Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА, ПОСТУПАЮЩЕГО ОТ РАСХОДОМЕРА ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗОВ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Изобретение относится к способу обработки сигнала, поступающему от расходомера измерения расхода газов в двигателе внутреннего сгорания, таким образом, чтобы определить количество воздуха, впускаемого в двигатель. Изобретение относится также к способу настройки системы обработки сигнала, поступающего от расходомера измерения расхода газов в двигателе внутреннего сгорания. Изобретение относится также к носителю информации, содержащему программное обеспечение для управления этими способами. Также изобретение относится к системе обработки, системе измерения, содержащей такую систему обработки, и к автотранспортному средству, содержащему такую систему обработки или такую систему измерения.

Будущие экологические нормы вынуждают автопроизводителей улучшать контроль за работой двигателя, то есть управлять двигателем более точно, чтобы снизить его влияние на окружающую среду. Для этого необходимо точно контролировать количество воздуха, подаваемого в камеры сгорания двигателя. Для этой цели используют воздушные расходомеры, измеряющие расход воздуха, питающего двигатель. Речь может идти о любом типе теплового двигателя внутреннего сгорания, в частности о тепловых двигателях внутреннего сгорания независимо от числа рабочих тактов, от способа впрыска и т.д. Таким образом, изобретение можно применять для:

- дизельных двигателей, с наддувом или без него, с любым типом воспламенения,

- бензиновых двигателей с управляемым зажиганием, с наддувом или без него, с любым типом воспламенения,

- двигателей с гибким выбором топлива, использующих смесь бензина и этанола в разных пропорциях,

- газовых двигателей.

В двигателе внутреннего сгорания расход (объемный или массовый) можно измерить при помощи датчика расхода, такого как расходомер или датчик давления. Необработанные сигналы, поступающие от датчика расхода, обрабатывают при помощи компьютерной программы, содержащейся в вычислительном устройстве или электронном блоке управления, при этом компьютерная программа позволяет обрабатывать сигналы и корректировать их, в частности фильтровать, чтобы получать надежные данные, которые можно использовать в алгоритмах управления двигателем. До этой обработки обычно используют картографию для преобразования электрических сигналов в физические данные расхода.

Принцип работы расходомера основан на измерении местной скорости в сечении расходомера, умноженной на площадь этого сечения. Однако этот принцип измерения расхода зависит от двух факторов:

- от профиля скорости в сечении, причем эта скорость не является постоянной вследствие аэродинамических явлений,

- от пульсации потока вследствие цикличной работы двигателя.

Кроме того, режим вращения двигателя и нагрузка являются двумя основными переменными, влияющими на форму пульсации потока, как показано на фиг.1, где представлены четыре кривые временных изменений скорости газов в патрубке двигателя при режимах вращения двигателя 800 об/мин, 1400 об/мин, 1700 об/мин и 2000 об/мин, причем все эти кривые относятся к одной нагрузке в 5 бар.

Для получения точного значения расхода можно использовать картографию, которая составлена в зависимости от нагрузки и от режима двигателя. Схема обработки сигнала, поступающего от расходомера, будет описана ниже со ссылками на фиг.2.

Расходомер 11 выдает электрический сигнал, имеющий частоту и напряжение, зависящие от расхода газа, проходящего через расходомер. Таким образом, частота сигнала является характеристикой расхода газа. Посредством счетчика 12 периодов определяют дискретное значение частоты. Затем при помощи средства 13 линеаризации дискретную частоту преобразуют в дискретный расход. Это средство линеаризации использует линеаризированную кривую расходомера, характеризующую значения расхода газа, проходящего через расходомер, в зависимости от частоты выходного сигнала расходомера. Дискретный расход воздуха является мгновенным значением, которое затем усредняют на половине оборота двигателя при помощи средства 14, затем фильтруют при помощи фильтра 15 первого порядка, чтобы получить на выходе фильтра 15 значение среднего расхода газа. Наконец, этот средний расход воздуха корректирует операционный блок 16, который использует для этой коррекции одно или несколько значений, получаемых из картографии 17. Эта картография 17 дает одно или несколько значений в зависимости от значения нагрузки двигателя и от значения режима вращения двигателя. Таким образом, можно получить точное значение расхода газа при любых значениях пары нагрузка-режим вращения двигателя.

