере, одного из нежелательных компонентов ОГ: углеводородов НС, оксида углерода СО или оксидов азота NOx. Диапазон, в котором эффективно работает трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, лежит в пределах α=0,995÷1,002 [Каменев В.Ф, Ефременков С.А. Способ управления двигателем, работающим на обедненных топливовоздушных смесях //Автомобильная промышленность.-1995. -N3. -С.13-15].

А для обеспечения точного управления коэффициентом избытка воздуха требуется точное измерение циклового массового наполнения воздухом рабочих камер ДВС. Причем, необходимо определять массовое наполнение воздухом отдельно для каждой рабочей камеры из-за неравномерного наполнения различных цилиндров воздухом, возникающих из-за различной геометрии впускных патрубков, геометрии впускных клапанов и т.п. в каждом рабочем цикле.

Есть два основных подхода, применяемых для определения расхода воздуха: использование чувствительного к потоку воздуха элемента (датчика), располагаемого во впускной системе ДВС для измерения расхода воздуха, и косвенная оценка расхода воздуха по различным измеряемым параметрам, характеризующим режим работы ДВС [Weeks R.W., J.J. Moskwa, Transient Air Flow Estimation in a Natural Gas Engine Using a Nonlinear Observer, SAE paper 940759, 1994].

К первому подходу относится применение разнообразных расходомеров объемного или массового расхода воздуха, использующих различные физические эффекты: термоанемометрические расходомеры, вихревые расходомеры, ультразвуковые расходомеры, расходомеры набегания и т.п.

Наибольшее применение в качестве расходомеров в системах управления ДВС (СУ ДВС) получили проволочные и пленочные термоанемометры с постоянной температурой, которые обеспечивают по сравнению с другими инструментальными методами измерения наиболее точное измерение расхода воздуха [Г.П. Покровский. Электроника в системах подачи топлива автомобильных двигателей. М.: Машиностроние. 1990.-176 с.].

Для косвенной оценки расхода воздуха в СУ ДВС наиболее массовое распространение получил так называемый "speed-density" метод, при котором расход воздуха вычисляется на основании измерений абсолютного давления и температуры во впускном трубопроводе, частоты вращения, и в некоторых случаях барометрического давления и температуры во впускном трубопроводе, с использованием хранящейся в памяти трехмерной матрицы зависимости коэффициента наполнения ДВС от абсолютного давления во впускном трубопроводе и оборотов двигателя, который определяется экспериментально при стендовых испытаниях двигателя на стационарных режимах работы.

Системы, использующие этот метод, несмотря на определенные недостатки, используются и в самых современных СУ ДВС ввиду их относительной простоты и высокой надежности. Существует очень большое число вариаций этого метода, в зависимости от количества учитываемых параметров, влияющего на точность определения расхода воздуха. Широко применяются и комбинации двух вышеперечисленных подходов.

Применение вышеописанных инструментальных методов определения массового расхода воздуха может приводить к значительным ошибкам в определении массы воздуха, попадающего в рабочие камеры ДВС.

Основными причинами возникновения этих ошибок являются: 1. Нестационарное волновое движение газа в газовоздушном тракте ДВС (ГВТ ДВС) приводит к тому, что мгновенный расход воздуха через различные сечения впускного трубопровода изменяется не только по амплитуде, но и изменяет знак (фиг.1).

2. Нестационарное течение газа в ГВТ ДВС имеет волновой характер и может привести к искажению сигналов с датчиков, расположенных в ГВТ ДВС, из-за взаимодействия волн различной интенсивности и направленности.

3. Датчик, устанавливаемый в различные сечения впускного трубопровода, покажет различные значения расхода в один и тот же момент времени, что обусловлено нестационарными газодинамическими процессами во впускной системе, а требуется определять значение расхода воздуха строго через сечение впускного клапана ДВС. Термоанемометрические расходомеры, например, как правило, устанавливаются в ГВТ ДВС между воздушным фильтром и дроссельной заслонкой.

4. Измерительный элемент датчик вносит возмущения в поток, что приводит к внесению искажений в результаты измерения.

