способ регулирования рабочего процесса двс

Формула изобретения

1. Способ регулирования рабочего процесса ДВС с искровым зажиганием, заключающийся в том, что измеряют параметры, характеризующие рабочий процесс ДВС, и в зависимости от измеренных значений подают в камеру сгорания ДВС соответствующие количества воздуха и топлива, после чего подают на электроды свечи зажигания, установленной в камере сгорания ДВС, по меньшей мере, один импульс высокого напряжения с целью образования между электродами искрового разряда для воспламенения образующейся в камере сгорания топливовоздушной смеси, отличающийся тем, что производят измерение величины сопротивления, шунтирующего электроды свечи зажигания, и регулируют количества воздуха и топлива, подаваемые в камеру сгорания ДВС, в зависимости от величины измеренного сопротивления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что задают нижнее и верхнее пороговые значения величины сопротивления, шунтирующего электроды свечи зажигания, сравнивают измеренную величину сопротивления с пороговыми значениями, и в случае, если измеренная величина сопротивления меньше нижнего порогового значения, производят относительное обеднение топливовоздушной смеси путем уменьшения подачи топлива и выполняют подачу обедненной топливовоздушной смеси до тех пор, пока измеренная величина сопротивления, шунтирующего электроды свечи зажигания, не станет выше верхнего порогового значения.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что измерение величины сопротивления, шунтирующего электроды свечи зажигания, производят в каждом цикле работы ДВС после окончания процесса горения топливовоздушной смеси в камере сгорания.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что для определения величины сопротивления, шунтирующего электроды свечи зажигания, подают на электроды свечи зажигания напряжение, величина которого ниже напряжения пробоя искрового промежутка свечи зажигания.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что величину сопротивления, шунтирующего электроды свечи зажигания, определяют путем измерения тока, протекающего через упомянутые электроды.

6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что величину сопротивления, шунтирующего электроды свечи зажигания, определяют путем измерения времени заряда/разряда конденсатора, подключенного параллельно электродам свечи зажигания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для управления двигателями внутреннего сгорания с искровым зажиганием (далее - ДВС) в условиях их эксплуатации при низкой температуре окружающей среды.

Известно (см., например, Ершов Б.В. и др. Учебник военного водителя первого класса. М.: Воениздат, 1967, стр.450), что запуск и прогрев ДВС с искровым зажиганием в условиях низкой температуры окружающей среды затруднен, что связано с уменьшением испаряемости топлива при снижении его температуры. Снижение испаряемости топлива вызывает обеднение топливовоздушной смеси в окрестности свечи зажигания, установленной в камере сгорания ДВС, что, в свою очередь, приводит к плохой воспламеняемости топливовоздушной смеси и - как следствие - к затрудненному запуску ДВС.

Для компенсации плохой испаряемости топлива при низкой температуре окружающей среды используют способ регулирования рабочего процесса ДВС (см., например, Росс Твег. Системы впрыска бензина. Устройство, обслуживание, ремонт: Практ. пособ. - М.: Издательство «За рулем», 1999, стр.70), при котором осуществляют подачу в камеру сгорания ДВС избыточного по отношению к воздуху количества топлива (другими словами, обогащенной топливовоздушной смеси).

Данный способ прост в реализации и часто используется при эксплуатации ДВС.

Недостатком способа является загрязнение поверхностей изолятора и электродов свечей зажигания оседающими на них продуктами неполного сгорания (окисления) топлива.

Одним из промежуточных продуктов не сгоревшего до конца топлива является углерод, который, как известно (см., например, журнал «За рулем», №9/2001, стр.168), обладает хорошей электропроводностью и может вызывать шунтирование искрового промежутка свечи зажигания, которое приводит к ухудшению параметров искрового разряда и даже полному прекращению искрообразования.

Известно (см., например, журнал «За рулем», №9/2001, стр.168) явление самоочищения поверхностей свечи от загрязнений. Суть явления заключается в том, что при нагреве свечи до некоторой температуры, называемой температурой самоочищения свечи (около 500 град. С), происходит сгорание отложений на поверхностях свечи, и свеча очищается. Следует отметить, что нагрев свечи до температуры самоочищения может быть получен вследствие достаточно продолжительной работе ДВС в режиме прогрева.

На практике процесс прогрева ДВС может занимать достаточно длительное время, поэтому при пониженных температурах окружающей среды в условиях кратковременных поездок, характерных для городской езды, полное самоочищение свечей может не наступить, и упомянутые отложения будут накапливаться от поездки к поездке. В этом случае все последующие запуски двигателя становятся все более затрудненными и в дальнейшем даже невозможными.

