способ управления двигателем внутреннего сгорания, работающим на основном и альтернативном топливе, и система управления, реализующая этот способ

Формула изобретения

1. Способ управления двигателем внутреннего сгорания, работающим на основном и альтернативном топливе, включающий измерение параметров режимов работы двигателя с помощью множества датчиков, передачу сигналов датчиков в микропроцессорный контроллер (управляющий модуль), формирование на их основе сигналов управления расходом топлива, селектирование (выбор) сигналов управления в зависимости от вида топлива, подачу сигналов управления на исполнительный орган дозирования соответствующего топлива в двигатель, отличающийся тем, что формирование сигналов управления расходом основного и альтернативного топлива производят в одном микропроцессорном контроллере автономно для каждого вида топлива, при этом сигналы управления селектируют и подают либо на основной, либо на альтернативный исполнительный орган в зависимости от сигнала вида топлива.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в микропроцессорном контроллере дополнительно формируют сигналы управления подсистемой зажигания или другими исполнительными органами управления режимами работы двигателя.

3. Система управления двигателем внутреннего сгорания, работающим на основном и альтернативном топливе, содержащая датчики измеряемых параметров режимов работы двигателя, микропроцессорный контроллер, входные порты которого подключены к выходам датчиков, а выходные - к входам селектора сигналов управления, орган переключения режимов работы двигателя на основном или альтернативном топливе, источники основного и альтернативного топлива, исполнительные органы дозирования основного и альтернативного топлива, связанные топливными магистралями с соответствующими источниками топлива и впускными каналами двигателя, первые (основные) выходы селектора подключены к управляющим входам исполнительного органа дозирования основного топлива, отличающаяся тем, что микропроцессорный контроллер содержит запоминающее устройство общих программ, независимых от вида топлива, запоминающее устройство частных программ для основного вида топлива и запоминающее устройство частных программ для альтернативного вида топлива, при этом контроллер имеет управляющие входы, связанные с выходами органа переключения режимов работы двигателя, вторые выходы селектора сигналов управления подключены непосредственно к управляющим входам исполнительного органа дозирования альтернативного топлива, при этом управляющие входы селектора сигналов управления связаны с дополнительными выходами контроллера иди дополнительными выходами органа переключения режимов работы двигателя.

4. Система управления по п.3, отличающаяся тем, что контроллер имеет дополнительные выходные порты, связанные с управляющими входами подсистемы зажигания или других исполнительных органов управления режимами работы двигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автомобилестроению, а именно к электронным системам управления двухтопливными двигателями внутреннего сгорания.

Ниже описаны известные аналоги 1 ... 6, относящиеся к данной области.

1. Известен способ управления для дозирования топлива в двухтопливном двигателе внутреннего сгорания, включающий выработку сигналов при работе на бензине в первом и втором блоках управления, при этом сигналы первого блока управления управляют работой двигателя, а во втором блоке управляющие сигналы первого блока записываются. При работе на газе второй блок в ответ на сигналы первого блока управления вырабатывает управляющие дозированием топлива сигналы, но они регулируются таким образом, чтобы сигналы, вырабатываемые в это время вторым блоком, находились внутри заданного рабочего диапазона сигналов управления, записанных во время работы на бензине [1. Заявка WO 95/08706, М.кл. F 02 D 19/06; публ. 30.03.95].

Недостатками такого способа являются: а) аппаратное усложнение системы управления, реализующей данный способ, за счет использования двух блоков управления, являющихся аппаратно сложными устройствами; б) сложность оптимизации настроек такой системы при работе двигателя на газе, т.к. базовые настройки системы при работе на бензине при ее испытаниях и калибровке могут многократно уточняться, что требует последующих уточнений настроек системы при работе на газе.

2. Известен способ управления подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания путем впрыскивания первого или второго топлива через одни и те же форсунки, включающий определение характеристик временной диаграммы впрыскивания первого топлива и ее преобразование во временную диаграмму впрыскивания второго топлива в зависимости от энергетических характеристик и давления второго топлива. При этом определяют максимальную разность между временными диаграммами впрыскивания для первого и второго топлива и запуск импульса впрыскивания для второго топлива после истечения времени не меньше, чем эта максимальная разность, с момента начала импульса впрыскивания для первого топлива [2. Заявка WO 92/08888, М. кл. F 02 D 19/06, публ. 29.05.92].

Недостатком этого способа управления является также сложность оптимизации настроек системы управления при ее испытаниях и калибровке (как для предыдущего аналога 1), а также усложнение конструкции форсунок, к которым предъявляются дополнительные требования по способности работать на двух видах топлива (что затрудняет их конструктивную оптимизацию).