5. Датчики расхода воздуха и системы измерения расхода воздуха в целом калибруются на стационарных режимах течения воздуха, что приводит к ошибкам в определении расхода в реальных условиях работы ДВС.

6. Рассчитанный или измеренный расход воздуха обычно усредняется по нескольким циклам, требуется же определение массового циклового расхода воздуха в каждом рабочем цикле. В системах, определяющих расход воздуха за один рабочий цикл, не учитывается тот факт, что должен определяться расход воздуха через впускные и выпускные сечения рабочих камер только с момента их открытия до момента закрытия.

Кроме того, все вышеописанные способы требуют наличия калибровочных данных, полученных при испытаниях двигателя (автомобиля). Это приводит к необходимости при изменении модели двигателя или даже небольшой модификации его конструкции повторной калибровки данных, используемых СУ ДВС, и тем самым проведения повторных испытаний.

Ошибки в определении массового циклового наполнения рабочей камеры ДВС воздухом приводят к снижению эффективности работы нейтрализатора, а следовательно, и к повышению токсичности ОГ (из-за невозможности поддержания СУ ДВС требуемого коэффициента воздуха в топливовоздушной смеси).

Устранить вышеописанные причины возникновения ошибок в определении расхода воздуха можно, используя в способе определения массового расхода воздуха газодинамические модели для прогнозирования и определения газодинамического состояния в ГВТ ДВС, которые описывают физическую сущность происходящих в ГВТ ДВС процессов.

Известен способ, использующий гидродинамическую модель, описывающую поведение впускной системы двигателя с целью точной оценки количества воздуха, поступающего в цилиндр [USA Patent N 4446523, G 06 F 15/20, опубл. 1984].

Известен также способ определения расхода воздуха через цилиндры ДВС с помощью использования модели наполнения и опорожнения впускного трубопровода [USA Patent N 5889205, G 01 M 15/00, опубл. 1999].

Известен также способ, использующий газодинамическую модель впускного трубопровода для точного определения порции воздуха, поступающего в цилиндр. Этот способ позволяет учесть влияние на расход воздуха системы рециркуляции ОГ, изменяемой конструкции впускной системы и системы изменения фаз газораспределения [USA Patent N 5974870, G 01 M 15/00, опубл. 1999].

Все вышеописанные способы используют слишком упрощенные модели, которые принципиально не могут точно определять расход воздуха на нестационарных режимах работы ДВС из-за неучета распределенного характера газодинамических волновых явлений в ГВТ. Кроме того, они требуют наличия калибровочных данных, полученных эмпирически. Это приводит к необходимости при изменении модели двигателя или модификации его конструкции повторной калибровки данных.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту является способ определения расхода воздуха через впускной трубопровод ДВС [USA patent 5714683, МПК⁶ G 01 М15/00, F 02 B 03/4, опубл. 1998], сущность которого заключается в том, что в конструкции ДВС выделяют такие пневматические элементы, как пневматические "сопротивления", пневматические "емкости" и пневматические "источники". С помощью модели пневматического состояния ДВС определяются значения давления и его изменения в определенных областях ДВС, по калибровочным данным, полученным заранее с помощью стендовых испытаний пневматических элементов, определяют массовые расходы воздуха через пневматические элементы. Затем определяют расход воздуха как функцию от значений давлений во впускном и выпускном трубопроводах, оборотов двигателя, производят коррекцию расхода по плотности. Давление, измеряемое во впускном трубопроводе, используется для коррекции значения давления во впускном трубопроводе, получаемого расчетным путем с помощью модели пневматического состояния ДВС.

Недостатками прототипа, приводящими к ошибкам в определении массового наполнения воздухом рабочей камеры ДВС, являются: 1. He учитывается нестационарный характер движения газа в ГВТ ДВС.

2. Для определения расходов через пневматические элементы используются значения расходов, полученные на стационарных режимах течения газа через эти элементы.

3. Используется датчик давления во впускном трубопроводе, который может выдавать значения, непропорциональные массовому расходу на нестационарных режимах работы двигателя.

4. Используемая модель пневматического состояния ДВС относится к классу моделей с сосредоточенными параметрами (lumped parameter models), что не позволяет учитывать распределенный характер газодинамических процессов в ГВТ ДВС.