Нормальным режимом работы ДВС для двигателей, выполняющих нормы токсичности ЕВРО-2 и выше, является режим поддержания стехиометрического состава топливовоздушной смеси. Режим поддержания стехиометрического состава сопровождается периодической подачей в камеру сгорания небольшого количества избыточного воздуха, что обусловлено принципом регулирования состава смеси (пропорциональный интегрально-дифференциальный принцип регулирования). Избыточный воздух, поступающий в камеру сгорания ДВС, вызывает постепенное доокисление продуктов неполного сгорания топлива, отложенных на поверхности изолятора и электродов свечи зажигания, в результате чего происходит самоочищение свечей зажигания.

Следует отметить, что из уровня техники известен способ измерения ионной проводимости искрового промежутка свечи зажигания, см. патент RU 2133458 C1, МПК 6 G 01 M 15/00, F 02 P 17/00, публ. 20.07.1999 г., бюл. №20, при котором к электродам свечи зажигания после искрового разряда прикладывают тестовое напряжение и измеряют величину ионной проводимости путем измерения ионного тока, протекающего через электроды свечи зажигания. Известны также системы зажигания, в которых возможна реализация упомянутого способа (см., например, патент RU 2117819 С1, МПК 6 F 02 P 17/00, публ. 20.08.98 г., бюл. №23).

За прототип заявляемого способа взят способ регулирования рабочего процесса ДВС (см. Система управления двигателем ВАЗ-2111(1,5 л 8 кл.) с распределенным впрыском топлива (контроллеры M1.5.4N и Январь-5.1). СПб.: ПетерГранд, 2000, стр.16-18). Способ регулирования рабочего процесса ДВС с искровым зажиганием заключается в том, что измеряют параметры, характеризующие рабочий процесс ДВС, и в зависимости от их значений подают в камеру сгорания соответствующие количества воздуха и топлива, после чего подают на электроды искрового разрядника, установленного в камере сгорания ДВС, по крайней мере один импульс высокого напряжения с целью образования между электродами искрового разряда для воспламенения образующейся в камере сгорания топливовоздушной смеси.

Недостатком способа-прототипа является пониженная надежность работы ДВС в условиях низких температур из-за отсутствия контроля за загрязнением свечей зажигания и действий по устранению загрязненности свечи.

Задачей заявляемого технического решения является повышение надежности работы ДВС с искровым зажиганием в условиях низких температур окружающей среды путем своевременного выявления загрязненности свечи зажигания и последующей ускоренной ее очистки от продуктов неполного сгорания топлива.

Указанная задача решается в предлагаемом способе регулирования рабочего процесса ДВС с искровым зажиганием, при котором измеряют параметры, характеризующие рабочий процесс ДВС, и в зависимости от их значений подают в камеру сгорания ДВС соответствующие количества воздуха и топлива, после чего подают на электроды искрового разрядника, установленного в камере сгорания ДВС, по крайней мере один импульс высокого напряжения с целью образования между электродами свечи зажигания искрового разряда для воспламенения образующейся в камере сгорания топливовоздушной смеси.

Задача решается тем, что производят измерение сопротивления, шунтирующего электроды свечи зажигания, и регулируют количества топлива и воздуха, подаваемые в камеру сгорания, в зависимости от величины измеренного сопротивления.

При этом регулировку количеств топлива и воздуха могут осуществлять по-разному.

В предпочтительном варианте реализации изобретения могут задавать нижнее и верхнее пороговые значения величины сопротивления, шунтирующего электроды свечи зажигания, сравнивать измеренную величину сопротивления с пороговыми значениями, и в случае, если измеренная величина сопротивления меньше нижнего порогового значения, производить относительное обеднение топливовоздушной смеси путем уменьшения подачи топлива и выполнять подачу обедненной топливовоздушной смеси до тех пор, пока измеренная величина сопротивления, шунтирующего электроды свечи зажигания, не станет выше верхнего порогового значения.

При этом измерение величины сопротивления, шунтирующего электроды свечи зажигания, также могут производить по-разному. В предпочтительных вариантах реализации изобретения для определения величины сопротивления, шунтирующего электроды свечи зажигания, могут подавать на электроды свечи зажигания напряжение, величина которого ниже напряжения пробоя искрового промежутка свечи зажигания, а сопротивление могут определять путем измерения тока, протекающего через упомянутые электроды, или путем измерения времени заряда/разряда конденсатора, подключенного параллельно электродам свечи зажигания.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На Фиг.1 представлена схема системы управления одноцилиндровьм ДВС, в которой возможна реализация заявляемого способа.

На Фиг.2-5 показаны эпюры токов и напряжений в различных точках системы зажигания ДВС.

Заявляемый способ может быть успешно реализован, например, в системе управления ДВС (см. Фиг.1), которая включает в себя ДВС 1, электромагнитную форсунку 2, контроллер 3, катушку зажигания 4, диод 5 и электропривод 6.