3. Известна система подачи различных топлив в работающий по циклу Отто двигатель, имеющую электронную систему управления, которая содержит баллон с сжиженным газом под давлением и насосный узел, подающий газ к топливной форсунке, которая используется также для впрыскивания бензина. Система содержит электронный блок, вырабатывающий сигналы управления форсункой и свечами зажигания, соединенный с усилителем, который изменяет эти сигналы в зависимости от подаваемого топлива, конфигурация которого изменяется переключателем [3. Патент ЕПВ N 0323413, М.кл. F 02 D 19/08, 41/00, публ. 05.07.89 г. ].

Недостатки этой системы - такие же, как для аналога 2, а также аппаратное усложнение системы за счет дополнительного усилителя (тождественного второму блоку управления, как для аналога 1).

4. Известна система управления двигателем внутреннего сгорания, состоящая из системы подачи бензина, включающей множество бензиновых форсунок, каждая из которых подключена к одному из цилиндров двигателя, и электронного блока для управления форсунками по сигналам, характеризующим параметры двигателя, и для управления зажиганием в различных цилиндрах двигателя по сигналам, характеризующим угловое положение вала двигателя (здесь не исключается коррекция угла опережения зажигания по сигналам второго блока, характеризующим параметры работы двигателя), а также множество газовых форсунок, подсоединенных к разным цилиндрам двигателя, и дополнительный электронный блок управления для выбора режима работы на бензине, газе или смешанном топливе, управляющий форсунками по сигналам, характеризующим параметры работы двигателя, и преобразующий (изменяющий) сигнал углового положения вала, который должен быть передан в основной электронный блок управления при работе на газе [4. Заявка WO 95/34752, М. кл. F 02 D 19/06, публ. 21.12.95].

Недостатками указанной системы являются ее аппаратное усложнение из-за наличия двух блоков управления, а также дополнительная сложность испытаний и калибровки такой системы, как для аналога 1.

5. Известна система для впрыскивания двух топлив в двигатель внутреннего сгорания, включающая одну систему подвода топлива, подающую либо первое, либо второе топливо, и по крайней мере одну форсунку для обоих топлив, первый блок управления, воздействующий на параметры двигателя и параметры запросов для первого топлива и определения временной диаграммы впрыскивания первого топлива, и второй блок управления для преобразования временной диаграммы впрыскивания первого топлива во временную диаграмму впрыскивания второго топлива в зависимости от энергетических характеристик второго топлива. Учитываемыми характеристиками при этом могут быть давление и фактический состав второго топлива. При этом если рабочее давление второго топлива выше, чем первого, то на топливной магистрали на впускном отверстии второго топлива и выпускном отверстии первого топлива установлены соленоидные клапаны, а на впускном отверстии первого топлива и выпускном отверстии второго топлива установлены обратные клапаны [5. Заявка WO 92/08888, М. кл. F 02 D 19/06, публ. 29.05.92 г.].

Недостатками этой системы являются: а) использование одних и тех же форсунок для впрыскивания двух видов топлива, что не позволяет оптимизировать конструкцию форсунок, как для аналога 2; б) наличие дополнительных усложняющих систему клапанов; в) наличие второго блока управления, который также существенно усложняет систему, а также затрудняет преобразование одной временной диаграммы впрыскивания топлива во вторую, если вторая должна опережать во времени первую, что не дает возможности оптимизировать режимы работы двигателя.

6. Ближайшим аналогом к заявляемому способу, выбранному за прототип, является способ подачи альтернативных топлив в двигатель, включающий измерение выбранных параметров режимов работы двигателя и передачу соответствующих сигналов измерительных датчиков в первый управляющий модуль, выработку в этом модуле первого управляющего сигнала, предназначенного для управления первым топливным клапаном, подсоединенным к источнику первого топлива, и передачу этого сигнала во второй управляющий модуль, где обеспечивается преобразование этого сигнала во второй управляющий сигнал, предназначенный для управления вторым топливным клапаном, подключенным к источнику альтернативного топлива, и выбор одного из двух управляющих сигналов в зависимости от сигнала вида топлива и передачу его на соответствующий топливный клапан.

Ближайшим аналогом к заявляемой системе, выбранной за прототип, является система, в которой реализован описанный выше способ.