5. Используемая в модели квазистационарная модель наполнения и опорожнения емкости приводит к нарушению закона сохранения энергии при применении ее к нестационарным процессам наполнения и опорожнения емкостей в ДВС [Рудой Б. П. Влияние на газообмен неустановившихся газодинамических процессов в газовоздушных трактах двигателей [дисс. на соиск. уч. степ. д-ра техн. наук. М.: МВТУ, 1981, 318 с.].

6. Не учитываются процессы в рабочей камере и их влияние на процесс газообмена.

Все вышеописанные недостатки, в основном, обусловлены тем, что в вышеописанном способе используется модель пневматического состояния ДВС, построенная на принципах стационарной гидравлики, а известно, что в процессе газообмена в ГВТ ДВС "возможны варианты, необъяснимые с точки зрения стационарной газодинамики, когда наполнение цилиндра улучшается при установке трубопровода и клапана меньшего диаметра" [Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Учебник. /Под. ред. А.С. Орлина, М. Г. Круглова. 4-е изд., -М., Машиностроение, 1983].

С помощью примененной в прототипе модели невозможно адекватно описать процессы, происходящие в "настроенных" системах впуска и выпуска ДВС, в которых для улучшения наполнения рабочей камеры ДВС и улучшения очистки ее от ОГ, используются нестационарные волновые газодинамические процессы в ГВТ ДВС.

Ошибки в определении циклового массового наполнения воздухом рабочей камеры ДВС приводят к невозможности точного управления коэффициентом избытка воздуха α, что в свою очередь приводит к неудовлетворительной работе каталитического нейтрализатора ОГ по снижению токсичности ОГ.

Кроме того, данный способ требует больших предварительных расходов по получению пневматических характеристик всех пневматических элементов на специальных испытательных стендах и требует повторной калибровки характеристик отдельных элементов или двигателя в целом при изменениях его в конструкции.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение токсичности отработавших газов за счет увеличения точности определения циклового массового наполнения воздухом рабочей камеры ДВС и тем самым обеспечения возможности более точного поддержания значения коэффициента избытка воздуха α, соответствующего наиболее эффективному режиму работы трехкомпонентного каталитического нейтрализатора.

Поставленная задача достигается тем, что в соответствии с заявляемым способом, по которому сначала определяют набор газодинамических элементов, из которых состоит газовоздушный тракт двигателя внутреннего сгорания: газодинамические сопротивления, емкости, источники, затем из набора моделей газодинамических элементов составляют имитационную модель газодинамического состояния ГВТ конкретного двигателя внутреннего сгорания, в которой двигатель рассматривают как систему взаимосвязанных газодинамических элементов, каждому из элементов модели присваивают конкретные газодинамические характеристики, которые получают с помощью стендовых испытаний, после чего с помощью датчиков определяют условия окружающей среды для двигателя внутреннего сгорания, затем с помощью датчиков определяют параметры работы двигателя: обороты двигателя, положение управляющего органа, далее по модели газодинамического состояния определяют давления и массовые расходы газа во всех элементах газовоздушного тракта двигателя внутреннего сгорания, после чего по функции расхода воздуха от вышеуказанных параметров, получаемой из вышеуказанной модели, рассчитывают массовый расход воздуха через впускной клапан двигателя внутреннего сгорания, далее интегрированием по времени массового расхода воздуха через впускной клапан получают цикловое массовое наполнение воздухом рабочей камеры двигателя внутреннего сгорания, в отличие от прототипа, в набор моделей элементов, из которых составляют модель двигателя внутреннего сгорания, включают газодинамический элемент "трубка", математическая модель которого учитывает нестационарные (волновые) газодинамические процессы в газовоздушном тракте двигателя внутреннего сгорания, кроме того, в набор моделей элементов, из которых составляют модель двигателя внутреннего сгорания, включают элемент "емкость со сгоранием" для расчета процессов сгорания и газообмена в рабочей камере двигателя внутреннего сгорания, при этом во впускном и выпускном трубопроводах измеряют давления в определенных сечениях для проверки результатов расчета газодинамического состояния двигателя внутреннего сгорания, и с помощью датчика температуры определяют температурное состояние двигателя.

