способ определения расхода воздуха на входе в двигатель внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Способ определения расхода воздуха на входе в двигатель внутреннего сгорания, оснащенный системой впуска воздуха, причем указанная система содержит впускной трубопровод и клапанные средства для регулирования расхода воздуха, поступающего в указанный трубопровод, отличающийся тем, что включает следующие стадии:

- реализация первого алгоритма, основанного на модели Сен-Венана, и второго алгоритма, основанного на модели «наполнения и опорожнения», для определения соответственно первого (MAF_SV) и второго (MAF_FE) значений расхода воздуха на входе в указанный впускной трубопровод; и

- выбор первого (MAF_SV) значения расхода воздуха в случае, если соотношение ( ) между давлениями (p_up, p_down) на входе и на выходе указанных клапанных средств ниже, чем предварительно установленное пороговое значение _tsh, находящееся в диапазоне между 0,9 и 0,95;

- выбор второго (MAF_FE) значения расхода воздуха в случае, если соотношение ( ) между давлениями (p_up, p_down) на входе и на выходе указанных клапанных средств выше, чем предварительно установленное пороговое значение _tsh.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реализация первого алгоритма включает:

- определение соотношения между давлениями на входе и на выходе клапанных средств;

- определение угла открытия клапанных средств;

- определение первого значения расхода воздуха на входе на основании указанного соотношения и угла открытия клапанных средств.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что первое значение расхода воздуха определяют на основании следующей формулы



где - первое значение мгновенного массового расхода воздуха, поступающего во впускной трубопровод, который составляет часть указанной системы;

p_up - давление воздуха на входе дроссельной заслонки;

М - молекулярный вес воздуха;

R - удельная газовая постоянная;

Т₀ - температура воздуха на входе;

C₁ - коэффициент утечек клапанных средств;

- угол открытия дроссельной заслонки;

- перепад давления воздуха между выходом и входом дроссельной заслонки;

A_eq - эквивалентная площадь поверхности участка клапанных средств, через которую протекает входящий воздух; и

f_s - коэффициент, указывающий соотношение давлений.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что реализация первого алгоритма также включает:

- определение по меньшей мере первого поправочного коэффициента давления на входе клапанных средств и/или температуры входящего воздуха; и

- определение первого значения расхода воздуха на основании первого поправочного коэффициента и первого значения мгновенного массового расхода воздуха на входе.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что реализация второго алгоритма включает:

- определение угла открытия клапанных средств;

- определение частоты вращения двигателя; и

- определение второго значения расхода воздуха на входе на основании давления на выходе клапанных средств, угла открытия клапанных средств и частоты вращения двигателя.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что реализация второго алгоритма также включает:

- определение по меньшей мере второго поправочного коэффициента давления на выходе клапанных средств;

- корректирование давления на выходе клапанных средств с использованием второго поправочного коэффициента; и

- определение второго значения расхода воздуха на входе на основании давления на выходе клапанных средств, скорректированного с использованием второго поправочного коэффициента, угла открытия клапанных средств и частоты вращения двигателя.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что второе значение расхода воздуха определяют на основании следующих формул







где p_down - давление воздуха на выходе дроссельной заслонки;

p_up - давление воздуха на входе дроссельной заслонки;

R - удельная газовая постоянная;

М - молекулярный вес воздуха;

Т₀ - температура воздуха на входе;

V₀ - объем впускного трубопровода для воздуха, который составляет часть указанной системы;

V_cyl - объем цилиндра двигателя;

RPM - частота вращения двигателя;

_vol - объемный КПД двигателя;

- масса воздуха, поступающего в цилиндр;

- второе значение массы воздуха, поступающего во впускной трубопровод;

- угол открытия дроссельной заслонки;

- перепад давления воздуха между выходом и входом дроссельной заслонки;

f - первая величина как функция эквивалентной площади поверхности коэффициента утечек и угла открытия клапанных средств;

g - вторая величина как функция коэффициента утечек соотношения между вторым и первым значениями давления и коэффициента, указывающего соотношение давлений.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что:

- первую величину определяют умножением эквивалентной площади поверхности на первую часть коэффициента утечек, которая зависит только от угла открытия клапанных средств; а

- вторую величину определяют умножением коэффициента, указывающего соотношение давлений, на вторую часть коэффициента утечек, которая зависит только от соотношения между вторым и первым значениями давления.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что реализация второго алгоритма также включает:

- определение второго значения расхода воздуха на входе на основании поправочного коэффициента для указанной температуры и второго значения массы воздуха на входе.

10. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий систему впуска воздуха и устройство, выполненное с возможностью осуществления способа определения расхода воздуха на входе, охарактеризованного по пп.1-9.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для определения расхода воздуха на входе в двигатель внутреннего сгорания.

Уровень техники

Как известно в уровне техники, для того, чтобы удовлетворять обязательным предельным нормам выбросов загрязняющих веществ, в транспортных средствах нового поколения, в частности, в автомобилях, оснащенных современным бензиновым двигателем с непрямым впрыском топлива с каталитическим нейтрализатором тройного действия, должно точно контролироваться соотношение топлива и воздуха, так, чтобы оно всегда было близко к стехиометрическому значению, чтобы снизить выбросы отработавших газов.

С этой целью современные автомобили обычно оснащают расходомером для воздуха (дебиметром), который обычно устанавливают в системе воздухозабора двигателя, и который выдает электрический сигнал, указывающий расход подаваемого в двигатель свежего воздуха, на основании которого электронный блок управления вычисляет расход топлива, которое должно быть впрыснуто в цилиндры двигателя перед открытием впускных клапанов, также в качестве функции необходимого соотношения топлива и воздуха.

В качестве альтернативы, известны транспортные средства нового поколения, которые оснащены электронным блоком управления, который, среди прочих функций, реализует алгоритм для определения расхода воздуха на входе в двигатель.

В частности, точное регулирование соотношения топлива и воздуха при значении, близком к стехиометрическому значению, особенно затруднено в автомобилях нового поколения, оснащенных системой с непрерывным изменением момента времени впуска.

В этом типе двигателя измерение или точное определение массового расхода воздуха, протекающего в цилиндры, особенно сложно, главным образом, по причине эффекта естественного наддува, который происходит в таких двигателях вследствие совпадения во времени возникновения волн давления во впускном трубопроводе с тем периодом времени, когда открыт впускной клапан.

В частности, когда расходомер для воздуха используется в двигателе с системой для создания изменяющегося газораспределения, тогда масса воздуха, протекающего в цилиндры, не может быть точно измерена, что происходит вследствие медленной динамики расходомера для воздуха, который, следовательно, неспособен реагировать на чрезвычайно нелинейную динамику воздуха, проходящего через впускной трубопровод, отличающуюся, даже в нормальных условиях движения, быстрыми переходными процессами.

Проведенное заявителем исследование также продемонстрировало то, что даже когда применяют известные алгоритмы, невозможно получить точное определение массы воздуха, поступающего в двигатели с переменным газораспределением. В действительности, такие алгоритмы не учитывают действие двигателя как объемного насоса, имеющего место при изменениях частоты вращения, которое имеет заметное влияние на массовый расход воздуха на входе, особенно в областях высокого давления, например, с соотношениями давлений на дроссельной заслонке в области 0,9-0,95, или любые погрешности механического газораспределения, или любые внезапные изменения выбора момента времени впуска, и также они неспособны правильно воспроизводить переключения между режимами управления по закону требуемого крутящего момента и по механическому закону для системы управления с электрическим приводом («управление движением по проводам» (Drive-by-Wire)).

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в создании способа определения расхода воздуха на входе в двигатель внутреннего сгорания, который по меньшей мере частично преодолевает недостатки устройств и способов известного уровня техники.