Тем не менее, в будущем и уже в настоящее время в контуры впуска газов, используемых при работе двигателя, предусмотрено добавление различных воздействующих устройств, а именно клапанов и/или заслонок, которые в зависимости от своего положения определяют различные режимы или различные виды впуска в двигатель.

При этом режим впуска в двигатель уже определяется не только параметрами режима вращения двигателя и нагрузки двигателя, но также положениями этих воздействующих устройств. Например, для будущих проектов производства дизельных двигателей, отвечающих норме Евро 6, двигатели будут иметь два режима впуска:

- режим А, при котором рециркуляцию выхлопных газов EGR производят в контуре высокого давления впускного контура,

- режим В, при котором рециркуляцию выхлопных газов EGR производят в контуре низкого давления впускного контура.

При этом если используют описанную выше вычислительную схему после ее настройки, чтобы адаптировать ее для выдачи точных значений расхода газа, когда двигатель работает в режиме А, получают график, показанный на фиг.3. Следует заметить, что когда двигатель работает в режиме А, независимо от расхода воздуха, впускаемого в двигатель, погрешность измерения значения расхода, выдаваемого расходомером, находится в интервале +/-3%.

Однако следует заметить, что когда двигатель работает в режиме В, погрешность измерения значения расхода, выдаваемого расходомером, находится за пределами интервала +/-3% и достигает даже +/-10%, как показано на фиг.4.

Интервал погрешности +/-3% является допустимым пределом погрешности измерения расхода для проектов дизельного двигателя Евро 6.

Различные данные погрешностей предыдущих графиков получают посредством определения разности между расходами, измеренными при помощи расходомера, с получением данных при помощи описанной выше вычислительной схемы и расходами, измеренными при помощи контрольного расходомера, не чувствительного, например, к режимам впуска двигателя, причем этот контрольный расходомер использует анализ состава выхлопных газов двигателя.

Точно так же, вычислительную схему можно настраивать и адаптировать для получения точных значений расхода, когда двигатель работает в режиме впуска В. В этом случае, для требуемой точности не будут иметь уже значения расхода, измеряемые, когда двигатель работает в режиме А.

Одним из решений может быть настройка и адаптация вычислительной схемы по компромиссной логической схеме, чтобы она выдавала значения расхода, которые будут точными как при работе двигателя в режиме А, так и в режиме В. Однако при таком решении требуемой точности невозможно достичь ни в режиме А, ни в режиме В.

Из документа DE 19633680 известен способ коррекции сигнала, выдаваемого расходомером, используемым для измерения массового расхода воздуха в бензиновом двигателе. Расходомер измеряет количество свежего воздуха, впускаемого в двигатель, которое характеризует степень заполнения двигателя воздухом. Сигнал расхода воздуха, выдаваемый расходомером, делится на постоянную и осциллирующую части, чтобы сигнал, полученный на выходе, был необработанным сигналом расхода воздуха за один ход поршня, то есть характеристикой заполнения каждого цилиндра двигателя. Затем этот необработанный сигнал расхода воздуха за один ход поршня корректируют при помощи картографии, зависящей от углового положения дроссельной заслонки, от режима двигателя и от температуры впускаемого воздуха. Эта коррекция позволяет учитывать влияние температуры воздуха на заполнение двигателя за счет учета действительной температуры впускаемого воздуха в сравнении со стандартной температурой воздуха. Этот способ имеет недостатки. С одной стороны, коррекция в зависимости от режима двигателя и от температуры воздуха, впускаемого в двигатель, не позволяет избежать влияния пульсации волн давления во впускном контуре, которые оказывают влияние на заполнение двигателя. С другой стороны, коррекция является чувствительной к разбросам измерений, выдаваемых датчиком температуры и датчиком углового положения дроссельной заслонки.