Кроме того, в отличие от прототипа, в заявляемом способе газодинамические характеристики элементов модели получают численным экспериментом.

Кроме того, в отличие от прототипа, в заявляемом способе для ускорения расчета гидрогазодинамической модели используют параллельные вычислительные системы.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, достигается за счет устранения основных ошибок в определении циклового массового наполнения воздухом рабочей камеры ДВС, что обеспечивается тем, что: 1. В модели газодинамического состояния двигателя учитывается нестационарное волновое движение газа в ГВТ ДВС.

2. В расчете не используются значения с датчиков давления или расхода, находящихся в ГВТ ДВС, которые могут нести недостоверную информацию, так как нестационарное течение газа в ГВТ ДВС имеет волновой характер и может привести к искажению сигнала датчика из-за взаимодействия волн различной интенсивности и направленности. Значения с датчиков могут использоваться только для косвенной проверки результатов расчета.

3. Зависимости расходов через газодинамические элементы от газодинамических параметров на элементе получают не при калибровке на стационарных режимах с помощью натурного эксперимента, а с помощью численного эксперимента, что существенно снижает затраты на реализацию СУ ДВС, так как исключает очень трудоемкий этап снятия различных калибровочных характеристик двигателя и его элементов и значительно повышает точность калибровочных характеристик при работе ДВС на нестационарном режиме.

Существо изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показаны значения мгновенного массового расхода воздуха через сечение впускного клапана рабочей камеры ДВС и сечение, находящееся за 10 см до впускного, на нестационарном режиме работы На фиг. 2 представлена блок-схема устройства (системы управления ДВС), позволяющего реализовать предложенный способ.

На фиг.3 показана имитационная модель ГВТ типичного четырехтактного ДВС, полученная из набора типовых газодинамических элементов.

На фиг. 4 показана последовательность определения газодинамического состояния типичного четырехтактного ДВС с помощью модели.

На фиг. 5 показана последовательность определения газодинамического состояния ГВТ типичного четырехтактного ДВС с помощью модели с применением параллельной вычислительной системы.

Пример конкретной реализации способа: На фиг. 2 приведена структурная блок-схема типичного ДВС с искровым зажиганием и его системы управления в соответствии с настоящим изобретением.

Условия окружающей среды для ДВС 1 и параметры его работы измеряются с помощью датчиков 2, включая барометрическое давление, температуру на впуске в ГВТ (температуру окружающей среды), обороты двигателя (угол поворота коленчатого вала (ПКВ)), позицию дроссельной заслонки, абсолютное давление во впускном и выпускном трубопроводах, температуру охлаждающей жидкости. Эти сигналы с датчиков специальным образом используются в блоке управления (БУ) двигателем 8, который выполняет такие хорошо известные функции, как управление подачей топлива и управление системой зажигания, регулирование холостого хода (XX) двигателя и т.п. (набор этих функций может расширяться в зависимости от конкретного ДВС). БУ двигателем 8 может выполнять также различные диагностические процедуры в зависимости от различных режимов и значений с вышеуказанных датчиков. БУ двигателем 8 выдает набор управляющих сигналов на исполнительные устройства 3 (форсунки, электронная дроссельная заслонка, клапан управления холостым ходом, клапан управления системой рециркуляции ОГ и т. п. ) для выполнения желаемых функций управления над двигателем 1. Блок управления 8 является типичным компьютерным контроллером, используемым в автомобильной промышленности и включающим в себя вычислительный блок 9, состоящий из микропроцессора (МП) 10 или набора параллельно работающих идентичных МП, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 12, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 11 и блока ввода-вывода 4, состоящего из блока преобразования уровней сигналов 6, выполняющего функции преобразования уровней сигналов с датчиков, фильтрации и т.п., и блоков аналого-цифрового преобразования (АЦП) 5 и цифроаналогового преобразования (ЦАП) 7 и выдачи управляющих воздействий на исполнительные устройства 3.