Система управления двигателем содержит множество датчиков измеряемых параметров двигателя, первый управляющий модуль для приема вышеупомянутых сигналов датчиков и формирования первого управляющего сигнала, соответствующего вышеупомянутым сигналам, второй управляющий модуль для приема первого управляющего сигнала, преобразования его во второй управляющий сигнал в соответствии с вышеупомянутым первым, первый топливный клапан, соединенный с источником первого топлива, второй топливный клапан, соединенный с источником второго топлива, и селектор для избирательной подачи одного из двух управляющих сигналов на соответствующий топливный клапан в зависимости от сигнала вида топлива [6. Патент ЕПВ N 0557539, М.кл. F 02 D 19/06, публ. 01.09.93г.].

Основными недостатками способа и системы, выбранных за прототип, являются: а) аппаратное усложнение системы за счет использования двух управляющих модулей (блоков), что приводит к удорожанию системы и снижению ее надежности; б) сложность оптимизации настроек системы при работе на альтернативном топливе (как для аналога 1); в) снижение точности системы при работе на альтернативном топливе, так как к основным погрешностям настроек системы для основного топлива добавляются дополнительные погрешности корректировки этих настроек для альтернативного топлива.

Настоящее изобретение решает следующие задачи: а) упрощение способа управления двигателем и аппаратное упрощение системы управления по сравнению с прототипом (за счет исключения второго управляющего модуля); б) повышение точности оптимизации надстроек системы управления при работе на альтернативном топливе (например, точности поддержания соотношения топливо/воздух и угла опережения зажигания) за счет введения автономных программ управления и настроек системы при работе на основном и альтернативном топливе, реализуемых в микропроцессорном контроллере на базе автономных запоминающих устройств для каждого вида топлива (или в виде автономных зон одного запоминающего устройства); в) расширение функциональных возможностей способа управления двигателем и системы управления за счет введения в микропроцессорный контроллер дополнительных функций управления на основе сигналов того же набора датчиков (например, управление зажиганием топливо-воздушной смеси), что обеспечивает аппаратную минимизацию системы управления в целом (реализацию дополнительных необходимых для двигателя функций без введения дополнительных элементов системы, например, дополнительного контроллера в подсистеме зажигания).

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе управления двигателем внутреннего сгорания, работающим на основном и альтернативном топливе, включающем: измерение параметров режимов работы двигателя с помощью множества датчиков; передачу сигналов датчиков в микропроцессорный контроллер (управляющий модуль); формирование на их основе сигналов управления расходом топлива; селектирование (выбор) сигналов управления в зависимости от сигналов вида топлива; подачу сигналов управления на исполнительные органы дозирования соответствующего топлива в двигатель; введены следующие отличия: формирование сигналов управления расходом основного и альтернативного топлива производят в одном микропроцессорном контроллере автономно для каждого вида топлива (по автономным программам); при этом сигналы управления селектируют и подают либо на основной, либо на альтернативный исполнительный орган в зависимости от сигнала вида топлива; в микропроцессорном контроллере дополнительно формируют сигналы управления подсистемой зажигания или другими исполнительными органами управления режимами работы двигателя.

При этом в систему управления двигателем внутреннего сгорания, реализующую этот способ, содержащую: датчики измеряемых параметров режимов работы двигателя, микропроцессорный контроллер, входные порты которого подключены к выходам датчиков, а выходные - к входам селектора сигналов управления, орган переключения режимов работы двигателя на основном или альтернативном топливе, источники основного и альтернативного топлива, исполнительные органы дозирования основного и альтернативного топлива, связанные топливными магистралями с соответствующими источниками топлива и впускными каналами двигателя, первые (основные) выходы селектора подключены к управляющим выходам исполнительного органа дозирования основного топлива, введены следующие отличия (изменения): микропроцессорный контроллер содержит запоминающее устройство общих программ, независимых от вида топлива, запоминающее устройство частных программ для основного вида топлива и запоминающее устройство частных программ для альтернативного вида топлива, при этом контроллер имеет дополнительные входы, связанные с выходами органа переключения режимов работы двигателя, вторые (альтернативные) выходы селектора сигналов управления подключены непосредственно к управляющим входам исполнительного органа дозирования альтернативного топлива, при этом управляющие входы селектора сигналов управления связаны с дополнительными выходами контроллера или дополнительными выходами органа переключения режимов работы двигателя, микропроцессорный контроллер имеет дополнительные выходные порты, связанные с управляющими входами подсистемы зажигания или других исполнительных органов управления режимами работы двигателя.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленных способа и системы управления, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленных объектов, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники и не выявлена известность влияния существенных признаков на достижение указанного технического результата. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

В настоящей заявке на выдачу патента соблюдено требование единства изобретения, поскольку заявленная система предназначена для реализации способа управления двухтопливным двигателем, оба изобретения решают одни и те же задачи: упрощение системы управления двухтопливным двигателем, повышение точности системы, расширение функциональных возможностей системы.