Из патента US 6556929 известен способ коррекции сигнала, выдаваемого расходомером, посредством анализа характеристики среднего значения и амплитуды необработанного сигнала, выдаваемого этим расходомером. Коррекция, применяемая для необработанного среднего значения сигнала расходомера, зависит от продолжительности фазы впуска двигателя и от калиброванной картографии, которые, в свою очередь, зависят от среднего значения и от амплитуды необработанного сигнала, поступающего от расходомера. Этот способ коррекции имеет свои недостатки. С одной стороны, способ коррекции не учитывает пульсационные явления во впускном трубопроводе. С другой стороны, способ коррекции требует наличия больших вычислительных ресурсов.

Из патента US 7826925 известны два способа коррекции сигнала, поступающего от расходомера. Первый способ состоит в изменении линеаризированной кривой расходомера. Эти кривые, выражающие массовый расход воздуха, проходящего через расходомер, в зависимости от выдаваемого напряжения, корректируют в зависимости от пульсационного состояния воздушного потока. Второй способ состоит в коррекции погрешности, наведенной пульсацией двигателя, при помощи системы фильтрации сигнала, выдаваемого расходомером. Эта система фильтрации объединяет три фильтра (фильтр высоких частот, фильтр низких частот и полосовой фильтр) и средство калиброванного смещения. Каждый фильтр можно деактивировать независимо от других фильтров. Эта система фильтрации сглаживает необработанный сигнал, выдаваемый расходомером. Последнюю коррекцию применяют для сигнала, выходящего из системы фильтрации, при помощи картографии, зависящей от частотных характеристик сигнала. Эти способы имеют недостатки. С одной стороны, не дается ни одного метода идентификации скорректированной линеаризированной кривой расходомера и способ является сложным в применении в системе управления двигателем из-за аэроакустических явлений. С другой стороны, коррекция при помощи системы фильтрации позволяет сглаживать сигнал, выдаваемый расходомером, но не позволяет корректировать физическое влияние пульсационных явлений во впускном трубопроводе двигателя.

Описанные в этих документах способы ограничиваются сглаживанием пульсаций, наводимых двигателем.

Задача изобретения состоит в создании способа обработки сигнала, поступающего от расходомера, позволяющего устранить вышеупомянутые недостатки и усовершенствовать известные способы обработки. В частности, изобретением предлагается простой способ обработки, позволяющий добиваться точного измерения расхода воздуха, впускаемого в двигатель, при этом двигатель может работать на разных режимах впуска.

Согласно изобретению способ обработки сигнала, поступающего от расходомера измерения расхода газов в двигателе внутреннего сгорания, состоит в том, что сигнал обрабатывают согласно первой логической схеме, когда двигатель работает в первом режиме впуска, и в том, что сигнал обрабатывают согласно второй логической схеме, когда двигатель работает во втором режиме впуска.

Первый режим впуска может характеризоваться приведением в действие клапана EGR (рециркуляции отработавших газов) высокого давления.

Второй режим впуска может характеризоваться приведением в действие клапана EGR низкого давления.

Способ обработки может содержать этап преобразования электрической характеристики сигнала, поступающего от расходомера, в мгновенное значение расхода, причем этот этап преобразования осуществляют согласно первой логической схеме, когда двигатель работает в первом режиме впуска, и согласно второй логической схеме, когда двигатель работает во втором режиме впуска.

Способ обработки может содержать этап определения среднего значения таким образом, чтобы на основании значений единовременного расхода получить значение среднего расхода.

Способ обработки может содержать этап коррекции, чтобы на основании значения расхода получить его скорректированное значение, причем этот этап коррекции осуществляют согласно первой логической схеме, когда двигатель работает в первом режиме впуска, и согласно второй логической схеме, когда двигатель работает во втором режиме впуска.