В заявляемом способе ДВС рассматривается как дискретная физическая система, состоящая из элементов, в качестве которых выступают какие-либо функциональные конструктивные подсистемы и узлы. В частности, газовоздушный тракт ДВС рассматривается как набор таких типовых конструктивных элементов, как впускные и выпускные органы (клапана, окна), рабочая камера, ресиверы, трубопроводы и т.д., для каждого из которых создаются математические модели, описывающие состояние газа в пределах каждого элемента. Комбинацией моделей этих элементов создается имитационная математическая модель практически любого ДВС. Каждая из математических моделей представляется отдельным программным модулем, что позволяет легко изменять модель ДВС, добавляя или удаляя необходимые элементы.

В соответствии с заявляемым способом, определяется базовый набор моделей элементов для расчета ГВТ ДВС, включающий, например, в себя следующие программные модули моделей газодинамических элементов [Система имитационного моделирования "Альбея", УГАТУ, Уфа, 1995, 112 с.]: - модуль ЕМКОСТЬ, имеющий несколько подтипов: 1. РЕСИВЕР - имитирующий процессы, происходящие в емкостях постоянного объема, такие как: наполнение и опорожнение емкостей типа ресивер, воздушный фильтр, глушитель и т.п.

2. АТМОСФЕРА - имитирующий газовоздушную среду - атмосферу, в которой работает двигатель (моделируется поведение ресивера бесконечно большого объема).

- Модуль ЕМКОСТЬ СО СГОРАНИЕМ (РАБОЧАЯ КАМЕРА), имитирующий работу цилиндрово-поршневой группы одной рабочей камеры, модуль ЕМКОСТЬ СО СГОРАНИЕМ предназначен для расчета процессов в рабочей камере отдельного цилиндра двигателя, проходящих за полный рабочий цикл с учетом теплообмена со стенками рабочей камеры: а) сжатие свежего заряда; б) сгорание топлива с учетом процессов диссоциации;
в) расширение продуктов сгорания;
г) смена заряда при открытых окнах, клапанах (выпуск, продувка, впуск).

- Модуль ТРУБКА, имитирующий нестационарное течение газа в гладком (без геометрических разрывов) трубопроводе постоянного или переменного сечения с учетом трения и теплообмена.

- Модуль МЕСТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, имеющий несколько подтипов:
1. ТРОЙНИК, имитирующий нестационарное течение газа на разветвлении трех трубопроводов.

2. ДИАФРАГМА, имитирующая расчет нестационарного течения газа через местное сопротивление в трубопроводе типа диафрагмы, карбюратора, дросселя, заслонки, скачка сечения на стыке двух трубопроводов или подобных перечисленным.

3. ОКНО, имитирующий течение газа через окно постоянной или переменной площади, находящееся между двумя емкостями
4. КЛАПАН, имитирующий нестационарное течение газа через клапан (окно) постоянной или переменной площади, находящийся на границе какой-либо емкости и трубопровода, либо на границе трубопровода и атмосферы (или иной окружающей среды).

На фиг. 3 показана структурная схема имитационной модели ГВТ 4-тактного 4-цилиндрового двигателя, составленная из вышеперечисленных моделей элементов ГВТ ДВС.

Полученная модель, представляющая собой набор программных модулей, образующих в совокупности имитационную математическую модель ДВС, записывается в ПЗУ 12 блока вычислений 9, причем в каждую из моделей газодинамических элементов заносятся конкретные конструктивные размеры элемента и его газодинамические характеристики.

Подобная гибкая структура построения имитационной модели позволяет легко расширять ее новыми моделями элементов конструкции ДВС (например, моделями турбокомпрессора, системы рециркуляции ОГ, исполнительных и управляющих устройств и т.п.), позволяя применить заявляемый способ практически на любом виде ДВС.

Вышеперечисленный набор элементов для сборки модели ГВТ ДВС построен из нижеследующих соображений.