Согласно настоящему изобретению, предложен способ определения расхода воздуха на входе в двигатель внутреннего сгорания, оснащенный системой впуска воздуха, причем указанная система содержит впускной трубопровод и клапанные средства для регулирования расхода воздуха, поступающего в указанный трубопровод, отличающийся тем, что включает следующие стадии: реализация первого алгоритма, основанного на модели Сен-Венана, и второго алгоритма, основанного на модели «наполнения и опорожнения», для определения, соответственно, первого (MAF_SV) и второго (MAF_FE) значений расхода воздуха на входе в указанный впускной трубопровод; и выбор первого (MAF_SV) значения расхода воздуха в случае, если соотношение ( ) между давлениями (p_up, p_down) на входе и на выходе указанных клапанных средств ниже, чем предварительно установленное пороговое значение _tsh, находящееся в диапазоне между 0,9 и 0,95; выбор второго (MAF_FE) значения расхода воздуха в случае, если указанное соотношение ( ) между указанными давлениями (p_up, p_down ) на входе и на выходе указанных клапанных средств выше, чем предварительно установленное пороговое значение _tsh.

Другим аспектом настоящего изобретения является способ, отличающийся тем, что реализация первого алгоритма включает: определение соотношения между давлениями на входе и на выходе клапанных средств; определение угла открытия клапанных средств; определение первого значения расхода воздуха на входе на основании указанного соотношения и угла открытия клапанных средств.

Еще одним аспектом настоящего изобретения является способ, отличающийся тем, что первое значение расхода воздуха определяют на основании формулы, соответствующей модели Сен-Венана (подробно раскрыта в разделе «Осуществление изобретения»).

Другим аспектом настоящего изобретения является способ, отличающийся тем, что реализация первого алгоритма также включает: определение по меньшей мере первого поправочного коэффициента давления на входе клапанных средств и/или температуры входящего воздуха; и определение первого значения расхода воздуха на основании первого поправочного коэффициента и первого значения мгновенного массового расхода воздуха на входе.

Еще одним аспектом настоящего изобретения является способ, отличающийся тем, что реализация второго алгоритма включает: определение угла открытия клапанных средств; определение частоты вращения двигателя; и определение второго значения расхода воздуха на входе на основании давления на выходе клапанных средств, угла открытия клапанных средств и частоты вращения двигателя.

Другим аспектом настоящего изобретения является способ, отличающийся тем, что реализация второго алгоритма также включает: определение по меньшей мере второго поправочного коэффициента давления на выходе клапанных средств;

корректирование давления на выходе клапанных средств с использованием второго поправочного коэффициента; и определение второго значения расхода воздуха на входе на основании давления на выходе клапанных средств, скорректированного с использованием второго поправочного коэффициента, угла открытия клапанных средств и частоты вращения двигателя.

Еще одним аспектом настоящего изобретения является способ, отличающийся тем, что второе значение расхода воздуха определяют на основании формул, соответствующих модели «наполнения и опорожнения» (подробно раскрыты в разделе «Осуществление изобретения»).

Другим аспектом настоящего изобретения является способ, отличающийся тем, что: первую величину определяют умножением эквивалентной площади поверхности на первую часть коэффициента утечек, которая зависит только от угла открытия клапанных средств; а вторую величину определяют умножением коэффициента, указывающего соотношение давлений, на вторую часть коэффициента утечек, которая зависит только от соотношения между вторым и первым значениями давления.

Еще одним аспектом настоящего изобретения является способ, отличающийся тем, что реализация второго алгоритма также включает:

определение второго значения расхода воздуха на входе на основании поправочного коэффициента для указанной температуры и второго значения массы воздуха на входе.

Другим аспектом настоящего изобретения является двигатель внутреннего сгорания, содержащий систему впуска воздуха и устройство, выполненное с возможностью осуществления способа определения расхода воздуха на входе.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания настоящего изобретения приведено описание его не ограничивающего предпочтительного варианта выполнения, посредством примера со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- на фиг.1 показан схематический вид системы впуска воздуха двигателя внутреннего сгорания;

- на фиг.2 показана функциональная схема предлагаемого способа определения расхода воздуха на входе в двигатель внутреннего сгорания.

Осуществление изобретения

На фиг.1 позиционным номером 1 обозначен как единое целое двигатель внутреннего сгорания, снабженный системой 2 впуска воздуха и электронной системой 3 для управления системой 2 впуска воздуха.

В частности, система 2 впуска воздуха содержит впускной воздушный трубопровод 4, в котором воздух протекает через воздушный фильтр 5 и дроссельную заслонку 6, расположенные во впускном воздушном трубопроводе 4, которая подает всасываемый воздух к цилиндрам двигателя 1 (не проиллюстрированным на чертеже).