На фиг. 1 представлена заявляемая система управления двухтопливным двигателем внутреннего сгорания, реализующая заявляемый способ; на фиг. 2 - пример технической реализации микропроцессорного контроллера.

Источник основного топлива 1 (например, бензобак, бензонасос, регулятор давления топлива) связан бензопроводом 2 с входами исполнительного органа 3 (например, набора бензиновых форсунок), предназначенного для дозирования бензина как основного топлива. Выходы исполнительного органа 3 связаны с впускным коллектором 4 двигателя внутреннего сгорания 5. Режимы работы двигателя 5 характеризуются параметрами 6, измеряемыми датчиками 7, выходы которых предназначены для снятия сигналов 8 и подключены к входным портам микропроцессорного контроллера 9. Основные выходные порты контроллера 9 предназначены для снятия сигналов управления 10 и подключены к входам селектора сигналов управления 11 (например, набора реле). Первые (основные) выходы селектора 11 предназначены для снятия сигналов управления 12 расходом основного топлива и подключены к управляющим входам исполнительного органа 3.

Источник альтернативного топлива 13 (например, газовый баллон, редуктор давления газа, отсечной клапан) связан газопроводом 14 с входами исполнительного органа 15 (например, набора газовых форсунок), предназначенного для дозирования газа как альтернативного топлива. Выходы исполнительного органа 15 связаны с впускным коллектором 4 двигателя 5. Вторые (альтернативные) выходы селектора 11 предназначены для снятия сигналов управления 16 расходом альтернативного топлива и подключены к управляющим входам исполнительного органа 15.

Выходы органа переключения 17 режимов работы двигателя предназначены для снятия сигналов переключения 18 (18.1 и 18.2) с основного на альтернативное топливо и соединены с дополнительными управляющими входами контроллера 9. Управляющие входы селектора 11 предназначены для приема сигналов переключения 19 (19.1 и 19.2) выходов селектора и связаны с дополнительными выходами контроллера 9 (сигналы 19.1) или дополнительными выходами органа переключения 17 (сигналы 19.2).

Контроллер 9 имеет дополнительные выходные порты, предназначенные для снятия сигналов управления 20 и связанные с управляющими входами других исполнительных органов 21 управления режимами работы двигателя 5, например подсистемы искрового зажигания топливо-воздушной смеси (набора катушек зажигания). Выходы исполнительного органа 21 предназначены для снятия дополнительных управляющих воздействий 22 и связаны с соответствующими элементами двигателя 5, например свечами зажигания.

Контроллер 9 может также иметь дополнительные выходы, связанные с управляющими входами источников топлива 1 и 13 и предназначенные, например, для выдачи сигнала 23 на включение бензонасоса и сигнала 24 на открытие отсечного клапана, который в обесточенном состоянии запирает газопровод 14.

В системе управления имеется два контура управления:

контур 1, управляющий режимами работы двигателя 5 на основном топливе, образован звеньями: 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 - 10 - 11 - 12 - 3;

контур 2, управляющий режимами работы двигателя на альтернативном топливе, образован звеньями: 15 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 - 10 - 11 - 16 - 15.

Микропроцессорный контроллер 9, приведенный на фиг. 2, содержит: 25 - входные порты; 26 - входные сигналы АЦП - аналого-цифровых преобразователей; 27 - АЦП; 28 - сигналы обмена информацией; 29 - процессор (микропроцессор и периферийные устройства); 30 - ПЗУ - постоянное (программируемое) запоминающее устройство; 30.0 - ПЗУ (или зона ПЗУ) общих программ управления; 30.1 - ПЗУ (или зона ПЗУ) частных программ управления для основного топлива; 30.2 - ПЗУ (или зона ПЗУ) частных программ управления для альтернативного топлива; 31 - сигналы обмена информацией; 32 - сигналы обмена информацией; 33 - ЦАП - цифроаналоговые преобразователи: 34 - выходные сигналы ЦАП; 35 - выходные порты; 36.1 - внутренние сигналы контроллера на включение программ управления для основного топлива; 36.2 - внутренние сигналы контроллера на включение программ управления для альтернативного топлива.

На фиг. 2 показаны общие с фиг. 1 обозначения сигналов: 18 (18.1 и 18.2), 8 - входные сигналы контроллера; 10, 19.1, 20, 23, 24 - выходные сигналы контроллера.

Система управления работает следующим образом.