Этап коррекции можно осуществлять при помощи значения, получаемого из картографии, причем это значение зависит от параметров двигателя, в частности от нагрузки и/или от режима вращения двигателя.

Согласно изобретению способ настройки системы обработки сигнала, поступающего от расходомера измерения расхода газов в двигателе внутреннего сгорания, содержит итерацию следующего этапа:

- определяют логическую схему обработки сигнала, поступающего от расходомера, чтобы получить значение расхода на всех режимах впуска, используемых двигателем.

Объектом изобретения является также носитель записи данных, который выполнен с возможностью считывания вычислительным устройством и на котором записана компьютерная программа, содержащая программные средства осуществления этапов описанного выше способа обработки.

Согласно изобретению система обработки сигнала, поступающего от расходомера измерения расхода газов в двигателе внутреннего сгорания, содержит материальные и/или программные средства осуществления описанного выше способа обработки или описанного выше способа настройки.

Согласно изобретению система измерения расхода газов в двигателе внутреннего сгорания содержит описанную выше систему обработки и расходомер.

Согласно изобретению автотранспортное средство содержит описанную выше систему обработки или описанную выше систему измерения.

Прилагаемые чертежи иллюстрируют принцип осуществления способа обработки в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.1 показан график, иллюстрирующий влияние режима вращения двигателя на расход воздуха, впускаемого в двигатель;

на фиг.2 показана схема обработки сигнала, поступающего от расходомера, для определения значения расхода воздуха;

на фиг.3 показан график, иллюстрирующий погрешность измерения при измерении расхода воздуха посредством данного расходомера, когда двигатель работает в первом режиме впуска, при этом система обработки сигнала, поступающего от расходомера, настроена и адаптирована к этому первому режиму впуска;

на фиг.4 показан график, иллюстрирующий погрешность измерения при измерении расхода воздуха посредством этого же расходомера, когда двигатель работает во втором режиме впуска, при этом система обработки сигнала, поступающего от расходомера, настроена и адаптирована к этому второму режиму впуска;

на фиг.5 показана схема обработки сигнала, поступающего от расходомера, для определения значения расхода воздуха, причем эта схема обработки выполнена в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.6 и 7 показаны этапы настройки схемы обработки или системы обработки в соответствии с настоящим изобретением, позволяющей обрабатывать сигнал, поступающий от расходомера, для получения точного значения расхода;

на фиг.8 и 9 показаны графики, иллюстрирующие погрешность измерения при измерении расхода воздуха посредством одного и того же расходомера, когда двигатель работает в первом режиме впуска и во втором режиме впуска, при этом схема обработки сигнала, поступающего от расходомера, настроена и адаптирована в соответствии с настоящим изобретением.

Далее со ссылками на фиг.5 следует описание осуществления системы 100 измерения расхода газов, в частности, впускных газов в двигателе внутреннего сгорания, в частности, двигателя внутреннего сгорания автотранспортного средства.

Система измерения расхода газов в основном содержит расходомер 21 и систему 101 обработки сигнала, например электрического сигнала, поступающего от расходомера.

В описываемом варианте осуществления от расходомера поступает циклический электрический сигнал. Частота этого электрического сигнала определяется расходом газов, измеряемым расходомером. Этот электрический сигнал поступает в систему обработки.

Первое средство 22 подсчета позволяет определить частоту электрического сигнала, поступающего от расходомера. На выходе из средства подсчета считывают это значение частоты. Его направляют в первое средство 23 линеаризации и во второе средство 24 линеаризации. Первое средство линеаризации позволяет преобразовать значение частоты в первое мгновенное или дискретное значение расхода, причем это преобразование осуществляют, предполагая, что двигатель внутреннего сгорания работает в первом режиме впуска. Второе средство линеаризации позволяет преобразовать значение частоты во второе мгновенное или дискретное значение расхода, причем это преобразование осуществляют, предполагая, что двигатель внутреннего сгорания работает во втором режиме впуска.