В частности, дроссельная заслонка 6 приводится в действие посредством специального приводящего устройства, например, электродвигателя постоянного тока (не проиллюстрированного на чертеже).

Электронная система 3 управления содержит датчик 7 температуры, расположенный на входе впускного воздушного трубопровода 4 и генерирующий электрический выходной сигнал, указывающий температуру Т₀ поступающего воздуха на входе впускного трубопровода 4; датчик 8 давления, расположенный перед дроссельной заслонкой 6 и генерирующий электрический выходной сигнал, указывающий давление P_up воздуха на входе дроссельной заслонки 6, датчик 9 давления, расположенный после дроссельной заслонки 6 и генерирующий электрический выходной сигнал, указывающий давление P_down воздуха на выходе дроссельной заслонки 6; устройство для определения угла а открытия дроссельной заслонки 6, например, пару потенциометров (не проиллюстрированных на чертеже); устройство для измерения частоты RPM вращения двигателя (не проиллюстрированное на чертеже); электронный блок 10 управления, подключенный к датчику 7 температуры, к датчикам 8 и 9 давления, к устройству для измерения частоты RPM вращения двигателя и к приводящему устройству для управления дроссельной заслонкой 6, генерирующий выходные сигналы управления для двигателя 1 и выполненный так, чтобы осуществлять предложенный настоящим изобретением способ определения расхода воздуха на входе, описанный ниже со ссылками на функциональную схему, проиллюстрированную на фиг.2.

В частности, в начальной стадии калибровки системы в электронный блок 10 управления записываются несколько поправочных коэффициентов, которые необходимы для того, чтобы осуществить способ определения расхода воздуха на входе, в частности:

- K _TO - нелинейный поправочный коэффициент в качестве функции температуры воздуха на входе;

- K_Pup - мультипликативный поправочный коэффициент в качестве функции давления воздуха на входе дроссельной заслонки 6;

- первая таблица, не показанная на фиг.2, содержащая множество значений для угла открытия дроссельной заслонки 6 как функции частоты RPM вращения двигателя; вторая таблица, не показанная на фиг.2, содержащая множество значений для перепада давлений воздуха между выходом и входом дроссельной заслонки 6 как функции частоты RPM вращения двигателя; третья таблица, не показанная на фиг.2, содержащая множество коэффициентов C ₁ утечек для дроссельной заслонки 6, каждый из которых определен экспериментальным путем, как функция данного значения угла открытия дроссельной заслонки 6 и данного значения перепада давления.

В электронном блоке 10 управления также хранятся эталонное значение _ref, указывающее перепад давлений воздуха между выходом и входом дроссельной заслонки 6, когда воздух, протекающий через самый узкий участок впускного воздушного трубопровода 4, достигает скорости звука, равное 0,5283, пороговое значение _tsh перепада давлений, находящееся, например, между 0,9 и 0,95, и постоянная , относящаяся к соотношению между удельной теплоемкостью воздуха при постоянном давлении и удельной теплоемкостью воздуха при постоянном объеме, равная 1,4 (показатель адиабаты).

С целью осуществления предложенного способа, блок 10 управления непрерывно получает следующие значения, измеренные различными перечисленными выше датчиками, а именно:

- температуру Т₀ воздуха на входе;

- давление P _up воздуха на входе дроссельной заслонки 6;

- давление P_down воздуха на выходе дроссельной заслонки 6;

- частоту RPM вращения двигателя.

На основании полученных значений, коэффициентов и измерений в записанных таблицах, электронный блок 10 управления реализует два различных алгоритма, каждый из которых подходит для вычисления расхода воздуха на входе в двигатель, которые далее описаны со ссылками на фиг.2.

Электронный блок 10 управления, на основании предварительно установленного критерия оценки, выбирает одно из двух значений расхода воздуха и использует выбранное значение для вычисления расхода топлива, которое должно быть впрыснуто в цилиндры двигателя.