В общем случае, ГВТ ДВС может быть разбит на участки, течение в которых описывается системой уравнений газовой динамики в одномерной постановке, и на участки, в которых течение имеет существенно неодномерный характер или характеризуется значительными градиентами параметров. Таким образом, математическая модель движения газа в конкретном ГВТ двигателя должна включать в качестве основных элементов математические модели движения газа на гладких участках ГВТ и математические модели движения газа на "разрывах" [Рудой Б.П. Влияние на газообмен неустановившихся газодинамических процессов в газовоздушных трактах двигателей /дисс. на соиск. уч. стен. д-ра техн. наук. М.: МВТУ, 1981, 318 с.]. Существующие математические модели позволяют при равных затратах получать результаты, по точности не уступающие результатам натурных экспериментов.

С целью обеспечения наилучшей эффективности модели ДВС с точки зрения точности расчета и его трудоемкости, имитационная математическая модель ДВС представляет собой совокупность моделей различной размерности. Для расчета газодинамических процессов в ГВТ используются одномерные модели, для расчета процесса сгорания и теплообмена - нульмерные.

Нестационарные газодинамические процессы в ГВТ ДВС рассчитываются в одномерном приближении по моделям, учитывающим теплообмен и трение по известным стационарным зависимостям, и гидравлические потери на местных сопротивлениях, определенные натурным или численным экспериментом.

Для численного расчета течений на участках плавного изменения геометрии трубопроводов может, например, использоваться сеточно-разностная схема (консервативная монотонная схема типа Годунова повышенной точности) для одномерных уравнений гидродинамики, учитывающая теплообмен и трение по известным стационарным зависимостям, полученная аппроксимацией системы уравнений, выражающей законы сохранения в квазиодномерном приближении для нестационарного течения в канале с постоянной площадью сечения с учетом локальных моделей процессов трения и теплообмена со стенкой:


где τ_w - касательное напряжение на стенке; q_w - плотность теплового потока на стенке; П - периметр сечения; F - площадь сечения.

Для расчета течения в местах сопряжения гладких участков трубопровода вводится модель местного сопротивления (МС), которая математически представляет собой гидродинамический разрыв особого рода.

Гидравлические характеристики (коэффициенты гидравлических потерь) МС определяются заранее с помощью численного моделирования, в которых производится расчет пространственного течения в окрестности МС с применением трехмерных уравнений Эйлера [Черноусов А.А. Определение гидравлических характеристик местных сопротивлений в газовоздушных трактах ДВС вычислительным экспериментом: Автореф. дис. канд. техн. наук. -Уфа, 1998. - 22 с.] или могут быть получены на испытательных стендах.

Для расчета процессов в рабочей камере ДВС, например, может быть использована методика, изложенная в [Расчет характеристик двигателя внутреннего сгорания. Рудой Б.П., Галиев Р.А. и др.. Уч. пособие. Уфа: УАИ, 1986, 107 с. ].

По этой методике модель процессов в рабочей камере цилиндра ДВС должна учитывать изменение показателя адиабаты в зависимости от температуры и состава рабочего тела, диссоциацию газов и теплообмен газов со стенками цилиндра. В основу моделирования процесса горения положена модель горения Вибе [Вибе. И.И. Новое о рабочем цикле двигателей - М.: Машиностроение,1962, 272 с.]. Расчет параметров горения производится по опорному режиму, который определяется тремя параметрами: началом сгорания, продолжительностью сгорания и параметром формы, определяющим развитие процесса сгорания по времени. Расчет рабочего цикла производится с учетом закона скорости выгорания и угла опережения воспламенения.

Перед записью модели ДВС в ПЗУ контроллера системы управления, в модель заносятся все размеры ГВТ, законы изменения площадей всех окон и клапанов, объемов камер и их окон и их гидравлические характеристики.

Для расчета используется метод непрерывного имитационного моделирования процессов в ДВС. Расчет ведется с временным шагом Δt, соответствующим определенному шагу угла ПКВА Δϕ, который остается неизменным на всем протяжении расчета. На каждом шаге модельного времени последовательно друг за другом рассчитываются модели всех элементов.

На фиг.4 показана последовательность расчета имитационной модели, изображенной на фиг.3, для определения текущего газодинамического состояния ДВС.

Расчет проходит следующим образом:
1. Определяют условия окружающей среды для ДВС: барометрическое давление, температуру на впуске.