Двигатель снабжен свечой 1.1 зажигания, дроссельной заслонкой 1.2, механически соединенной с электроприводом 6, и электромагнитной форсункой 2.

Контроллер 3 снабжен выходом 3.1 управления катушкой 4 зажигания, выходом 3.2 управления электромагнитной форсункой 2 и выходами 3.3а и 3.3б управления электроприводом 6 дроссельной заслонки 1.2. Контроллер 3 снабжен также входом 3.4 измерения тока заряда/разряда конденсатора, соединенным с токоизмерительным резистором Rи, и входами 3.хх прочих датчиков параметров работы ДВС.

Катушка 4 зажигания может быть выполнена, например, в соответствии с патентом RU 2117819 C1, и включать в себя первичную обмотку 4.1, вторичную обмотку 4.2, сердечник 4.3, конденсатор 4.4, токоизмерительный резистор Rи и диод 4.5.

Первый вывод первичной обмотки 4.1 соединен с выходом 3.2 контроллера 3, второй вывод обмотки 4.1 подключен к положительному полюсу +БС источника питания, на Фиг.1 не показанному. Отрицательный полюс источника питания соединен с массой ДВС и с соответствующим выводом массы контроллера 3. Положительный полюс источника питания также соединен со входом питания контроллера 3 и вторым выводом электромагнитной форсунки 2. Первый вывод вторичной обмотки 4.2 соединен через диод 4.5 со свечой 1.1 зажигания, второй вывод обмотки 4.2 соединен с отрицательным полюсом источника питания, который соединен с массой ДВС. Кроме того, первый вывод вторичной обмотки 4.2 соединен с первым выводом конденсатора 4.4, второй вывод которого соединен через токоизмерительный резистор Rи с массой ДВС и со входом 3.4 контроллера 3.

Работа системы по предлагаемому способу происходит следующим образом.

После запуска ДВС производят измерение параметров рабочего процесса ДВС путем считывания сигналов датчиков параметров состояния ДВС, см. Фиг.1, и по результату измерения производят подачу топлива в камеру сгорания ДВС 1. Подачу топлива производят в зависимости от значения измеренных параметров состояния рабочего процесса ДВС путем коммутации выхода 3.2 контроллера к массе ДВС на заданное время. При этом через обмотку форсунки 2 начинает протекать ток, что, в свою очередь, вызывает открытие запорной иглы форсунки 2 и подачу топлива в камеру сгорания ДВС.

Производят подачу в камеру сгорания ДВС заданного количества воздуха путем открытия (поворота) дроссельной заслонки 1.2 при помощи электропривода 6. Управление электроприводом 6 производится пропусканием тока заданного направления и величины через обмотку электропривода 6 путем коммутации выводов 3.3а и 3.3б контроллера 3 с +БС и массой ДВС.

Производят формирование искрового разряда на свече зажигания 1.1 в заданной фазе путем пропускания импульса тока заданной величины в первичной обмотке 4.1 катушки 4 зажигания. Импульс тока в первичной обмотке 4.1, см. Фиг.2, образуется путем коммутации вывода 3.1 контроллера 3 к массе ДВС в заданный момент на заданное время Т1. В момент окончания импульса тока в первичной обмотке 4.1 в ее вторичной обмотке 4.2, в соответствии с законом индукции, образуется индуктивный выброс напряжения, который оказывается приложенным к искровому промежутку свечи 1.1 зажигания, см. Фиг.3. При нарастании напряжения индуктивного выброса до напряжения Ua пробоя искрового промежутка свечи 1.1 зажигания (8-20 кВ, см. Фиг.3) происходит формирование тока искрового разряда, см. Фиг.4, который вызывает поджигание топливовоздушной смеси в камере сгорания ДВС.

По окончании процесса горения, например на такте выпуска, производят формирование в первичной обмотке 4.1 кратковременного тестового импульса тока, см. Фиг.2. При этом во вторичной обмотке 4.2 возникает импульс напряжения, см. Фиг.3, с амплитудой Us=200-400 В, который вызывает заряд конденсатора 4.4 через диод 4.5. Разряд конденсатора 4.4 происходит через сопротивление Rш, шунтирующее электроды свечи зажигания свечи 1.1 зажигания, которое определяет величину тока разряда. Величина тока разряда конденсатора пропорциональна падению напряжения на токоизмерительном резисторе Rи, см. Фиг.5, которое электрически связано со входом 3.4 контроллера 3. Измерение Rш производят, например, путем измерения времени Т, см. Фиг.5, разряда конденсатора 4.4, которое связано с величиной сопротивления Rш формулой:

Т=C*Rш,

где С - величина емкости конденсатора 4.4.