В частности, как проиллюстрировано на фиг.2, в блоке 11 электронный блок 10 управления вычисляет соотношение P_down/P_up, которое равно перепаду давлений воздуха между выходом и входом дроссельной заслонки 6, и, на основании перепада давлений и угла открытия дроссельной заслонки 6, в блоке 12, реализует алгоритм согласно математической модели, известной как уравнение Сен-Венана (Saint-Venant), которое подробно описано в следующих документах:

1) "Integrated breathing model and multi-variable control approach for air management in advanced gasoline engine", by A, Miotti, R. Scattolini, A. Musi and C. Siviero, SAE 2006 World Congress, Detroit, Ml, USA, April 3-6, 2006, paper No. 2006-01-0658;

2) "Internal Combustion Engine Fundamentals" by J.B. Heywood, 1^st ed., Me Graw-Hill, Inc., New York, USA, 1988.

Как известно, уравнение Сен-Венана описывает расход текучей среды через сопло, и, таким образом, может использоваться для определения массового расхода воздуха, поступающего в трубопровод и протекающего через дроссельную заслонку 6.

В конкретном случае, с этой целью электронный блок 10 управления вычисляет звуковой коэффициент f_s как функцию перепада давлений и постоянной по следующей формуле:

Далее электронный блок 10 управления решает уравнение Сен-Венана согласно следующей формуле:

где

- мгновенный массовый расход воздуха, поступающего в трубопровод;

М - молекулярный вес воздуха;

R - удельная газовая постоянная;

C₁ - коэффициент утечек;

A_eq - общая эквивалентная площадь участка дроссельной заслонки, через которую протекает воздух;

f_s - звуковой коэффициент.

Уравнение Сен-Венана может быть использовано для получения точного определения массы воздуха на входе вне зависимости от любых возможных погрешностей механического газораспределения и внезапных изменений газораспределения на входе, но при условии, что отношение давлений на дроссельной заслонке ниже, чем пороговое значение, находящееся обычно в области 0,9.

В блоках 13 и 14 электронный блок 10 управления корректирует вычисленное в блоке 12 значение массы воздуха, используя поправочные коэффициенты K _Pup и K_TO, и на выходе блока 14 он выдает массовый расход MAF_SV воздуха, поступающего в трубопровод 4.

Параллельно с описанной процедурой, выполняемой в блоках 11-14, в блоках 15-17 электронный блок 10 управления реализует другой алгоритм, основанный на так называемой модели «наполнения и опорожнения» («Filling & Emptying» model), подходящей для определения количества воздуха, протекающего в цилиндры двигателя, как функции открытия дроссельной заслонки 6 и частоты RPM вращения двигателя, подробно описанной в документах:

1) "Engine air-fuel ratio and torque control using secondary throttles", Proceedings of IEEE Conference on Decision and Control, by A.G. Stefanopoulou, J.W. Grizzle and J.S. Freudenberg, Orlando, USA, 1994, pages 2748-2753;

2) "Internal Combustion Engine Fundamentals", 1^st ed., J.B. Heywood, Me Graw-Hill, Inc., New York, USA, 1988.

В частности, с этой целью электронный блок 10 управления сначала вычисляет поправочный коэффициент K_Patm для давления P_down воздуха на выходе дроссельной заслонки 6 по следующей формуле:

где P_rif - эталонное атмосферное давление,

P_atm - атмосферное давление, которое может быть измерено, например, специальным датчиком, включенным в состав электронного блока 10 управления.

Далее, в блоке 15 электронный блок 10 управления корректирует давление P_down, используя поправочный коэффициент K_Patm, и, на основании угла открытия дроссельной заслонки 6, скорректированного значения P_down давления и частоты RPM вращения двигателя, в блоке 16 вычисляет расход , воздуха, поступающего в каждый цилиндр двигателя, и расход воздуха, протекающего через трубопровод 4, по следующим формулам:

где

Т₀ - температура воздуха на входе,

V₀ - объем впускного трубопровода,

V_cyl - объем, на который перемещается поршень в цилиндре,

RPM - частота вращения двигателя,

_vol - объемный КПД двигателя,

f - полиномиальная функция, полученная умножением эквивалентной площади A_eq на часть коэффициента C₁ утечек, которая зависит только от угла дроссельной заслонки 6,

g - полиномиальная функция, полученная умножением звукового коэффициента f_s на часть коэффициента C₁ утечек, которая зависит только от перепада давлений.