Оба мгновенных значения расхода поступают на порт 25, на выходе которого получают либо первое мгновенное значение расхода, либо второе мгновенное значение расхода в зависимости от того, работает двигатель в первом режиме впуска (режим А) или во втором режиме впуска (режим В). На этот порт 25 поступает электрический сигнал, например, логический. Значение этого сигнала определяется режимом впуска, в котором работает двигатель. Следовательно, он определяет, какое из двух значений расхода, выдаваемых первым и вторым средствами линеаризации, оказывается на выходе порта 25.

Средство 26 вычисления среднего значения позволяет вычислить среднее мгновенное значение расхода, полученного на выходе порта 25, за данный период, например за половину оборота коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.

Среднее значение, получаемое на выходе средства 26 вычисления, затем фильтруют при помощи средства 27 фильтрации, например, фильтра первого порядка. После этого среднее значение расхода поступает в средство 32 коррекции.

Средство 32 коррекции содержит, например, первое средство 29 определения значения поправки, например, посредством использования картографии, второе средство 30 определения значения поправки, например, посредством использования картографии, логический порт 31 и операционный блок 28 сложения. Первое средство 29 определения значения поправки использует параметры работы двигателя, например нагрузку и/или режим вращения двигателя для определения первого значения поправки. Точно так же, второе средство 30 определения значения поправки использует параметры работы двигателя, например нагрузку и/или режим вращения двигателя для определения второго значения поправки. Первое и второе значения поправки поступают на порт 31 так же, как и электрический сигнал, например, логический. Значение этого сигнала определяется режимом впуска, в котором работает двигатель. Следовательно, он определяет, какое из первого и второго значений поправки, выдаваемых первым и вторым средствами определения, оказывается на выходе порта 31 и выдается в операционный блок 28. Таким образом, это значение поправки складывают со значением среднего расхода воздуха, поступающим от средства 27 фильтрации, на уровне операционного блока 28, что дает на выходе операционного блока 28 скорректированное значение расхода воздуха.

Все средства системы обработки можно интегрировать в вычислительное устройство, содержащее носитель записи или выполненное с возможностью работы с носителем записи. Эти средства или некоторые из этих средств можно выполнить в виде компьютерных программ. Они позволяют управлять и/или применять устройство обработки, являющееся объектом настоящего изобретения.

Благодаря изобретению можно очень точно определять значения расхода газов, впускаемых в двигатель внутреннего сгорания.

Можно предусмотреть различные версии описанного выше варианта осуществления. Например, порты 25 и 31 могут находиться на входе средств 23, 24, 29, 30 таким образом, чтобы производить вычисление только одного мгновенного значения расхода или только одного значения поправки.

Точно также операционный блок 28 может быть оператором умножения. В этом случае значения, получаемые на выходе порта 31, будут уже соответствовать не значениям расхода, а безразмерным коэффициентам.

Наконец, понятно, что система обработки в соответствии с настоящим изобретением может управлять более чем двумя режимами питания. В этом случае она будет содержать более двух средств линеаризации, каждое из которых будет работать согласно разной логической схеме, и более двух средств определения значения поправки, каждое из которых будет работать согласно разной логической схеме. Таким образом, можно использовать одну логику обработки для каждого режима впуска.

Применение режима впуска зависит от различных задач, таких как очистка, регенерация фильтра-улавливателя частиц или наддув. Таким образом, эти режимы впуска соответствуют определенным состояниям двигателя, которые можно идентифицировать и которые определяют состояние логических сигналов, поступающих на порты 25 и 31. За счет этого можно связать с режимом впуска воздуха линеаризированную кривую и картографию коррекции расхода воздуха. Первый вариант питания характеризуется, например, подачей отработавших газов во впускной контур на входе компрессора (активация клапана EGR низкого давления), а второй вариант питания характеризуется, например, подачей отработавших газов во впускной контур на выходе компрессора (активация клапана EGR высокого давления). Предпочтительно различные режимы впуска различаются состоянием (открытое или закрытое) заслонки или клапана впускного контура. В варианте различные режимы впуска различаются состоянием (открытое или закрытое) воздушной заслонки на выходе компрессора или заслонки на входе воздушного фильтра. Предпочтительно различные режимы впуска не дифференцируются двумя приоткрытыми состояниями заслонки или клапана, такими, при которых заслонка приоткрыта на 30°, а клапан приоткрыт на 60°.