2. Определяют текущие параметры работы двигателя: обороты двигателя (угол ПКВ), позицию дроссельной заслонки, абсолютное давление во впускном и выпускном трубопроводах, температуру охлаждающей жидкости.

3. Определяют текущую геометрию ГВТ ДВС, учитывая положение клапанов, дроссельной заслонки, поршня и т.п., соответствующую текущему углу ПКВ.

4. Учитывая текущую геометрию ГВТ, определяют гидравлические характеристики МЕСТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ (МС), к которым относятся:
- ОКНА
- ДИАФРАГМЫ
- КЛАПАНА
- ТРОЙНИКИ
5. Полученные гидравлические характеристики МС используются для расчета течения газа по трубопроводам и расчета изменений параметров газа в емкостях.

6. Последовательно производят расчет по моделям элементов ГВТ, получая в результате газодинамическое состояние в элементах ГВТ на данный угол ПКВ.

7. Определяют из результатов расчета значения циклового массового наполнения воздухом цилиндра ДВС и других величин, необходимых для выполнения функций СУ ДВС.

Данная последовательность действий периодически повторяется с приращением угла ПКВ на некоторую малую величину (1-3 град.).

Для снижения требований по быстродействию к МП 10 возможно использование параллельно работающих МП в блоке 9. В таком случае последовательность расчета распределяется (распараллеливается) между МП. Модульная архитектура модели ДВС позволяет рассчитывать каждый из элементов модели на отдельном процессоре. На фиг.5 представлен пример распараллеливания расчета модели ДВС (фиг.3) на четырех параллельно работающих процессорах.

Итак, заявляемое изобретение позволяет снизить токсичность отработавших газов за счет увеличения точности определения циклового наполнения рабочей камеры ДВС воздухом и тем самым обеспечения возможности более точного поддержания значения коэффициента избытка воздуха топливовоздушной смеси, соответствующего наиболее эффективному режиму работы каталитического нейтрализатора.

Формула изобретения

1. Способ определения циклового массового наполнения воздухом рабочей камеры двигателя внутреннего сгорания, по которому сначала определяют набор газодинамических элементов, из которых состоит газовоздушный тракт двигателя внутреннего сгорания: газодинамические сопротивления, емкости, источники, затем из набора моделей газодинамических элементов составляют имитационную модель газодинамического состояния ГВТ конкретного двигателя внутреннего сгорания, в которой двигатель рассматривают как систему взаимосвязанных газодинамических элементов, каждому из элементов модели присваивают конкретные газодинамические характеристики, которые получают с помощью стендовых испытаний, после чего с помощью датчиков определяют условия окружающей среды для двигателя внутреннего сгорания, затем с помощью датчиков определяют параметры работы двигателя: обороты двигателя, положение управляющего органа, далее по модели газодинамического состояния определяют давления и массовые расходы газа во всех элементах газовоздушного тракта двигателя внутреннего сгорания, после чего по функции расхода воздуха от вышеуказанных параметров, получаемой из вышеуказанной модели, рассчитывают массовый расход воздуха через впускной клапан двигателя внутреннего сгорания, далее интегрированием по времени массового расхода воздуха через впускной клапан получают цикловое массовое наполнение воздухом рабочей камеры двигателя внутреннего сгорания, отличающийся тем, что в набор моделей элементов, из которых составляют модель двигателя внутреннего сгорания, включают газодинамический элемент "трубка", математическая модель которого учитывает нестационарные (волновые) газодинамические процессы в газовоздушном тракте двигателя внутреннего сгорания, кроме того, в набор моделей элементов, из которых составляют модель двигателя внутреннего сгорания, включают элемент "емкость со сгоранием" для расчета процессов сгорания и газообмена в рабочей камере двигателя внутреннего сгорания, при этом во впускном и выпускном трубопроводах измеряют давления в определенных сечениях для проверки результатов расчета газодинамического состояния двигателя внутреннего сгорания, и с помощью датчика температуры определяют температурное состояние двигателя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газодинамические характеристики элементов моделей получают численным экспериментом.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что для ускорения расчета гидрогазодинамической модели используют параллельные вычислительные системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5