Модель «наполнения и опорожнения» может быть использована для определения расхода воздуха на входе с учетом изменений в рабочих характеристиках по типу действия объемного насоса, когда изменяется частота вращения двигателя. Указанные изменения имеют заметное влияние на массовый расход воздуха на входе, особенно для значений перепада давлений, очень близких к единице.

Модель «наполнения и опорожнения» также может быть использована для того, чтобы надлежащим образом воспроизводить изменение режима управления при управлении дроссельной заслонкой от электрического привода («управление по проводам», Drive-by-Wire), а именно переход от управления дроссельной заслонкой в качестве функции закона крутящего момента (в котором управление дроссельной заслонкой осуществляется косвенным образом, при использовании целевого значения крутящего момента, вычисляемого как функция запроса по мощности водителем, который, в свою очередь, вычисляется, исходя из положения педали акселератора), к управлению дроссельной заслонкой в качестве функции механического закона (при котором управление дроссельной заслонкой осуществляется непосредственно как функция положения педали акселератора).

В блоке 17 электронный блок 10 управления корректирует значение расхода воздуха, вычисленное в блоке 16, используя поправочный коэффициент K_TO, и, на выходе блока 17, выдает массовый расход MAF_FE воздуха, поступающего в трубопровод 4.

Как показано на фиг.2, в блоке 18 электронный блок 10 управления выбирает одно из значений MAF_SV и MAF_FE массового расхода воздуха, определенных согласно описанным выше алгоритмам, и на следующей стадии, которая не показана на фиг.2, использует выбранное значение для вычисления расхода топлива, которое должно быть впрыснуто в цилиндры двигателя.

В частности, выбор одного из значений MAF_SV или MAF_FE массового расхода воздуха осуществляется на основании сравнения между текущим перепадом давлений, определенным в блоке 11, и заранее установленным пороговым значением _tsh перепада давлений.

В конкретном случае электронный блок 10 управления выбирает массовый расход MAF_SV воздуха, определенный на основании уравнения Сен-Венана, если текущий перепад давлений ниже, чем пороговое значение _tsh, т.е. менее 0,9. В противном случае, если перепад давлений больше, чем пороговое значение _tsh, т.е. превышает 0,9 (за исключением случая гистерезиса, который также может быть подвергнут калибровке), электронный блок 10 управления выбирает массовый расход MAF_FE воздуха, определенный на основании модели «наполнения и опорожнения».

Те преимущества, которые могут быть получены настоящим изобретением, очевидны из анализа его характеристик.

Во-первых, благодаря применению двух различных алгоритмов вычисления и поправочных коэффициентов, предложенный способ всегда позволяет производить точное определение расхода воздуха на входе, вне зависимости от условий работы двигателя и от соотношения давлений на дроссельной заслонке. Кроме того, за счет подходящего выбора порогового значения _tsh перепада давлений, предложенный способ сводит к минимуму общее среднеквадратичное отклонение расчета, например, до величин менее 2%, и в нем получают намного меньшие пределы погрешности, чем минимальная погрешность в измерениях, выполняемых с использованием расходомера для воздуха.

Кроме того, предложенный способ относительно прост для осуществления, так как он не требует численных значений для коэффициентов, которые записываются непосредственно в центральный блок управления. Предложенный способ также устраняет потребность в расходомере для воздуха.

Наконец, из приведенного выше описания и иллюстраций очевидно, что возможны модификации и вариации без отступления от объема настоящего изобретения, изложенного в прилагаемой формуле изобретения.

Вместо двух датчиков давления, расположенных, соответственно, перед дроссельной заслонкой и после нее, может быть использован единственный датчик, например, для того, чтобы непосредственно определять перепад давлений воздуха между входом и выходом дроссельной заслонки.

В качестве альтернативы коэффициенты K_TO и K_Pup могут каждый раз пересчитываться электронным блоком 10 управления на основании хранимых эталонных значений.

В частности, очевидно, что настоящее изобретение не ограничено использованием в бензиновом двигателе с непрямым впрыском топлива, и может быть применено к любому двигателю внутреннего сгорания, оснащенному системой впуска воздуха.