Благодаря системе обработки в соответствии с настоящим изобретением, получают следующие результаты:

Когда двигатель работает в режиме А, получают график, показанный на фиг.9. Следует отметить, что, когда двигатель работает в режиме А, при любом расходе воздуха, впускаемого в двигатель, погрешность измерения на значении расхода, выдаваемом расходомером, находится в интервале +/-3%.

Точно так же, когда двигатель работает в режиме В, получают график, показанный на фиг.8. При этом отмечается, что когда двигатель работает в режиме В, при любом расходе воздуха, впускаемого в двигатель, погрешность измерения на значении расхода, выдаваемом расходомером, находится в интервале +/-3%.

Объектом изобретения является также способ настройки системы обработки сигнала, поступающего от расходомера.

На первом этапе выбирают тип двигателя, предназначенного для работы с системой обработки сигнала, поступающего от расходомера, в соответствии с настоящим изобретением.

На втором этапе двигатель запускают для работы в первом режиме питания.

На третьем этапе обеспечивают устойчивую работу двигателя согласно первому набору значений параметров двигателя, например согласно первой паре значений нагрузка/режим вращения двигателя. На этом этапе измеряют и отмечают частоту F_hfm электрического сигнала, выдаваемого расходомером. Точно так же измеряют и отмечают значение контрольного расхода газов Q_ref, впускаемых в двигатель, причем это измерение осуществляют при помощи очень точной системы измерения расхода, не зависящей от расходомера. Измерение контрольного расхода можно, например, производить посредством измерения состава отработавших газов.

Третий этап повторяют определенное количество раз с разными значениями набора параметров двигателя, чтобы получить возможность построить график, показанный на фиг.6, где на оси абсцисс указана частота электрического сигнала, а на оси ординат - измеренный контрольный расход. Различные итерации третьего этапа позволяют определить правило, например математическое правило, связывающее значения частоты F_hfm и значения контрольного расхода Q_ref. Это правило будет использовано в средстве линеаризации, которое будет применяться, когда двигатель будет работать в первом режиме питания.

На четвертом этапе для каждой точки работы, использованной на предыдущем этапе, на основании частоты F_hfm сигнала, поступающего от расходомера, определяют значение расхода газов Q_hfm, получаемое при помощи определенного ранее правила. Затем определяют разность между этим последним значением расхода и значением контрольного расхода Q_ref. Отмечают эту разность и значения набора параметров двигателя, позволивших получить частоту F_hfm.

Четвертый этап повторяют для всех точек работы двигателя, чтобы получить возможность построить картографию, показанную на фиг.7, где на оси абсцисс показан режим двигателя, на оси ординат - нагрузка, а сбоку - разность между значением расхода газов Q_hfm и значением контрольного расхода газов Q_ref. Различные итерации четвертого этапа позволяют определить правило (предпочтительно картографию), например математическое правило, связывающее наборы значений параметров, определяющие точки работы, и разности расхода. Это правило будет использовано в средстве коррекции, которое будет применяться, когда двигатель будет работать в первом режиме питания.

Этапы со второго по четвертый повторяют для всех режимов впуска, которые могут использоваться для двигателя.

После этого различные правила и картографии сохраняют в памяти системы обработки сигнала, поступающего от расходомера. Таким образом, сигнал, поступающий от расходомера, можно обрабатывать согласно соответствующей логической схеме в зависимости от режима питания двигателя.

Преимущество заявленного способа обработки сигнала состоит в том, что данный способ позволяет расходомеру, измеряющему расход воздуха, впускаемого в двигатель, выдавать точные измерения расхода воздуха, когда этот двигатель может работать на нескольких разных режимах впуска.