Для работы контура 1 орган переключения 17 устанавливается в положение, соответствующее основному топливу (например, "Бензин"). При этом сигнал 18.1 с выхода органа 17 поступает в контроллер 9, далее, см. фиг. 2, в виде сигнала 36.1 поступает в процессор 29. При наличии сигнала 36.1 процессор 29 и ПЗУ 30.1 реализуют алгоритмы и настроенные коэффициенты для основного топлива: на основании данных ПЗУ 30.1 и измеренных параметров 6 двигателя 5 процессор 29 формирует цифровые коды 32, а ЦАП 33 - аналоговые сигналы 34, соответствующие основному топливу. При этом общие программы управления, независимые от вида топлива, записаны в ПЗУ 30.0 (включая адреса обращений к ПЗУ 30.1 и ПЗУ 30.2). Обмен информацией между процессором 29 и ПЗУ 30 происходит с помощью сигналов 31. Под управлением сигнала 18.1 процессор 29 формирует также сигналы 19.1, а под управлением сигналов 19 (19.1 или 19.2), соответствующих основному топливу, выходы селектора 11 подключаются к управляющим входам исполнительного органа 3. Выходные сигналы 10 контроллера 9 поступают через селектор 11 на управляющие входы исполнительного органа 3, а выходные сигналы 20 - непосредственно (минуя селектор 11) на исполнительные органы 21, выходные управляющие воздействия 22 которого поступают на соответствующие элементы двигателя 5 (например, выходные напряжения катушек зажигания - на свечи зажигания, при этом таблицы углов опережения зажигания для основного топлива хранятся в ПЗУ 30.1); контроллер 9 также может выдавать сигнал 23 на включение бензонасоса. Исполнительный орган 3 обеспечивает дозированную подачу основного топлива (бензина) в впускной коллектор 4 двигателя 5. Таким образом обеспечивается управление режимом работы двигателя на основном топливе.

Контур 2 работает аналогично контуру 1. Для работы контура 2 орган переключения 17 устанавливается в положение, соответствующее альтернативному топливу (например, "Газ"). При этом с выхода органа 17 в контроллер 9 поступает сигнал 18.2, где в виде сигнала 36.2 поступает в процессор 29. При наличии сигнала 36.2 процессор 29 и ПЗУ 30.2 реализуют алгоритмы и настроенные коэффициенты для альтернативного топлива: на основании данных ПЗУ 30.2 и измеренных параметров 6 двигателя 5 процессор 29 формирует цифровые коды 32, а ЦАП 33 - аналоговые сигналы 34, соответствующие альтернативному топливу. Под управлением сигнала 18.2 процессор 29 формирует также сигналы 19.1, а под управлением сигналов 19 (19.1 или 19.2), соответствующих альтернативному топливу, выходы селектора 11 подключаются к управляющим входам исполнительного органа 15. Выходные сигналы 10 контроллера 9 поступают через селектор 11 на управляющие входы исполнительного органа 15, а выходные сигналы 20 - непосредственно на исполнительные органы 21, выходные управляющие воздействия которого поступают на соответствующие элементы двигателя 5 (при этом таблицы углов опережения зажигания для альтернативного топлива хранятся в ПЗУ 30.2); контроллер 9 также может выдавать сигнал 24 на открытие отсечного клапана. Исполнительный орган 15 обеспечивает дозированную подачу альтернативного топлива (газа) в впускной коллектор 4 двигателя 5. Таким образом обеспечивается управление режимом работы двигателя на альтернативном топливе.

Заявляемый способ управления и система управления двухтопливным двигателем по сравнению с прототипом имеют следующие преимущества: техническая реализация системы управления упрощается за счет исключения второго управляющего модуля; точность системы управления повышается за счет автономной оптимизации настроек системы на каждом виде топлива; сокращается длительность калибровки системы (подбор настроенных коэффициентов в различных условиях эксплуатации двигателя) на двух видах топлива и длительность испытаний системы за счет того, что эти процессы могут проводиться параллельно (например, калибровки и сезонные испытания автомобиля на двух видах топлива) в отличие от прототипа, где процесс калибровки системы на альтернативном топливе может быть эффективно выполнен только после окончания калибровки системы на основном топливе (т.к. процесс калибровки носит итерационный характер и могут иметь место многократные уточнения подбираемых коэффициентов для основного топлива); расширяются функциональные возможности системы без существенного усложнения микропроцессорного контроллера, при этом отпадает необходимость в использовании дополнительных элементов системы, например дополнительного контроллера в подсистеме зажигания.

Таким образом, приведенные сведения показывают, что при осуществлении заявляемого способа управления двухтопливным двигателем внутреннего сгорания и системы, реализующей этот способ, выполняются следующие условия: средства, воплощающие изобретение при их осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно в автомобилестроении; подтверждена возможность осуществления изобретений с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств и методов; описанные средства способны обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленная группа изобретений соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".