Измерение времени разряда может быть произведено контроллером 3 путем подсчета импульсов заданной частоты в течение времени Т от момента заряда конденсатора 4.4 до момента окончания его разряда.

Сравнив измеренную величину сопротивления Rш (время разряда Т) с нижним пороговым значением, определяют факт загрязнения свечи 1.1 зажигания, после чего производят увеличение цикловой подачи топливовоздушной смеси на холостом ходу путем увеличения времени протекания тока через управляющую обмотку форсунки 2 и угла открытия дроссельной заслонки 1.2 с целью повышения оборотов ДВС и более быстрого достижения температуры самоочищения свечи. По мере роста сопротивления Rш, шунтирующего электроды свечи зажигания, производят относительное обеднение топливовоздушной смеси путем плавного уменьшения подачи топлива. Обеднение топливовоздушной смеси производят до тех пор, пока обеспечивается работа ДВС без пропусков воспламенения, что может быть определено, например, по неравномерности вращения вала ДВС, и поддерживают данный режим топливоподачи до тех пор, пока вышеупомянутое сопротивление Rш не станет выше верхнего порогового значения, что означает наступление самоочищения свечи зажигания. После этого переходят в режим подачи стехиометрического состава смеси с поддержанием минимальных устойчивых оборотов холостого хода ДВС.

Таким образом, заявляемый способ характеризуется выполнением следующих операций.

- Производят подачу топлива и воздуха в камеру сгорания ДВС, например, путем включения в заданной фазе поворота вала ДВС электромагнитной топливной форсунки на заданное время для подачи требуемого количества топлива и установки с помощью электропривода дроссельной заслонки в требуемое положение для подачи требуемого количества воздуха.

- Производят поджигание образовавшейся топливовоздушной смеси искровым разрядом между электродами свечи зажигания путем формирования на электродах свечи зажигания импульса высокого напряжения, возникающего во вторичной обмотке катушки зажигания, для чего в заданной фазе поворота вала ДВС через первичную обмотку катушки пропускают импульс тока заданной амплитуды.

- Производят измерение сопротивления, шунтирующего электроды свечи зажигания, путем измерения тока, возникающего при приложении к электродам свечи зажигания напряжения, величина которого в предпочтительном случае меньше напряжения пробоя искрового промежутка свечи зажигания.

*В варианте реализации способа измерение сопротивления, шунтирующего электроды свечи зажигания, могут производить путем измерения времени заряда/разряда конденсатора, подключенного параллельно электродам свечи зажигания. Упомянутый конденсатор заряжают тестовыми импульсами напряжения во вторичной обмотке катушки зажигания, генерируемыми путем пропускания импульсов тока через первичную обмотку катушки зажигания.

*Измерение сопротивления целесообразно производить в каждом рабочем цикле после окончания процесса горения топливовоздушной смеси.

- В зависимости от величины вышеупомянутого сопротивления, шунтирующего электроды свечи зажигания, производят изменение количества и состава топливовоздушной смеси, обеспечивающее эффективное очищение свечи зажигания от загрязнений.

*Изменение количества и состава топлива могут производить по-разному. В предпочтительном варианте реализации способа после запуска ДВС, если измеренное сопротивление, шунтирующее электроды свечи зажигания, оказывается ниже заданного нижнего порогового значения, производят увеличение цикловой подачи топливовоздушной смеси на холостом ходу для повышения оборотов ДВС и более быстрого достижения температуры самоочищения свечи с последующим плавным обеднением топливовоздушной смеси по мере роста величины сопротивления, шунтирующего электроды свечи зажигания, до достижения им верхнего порогового значения. После того как сопротивление, шунтирующее электроды свечи зажигания, в результате ее самоочищения превысит верхнее пороговое значение, переходят к обычному регулированию работы двигателя на холостом ходу с обеспечением подачи стехиометрического состава смеси и минимальных устойчивых оборотов холостого хода.

Реализация предлагаемой последовательности операций позволяет улучшить запуск ДВС с искровым зажиганием в условиях низких температур окружающей среды и кратковременных поездок, поскольку работа ДВС при увеличенной цикловой подаче топливовоздушной смеси (повышенных оборотах вала) вызывает его более быстрый прогрев и повышение температуры свечи зажигания до температуры самоочищения, а последующее обеднение топливовоздушной смеси ведет к появлению дополнительного кислорода в камере сгорания, что позволяет быстрее доокислить продукты неполного сгорания топлива, ранее отложенные на поверхностях изолятора и электродов свечи зажигания. Это обеспечивает более быстрое самоочищение свечей зажигания ДВС от продуктов неполного сгорания, что повышает надежность последующих запусков ДВС в условиях низких температур окружающей среды и кратковременных поездок.